5. Vorlesung Optische Koordinatenmesstechnik Unsicherheitsmodelle & Qualitätsfähigkeit in der Optischen Koordinatenmesstechnik

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1 5. Vorlesung Optische Koordinatenmesstechnik Unsicherheitsmodelle & Qualitätsfähigkeit in der Optischen Koordinatenmesstechnik Prof. Dr. Dietrich Hofmann Steinbeis-Transferzentrum Qualitätssicherung und Qualitätsmesstechnik

2 Lernziele Kennenlernen der Abhängigkeit zwischen Geräte-, Maschinen- und Prozessfähigkeit. Erkennen, dass durch Normen wie VIM und GUM die Unsicherheitsmodelle Typ A und Typ B festgeschrieben wurden. Verstehen, dass Messunsicherheit schrittweise in die Produktion kommt. Verstehen, dass sechs Sigma praktisch beherrschte Qualität bedeutet. Können: Berechnung von Kenngrößen zur Beurteilung der Qualitätsfähigkeit von Geräten, Maschinen und Prozessen durch Anwendung von Normen und Richtlinien.

3 Gliederung 1. Was sind Geräte-, Maschinen-und Prozessfähigkeit? 2. Mit welchen Unsicherheitsmodellen wird in VIM & GUM gearbeitet? 3. Wie kommt die Messunsicherheit in die Produktion? 4. Wie werden Mittelwert und Standardabweichung berechnet? 5. Welche Faustregeln gibt es für beherrschte Qualität? 6. Was bedeutet sechs Sigma oder 6σ oder praktisch beherrschte Qualität? 7. Praktisches Beispiel für die Ermittlung der Messprozessfähigkeit. 8. Achtung: Kritische Bemerkungen 9. Zusammenfassung & Schlussfolgerungen. 10. Vorbereitung Praktikum OKM

4 1. Was sind Geräte-, Maschinen- und Prozessfähigkeit? Gerätefähigkeit Cg gauge capability Maschinenfähigkeit Cm machine capability Prozessfähigkeit Cp process capability Maß für ein Messmittel, dass Messungen an kalibrierten Meßobjekten bei vorgegebener Spezifikation richtig (genau) und sicher (präzise) sind. Maß für eine Maschine, dass Standardmusterprodukte bei vorgegebener Spezifikation richtig und sicher produziert werden. Maß für einen Prozess, dass beliebige, vorgegebene Produkte bei vorgegebener Spezifikation richtig und sicher produziert werden.

5 1.1 Wie wird die Unsicherheit bei Messgeräten, Maschinen und Prozessen gekennzeichnet? A ist: nicht fähig B ist: nicht beherrscht C ist: beherrscht und fähig Bildquelle: Sebastian Beetz, Robert Roithmeier, Albert Weckenmann: Ausbildungskonzept Koordinatenmesstechnik AUKOM. QFM, FQS 2002

6 1.2 Was ist der Unterschied zwischen Präzision (Fähigkeit) und Genauigkeit (Beherrschung)? Bildquelle: Dietrich Hofmann: Handbuch Messtechnik und Qualitätssicherung. 3. Aufl. Berlin: Verlag Technik 1986

7 1.3 Welche grundsätzlichen Prozessverläufe sind zu erwarten?

8 1.4 Welche Auswirkungen hat die Messunsicherheit?

9 2. Mit welchen Unsicherheitsmodellen wird in VIM & GUM gearbeitet? Unsicherheit Typ A Unsicherheit Typ B Bildquelle: Ralph-Peter Kapsch: Messabweichungen und Unsicherheitsbudget 169. PTB-Seminar [

10 2.1 Was sind VIM und GUM? ISO/IEC Guide Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM:1995) ISO/IEC Guide 98-3:2008 einheitlich, universell anwendbar, transparent, nachvollziehbar, konsistent Quelle Rechts: Quelle Links:

11 2.2 Wie werden GUM Typ A und GUM Typ B praktisch gehandhabt? Typ A Typ B rein formale statistische Analyse der Messwerte durch Ermittlung des Mittelwertes und der empirischen Standardabweichung. Keine statistische Analyse. Basiert auf Schätzungen aus Erfahrungswissen wie: Informationen aus früheren Messungen ähnlicher oder gleicher Art Kenntnisse über grundsätzliches Verhalten von Messobjekten, Messmitteln, Messumwelt & Messpersonen Daten aus Kalibrierscheinen und Zertifikaten mit nachvollziehbarer Herkunft Referenzdaten von Herstellern und/oder Aussagen in der Fachliteratur

12 2.3 Wie ist die Messunsicherheit in VIM & GUM definiert? Messunsicherheit Standard- Messunsicherheit Erweiterte Standardmessunsicherheit Die Messunsicherheit (uncertaintiy of measurement), auch als Ergebnisunsicherheit benannt, wird im Ergebnis einer Messung beigeordnet und drückt aus, dass der Wert der gemessenen Größe unter den Bedingungen der Messung mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit innerhalb eines bestimmten Werteintervalls liegt. Standardabweichung (standard deviation) der Messung mit dem Messgerät : u(y) = s g y=mittelwert Bereich um das beste Messergebnis, in dem ein großer Anteil der Verteilung der Werte zu erwarten ist, die der Messgröße vernünftigerweise zuordenbar sind: U = k uc(y) k=vertrauensniveaufaktor Quelle: Gerhard Linß: Qualitätsmanagement für Ingenieure. 3. Auflage. Leipzig: Fachbuchverlag 2011, Kapitel 13

13 2.4 Wie sind messtechnische Begriffe in DIN 1319 definiert? Messgröße DIN 1319, 1.1 Messung DIN 1319, 2.1 Messwert DIN wahrer Wert DIN 1319, 1.3 Messabweichung DIN 1319, 3.5 zufällige Messabweichung DIN 1319, systematische Messabweichung DIN 1319, Erwartungswert DIN 1319, 3.3 Physikalische Größe, der die Messung (2.1) dient Ausführen von geplanten Tätigkeiten zum qualitativen Vergleich der Messgröße (1.1) mit einer Einheit Wert, der zur Messgröße (1.1) gehört und der Ausgabe (3.1) eines Messgerätes (4.1) oder einer Messeinrichtung (4.2) eindeutig zugeordnet ist. Anmerkung: Der Messwert x setzt sich zusammen aus xw wahrer Wert, er zufällige und es systematische Messabweichungen Wert der Meßgröße (1.1) als Ziel der Auswertung von Messungen (3.1) der Meßgröße (1.1) Abweichung eines aus Messungen gewonnenen und der Meßgröße (1.1) zugeordneten Wertes vom wahren Wert (1.3) Abweichung des unberichtigten Messergebnisses (3.4.1) vom Erwartungswert (3.3) Abweichung des Erwartungswertes (3.3) vom wahren Wert (1.3) Wert, der zur Messgröße (1.1) gehört und dem sich das arithmetische Mittel der Messwerte (3.2) der Messgröße mit steigender Anzahl der Messwerte nähert, die aus Einzelmessungen (2.1) unter denselben Bedingungen gewonnen werden können. Quelle:

14 2.5 Wie sind messtechnische Begriffe in VDI/VDE 2617 Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten definiert? Längenmessunsicherheit VDI/VDE 2617 Blatt 6, aufgabenspezifische Messunsicherheit VDI/VDE 2617 Blatt 7, 4 Unsicherheit, mit der ein Koordinatenmessgerät den Abstand zweier Punkte bestimmt, die sich auf parallelen Flächen oder Kanten gegenüberliegen. Der Grenzwert E der Längenmessunsicherheit wird als längenabhängige Größe: Ei = Ai + Ki L Bi angegeben. A, K und B sind Konstanten, L ist die gemessene Länge und i die Anzahl der in die Messung einbezogenen Geräteachsen Die simulierte Messung sollte der realen Messung in ihren meßtechnisch Relevanten Parametern möglichst ähnlich sein. Die Standardunsicherhit eines Messergebnisses y setzt sich zusammen aus der Unsicherheit usim, die durch die Simulation ermittelt wurde und den Unsicherheiten ui aus den Einflußgrößen, die nicht in der Simulation berücksichtigt werden und manuell abgeschätzt werden. kombinierte Standardunsicherheit VDI/VDE 2617 Blatt 7, 4 Die kombinierte Standardunsicherheit berechnet sich aus Diese Standardunsicherheit kann durch Erweiterungsfaktoren auf das gewünschte Vertrauensniveau gebracht werden. Im allgemeinen gilt U = 2 uc für ein Vertrauensniveau von 95%. Quelle:

15 3. Wie kommt die Messunsicherheit in die Produktion? Bildquelle: Theo Hageney: OVCMM Wie sicher ist das Messergebnis an Ihrem Werkstück? Sinsheim: Control 2003

16 3.1 Welche messtechnischen Modelle werden in DIN verwendet? Symbol uc Standardunsicherheit aus der im Kalibrierschein angegebenen Unsicherheit der Kalibrierung des kalibrierten Werkstücks up aus dem Meßprozeß mit uw U aus Werkstoff- und Produktionsstreuungen aufgrund der Streuungen von Ausdehnungskoeffizient, Formabweichung, Rauheit, Elastizität und Plastizität erweiterte Meßunsicherheit einer jeden gemessenen Größe k Erweiterungsfaktor k = 2 für eine Überdeckungswahrscheinlichkeit von 95% E n systematische Abweichung zwischen dem angezeigten Wert yi des KMG und dem Kalibrierwert xcdes kalibrierten Werkstücks Anzahl der Meßwerte einer Meßreihe unter Wiederholbedingungen Quelle:

17 3.2 Welche Bedeutung haben die Formelzeichen in DIN ?

18 3.3 Welche Zuordnung von Fehler-einflüssen empfiehlt DIN ?

19 4. Wie werden Mittelwert xquer und Standardabweichung s berechnet? xi aufgenommene Messwerte, n Anzahl der aufgenommenen Messwerte

20 4.1 Wie wird die normale Fähigkeit praktisch berechnet?

21 4.2 Wie wird die kritische Fähigkeit praktisch berechnet?

22 4.3 Mit welchen stillschweigenden Voraussetzungen wird gearbeitet? 1. Δs, Δg << Δr sg<<sm<<sp Bei Ermittlung der Fähigkeiten von Mess-mitteln (Geräten), Maschinen und Prozessen sind ihre systematischen (systematic) Abweichungen Δs und groben (gross) Abweichungen Δg wesentlich kleiner als ihre zufälligen (random) Abweichungen Δr Als Maß für die zufälligen Abweichungen wird unabhängig von der Verteilungsform die Standardabweichung s verwendet. Bei der Ermittlung der Fähigkeiten von Maschinen und Prozessen sind die zufälligen Abweichungen der Messmittel sg wesentlich kleiner als die zufälligen Abweichungen der Maschinen sm und Prozesse sp

23 5. Welche Faustregeln gibt es für beherrschte Qualität? Prozessfähigkeit Cp Cp = Tp / 6 s 1,33 Maschinenfähigkeit Cm Cm = Tp / 6 s 1,67 Messgerätefähigkeit Cg Cg = (0,1 0,2) Tp / 6 s 1,33

24 5.1 Wie erfolgt die normenähnliche Berechnung der Messmittelfähigkeit?

25 5.2 Was bedeutet die Messprozessfähigkeit für die Praxis?

26 5.3 Wie groß sind die verfügbaren Spezifikationsbereiche? Bildquelle: Franz Wäldele: Bestimmen der Messunsicherheit durch Simulation. Das virtuelle KMG. Sinsheim: Control 2002

27 6. Was bedeutet Six Sigma oder 6σ oder praktisch beherrschte Qualität? Die in USA besonders beliebte 6-sigma-Methode zur Stabilisierung der Qualitäts-Produktion ist identisch mit allen Modellen, die auf dem Verhältnis von Toleranz T zu Standardabweichung s beruhen und dabei T/6s für die Beurteilung der Qualitätsfähigkeit ansetzen. Bildquelle: Dietrich Hofmann: Rechnergestützte Qualitätssicherung. Heidelberg: Dr. Alfred Hüthig Verlag 1989

28 6.1 Welche Auswirkungen hat die Prozessfähigkeit in der Praxis? (±1) (±2) (±3) (±4) (±5) (±6) (±9) (±12)! stillschweigende Voraussetzung: Streuung ist normalverteilt

29 6.2 Was sind besondere sehr gute Fähigkeiten von Prozessen?

30 6.3 Welchen Einfluss haben Fertigungs-und Messunsicherheit auf die Annahme? Bildquelle: Ralf Christoph und Hans Joachim Neumann. Multisensor-Koordinatenmesstechnik. Produktionsnahe optischtaktile. Maß-, Form- und Lagebestimmung. Landsberg/Lech: Verlag moderne Industrie 2003

31 6.4 Welchen Gewinn bringen genaue (beherrschte) & präzise (fähige) Messprozesse? Bildquelle: Ralf Christoph und Hans Joachim Neumann. Multisensor-Koordinatenmesstechnik. Produktionsnahe optischtaktile. Maß-, Form- und Lagebestimmung. Landsberg/Lech: Verlag moderne Industrie 2003

32 7. Praktisches Beispiel für die Ermittlung der Messprozessfähigkeit Die Ermittlung der Messprozessfähigkeit eines Messmittels mit einem Messnormal dient der Ermittlung der Wiederholpräzision. Das kalibrierte Normal wird von einer qualifizierten Messperson am Einsatzort des Messmittels wiederholt positioniert und gemessen. Der Nennwert des Messnormals sollte auf dem Mittenwert der Merkmalstoleranz des zukünftigen Prüflings liegen. 7,97 8,00 8,03 links: UTG = 7,97 untere Toleranzgrenze mittig: TMW = 8,00 Toleranzmittenwert, Sollwert rechts: OTG = 8,03 obere Toleranzgrenze Bildquelle: Gerhard Linß: Training Qualitätsmanagement. Leipzig: Fachbuchverlag 2003, Kap. 5

33 7.1 Welche Funktionselemente hat ein optisches Koordinatenmessgerät?

34 7.2 Programmablaufplan für die Ermittlung der Messprozessfähigkeit OGW oberer Grenzwert der Toleranz, UGW unterer Grenzwert der Toleranz, NGW Nullgrenzwert nw Anzahl der Messungen unter Wiederholbedingungen, sw Standardabweidhung der Wiederholungsmessungen. Bild: Fähigkeit von Mess- und Prüfprozessen, Heft 10 "Qualitätssicherung in der Bosch-Gruppe"

35 7.3 Prüfprotokoll zur Ermittlung der Messprozessfähigkeit Quelle: Gerhard Linß: Qualitätsmanagement für Ingenieure. 3. Auflage. Leipzig: Fachbuchverlag 2011, Kapitel 13

36 8. Achtung: Kritische Bemerkung Für die Angabe von genauen und präzisen Messergebnissen von optischen Koordinatenmessungen sind Messabweichungen gegen-wärtig grundsätzlich im ursprünglichen Sinne des Wortes "fragwürdig". Für vergleichende Untersuchungen von KMG sind dokumentierte exakte Angaben über Vorbereitung, Durchführung und Auswertung der Messungen zugrunde zu legen. Die verwendete Sensortechnik muß unbedingt spezifiziert werden. Optische Sensoren in Meßposition nach VDE/VDE 2617 Blatt 6.1 Pkt 3 a) Fadenkreuz/Auge, b) Tastauge, c) Kreis-Kreisring-Sensor, d) elektronische Kamera

37 8.1 Chromstrukturen zur Kalibrierung Für die Kalibrierung von Bildverarbeitungssystemen werden bevorzugt Chromstrukturen mit optisch "flachen" Kanten verwendet. Die Forderung nach großer Ähnlichkeit zwischen Messobjekt und Normal wird bei Messungen in Labor und Industrie selten erfüllt. Technische Produkte haben in der Regel optisch "hohe" Kanten.

38 8.2 EMVA Standard 1288 Standard for Characterization of Image Sensors and Cameras Release Candidate November 5, EMVA rc.pdf

39 9. Zusammenfassung & Schlussfolgerungen 1. An Beispielen wurde gezeigt, dass Normen keine Gesetze sind, aber dennoch international respektiert werden und großen wirtschaftlichen Nutzen stiften. 2. Die Unterschiede zwischen Präzision und Genauigkeit sowie zwischen Unsicherheit Typ A und Typ B sind qualitätsentscheidend. 3. Für Prozess-, Maschinen-und Messmittelfähigkeiten werden qualitätsabhängige Grenzwerte definiert, die einzuhalten sind. 4. Die optische Koordinatenmesstechnik unterliegt zahlreichen Einflussgrößen, die aufmerksam ermittelt und im Messergebnis berücksichtigt werden müssen.

40 10. Vorbereitung Praktikum OKM

41 10.1 Datum/Uhrzeit/Ansprechpartner Termin: Freitag , 9:00 bis 16:00 Uhr Haupteingang Zeiss Gebäude Mahr OKM GmbH, Carl-Zeiss-Promenade 10, D Jena Die fachliche Anleitung erfolgt durch: Herr Dipl.-Ing. Wilfried Wagner V1 ULM Herr Dipl.-Ing. Thomas Weske V2 ACCURE/TAURUS Herr Dipl.-Ing. Konrad Friedrich V3 UNI-VIS

42 10.2 Durchführung des Praktikums 1/3 Absicherung der Qualitätsfähigkeit durch den Maßanschluss von Arbeitsmessmitteln an das nationale Normal Durchführung einer Kalibrierung eines ULM OPAL. Aufstellen eines Messunsicherheitsbudgets und Berechnung der zum Messergebnis gehörenden Messunsicherheit. Anschluss eines Arbeitsmessmittels an das Normal höherer Genauigkeit.

43 10.3 Durchführung des Praktikums 2/3 Absicherung der Qualitätsfähigkeit durch die Analyse von Fehlereinflüssen bei optischen Längen- und Durchmesserbestimmungen Beurteilung von Herstellerangaben zu Wechsel- und Zoom-Objektiven für optische Koordinatenmessgeräte. Zuordnung von geeigneten Messmitteln zu Messaufgaben aufgrund der einzuhaltenden Toleranzanforderungen.

44 10.4 Durchführung des Praktikums 3/3 Absicherung der Qualitätsfähigkeit durch die Ermittlung der Messmittelfähigkeit von optischen Koordinatenmessgeräten am Beispiel eines zylindrischen Arbeitsnormals Ausarbeitung von Messstrategien sowie Entwicklung von Messprogrammen für die Berechnung von Kenngrößen. Beurteilung der Qualitätsfähigkeit von optischen Koordinatenmessgeräten Anwendung der mathematischen Auswertefunktionen und grafischen Darstellungen in MS Excel.

45 10.5 Praktikumsunterlagen Die Unterlagen zum Praktikum finden Sie unter Praktikum 00 Anleitungen zum Umgang mit den optischen Koordinatenmessgeräten und deren Softwaremodulen OSPREY & HAWK Praktikum 01 Absicherung der Qualitätsfähigkeit durch den Maßanschluss von Arbeitsmessmitteln an das nationale Normal Praktikum 02 Absicherung der Qualitätsfähigkeit durch die Analyse von Fehlereinflüssen bei optischen Längen- und Durchmesserbestimmungen Praktikum 03 Absicherung der Qualitätsfähigkeit durch die Ermittlung der Messmittelfähigkeit von optischen Koordinatenmessgeräten am Beispiel eines zylindrischen Arbeitsnormals Protokoll 02 Absicherung der Qualitätsfähigkeit durch die Analyse von Fehlereinflüssen bei optischen Längen- und Durchmesserbestimmungen Protokoll 03a Messsystem- und Messmittelfähigkeitsuntersuchung CgCgk Verfahren Protokoll 03b Messsystem- und Messmittelfähigkeitsuntersuchung CgCgk Verfahren

46 10.6 Vorstellung des Praktikumsbetriebes Firmenname Mahr OKM GmbH Firmensitz Carl-Zeiss-Promenade 10, D Jena Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) URL Standort Jena Gründung 1997 Mitarbeiter 35 Kompetenzzentrum für alle Systeme, Bereiche und Lösungen der Kernkompetenzen Verzahnungsmesstechnik und Werkzeugmesstechnik. Entwicklung, Anwendungstechnik, Montage und Vertrieb. Produktlinien und individuelle Kundenlösungen der Verzahnungsmesstechnik: MarGear MarVision Systeme mit Komponenten Mulitsensorik für hochgenaue Messungen komplexer Präzisionswerkzeuge: & - ACCURE Systemlösungen - UNI-VIS - TAURUS Beratung & Service - Hochkomplexe Programmtechnik HAWK und OSPREY zur Definition, Bemaßung, Messung und Auswertung von hochgenauen Mess- und Bearbeitungswerkzeugen. Zertifizierte Verzahnungssoftware MARGEAR - Auftragsmessungen für Kunden.

47 10.7 Auswertung des Praktikums/Testat

48 10.8 Datum/Uhrzeit/Betreuer Termin: Freitag , 9:00 bis 16:00 Uhr Haupteingang Zeiss Gebäude Jena Mahr OKM GmbH, Carl-Zeiss-Promenade 10, D Jena Die fachliche Anleitung erfolgt durch: Herr Dipl.-Ing. Wilfried Wagner V1 ULM Herr Dipl.-Ing. Thomas Weske V2 ACCURE/TAURUS Herr Dipl.-Ing. Konrad Friedrich V3 UNI-VIS

49 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Sie erreichen mich 24/7/365 unter: Telefon: +49 (0) Telefax: +49 (0) Mobil: +49 (0) Skype: hofmann33 Die Vorlesungsskripte können Sie unter herunterladen.