Fertigungsmesstechnik

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1 Fertigungsmesstechnik

2 Claus P. Keferstein Michael Marxer Fertigungsmesstechnik Praxisorientierte Grundlagen, moderne Messverfahren 8., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage

3 Claus P. Keferstein Werdenberg, Schweiz Michael Marxer Nendeln, Liechtenstein ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Alle in diesem Buch enthaltenen Verfahren bzw. Daten wurden nach bestem Wissen dargestellt. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund sind die in diesem Buch enthaltenen Darstellungen und Daten mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autoren und Verlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieser Darstellungen oder Teilen davon entsteht. Springer Fachmedien Wiesbaden 1990, 1993, 1996, 2002, 2005, 2008, 2011, 2015 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Lektorat: Thomas Zipsner Unter Mitarbeit von: Professor Dr. Carlo Bach und Professor Dr.-Ing. Andreas Ettemeyer Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

4 Farbkonzept der Bilder Um die Lesbarkeit und Verständlichkeit der Bilder zu erhöhen, wurden folgende Vereinbarungen getroffen: Optische Komponenten, wie z.b. Linsen, Spiegel, Prismen. Optische Komponenten, die nicht durchlässig sind, wie z.b. Spiegel sind dunkler, optische Komponenten, die durchlässig sind, wie z.b. Linsen, halbdurchlässige Spiegel sind heller. Werkstück, auf das der Messprozess angewendet wird Strahlengang, Weißlicht, Laserlicht ist rot Maßverkörperungen, Normale Tastelement von Messkopfsystemen (Kugel, Messflächen) Monochromatisches Licht (Laser), wird heller bei Aufweitung V

5 Vorwort Dieses Lehr- und Fachbuch, das jetzt in seiner 8. Auflage erscheint, hat schon eine lange Tradition. Es entstand aus der Vorlesung Fertigungsmesstechnik von Prof. h. c. Dr.-Ing. Wolfgang Dutschke an der Universität und an der Berufsakademie in Stuttgart. Es wird seit vielen Jahren an einer ganzen Reihe von Hochschulen in Deutschland, der Schweiz und Österreich verwendet. Das bewusst knapp gehaltene Buch ist heute nicht nur ein verlässlicher Begleiter bei der Ingenieur-, sondern auch bei der betrieblichen Ausbildung. Ältere Auflagen wurden ins Niederländische, Litauische und ins Chinesische übersetzt. Es vermittelt die Grundlagen der Fertigungsmesstechnik und gibt einen Überblick über die wichtigsten Verfahren und Geräte. Es ist als Lehr- und Fachbuch für den Praktiker gedacht und verzichtet deshalb weitestgehend auf theoretische Betrachtungen und spezielle Verfahren. Ein ausführliches Sachwortverzeichnis dient der Verwendung als Nachschlagewerk. Das Literaturverzeichnis konzentriert sich auf weiterführende Literatur. Besonderer Wert wird auf ein aktuelles Verzeichnis von Normen und Richtlinien gelegt, um dem Leser eine effiziente Vertiefung zu ermöglichen. Die 8. Auflage erscheint in völlig neuer Aufmachung und mit neuen Inhalten. Dr.-Ing. Michael Marxer wurde als weiterer Autor gewonnen. So kann die Kontinuität des Buches langfristig gesichert werden. Das Buch ist nun sowohl in der gewohnten Buchform als auch als e-book erhältlich. Das neue Layout wurde noch lesefreundlicher gestaltet. Ein neues Element Merksätze hebt besonders wichtige Inhalte hervor. Der bewährte Aufbau des Buches wurde beibehalten. Die Autoren haben jedoch zahlreiche Anregungen von Fachkollegen und Studierenden aufgenommen. So wurden die Kapitel Koordinaten-, Oberflächen- und Mikromesstechnik sowie berührungslos-optische Verfahren erweitert. Ferner sind neue Aspekte zur Rolle der modernen Fertigungsmesstechnik in einer beherrschten und wirtschaftlichen Produktion und Ausbildung eingegangen. Ein neues Glossar konzentriert jetzt die Erklärung wichtiger Begriffe an einer Stelle. Ganz besonderer Dank gilt meinem Kollegen und Gönner Prof. h. c. Dr.-Ing. Wolfgang Dutschke. Er hat dieses Buch vor 25 Jahren ins Leben gerufen und die Inhalte mit großem Engagement weiter entwickelt. Als Hochschullehrer konnte er mir schon als Student die Faszination der Messtechnik vermitteln. Seit der 4. Auflage hat Claus P. Keferstein die Ehre, an der Weiterentwicklung dieses Buches mitwirken zu dürfen. Mit der 7. Auflage hat sich Prof. h. c. Dr.-Ing. Wolfgang Dutschke aus der aktuellen Überarbeitung zurückgezo- VII

6 VIII Vorwort gen. Dir, lieber Wolfgang, wünsche ich weiterhin alles Gute. Die Fertigungsmesstechnik hat Dir viel zu verdanken. Dank gebührt auch MSc. Alexander Schöch, BSc. FHO Roman Kuster, Prof. Dr.-Ing. Andreas Ettemeyer, Prof. Dr. Carlo Bach und Prof. Dr. Jakob Jütz. Ihre fachlichen Beiträge und ihr redaktionelles sowie organisatorisches Engagement haben maßgeblich zum Gelingen der Neuauflage beigetragen. Die Autoren danken nicht zuletzt dem Lektorat Maschinenbau des Springer Vieweg Verlag, Frau Ellen Klabunde und Herrn Thomas Zipsner für die jahrelange und vertrauensvolle Zusammenarbeit und das gemeinsame Bemühen, den Verkaufspreis des Buches studierendenfreundlich zu halten. Die Autoren freuen sich auch künftig auf weitere Fragen, Anregungen und Kritiken zur Struktur, zum Text und den Bildern aus dem interessierten Leserkreis. Buchs, Schweiz, 30. November 2014 Prof. Dr.-Ing. Claus P. Keferstein Dr.-Ing. Michael Marxer

7 Abkürzungsverzeichnis 1D Eindimensional 2,5D Zwischen 2- und 3-dimensional 2D Zweidimensional 3D Dreidimensional Temperaturausdehnungskoeffizient A Act (Demingkreis) A Faktor im Zusammenhang mit der Messunsicherheit in der Koordinatenmesstechnik A/D Analog/Digital AFH Adaptive Frequency-Hopping Abw. Abweichung AKF Autokollimationsfernrohr ANOVA Analysis of variance (Varianzanalyse) AQL Acceptable quality level (Annehmbare Qualitätsgrenzlage) ARM Average and Range Method (Mittelwert-Spannweiten-Methode) AV Appraiser-Variation (Benutzereinfluss) BGV Vorschrift für Sicherheit und Gesundheit in Deutschland (früher VBG) C Celsius (Temperatur, Maßeinheit), Check (Demingkreis) CAD Computer-aided design (computergestützte Konstruktion) CCD Charge-coupled device (Ladungskoppelndes Bauteil) CLDATA Cutter Location Data CCIR Consultative Committee for International Radio (neu: ITU-R) CFK Kohlefaserverstärkter Kunststoff CGPM Conference Generale des Poids et Mesures, Paris CIRP Internationale Forschungsgemeinschaft für Produktionssysteme C m Machine capability (Potential, Kurzzeitfähigkeit) C mk Critical machine capability CMM Coordinate Measuring Machine CMOS Complementary metal oxide semiconductor CMTrain Name des Vereins Training for Coordinate Metrology CNC Computerized numerical control IX

8 X C p C pk CT D DAkkS DC Motor DGQ DIN DKD DMD DMIS DSP DXF EAL EFQM EIA EN etc EU EUKOM EV f G f K FMEA FMT FOV f R fu FuLT fw G G ges GPS GPS GUM H h H Hz IEEE IGES Abkürzungsverzeichnis Process capability (Potential, Prozessfähigkeit) Critical process capability Computertomografie Do (Demingkreis) Deutsche Akkreditierungsstelle Direct current motor (Gleichstrommotor) Deutsche Gesellschaft für Qualität Deutsches Institut für Normung Deutscher Kalibrierdienst Digital Micromirror Device Dimensional Measuring Interface Standard Digitaler Signalprozessor Drawing Exchange/Interchange Format European Cooperation for Accreditation of Laboratories European Foundation for Quality Management Electronic Industries Alliance in Arlington, Virgina, USA Europäische Norm Et cetera (und so weiter) Europäische Union/Gemeinschaft Name des EU-Projekts European Training in Coordinate Metrology Equipment Variation (Gerätestreuung) Geradheitsabweichung Rundheitsabweichung Failure Modes and Effects Analysis (Fehler Möglichkeits und Einfluss Analyse) Fertigungsmesstechnik Blickfeld (Field Of View) Rechtwinkligkeitsabweichung Messwertumkehrspanne Form- und Lagetoleranz Wiederholbarkeit, Fehler (veraltet) Fehlergrenze Gesamtabweichung Geometrische Produkt Spezifikation Globales Positionsbestimmungssystem (Global Positioning System) Guide to the expression of uncertainty in measurement Freimaßtoleranzen Form- und Lage, fein Stunde (hour) Spezielles Toleranzfeld bei Bohrungen Hertz, 1 Hz = 1/s = s 1 Institute of Electrical and Electronics Engineers Initial Graphics Exchange Specification

9 Abkürzungsverzeichnis XI IR ISO IT ITU ITU-R I++DME K k K K K khz KMG KMT Kreis E Kreis L Kreis M Kreis P Kreis R L L LI c s LAN LED ln lr LSCI LTS MCCI metas MICI Min mm mn MPEp MPE E MSA MTBF MV Industrieroboter International Organization for Standardization Toleranzangabe International Telecommunication Union Radiocommunication Bureau (Teil der ITU, früher: CCIR) Interface ++ Dimensional Measurement Equipment Faktor im Zusammenhang mit der Koordinatenmesstechnik Erweiterungsfaktor Freimaßtoleranzen Form- und Lage, mittel Korrektion Kelvin (Temperatur, Maßeinheit) Kilohertz = 1000 Hz = 1000 Hertz Koordinatenmessgerät Koordinatenmesstechnik Hüllbedingung Minimum Material Bedingung Maximum Material Bedingung Projizierte Toleranzzone Reziprozitätsbedingung Freimaßtoleranzen Form- und Lage, grob Messlänge Laserinterferometer Oberflächenmesstechnik, Filtereinstellung Oberflächenmesstechnik, Filtereinstellung Local area network (Lokales Computernetzwerk) Light-emitting diode (Licht aussendende Diode) Oberflächenmesstechnik, Gesamtmessstrecke Oberflächenmesstechnik, Einzelmessstrecke Least square circle (Ausgleichskreis nach Gauss) Lasertriangulationssensor Minimum circumscribed circle (kleinster umschreibender Kreis) Eidgenössisches Institut für Metrologie, nat. Metrologie-Behörde der Schweiz Maximum inscribed circle (größter einbeschriebener Kreis) Minute Millimeter Millinewton Maximum permissible error (höchstzulässige Antastabweichung) Maximum permissible error Measuring System Analyse Mean time between failure Messvorrichtung

10 XII Abkürzungsverzeichnis MZ Messzelle MZCI Minimum zone circle (Ausgleichskreis nach Tschebyscheff) N Newton (Kraft, Maßeinheit) NA Numerische Apertur NAVSTAR-GPS Navigational Satellite Timing and Ranging Global Positioning System NC Numerical Control OCR Optical character recognition (optische Zeichenerkennung) OEG Obere EingriffsGrenze OGW Oberer GrenzWert OSIS Optical Sensor Interface Standard OTG Obere Toleranzgrenze OVE/ÖVE Österreichischer Verband für Elektrotechnik P Antastabweichung P Plan (Demingkreis) PC Personal computer PE Parallelendmaß P-Kenngrößen Oberflächenmesstechnik, Primärprofil PM Prüfmittel PMM Prüfmittelmanagement P p Preliminary process capability (Potenzial Vorläufige Prozessfähigkeit) P pk Critical preliminary process capability ppm Part per million PTB Physikalisch Technische Bundesanstalt in Deutschland Q 101 Qualitätsmanagement-Richtlinie QFD Quality Function Deployment QM Qualitätsmanagement QRK Qualitätsregelkarten QuF Qualitätsprüfung und Fertigungsmesstechnik R Radius, Radien r Wiederholgrenze Ra Oberflächenmesstechnik, Kenngröße RC-Filter Oberflächenmesstechnik, Filtertyp R-Kenngrößen Oberflächenmesstechnik, Rauheitsprofil R&R Reproducability & Repeatability (Kenngrösse zur Beurteilung der Messgerätefähigkeit) Rp Oberflächenmesstechnik, Kenngröße RMS Root Mean Square (Quadratischer Mittelwert) Rq Oberflächenmesstechnik, Kenngröße RS 232 Datenschnittstelle RSm Oberflächenmesstechnik, Kenngröße Rt Oberflächenmesstechnik, Kenngröße Rv Oberflächenmesstechnik, Kenngröße

11 Abkürzungsverzeichnis XIII Rz Oberflächenmesstechnik, Kenngröße s Sekunde SAQ Swiss Association for Quality SAS Swiss Accreditation Service/Schweizerische Akkreditierungsstelle SCS Swiss Calibration Service SI System International (Internationales Einheiten System) Skt Skalenteil Skw Skalenteilwert SN Schweizer Industrienorm SPC Statistical process control SPS Speicher Programmierbare Steuerung STEP Standard For The Exchange Of Product Model Data SW Software Tp Passtoleranz TQM Total Quality Management t G Geradheitstoleranz t R Rechtwinkligkeitstoleranz U Messunsicherheit UEG Untere Eingriffsgrenze UGW Unterer Grenzwert UTG Untere Toleranzgrenze µm Mikrometer, 1 µm = 10 3 mm = 10 6 m USB Universal Serial Bus, Datenschnittstelle u. v. m. Und vieles mehr VDA Verband Deutscher Automobilhersteller VDAFS Verband Deutscher Automobilhersteller Flächenschnittstelle VDE Verein Deutscher Elektrotechniker VDI Verein Deutscher Ingenieure VDMA Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau VGA Video Graphics Array VIM International vocabulary of basic and general terms in metrology VL Luftgeschwindigkeit (Messräume) WECC Western European Calibration Cooperation WKS Werkstück Koordinaten System WLAN Wireless-Local area network WZM Werkzeugmaschine x Achsbezeichnung Xs Oberflächenmesstechnik, Kenngrößen y Achsbezeichnung z Achsbezeichnung z. B. Zum Beispiel Zst Ziffernschritt Zw Ziffernschrittwert

12 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Übersicht und Struktur des Buches Entwicklung der Fertigungsmesstechnik Fertigungsmesstechnik innerhalb des Produktlebenszyklus Ausbildung in der Fertigungsmesstechnik Stand der Ausbildung und Motivation Blended Learning als Ausbildungskonzept mit Zukunft Grundlagen der Fertigungsmesstechnik Grundbegriffe, Definitionen Messstrategien, Normen, Richtlinien und GPS Maße und Maßtoleranzen, Spezifikationen SI Einheitensystem Konstruktionsprinzipien, Freiheitsgrade, Abbeprinzip Maßverkörperungen,Laserinterferometer, Messsysteme Endmaße, Parallelendmaße, Rückführung Laserinterferometer, Rückführung Digitale Messsysteme für Länge und Winkel Messunsicherheit und deren Ursachen Bedeutung der Messunsicherheit Entscheidungsregeln beim Prüfen von Werkstücken Ursachen für Messunsicherheit Methoden zur Ermittlung der Messunsicherheit Korrekte Angabe von Messergebnissen Maßnahmen zur Verringerung der Messunsicherheit Vereinfachte Vorgehensweise Messunsicherheitsbestimmung, ein Beispiel aus der Praxis Messtechnik im Betrieb und Messraum Koordinatenmesstechnik Grundlagen XV

13 XVI Inhaltsverzeichnis Prinzipieller Aufbau von Koordinatenmessgeräten Bauarten und Automatisierungsgrad von Koordinatenmessgeräten Multisensorik, Messkopfsysteme, Sonderzubehör, Schnittstellen Rückführung, Überwachung, Normale, Messunsicherheit Form- und Lagemesstechnik Grundlagen Form- und Lagetolerierung Form- und Lagemessverfahren Rückführung, Überwachung, Normale, Messunsicherheit Oberflächen- und Konturmesstechnik Grundlagen Angabe von Rauheit auf Zeichnungen D-Rauheitsparameter D-Rauheitsparameter Filterung Wahl der Messbedingungen, Messstrategie Oberflächen- und Konturmessgeräte Rückführung, Überwachung, Normale, Messunsicherheit Mikro- und Nanomesstechnik, Abbekomparator Abbekomparator und Anwendungen Mikro- und Nanomesstechnik Messräume, Anforderungen, Gestaltung, Klimatisierung Grundlagen Kenngrößen und Klassifikation Architektur und Ausrüstung Fertigungsorientierte Messtechnik Messmittel und Lehren für Werkstatt und Produktion Lehren, Taylorscher Grundsatz Längenaufnehmer, Messsignal, Skalen- und Ziffernanzeige Messuhr und Feinzeiger, mechanisch Längenmessgeräte, induktiv, kapazitiv, magnetisch, optisch Längenmessgeräte, pneumatisch Messvorrichtungen/Mehrstellenmesstechnik Baukastensysteme für Messvorrichtungen Messautomaten, Messzellen und Automatisierungstechnik Messen in der Maschine, Längenregelung Beherrschte Fertigung/Produktion Messsteuerung beim Außenrundschleifen Weitere Einsatzgebiete der Maschinenmesstechnik Sichtprüfung und deren Automatisierung Arten visueller Prüfungen...156

14 Inhaltsverzeichnis XVII Sichtprüfung durch den Menschen Vorgehen bei der automatisierten Sichtprüfung mit Bildverarbeitung Komponenten und Geräte bei der automatisierten Sichtprüfung Beleuchtung bei der automatisierten Sichtprüfung Kamera, Objektiv und Rechner Anwendungen und Systemintegration in der Produktion Statistische Prozessregelung (SPC) Grundlagen, Qualitätsmanagement-Verfahren Qualitätsfähigkeitskennzahlen Kurzzeitfähigkeit Vorläufige und Langzeit-Prozessfähigkeit Qualitätsregelkarten (QRK) Digitale Schnittstellen und drahtlose Datenübertragung Kabelgebundene Datenübertragung Kabellose Datenübertragung Aktuelle Marktsituation und Ausblick Berührungslos/optische Messverfahren Einführung Entwicklung der berührungslos optischen Messtechnik Messen am Bild Messen im Bild Messbereich und Messunsicherheit optischer Messverfahren Integrierbare optische Sensoren Laser-Autofokusverfahren (1D) Chromatisches Messverfahren (1D) Lasertriangulationsverfahren (1D, 2D) Konoskopische Holografieverfahren (1D, 2D) Streulicht-Sensor für die Oberflächenmesstechnik (1D) Eigenständige optische Messsysteme (1D bis 3D) Laserscanner (2D) Messmikroskop und Profilprojektor (2D) Konfokal-Mikroskop (2D) Twyman Green-, Schräglicht-, Weißlichtinterferometrie (3D) Messgeräte nach dem Fokusvariationsverfahren (3D) Optische 2,5D-Koordinatenmesstechnik Optische 3D-Koordinatenmessgeräte Streifenprojektionsverfahren Messgeräte mit Fotogrammetrie Theodolit Lasertracker, berührend und berührungslose Antastung Lasertracer...245

15 XVIII Inhaltsverzeichnis Absolutmessendes Interferometer Indoor GPS Computertomographie Eigenschaften, Sicherheit und Diskussion Anwendung Systemintegration und Standardisierung optischer Sensoren Prüfmittelmanagement Übersicht, Bedeutung und Zusammenhänge Beherrschte Prüfprozesse Fähigkeit des Messmittels, Verfahren Fähigkeit eines Messprozesses mit Bedienereinfluss, Verfahren Fähigkeit eines Messprozesses ohne Bedienereinfluss, Verfahren Messbeständigkeit eines Messprozesses, Verfahren Fähigkeit für Prüfprozesse bei attributiven Merkmalen, Verfahren Prüfplanung Prüfplanerstellung Funktions- und prozessorientierte Prüfplanung Prüfplanung und beherrschte Fertigung Kalibrierwesen, Rückführbarkeit Prüfmittelverwaltung Glossar, Begriffe, Definitionen Literatur, Normen und Links Links zu wichtigen Metrologischen Institutionen Literatur- und Normenverzeichnis Sachverzeichnis Dictionary English-German...313