Simulationsverfahren für die Koordinatenmesstechnik

Transkript

1 Simulationsverfahren für die Koordinatenmesstechnik Franz Wäldele Matthias Franke Frank Härtig Heinrich Schwenke Eugen Trapet Physikalisch-Technische Bundesanstalt Fachbereich Koordinatenmesstechnik Braunschweig, 4. November 2004

2 Simulationsverfahren für die Koordinatenmesstechnik Koordinatenmesstechnik Messunsicherheit Simulationsverfahren zur Ermittlung der Messunsicherheit Braunschweig, 4. November 2004

3 Was ist ein Koordinatenmessgerät (KMG)? Quelle: Leitz Quelle: Zeiss Punktweises Erfassen der Oberfläche eines Werkstücks im Messvolumen Berechnen von Parametern aus den gemessenen Koordinatenwerten Prüfen der Parameter auf Übereinstimmung mit Vorgaben (Zeichnung) Koordinatenmessgeräte

4 Funktionsweise von Koordinatenmessgeräten Messbereiche kleiner 0,1 m³ bis größer 100 m³ Steuerung meist automatisch mit Rechnern Tastsysteme berührend und optisch Koordinatenmessgeräte

5 Wofür werden Koordinatenmessgeräte eingesetzt? Zylindrizität Parallelität Maß Form Lage Rechtw. Koaxialität Quelle: Zeiss Teilespektrum

6 Was macht die Koordinatenmesstechnik so attraktiv? Universelle Messtechnik durch Dreidimensionalität, Automation und konsequente Softwarenutzung Flexibel, nahezu jedes Werkstück messbar Vielpunktmessung mit großem Informationsgehalt Systemintegration (z.b. CAD) Zentrales Messgerät der modernen Qualitätssicherung Über KMG in Deutschland Systempreis 50 T - über 500 T Allein im VW-Werk Wolfsburg mehr als 220 KMG Weltmarkt 1 Milliarde, davon 1/3 aus Deutschland Eigenschaften, Marktdaten

7 Wie ist die Messunsicherheit definiert? Maß für die Unvollkommenheit eines Messergebnisses Bereich, in dem mögliche Messabweichungen liegen können Angabe der Messunsicherheit: Messergebnis = Messwert ± Messunsicherheit Symbole: Y = y ± U Beispiel: l 1 = 65,346 mm ± 2 µm Qualität einer Messung

8 Warum ist die Ermittlung der Messunsicherheit für KMG so schwierig? Einflussgrößen auf eine KMG-Messung

9 Wozu braucht man die Messunsicherheit in der Industrie? Messergebnisse sind Grundlage von teuren Entscheidungen, z.b. Annahme oder Ablehnung eines Produktes Auslieferung oder Nacharbeit Eingriff in einen Produktionsprozess Das Wissen über die Aussagekraft eines Messergebnisses ist sehr wichtig! Messunsicherheit

10 Weshalb hat es bisher ohne Messunsicherheiten funktioniert? Angsttoleranzen: Fertigungstoleranzen sind z.t. viel zu klein spezifiziert, damit die Unzulänglichkeiten der Messtechnik kompensiert werden können kostenintensiver Produktionsprozess Fertigung von kritischen Produkten lag oft in einer Hand: Zunehmende Spezialisierung, Outsourcing und Globalisierung verändern diese Situation Messunsicherheit

11 Wirtschaftlicher Aspekt der Messunsicherheit Entscheidung Gut / Ausschuss Messwert Ausschuss U U Gut U U Ausschuss Teiletoleranz Entscheidungsregeln (DIN EN ISO )

12 Das ideale Messgerät: Messunsicherheit = 0 Alle Entscheidungen werden richtig getroffen Ausschuss Ausgeliefert

13 Das reale Messgerät: Messunsicherheit vorhanden, aber nicht berücksichtigt Fehlentscheidungen Fall I Ausschuss Ausgeliefert

14 Das reale Messgerät: Messunsicherheit bei der Entscheidung berücksichtigt Keine Fehlentscheidungen Fall II Ausschuss U Ausgeliefert

15 Das reale Messgerät: Messunsicherheit zu groß abgeschätzt Viele Teile können nicht ausgeliefert werden Fall III Ausschuss U Ausgeliefert

16 Das ideale Messgerät: Messunsicherheit zu klein abgeschätzt Fehlentscheidungen Fall IV Ausschuss U Ausgeliefert

17 Kosten durch nicht oder falsch berücksichtigte Messunsicherheiten Annahmen: Fertigung von Einspritzpumpen Fehlerrate: 0,1 Prozent Schaden bei Ausschuss: 100 / Teil Schaden bei Auslieferung eines fehlerhaften Teils: Fall I U nicht berücksichtigt Fall II U richtig berücksichtigt Fall III U zu groß abgeschätzt Fall IV U zu klein abgeschätzt

18 Motivation für die Entwicklung des Simulationsverfahrens Kernaufgabe der PTB ist die Vergleichbarkeit der Maße zur Industrie herzustellen Kenntnis der Messunsicherheit ist dabei unabdingbar Industrie, Verbraucher PTB-Aufgabe

19 Danksagung Kollegen/Mitarbeiter Technologienehmer IHK Braunschweig Technologietransferpreis 2004

20 Fazit Die Kenntnis der Messunsicherheit ist von großer Bedeutung für die Qualitätssicherung Die Bestimmung der Messunsicherheit von Koordinatenmessungen war lange Zeit ungelöst Ermittlung von Messunsicherheit durch Simulation U? Das Virtuelle Koordinatenmessgerät Einflussgrößen auf das Messergebnis Die Funktionsweise des Virtuellen KMG Transfer des Verfahrens in die Industrie

21 Wegmesssysteme Maßstabsfehler Justierfehler Lokale Erwärmung Umgebung Temperatur Schwingungen Schmutz Steuerung Interpolation Dynamik Digitalisierung Geometrie Führungsfehler Rechtwinkligkeit Statische Verform. Dyn. Verformung Bedienung Messstrategie Aufspannung Reinigung Tastsystem Linearität Hysterese Charakteristik Biegung Einmessung Software Werkstück Temperatur Oberfläche Härte Verformung Einflussgrößen auf die Messung eines Koordinatenmessgerätes

22 Beispiel: Verbiegung durch Temperaturunterschiede zwx = α H z grad T x Modellierung der Einflussgrößen

23 Computersimulationen der Abweichungseinflüsse Führungsabweichungen Umgebung Drift z y x Geometrieabweichungen Modell des Abweichungsverhaltens eines KMG Antastprozess Werkstück Antastabweichungen, Tastereinmessung Rauheit Modellierung der Einflussgrößen

24 Reales KMG KMG-Software y Protokoll y y ± U(y) Virtuelles KMG -Simulator y Statistik U(y) Funktionsprinzip des Virtuellen Koordinatenmessgerätes

25 Aufgabenspezifische Messunsicherheiten: Integraler Bestandteil des Messprotokolls Funktionsprinzip des Virtuellen Koordinatenmessgerätes

26 Technologietransfer durch ein dreijähriges Industrieprojekt Ziele: Einführung und Erprobung der neuen Technik mit kompetenten Partnern Aufbau eines Kalibrierdienstes für die werkstückähnliche Normale Verringerung der Standardkalibrierungen in der PTB Hamburg Berlin Wolfsburg Braunschweig Hohwald Bad Endbach Dresden Wetzlar Frankfurt Erlangen Aalen Oberkochen München Transfer in die Industrie

27 Definition Meter Industrie DKD-Labor zur Kalibrierung von Meisterteilen Experimentelle Unsicherheitsermittlung VCMM Transfer in die Industrie

28 Umfangreiche Vergleichsmessungen 8 Projektpartner 12 Koordinatenmessgeräte 6 Werkstücke / Normale Messwerte mit aufgabenspezifischen Unsicherheiten Transfer in die Industrie

29 Ergebnis des Projektes Virtuelles KMG bei 8 Partnern implementiert 4 Laboratorien für die Kalibrierung von Werkstücken akkreditiert Bei 3 Laboratorien steht die Akkreditierung bevor Entwicklung der Software Virtuelles KMG zu einem marktreifen Produkt bei 2 deutschen Herstellern Nebeneffekte Schulung der Laboratorien im Bereich Messunsicherheit Umfangreiche Erkenntnisse über die untersuchten KMG Zahlreiche messtechnische Verbesserungen bei den beteiligten Laboratorien und KMG/Software-Herstellern Transfer in die Industrie

30 Unterstützende Arbeiten national / international VDI Richtlinie 2716 Blatt 7 erschienen: Bestimmung von Messunsicherheiten durch Simulation Entsprechendes Blatt wird unter zur Zeit in der internationalen Normung entwickelt Kooperation der PTB mit dem japanischen Staatsinstitut NMIJ und dem amerikanischen NIST Technologietransfer durch Unternehmensgründung Andere Entwicklungen des Fachbereiches haben zur Neugründung eines Unternehmens geführt ETALON AG am gegründet Transfer in die Industrie

31 Ausblick Einsatz des Virtuelles KMG auch außerhalb von Kalibrierlaboratorien in der Industrie Übernahme auch durch andere KMG-Hersteller Einsatz das Verfahrens auch in anderem Messgeräteklassen (z.b. bei elektrischen Messgeräten) Ein Beitrag zur Erhöhung von Produktqualität und Wirtschaftlichkeit