Längenprütechnik 7 1.1 Grundlagen der Messtechnik.............. 8 Grundbegrie........................... 8 Messabweichungen...................... 11 Messmittelähigkeit, Prümittelüberwachung. 14 1 9 8 1 2 3 4 5 Nächste Kalibrierung 6 7 Jahr 29 9 11 1 12 1 9 2 3 4 7 12 11 1 9 8 8 7 Monat 6 5 1.2 Längenprümittel........................ 16 Maßstäbe, Lehren und Endmaße........... 16 Mechanische und elektronische Messgeräte. 19 Pneumatische Messgeräte................ 25 Elektronische Messgeräte................. 27 Optoelektronische Messgeräte............. 28 Multisensorik in Koordinatenmessmaschinen............... 3 1.3 Oberlächenprüung..................... 32 Oberlächenproile....................... 32 Kenngrößen von Oberlächen.............. 33 Oberlächen-Prüverahren................ 34 1.4 Toleranzen und Passungen................ 36 Toleranzen.............................. 36 Passungen.............................. 4 Abmaße +4 +2 2 4 P SH P SM 4H8 47 +39 25 5 P ÜH P ÜM 4r6 4H7 +5 +34 +25 1.5 Form- und Lageprüung.................. 44 Form- und Lagetoleranzen................. 44 Prüung ebener Flächen und Winkel......... 46 Rundorm-, Koaxialitäts- und Rundlauprüung 49 Gewindeprüung......................... 54 Kegelprüung............................ 56 Tastsystem tolerierter Zylinder K Qualitätsmanagement 57 2.1 Arbeitsbereiche und Begrie des QM......... 57 2.2 Die Normenreihe DIN EN ISO 9........... 58 2.3 Qualitätsanorderungen..................... 58 2.4 Qualitätsmerkmale und Fehler............... 59 2.5 Werkzeuge des Qualitätsmanagements....... 6 2.6 Qualitätslenkung........................... 63 2.7 Qualitätsprüung........................... 64 2.8 Maschinenähigkeit........................ 68 2.9 Prozessähigkeit........................... 71 2.1 Statistische Prozessregelung mit Qualitätsregelkarten........................ 72 2.11 Auditierung und Zertiizierung............... 75 2.12 Kontinuierlicher Verbesserungsprozess: Mitarbeiter optimieren Prozesse............. 76 Mittelwerte x OWG UWG Stichproben- Nr.: OEG UEG 4 6 8 1 95 % Normalverteilung 99 %
8 Grundlagen der Messtechnik 1 Längenprütechnik 1.1 Grundlagen der Messtechnik 1.1.1 Grundbegrie Beim Prüen werden vorhandene Merkmale von Produkten wie Maß, Form oder Oberlächengüte mit den georderten Eigenschaten verglichen. Durch Prüen wird an einem Prügegenstand estgestellt, ob er die georderten Merkmale auweist, z. B. Maße, Form oder Oberlächengüte. Prüen subjektives Prüen objektives Prüen Sinneswahrnehmung Lehren Messen Prüarten Subjektives Prüen erolgt über die Sinneswahrnehmung des Prüers ohne Hilsgeräte (Bild 1). Er stellt z.b. est, ob die Gratbildung und Rautiee am Werkstück zulässig sind (Sicht- und Tastprüung). Objektives Prüen erolgt mit Prümitteln, d. h. mit Messgeräten und Lehren (Bild 2). Ergebnis: Gut/ Ausschuss Bild 1: Prüarten und Prüergebnis Messwert Messen ist das Vergleichen einer Länge oder eines Winkels mit einem Messgerät. Das Ergebnis ist ein Messwert. Lehren ist Vergleichen des Prügegenstandes mit einer Lehre. Man erhält dabei keinen Zahlenwert, sondern stellt nur est, ob der Prügegenstand Gut oder Ausschuss ist. Prümittel Die Prümittel werden in drei Gruppen unterteilt: Messgeräte, Lehren und Hilsmittel. Alle Messgeräte und Lehren bauen au Maßverkörperungen au. Sie verkörpern die Messgröße z. B. durch den Abstand von Strichen (Strichmaß), durch den esten Abstand von Flächen (Endmaß, Lehre) oder durch die Winkellage von Flächen (Winkelendmaß). Anzeigende Messgeräte besitzen bewegliche Marken (Zeiger, Noniusstrich), bewegliche Skalen oder Zählwerke. Der Messwert kann unmittelbar abgelesen werden. Lehren verkörpern entweder das Maß oder das Maß und die Form des Prügegenstandes. Hilsmittel sind z.b. Messständer und Prismen. Messtechnische Begrie Um Missverständnisse bei der Beschreibung von Messvorgängen oder Auswerteverahren zu vermeiden, sind eindeutige Grundbegrie unerlässlich (Tabellen Seite 9 und 1). Maßverkörperungen Maßstab Messschieber Grenzlehren (Maßlehren) 6 Radiuslehre Parallelendmaß Messuhr (Formlehre) 15 Prümittel Messgeräte Hilsmittel Lehren Anzeigende Messgeräte Winkel Winkelendmaß Winkelmesser (Formlehre) Bild 2: Prümittel
Grundlagen der Messtechnik 9 Tabelle 1: Messtechnische Begrie Begri Messgröße Anzeige Skalenanzeige Ziernanzeige Kurzzeichen Skalenteilungswert* Ziernschrittwert Angezeigter Messwert Mittelwert Wahrer Wert Richtiger Wert Unberichtigtes Messergebnis Korrektionswert Systematische Messabweichung Messunsicherheit * Kombinierte Standardunsicherheit Erweiterte Messunsicherheit Berichtigtes Messergebnis Vollständiges Messergebnis M Skw oder Zw x a x 1, x 2... x x w x r x a x 1, x 2... x Deinition, Erklärung Die zu messende Länge bzw. der zu messende Winkel, z.b. ein Bohrungsabstand oder ein Durchmesser Der angezeigte Zahlenwert des Messwertes ohne Einheit (vom Messbereich abhängig). Bei Maßverkörperungen entspricht die Auschrit der Anzeige. Kontinuierliche Anzeige au einer Strichskale Digitale Anzeige au einer Ziernskale Dierenz zwischen den Messwerten, die zwei aueinander olgenden Teilstrichen entsprechen. Der Skalenteilungswert Skw wird in der au Skale stehenden Einheit angegeben. Der Ziernschrittwert entspricht dem Skalenteilungswert einer Strichskale. Einzelne Messwerte oder Mittelwerte setzen sich aus dem richtigen Wert und den zuälligen sowie systematischen Messabweichungen zusammen. Der Mittelwert ergibt sich in der Regel aus ün Wiederholungsmessungen. Den wahren Wert würde man nur bei einer idealen Messung erhalten. Der wahre Wert x w ist ein aus vielen Wiederholungsmessungen ermittelter und um die bekannten systematischen Abweichungen korrigierter Schätzwert. Der richtige Wert x r wird bei Maßverkörperungen durch Kalibrierung ermittelt. Er weicht meist vernachlässigbar vom wahren Wert ab. Bei einer Vergleichsmessung, z.b. mit einem Endmaß, kann dessen Maß als richtiger Wert angesehen werden. Gemessener Wert einer Messgröße, z.b. ein unkorrigierter Einzelmesswert oder ein durch Wiederholungsmessungen ermittelter Messwert, der um die systematischen Abweichungen A s korrigiert wurde. In der Fertigungstechnik werden augrund bekannter Abweichungen aus rüheren Messreihen oder von Fähigkeitsuntersuchungen überwiegend einmalige Messungen durchgeührt. Das Messergebnis bleibt bei Einzelmessungen durch die zuälligen sowie durch die unbekannten systematischen Messabweichungen unsicher. Die Messabweichung ergibt sich durch Vergleich A s des angezeigten Messwertes x a oder des Mittelwertes A s = x a x r (A s = x a x r ) x a mit dem richtigen Wert x r (Seite 15). K u u c U y Y Ausgleich von bekannten, systematischen Abweichungen, z. B. Abweichung der Temperatur Die Messunsicherheit beinhaltet alle zuälligen Abweichungen sowie die unbekannten und nicht korrigierten Messabweichungen. Gesamtwirkung vieler Unsicherheitsanteile an der Streuung von Messwerten, z.b. durch Temperatur, Messeinrichtung, Prüer und Messverahren. Die erweiterte Unsicherheit gibt den Bereich y U bis y +U um das Messergebnis an, in dem der wahre Wert einer Messgröße erwartet wird. Messwert, korrigiert um bekannte systematische Messabweichungen (K Korrektion) * Merkmale von Messgeräten, die in Katalogen angegeben werden. Das Messergebnis Y ist der wahre Wert ür die Messgröße M. Es schließt die erweiterte Messunsicherheit U ein. K = A s (K = K 1 + K 2... + K n ) u c = Beispiel, Formeln,1 Skalenanzeige Ziernanzeige M,1,2,2,3,1mm,3,4 Skw =,1mm Zw =,1mm 13333332 u 2 x1 + u 2 x2 +... u 2 xn U = 2 u c (Faktor 2 ür Vertrauensniveau 95%) y = x + K (y = x + K) Y = y ± U (y = x + K ± U)
1 Grundlagen der Messtechnik Tabelle 1: Messtechnische Begrie W r u e ges G Meb Mes Az Wiederholpräzision ist die Fähigkeit eines Messgerätes, bei meist 5 Messungen derselben Messgröße in gleicher Messrichtung unter denselben Messbedingungen nahe beieinander liegende Anzeigen zu erreichen. Je kleiner die Streuung ist, umso präziser arbeitet das Messverahren. Die Wiederholgrenze ist der Dierenzbetrag ür zwei einzelne Messwerte bei einer Wahrscheinlichkeit von 95%. Die Messwertumkehrspanne eines Messgerätes ist der Unterschied der Anzeige ür dieselbe Messgröße, wenn einmal bei steigender Anzeige (bei hineingehenden Messbolzen) und einmal bei allender Anzeige (bei herausgehenden Messbolzen) gemessen wird. Die Messwertumkehrspanne kann durch einzelne Messungen bei beliebigen Werten innerhalb des Messbereiches bestimmt oder aus dem Abweichungsdiagramm entnommen werden. Die Abweichungsspanne e ist die Dierenz zwischen der größten und kleinsten Messabweichung im gesamten Messbereich. Sie wird bei Messuhren und Feinzeigern bei hineingehendem Messbolzen ermittelt. Die Gesamtabweichungsspanne ges von Messuhren wird durch Messungen im ganzen Messbereich mit hinein- und herausgehendem Messbolzen ermittelt. Fehlergrenzen sind vereinbarte oder vom Hersteller angegebene Abweichungsgrenzbeträge ür Messabweichungen eines Messgerätes. Werden diese Beträge überschritten, sind die Abweichungen Fehler. Wenn die obere und untere Grenzabweichung gleich groß sind, gilt der angegebene Wert ür jeden der beiden Grenzabweichungen, z.b. G o = G u = 2 µm Der Messbereich ist der Bereich von Messwerten, in dem die Fehlergrenzen des Messgerätes nicht überschritten werden. Die Messspanne ist die Dierenz zwischen Endwert und Anangswert des Messbereiches. Der Anzeigebereich ist der Bereich zwischen der größten und der kleinsten Anzeige. * Merkmale von Messgeräten, die in Katalogen angegeben werden. Endmaß oder Werkstück steigende Anzeige Kurzzeichen Begri Deinition, Erklärung Beispiel Wiederholpräzision* Wiederholgrenze* (Wiederholbarkeit) Messwertumkehrspanne* Abweichungsspanne* Gesamtabweichungsspanne Fehlergrenze* Messbereich* Messspanne Anzeigebereich hineingehender Messbolzen Messabweichung 2 15 1 5 5 1 15 2 8 7 9 1 6 4 5 2 3 8 7 w 9 1 9 1 6 4 5 unterer Anschlag 2 3 9 1 8 2 8 7 3 6 4 5 8 7 6 4 5 Freihub Anhub 2 3 obere Fehlergrenze G o Anzeigebereich Messspanne 9 allende Anzeige u 1 2 7 3 6 4 5 herausgehender Messbolzen Abweichungsspanne e Messwertumkehrspanne u Teilmessspanne t max. Messabweichung untere Fehlergrenze G u Abweichungsspanne ges 1 2 3 4 5 6 7 8 mm 1 richtiger Wert x r (Länge von Endmaßen) herausgehender Messbolzen hineingehender Messbolzen
Grundlagen der Messtechnik 11 1.1.2 Messabweichungen Ursachen von Messabweichungen (Tabelle 1, Seite 12) Die Abweichung von der Bezugstemperatur 2 C bewirkt immer dann Messabweichungen, wenn die Werkstücke und die zur Kontrolle eingesetzten Messgeräte und Lehren nicht aus dem gleichen Material sind und nicht dieselbe Temperatur haben (Bild 1). Bereits bei der Erwärmung eines 1 mm langen Endmaßes aus Stahl um 4 C, z.b. durch die Handwärme, tritt eine Längenänderung von 4,6 µm au. Bei der Bezugstemperatur von 2 C sollen Werkstücke, Messgeräte und Lehren innerhalb der vorgeschriebenen Toleranzen liegen. Formänderungen durch die Messkrat treten an elastischen Werkstücken, Messgeräten und Messstativen au. Die elastische Aubiegung eines Messstativs bleibt ohne Wirkung au den Messwert, wenn beim Messen mit gleicher Messkrat wie bei der Nullstellung mit Endmaßen gemessen wird (Bild 2). Die Verringerung von Messabweichungen wird erreicht, wenn die Anzeige eines Messgerätes unter gleichen Bedingungen eingestellt wird, unter denen Werkstücke gemessen werden. Länge ö 1 = 1 mm bei Bezugstemperatur 2 C Messbeispiele: a) Maßverkörperung aus Stahl 24 C Werkstück aus Stahl 24 C Maßverkörperung aus Stahl 18 C Längenänderung 1 5 +5 +1 = 4,9 Maßverkörperung aus Stahl 24 C b) Werkstück aus Aluminium 24 C c) = 1,8 Werkstück aus Aluminium 24 C Längenänderung DL = L. a. DT L Ausgangslänge bei 2 C a Längenausdehnungskoeizient DT Temperaturänderung Messabweichung = Bild 1: Messabweichungen durch die Temperatur Position des Feinzeigers: Höhe: 2 mm Ausladung: 1 mm Säule: ø22 mm Querstange: ø16 mm Messvorgang am Werkstück Aubiegung 1 5 zul. Messkrat von Feinzeigern 1 2 N 3 Messkrat F Messabweichungen durch Parallaxe entstehen, wenn unter schrägem Blickwinkel abgelesen wird (Bild 3). Messkrat F Messstativ Einstellung mit Endmaßen Arten von Abweichungen Systematische Messabweichungen werden durch konstante Abweichungen verursacht: Temperatur, Messkrat, Radius des Messtasters oder ungenaue Skalen. Zuällige Messabweichungen können hinsichtlich Größe und Richtung nicht erasst werden. Ursachen können z. B. unbekannte Schwankungen der Messkrat und der Temperatur sein. Systematische Messabweichungen machen den Messwert unrichtig. Wenn Größe und Vorzeichen (+ oder ) der Abweichungen bekannt sind, können sie ausgeglichen werden. Zuällige Messabweichungen machen den Messwert unsicher. Unbekannte zuällige Abweichungen sind nicht ausgleichbar. Bild 2: Messabweichungen durch elastische Formänderung am Messstativ durch die Messkrat Blickrichtungen: richtig alsch Bild 3: Messabweichung durch Parallaxe
12 Grundlagen der Messtechnik Tabelle 1: Ursachen und Arten von Messabweichungen Systematische Messabweichungen Zuällige Messabweichungen 2 C Grat Späne Schmutz Fett 4 C Abweichung von der Bezugstemperatur zu großer Messwert durch zu hohe Werkstücktemperatur F Unsicherheiten durch unsaubere Flächen u. Formabweichungen F Formänderung durch gleichbleibend hohe Messkrat Formänderung durch Messkratschwankung bei ungleichmäßigem Andrehen der Messspindel zu kleiner Messwert durch den Einluss der Messkrat Streuung der Messwerte durch Messkratschwankung kleinere Messwerte bei Außenmessungen, größere bei Innenmessungen Messabweichungen durch Abnutzung der Messlächen F Kippehler Kippehler in Abhängigkeit von Messkrat und Führungsspiel Messwertunterschiede bei Maßstäben Gewindesteigung unsicheres Ansetzen des Messschiebers bei Innenmessungen Einluss von Steigungsabweichungen au die Messwerte Kleine Abweichungen der Übersetzung bewirken, dass je nach der Position des Messbolzens die Anzeige messbar abweicht. Parallaxe.2.1.1.3.3.4.2 ungleichmäßige Übertragung der Messbolzenbewegung Ableseehler durch schrägen Blickwinkel (Parallaxe)
Grundlagen der Messtechnik 13 Systematische Abweichungen können durch eine Vergleichsmessung mit genauen Messgeräten oder Endmaßen estgestellt werden. Am Beispiel der Prüung einer Messschraube wird die Anzeige mit einem Endmaß verglichen (Bild 1). Der Nennwert der Endmaße (Auschrit) kann als der richtige Wert angesehen werden. Prüt man die Messabweichungen einer Bügelmessschraube im Messbereich von mm bis 25 mm, erhält man das Diagramm der Messabweichungen (Bild 2). Bei Messschrauben erolgt die Vergleichsmessung mit estgelegten Endmaßen bei verschiedenen Drehwinkeln der Messspindel. Fehlergrenzen und Toleranzen Die Fehlergrenze G dar an keiner Stelle des Messbereiches überschritten werden. Über die Messspanne von 25 mm dar die Fehlergrenze des Messelements G Me von 3 µm nicht überschritten werden. Der Normalall in der Messtechnik sind symmetrische Fehlergrenzen. Die Fehlergrenzen enthalten die Abweichungen des Messelements, z.b. Ebenheitsabweichungen. Die Einhaltung Fehlergrenze G kann mit Paralellendmaßen der Toleranzklasse 1 nach DIN EN ISO 365 geprüt werden. Die Verringerung systematischer Messabweichungen erreicht man durch eine Nulleinstellung der Anzeige (Bild 3). Die Nulleinstellung erolgt mit Endmaßen, die dem Prümaß am Werkstück entsprechen. Die zuällige Streuung kann durch Messungen unter Wiederholbedingungen ermittelt werden (Bild 4): Arbeitsregeln ür Messungen unter Wiederholbedingungen Die wiederholten Messungen derselben Messgröße am selben Werkstück sollen aueinanderolgend durchgeührt werden. Messeinrichtung, Messverahren, Prüperson und die Umgebungsbedingungen düren sich während der Wiederholmessung nicht ändern. Wenn Rundheitsabweichungen die Messstreuung nicht beeinlussen sollen, muss stets an derselben Stelle gemessen werden. richtiger Wert x r 15 15,2 angezeigter Wert x a Bild 1: Prüung einer Bügelmessschraube mit einem Endmaß Messabweichung 5 4 Fehlergrenze größte Messabweichung 2 1 1 2 Fehlergrenze 3 4 5 2,5 5,1 7,7 1,3 12,9 15 17,6 2,2 22,8 25 mm Endmaßlänge Bild 2: Diagramm der Maßabweichungen einer Bügelmessschraube im Messbereich 25 mm 9 1 8 2 7 3 6 4 5,12 ö M 9 1 8 2 7 3 6 4 5 Endmaß Nulleinstellung Werkstück Messen Bild 3: Nulleinstellung der Anzeige und Unterschiedsmessung A. Nulleinstellung des Feinzeigers au den Drehteildurchmesser mit Nennmaß 3, mm mit einem Endmaß. B. 1 Wiederholmessungen Spannweite der angezeigten Werte R = x a max x a min Mittelwert der 1 Anzeigewerte +4 x a = = + 4 1 Systematische Messabweichungen werden durch eine Vergleichsmessung estgestellt. Zuällige Abweichungen können durch Wiederholmessungen ermittelt werden. Anzeigewerte in +3 +4 +5 +4 +5 +4 +6 +3 +4 +2 C. Messergebnis Mittelwert des Durchmessers x = 3, mm +,4 mm x = 3,4 mm Bild 4: Zuällige Abweichungen eines Feinzeigers bei Messungen unter Wiederholbedingungen
14 Grundlagen der Messtechnik 1.1.3 Messmittelähigkeit und Prümittelüberwachung Messmittelähigkeit Die Auswahl von Messmitteln richtet sich nach den Messbedingungen am Einsatzort und der vorgegebenen Toleranz der Prümerkmale, z. B. Länge, Durchmesser oder Rundheit. Von Bedeutung ist auch die Anzahl der Prüer, da z. B. im Schichtbetrieb mit wechselnden Prüern ür die gleichen Teile die Messunsicherheit insgesamt zunimmt. Bild 1: Zulässige Messunsicherheit Messmittel gelten als ähig, wenn die Messunsicherheit höchstens 1% der Maß- oder Formtoleranz beträgt. Zulässige Messunsicherheit U =,1 T Messunsicherheit U zul = 1/1 T (Bild 1) Messverahren mit einer wesentlich kleineren Unsicherheit als 1/1 T sind zwar geeignet, aber zu teuer. Eine größere Messunsicherheit würde dazu ühren, dass zu viele Werkstücke nicht mehr eindeutig als Gutteil oder Ausschussteil erkannt werden, da mehr Messwerte im Bereich der Messunsicherheit U liegen (Bild 2). Der messtechnisch sichere Bereich ist umso größer, je kleiner die Messunsicherheit U ist. U Streuung messtechnisch U sicherer Bereich U U Bereiche der Messunsicherheit Zu große Messunsicherheit U =,2 T 15,1 mm 15,5 mm Liegen die Messwerte im messtechnisch sicheren Bereich, ist eine Übereinstimmung des Maßes mit der Toleranz mit Sicherheit gegeben. Messabweichung messtechnisch sicherer Bereich U U Beispiel ür die Folgen einer zu großen Messunsicherheit U =,2 T (Bild 2): Obwohl der richtige Messwert 15,5 mm außerhalb der Toleranz liegt, wird durch eine Messabweichung von + 7 µm der Messwert 15,12 mm angezeigt, ein Maß, das in der Toleranz zu liegen scheint. Ein Ausschussteil wird dadurch nicht erkannt. Umgekehrt kann ein toleranzhaltiges Maß durch eine Messabweichung zu einem angezeigten Messwert außerhalb der Toleranz ühren. Ein Gutteil würde in diesem Fall irrtümlich aussortiert. Die Beurteilung der Messmittelähigkeit ist näherungsweise möglich, wenn die voraussichtliche Messunsicherheit bekannt ist (Tabelle 1). Unter Werkstattbedingungen beträgt die Messunsicherheit bei neuen oder neuwertigen mechanischen Handmessgeräten etwa einen Skalenteilungswert (1 Skw) und bei elektronischen etwa drei Ziernschrittwerte (3 Zw). Messgeräte ür die Fertigung werden so ausgewählt, dass im Verhältnis zur Werkstücktoleranz die Messunsicherheit U vernachlässigbar klein ist. Dadurch kann der angezeigte Messwert dem Messergebnis gleich gesetzt werden. angezeigter Wert: 15,12 mm richtiger Wert: 15,5 mm (Ausschuss) Bild 2: Messunsicherheit im Verhältnis zur Toleranz Tabelle 1: Messunsicherheit Messgerät Skw =,5 mm Messbereich:... 15 mm Skw =,1 mm Messbereich: 5... 75 mm Skw = 1 µm Messbereich: ± 5 µm U 5 µm U 1 µm U 1 µm Voraussichtliche Messunsicherheit Fehlergrenze G neuer Messgeräte 5 µm 5 µm 1 µm
Grundlagen der Messtechnik 15 Messmittelähigkeit bei vorgegebener Toleranz Beispiel: Mit einer mechanischen Bügelmessschraube (Skw =,1 mm) soll ein Durchmesser mit den Grenzmaßen 2,4 mm und 2,45 mm gemessen werden. Zu beurteilen ist die Messmittelähigkeit (Eignung) der Messschraube in Abhängigkeit von der erwarteten Messunsicherheit und der vorgegebenen Toleranz. Lösung: Die Messunsicherheit entspricht näherungsweise 1 Skalenteilungswert (,1 mm). Augrund dieser Messunsicherheit kann bei der Anzeige 2,45 mm der richtige Messwert zwischen 2,44 mm und 2,46 mm liegen. Erwartete Messunsicherheit der Messschraube: U =,1 mm Zulässige Messunsicherheit: U zul =,1 T =,1,5 mm =,5 mm Die Bügelmessschraube ist bei der vorgegebenen Toleranz nicht geeignet, da die voraussichtliche Messunsicherheit zu groß ist. Zu empehlen sind elektronische Messuhren oder Feinzeiger, da diese Messgeräte durch die kleinere Streuung der Messwerte präziser arbeiten. Prümittelüberwachung Bei anzeigenden Messgeräten wird durch das Kalibrieren (Einmessen) die systematische Messabweichung zwischen der Anzeige und dem richtigen Wert estgestellt. Dies geschieht durch Vergleich mit Endmaßen oder mit Messgeräten höherer Genauigkeit. Die ermittelten Abweichungen werden in einem Kalibrierschein und evtl. in Abweichungsdiagrammen dokumentiert (Bild 1, Seite 15). Die Kalibrierung wird durch einen speziellen Prüaukleber bestätigt, der den Termin der nächsten Überprüung anzeigt (Bild 1). 1 9 8 7 1 Nächste Kalibrierung 12 2 3 4 5 11 1 9 6 7 8 Jahr 29 Monat 9 11 1 Bild 1: Aukleber ür kalibrierte Messgeräte 8 12 7 1 9 6 2 3 5 4 Kalibrieren ist das Ermitteln der vorhandenen Abweichung eines Messgerätes vom richtigen Wert. Ein Messgerät ist dann in Ordnung und kann zum Gebrauch reigegeben werden, wenn die ermittelten Messabweichungen innerhalb der estgelegten Grenzen liegen. Das Eichen eines Prümittels umasst die Prüung und Stempelung durch eine Eichbehörde. Eichplichtig sind z. B. Waagen, aber keine Fertigungsmessgeräte. Durch Justieren (Abgleichen) wird ein Messgerät so verändert, dass die Messabweichungen möglichst klein werden. Beispiel: Änderung von Gewichten einer Waage. Einstellen heißt, die Anzeige au einen bestimmten Wert stellen, z.b. Nulleinstellung. Wiederholung und Vertieung 1 Wie wirken sich systematische und zuällige Messabweichungen au das Messergebnis aus? 2 Wie kann man systematische Messabweichungen einer Messschraube ermitteln? 3 Warum ist das Messen dünnwandiger Werkstücke problematisch? 4 Warum können durch das Abweichen von der Bezugstemperatur bei Messgeräten und Werkstücken Messabweichungen entstehen? 5 Worau können systematische Abweichungen bei Messschrauben voraussichtlich zurückgeührt werden? 6 Warum wird beim Messen in der Werkstatt der angezeigte Messwert als Messergebnis angesehen, während im Messlabor ot der angezeigte Wert korrigiert wird? 7 Welche Vorteile hat die Unterschiedsmessung und Nulleinstellung bei Messuhren? 8 Warum ist bei Aluminiumwerkstücken die Abweichung von der Bezugstemperatur messtechnisch besonders problematisch? 9 Wie groß ist etwa die Längenänderung eines Parallelendmaßes (l = 1 mm, a =,16 1/ C), wenn es durch die Handwärme von 2 C au 25 C erwärmt wird? 1 Wie viel Prozent der Werkstücktoleranz düren die Messabweichungen höchstens betragen, damit sie beim Prüen vernachlässigt werden können? 11 Welche Messunsicherheit ist bei einer mechanischen Messuhr (Skw =,1 mm) zu erwarten?
16 Maßverkörperungen, Lehren 1.2 Längenprümittel 1.2.1 Maßstäbe, Lineale, Winkel, Lehren und Endmaße Maßstäbe, Lineale, Winkel Strichmaßstäbe verkörpern das Längenmaß durch den Abstand von Strichen. Die Präzision der Strichteilung drückt sich in den Fehlergrenzen der Maßstäbe aus (Tabelle 1). Wenn das obere Grenzabmaß G o eines Maßstabes überschritten oder das gleich große untere Grenzabmaß G u unterschritten wird, entstehen Messehler. Maßstäbe ür Wegmesssysteme, z. B. aus Glas oder Stahl, arbeiten nach dem otoelektronischen Abtastprinzip. Fotoelemente erzeugen entsprechend den abgetasteten Hell-Dunkel-Feldern ein Spannungssignal. Bei Inkrementalmaßstäben wird der Verahrweg von Werkzeug- und Messmaschinen durch Ausummierung von Lichtimpulsen gemessen. Als Maßverkörperung dient ein sehr genaues Strichgitter. Absolutmaßstäbe ermöglichen durch ihre Codierung die Anzeige der augenblicklichen Position des Messkopes. Lineale werden zum Prüen der Geradheit und Ebenheit eingesetzt (Bild 1). Haarlineale besitzen geläppte Prüschneiden mit hoher Geradheit, die es ermöglichen, mit bloßem Auge unterschiedliche kleine Lichtspalte zu erkennen. Werden Werkstücke mit Haarlinealen gegen das Licht geprüt, erkennt man Abweichungen ab 2 µm am Lichtspalt zwischen Prüschneide und Werkstück. Tabelle 1: Fehlergrenzen von Maßstäben der Länge 5 mm Biegsamer Stahlmaßst. Vergleichsmaßstab Arbeitsmaßstab Bandmaßstab Gliedermaßstab Impulsmaßstab Absolutmaßstab Arten 1 2 1 2 1 2 ballig Grenzabmaße G o = G u 7,5 µm 3 µm 75 µm 1 µm 1 mm,5... 2 µm hohl Bild 1: Geradheitsprüung mit Haarlineal Feste Winkel sind Formlehren und verkörpern meist 9. Haarwinkel bis zur Messschenkellänge 1 x 7 mm mit dem Genauigkeitsgrad haben einen Grenzwert der Rechtwinkligkeitsabweichung von nur 3 µm (Bild 2). Beim Genauigkeitsgrad beträgt der Grenzwert 7 µm. Mit Haarwinkeln kann die Rechtwinkligkeit und die Ebenheit geprüt werden oder es können zylindrische oder ebene Flächen ausgerichtet werden. Lehren Lehren verkörpern Maße oder Formen, die in der Regel au Grenzmaße bezogen sind (Bild 3). Maßlehren sind Teile eines Lehrensatzes, bei dem das Maß von Lehre zu Lehre zunimmt, z. B. Parallelendmaße oder Prüstite. Formlehren ermöglichen die Prüung von Winkeln, Radien und Gewinden nach dem Lichtspaltverahren. Grenzlehren verkörpern die zulässigen Höchstmaße und Mindestmaße. Manche Grenzlehren verkörpern neben den Grenzmaßen auch noch die Form, um z.b. die Zylinderorm einer Bohrung oder das Proil von Gewinden prüen zu können. Bild 2: Haarwinkel 9 Maßlehre Formlehre Grenzlehre Bild 3: Lehrenarten R1 7 mm 19 6h6
Grenzlehren Grenzlehren Die Grenzmaße von tolerierten Werkstücken können mit entsprechenden Lehrdornen bei Bohrungen oder mit Lehrringen bei Wellen geprüt werden (Bild 1, Bild 2 und Bild 3). Taylorscher Grundsatz: Die Gutlehre muss so ausgebildet sein, dass Maß und Form eines Werkstückes bei der Paarung mit der Lehre geprüt werden (Bild 1). Mit der Ausschusslehre sollen nur einzelne Maße geprüt werden, z.b. der Durchmesser. Gutlehren verkörpern Maß und Form. Ausschusslehren sind reine Maßlehren. Gutlehren verkörpern das Höchstmaß bei Wellen und das Mindestmaß bei Bohrungen. Ausschusslehren verkörpern das Mindestmaß von Wellen oder das Höchstmaß von Bohrungen. Ein Werkstück, das sich mit der Ausschusslehre paaren lässt, ist daher Ausschuss. Grenzlehrdorne verwendet man zum Prüen von Bohrungen und Nuten (Bild 4). Die Gutseite muss durch ihr Eigengewicht in die Bohrung gleiten, die Ausschussseite dar nur anschnäbeln. In den längeren Zylinder der Gutseite sind häuig Hartmetallleisten zur Verschleißminderung eingesetzt. Die Ausschussseite hat einen kurzen Prüzylinder, ist rot gekennzeichnet und mit dem oberen Grenzabmaß beschritet. Grenzrachenlehren eignen sich zur Prüung von Durchmessern und Dicken von Werkstücken (Bild 5). Die Gutseite verkörpert das zulässige Höchstmaß. Sie muss durch das Eigengewicht über die Prüstelle gleiten. Die Ausschussseite ist um die Toleranz kleiner und dar nur anschnäbeln. Die Ausschussseite hat angeschrägte Prübacken, ist rot gekennzeichnet und mit dem unteren Grenzabmaß beschritet. Das Prüergebnis ist beim Lehren Gut oder Ausschuss. Da das Lehren keine Messwerte ergibt, können die Prüergebnisse nicht zur Qualitätslenkung eingesetzt werden. Prükratschwankungen und der Lehrenverschleiß beeinlussen sehr stark die Prüergebnisse. Die Prüunsicherheit ist beim Lehren umso höher, je kleiner die Maße und Toleranzen sind. Toleranzgrade kleiner 6 (< IT6) sind mit Lehren daher kaum prübar. Gutseite 17 Ausschussseite Bild 1: Grenzlehre nach Taylor Grenzlehre T G u Gutlehre (G u Mindestmaß) Bild 2: Grenzlehrdorn Gutlehre Bild 3: Lehrringe Gutseite G o Ausschusslehre (G o Höchstmaß) Ausschusslehre 45H7 + 25 Ausschussseite Wiederholung und Vertieung 1 Warum haben Haarlineale und Haarwinkel geläppte Prüschneiden? 2 Warum eignet sich das Prüen mit Lehren nicht zur Qualitätslenkung, z. B. beim Drehen? 3 Warum entspricht eine Grenzrachenlehre nicht dem Taylorschen Grundsatz? 4 Woran erkennt man die Ausschussseite eines Grenzlehrdornes? 5 Warum verschleißt die Gutseite einer Grenzlehre schneller als die Ausschussseite? Bild 4: Grenzlehrdorn Gutseite Ausschussseite 16 42h6 Grenzrachenlehre Bild 5: Grenzrachenlehre
18 Endmaße Parallelendmaße Parallelendmaße sind die genauesten und wichtigsten Maßverkörperungen zur Längenprüung. Die Maßgenauigkeit der Endmaße ist abhängig von der Toleranzklasse und vom Nennmaß (Tabelle 1 und Bild 1). Die Toleranz ür die Abweichungsspanne t v begrenzt die Ebenheits- und Parallelitätsabweichungen und das Grenzabmaß t e beschreibt die zulässige Längenabweichung vom Nennmaß. Grenzabmaße Nennmaß t e t e Abweichungsspanne t v Tabelle 1: Parallelendmaße (Werte in µm ür Nennmaße 1... 25mm) Toleranz- Toleranz ür die Grenzabklasse Abweichungs- maße der Verwendung spanne t v Länge t e Bezugsnormale zum Kalibrieren K,5 +,3 von Endmaßen u. zum Einstellen präziser Messgeräte und Lehren Einstellen und Kalibrieren von Leh-,1 +,14 ren und Messgeräten in klimatisierten Messräumen Bild 1: Abmaße von Endmaßen 2 4 Bild 2: Ansprengen von Endmaßen Meistbenutzte Gebrauchsnormale 1,16 +,3 zum Prüen in Messräumen und in der Fertigung Gebrauchsnormale zum Einstellen 2,3 +,6 und Prüen von Werkzeugen, Maschinen und Vorrichtungen Endmaße der Kalibrierklasse K haben die kleinsten Abweichungen der Ebenheit und Parallelität, was ür genaue Messungen und Endmaßkombinationen sehr wichtig ist (Bild 3). Die relativ großen Grenzabmaße der Länge werden durch den bekannten Korrektionswert K ausgeglichen (Seite 9). Endmaße der Toleranzklassen K und kann man ohne Druck anschieben (Bild 2). Beim Zusammenstellen einer Endmaßkombination beginnt man mit dem kleinsten Endmaß (Tabelle 2 und Bild 3). Angeschobene Stahlendmaße neigen nach einiger Zeit zum Kaltverschweißen und sollten daher nach dem Gebrauch getrennt werden. Endmaße aus Hartmetall sind gegenüber Stahlendmaßen 1-mal verschleißester. Nachteilig ist die um 5% geringere Wärmedehnung, die bei Werkstücken aus Stahl zu Messabweichungen ühren kann. Hartmetall besitzt die besten Hateigenschaten beim Anschieben. Endmaße aus Keramik haben eine stahlähnliche Wärmedehnung. Sie sind extrem verschleißest, bruchest und korrosionsbeständig. Mit Endmaßen und Prüstiten werden Meßgeräte und Lehren geprüt (Bild 4). Parallelendmaßsätze sind meist 46-teilig, sortiert in 5 Maßbildungsreihen (Tabelle 3). Arbeitsregeln ür den Gebrauch von Endmaßen Die Endmaße werden vor Gebrauch mit einem nicht asernden Sto (Leinenlappen) sauber abgewischt. Endmaßkombinationen sollen wegen der Gesamtabweichung aus möglichst wenigen Endmaßen bestehen. Stahlendmaße düren nicht länger als 8 Stunden angesprengt bleiben, da sie sonst kaltverschweißen. Nach Gebrauch müssen Endmaße aus Stahl oder Hartmetall gereinigt und mit säurereier Vaseline eingeettet werden. Bild 3: Endmaßkombination Bild 4: Prüen von Rachenlehren mit Endmaß und Prüstit Tabelle 2: Maßkombination 1. Endmaß 1,3 mm 2. Endmaß 9, mm 3. Endmaß 5, mm Maßkombination: 6,3 mm Tabelle 3: Endmaßsatz Reihe Nennmaße Stuung mm mm 1 1,1... 1,9,1 2 1,1... 1,9,1 3 1,1... 1,9,1 4 1... 9 1, 5 1... 1 1,
Mechanische und elektronische Messgeräte 19 1.2.2 Mechanische und elektronische Messgeräte Die sogenannten Handmessgeräte wie Messschieber, Messuhren oder Feinzeiger werden in der kostengünstigeren mechanischen Ausührung oder mit dem elektronischen Messsystem eingesetzt. Elektronische Messschieber Diese Messschieber sind durch große Ziern schnell und irrtumsrei ablesbar (Bild 1). Zusätzlich zur Absolutmessung im ganzen Messbereich sind Unterschiedsmessungen und weitere Funktionen wählbar: Ein-/Ausschalten und Nullstellen an beliebiger Stelle, d. h. die Anzeige au, setzen (C/ON) Funktion wählen (M = MODE), z. B. Umrechnung mm/in (Inch), Absolutmessung oder Unterschiedsmessung, Blockieren der Anzeige usw. Voreinstellung von Toleranzwerten ( ) Mit der Funktion Unterschiedsmessung und durch Nullstellen der Anzeige an beliebiger Stelle werden viele Messungen einacher (Tabelle 1): Die Dierenz der Messgröße zu einem bekannten Einstellwert oder der Unterschied zwischen zwei Messwerten muss nicht mehr berechnet, sondern kann direkt angezeigt werden. Funktionsart Maßvoreinstellung Bild 1: Elektronischer Messschieber Feststellschraube Ein Aus Nullstellung Tabelle 1: Messmöglichkeiten mit elektronischen Messschiebern Messen von Abmaßen Abmaße von Nennmaßen werden durch Vergleich mit einem Bezugsendmaß vorzeichenrichtig angezeigt. 24 Nullstellen Messen von Passungen (Spiel oder Übermaß) Spiel oder Übermaß werden durch die Vergleichsmessung direkt angezeigt. Nullstellen Messen von Bohrungs- und Achsabständen Bei Bohrungen mit gleichem Durchmesser kann der Abstand direkt angezeigt werden, wenn zunächst eine Bohrung gemessen, die Anzeige au null gestellt und anschließend der größte Abstand der Bohrung gemessen wird. Nullstellen Messen von Wanddicken Die Wanddicke des Bodens wird durch eine Vergleichsmessung mit der Bohrungstiee angezeigt. Nullstellen Messen an schwer zugänglicher Stelle Das Blockieren der Anzeige trotz Schließens der Messschenkel ermöglicht das Lesen der Anzeige in blickgünstiger Position. Blockieren der Anzeige
2 Mechanische und elektronische Messgeräte Messschrauben Das wichtigste Teil der mechanischen Bügelmessschraube ist die geschliene Messspindel (Bild 1). Sie verkörpert durch die Gewindesteigung das Maß,5 mm. Wird die Skalentrommel um einen der 5 Teilstriche gedreht, verschiebt sich die Messspindel um,5 mm : 5 =,1 mm. Die Hundertstel-Millimeter werden au der Skalentrommel abgelesen (Bild 2). Der Skalenteilungswert beträgt bei mechanischen Bügelmessschrauben meist,1 mm. Durch die Messspindel wird nicht nur die Anzeige vergrößert, sondern auch die Messkrat stark erhöht. Eine Kupplung begrenzt daher die Messkrat au 5 N bis 1 N, vorausgesetzt man dreht die Messspindel über die Kupplung langsam an das Werkstück heran. Übliche Messbereiche sind:... 25 mm (bei elektronischen Bügelmessschrauben... 3 mm), 25... 5 mm, 5... 75 mm bis 275... 3 mm. Elektronische Bügelmessschrauben (Bild 3) Das elektronische Messsystem ermöglicht: Ziernschrittwert Zw =,1 mm Nullstellen an beliebiger Stelle (ZERO), um eine Unterschiedsmessung durchzuühren Funktionen wählen (M = MODE), z. B. Umrechnung mm/in (Inch), Absolutmessung (ABS) oder Unterschiedsmessung, Blockieren der Anzeige Voreinstellung von Toleranzwerten Inrarotübertragung (bzw. Funkübertragung) der Messwerte au Knopdruck an den PC Einlüsse au Messabweichungen Steigungsabweichungen der Messspindel sowie Parallelitäts- und Ebenheitsabweichungen der Messlächen (Bild 4) Aubiegung des Bügels durch die Messkrat Abweichen von der Bezugstemperatur zu schnelles Drehen der Messspindel Isolierplatte Amboss Messspindel mit,5 mm-steigung 5 1 Bügel 35 3 Skalen Einstellmutter Skalenhülse Messlächen Spindeleststellung Skalentrommel Bild 1: Schnittbild der Bügelmessschraube 5 1 1 5 35 45 4 Anzeige an der Skalenhülse: Skalentrommel: Messwert in mm: 55 1,, 1, Bild 2: Ablesebeispiele 4 6 65 3 3 25 65 mm/in SET,,34 65,34 ZERO ABS Bild 3: Elektronische Bügelmessschraube 35 4 Feder Kupplung 38,5 5 45 4 35,45 38,95 MODE Bild 4: Prüung von Parallelität und Ebenheit der Messlächen mit planparallelem Prüglas Wiederholung und Vertieung 1 Aus welchen Parallelendmaßen lässt sich das Maß 97,634 mm zusammensetzen? 2 Worin unterscheiden sich Parallelendmaße der Toleranzklasse K und? 3 Warum düren Stahlendmaße nicht tagelang angesprengt bleiben? 4 Welchen Vorteil hat das Nullstellen der Anzeige bei elektronischen Messschiebern? 5 Warum sollte man die Messspindel einer Messschraube nicht zu schnell an das Werkstück herandrehen?