Koordinatenmesstechnik

Albert Weckenmann (Hrsg.) Albert Weckenmann (Hrsg.) Neue internationale Standards (ISO) z.b. zu Genauigkeitskenngrößen der Geräte und Systeme, zur Messunsicherheit der Ergebnisse, zur Prüfprozesseignung; Systemtechnik, Informations- und Kommunikationstechnik, Bedienoberfläche, flexible Messstrategien für die Erweiterung des funktions- und fertigungsgerechten Prüfens von Werkstücken mit regelgeometrischen Formen und Freiformflächen, Ausbildungs-, Schulungs- und Trainingskonzepte. Das Buch ist Lehrbuch und Nachschlagewerk zugleich. Es wendet sich an Praktiker aus Entwicklungs-, Fertigungs-, Prüf- und Prüfplanungsbereichen sowie an Studierende und an andere Interessierte. Wegen der gewachsenen technischen Komplexität der Systeme, der deutlich umfangreicheren Messaufgaben, der komplizierten Zusammenhänge um die physikalischen Wechselwirkungen und technischen Lösungen, der neu hinzugekommenen Antastprinzipien sowie der gestiegenen Genauigkeitsforderungen und Einsatzmöglichkeiten wurde es zur Gewährleistung der Aktualität als sinnvoll erachtet, in der zweiten Auflage die Kapitel zu den einzelnen Bereichen von dafür bekannten, ausgewiesenen Experten verfassen zu lassen. Weckenmann Der Herausgeber Prof. Dr.-Ing. Albert Weckenmann war bis September 2011 Ordinarius des Lehrstuhls Qualitätsmanagement und Fertigungsmesstechnik der Universität Erlangen-Nürnberg. Die Koordinatenmesstechnik ist seit mehr als 30 Jahren besonderer Schwerpunkt seines Interesses und Schwerpunkt seiner Forschung und Lehre. Mit der Verfügbarkeit der ersten rechnergestützten Koordinatenmessgeräte vor ca. 40 Jahren hat sich ein Paradigmenwechsel von der Erfassung und Auswertung reiner Zweipunktmaße hin zu Vielpunktmessungen mit Ausgleichsrechnung vollzogen, der die gesamte Fertigungsmesstechnik grundlegend gewandelt hat. Die erste Auflage des Buches»Koordinatenmeßtechnik Flexible Meßstrategien für Maß, Form und Lage«erschien 1999. Seit dieser Zeit haben sich vielerlei Innovationen und Veränderungen ergeben, auf die in der vorliegenden zweiten Auflage eingegangen wird: Neue Konzepte und weiterentwickelte Gerätetechnik wie z.b. Laser-Tracker, Gelenkarm-Geräte, Indoor-GPS und mobile Koordinatenmessgeräte, optische Antast- und Erfassungssysteme, Mikro- und Nano-Koordinatenmessgeräte und deren Tastsysteme, Röntgen-Computertomografie, Multisensorkonzepte, Koordinatenmesstechnik Koordinatenmesstechnik Koordinatenmesstechnik Flexible Strategien für funktions- und fertigungsgerechtes Prüfen www.hanser-fachbuch.de 99,00 [D] 101,80 [A] ISBN 978-3-446-40739-8 2.,vollständig überarbeitete Auflage

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Albert Weckenmann (Hrsg.) Koordinatenmesstechnik Flexible Strategien für funktionsund fertigungsgerechtes Prüfen 2., vollständig überarbeitete Auflage

Der Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult. Albert Weckenmann, Lehrstuhl Qualitätsmanagement und Fertigungsmesstechnik Universität Erlangen-Nürnberg Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek: Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar. ISBN 978-3-446-40739-8 E-Book ISBN 978-3-446-42947-5 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 Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. 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 Daten oder Teilen davon entsteht. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Einwilligung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder einem anderen Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung mit Ausnahme der in den 53, 54 URG genannten Sonderfälle, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. 2012 Carl Hanser Verlag München Wien www.hanser-fachbuch.de Lektorat: Dipl.-Ing.Volker Herzberg Herstellung: Der Buchmacher, Arthur Lenner, München Satz: page create, Berit Herzberg, Freigericht Coverconcept: Marc Müller-Bremer, Rebranding, München, Germany Titelillustration: Ingrid Gaus, Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, Universität Erlangen-Nürnberg Coverrealisierung: Stephan Rönigk Druck und Bindung: Kösel, Krugzell Printed in Germany

Vorwort des Herausgebers Mit der Verfügbarkeit der ersten rechnergestützten Koordinatenmessgeräte hat sich ein Paradigmenwechsel in der Koordinatenmesstechnik von der Erfassung und Auswertung reiner Zweipunktmaße zu Vielpunktmessungen mit Ausgleichrechnung vollzogen, der die gesamte Fertigungsmesstechnik grundlegend gewandelt hat. Ihre Ursprünge hat die Koordinatenmesstechnik in den siebziger Jahren des vorigen Jahrhunderts. Die erste Auflage des Buches Koordinatenmesstechnik Flexible Messstrategien für Maß, Form und Lage erschien 1999. Seit dieser Zeit haben sich die Fertigungstechnik und zugehörige Messtechnik geometrischer Größen an Werkstücken sowohl geographisch als auch gerätetechnisch und hinsichtlich der Anwendung physikalischer insbesondere optischer und computertomographischer Sensorik drastisch erweitert und gewandelt. Die Leistungen der Informations- und Kommunikationstechnologie sind bei gleichzeitiger Miniaturisierung der elektronischen Komponenten geradezu explodiert und haben dazu beigetragen, neue Gerätekonzepte zu verwirklichen mit aufgaben- und technologiegerecht angepassten Eigenschaften. Daneben haben sich die Aufgaben für diese Messtechnik ebenfalls deutlich gewandelt, was insbesondere die Anwendungsbandbreite, die geometrischen Größenbereiche, die Messgeschwindigkeiten, die Erfassungsdichte der Oberflächenzonen und die Angabe der Messunsicherheit der Ergebnisse angeht. In der GPS-Normenreihe (Geometrische Produktspezifikation) sind die umfangreichen Form-, Maß- und Oberflächencharakteristiken eines Werkstücks definiert und global einheitlich spezifiziert. Insgesamt ist den heutigen Koordinatenmessgeräten nur noch das Grundprinzip mit den Geräten der ersten Generation gemein. Alles in allem Grund genug, genauer hinzusehen und die Veränderungen und die neuen Lösungen unter dem Blickwinkel des praxisgerecht zu bewertenden Nutzens zu durchleuchten und die neue Anwendungsbandbreite kennenzulernen. Die Themenbereiche der ersten Auflage sind prinzipiell erhalten geblieben und um die wichtigen Gebiete der Sensorik in der Koordinatenmesstechnik und der weiterentwickelten Gerätetechnik (z. B. Laser Tracker, Computertomografie und Multisensormesstechnik) ergänzt worden. Zusätzlich wird auf Schulungskonzepte in der Koordinatenmesstechnik eingegangen. Wegen der gewachsenen technischen Komplexität der Systeme, der erweiterten und deutlich umfangreicheren Messaufgaben, der heutzutage weitaus besser als früher verstandenen komplizierten Zusammenhänge um die physikalischen Wechselwirkungen, der neu hinzugekommenen Antastprinzipien sowie der gestiegenen Genauigkeitsforderungen und Einsatzmöglichkeiten wurde es als sinnvoll erachtet, die einzelnen Bereiche der Koordinatenmesstechnik von dafür bekannten, ausgewiesenen Experten verfassen zu lassen.

VI Vorwort des Herausgebers Der erfahrene Messtechniker wird unter den Verfassern viele bekannte Namen entdecken, die Gewähr dafür bieten, dass der Stoff jedes einzelnen Teilgebietes fachlich korrekt und kompetent eingängig dargestellt ist. Das Buch wendet sich an Praktiker aus Prüf- und Prüfplanungsbereichen, die mehr über die Koordinatenmesstechnik wissen und das Zustandekommen der Ergebnisse besser verstehen wollen, an Fachleute aus anderen Bereichen eines Produktionsbetriebes, die aus den gewonnenen Messergebnissen Entscheidungen ableiten, an Konstrukteure, die mit Bemaßung und Tolerierung die Messaufgaben definieren und die Auswirkungen ihrer Vorgaben und die beim Verifizieren auftretenden Detailprobleme überblicken sollten, und an Studierende und andere Interessierte, die die Welt der Koordinatenmesstechnik für sich erschließen wollen. Das Buch will die in der deutschsprachigen Fachliteratur bestehende Lücke eines weitgespannten einführenden Fachbuches und Nachschlagewerkes für die zusammenfassende Darstellung der Grundlagen der Koordinatenmesstechnik schließen. Der Herausgeber dankt allen Autoren für die Mitwirkung und die zeitaufwändige Erstellung von Beiträgen zu diesem Gesamtwerk. Alle Autoren haben kritische Anmerkungen, die sich bei meiner Durchsicht jedes Beitrags ergaben, akzeptiert und in den allermeisten Fällen umgesetzt. Durch die Tatsache, dass unterschiedliche Autoren die Beiträge erstellt haben, kann es trotz großer Sorgfalt des Herausgebers durchaus zu Inkonsistenzen und Überschneidungen gekommen sein. Die Leser mögen dies als Bereicherung ansehen und als Zeichen der sich auch in technischen Sachverhalten zeigenden und zu akzeptierenden Meinungsvielfalt. Besonderer Dank geht an meine Mitarbeiter Dipl.-Ing. (FH) Laura Shaw und Dipl.-Ing. Philipp Krämer, die unsäglich viele kleine Details bereinigen durften und die Hauptlast der handwerklichen Arbeiten bei der Manuskripterstellung getragen haben. Den Unternehmen, Einrichtungen und Personen, die Informationen, Bilder oder Skizzen bereitgestellt haben, gilt mein ausdrücklicher Dank. Das Titelbild wurde von Frau Ingrid Gaus aus einem Rahmenvorschlag des Carl Hanser Verlags entwickelt. Für die ansprechende graphisch gestalterische Leistung meinen herzlichen Dank. Schließlich danke ich dem Carl Hanser Verlag, stellvertretend Herrn Volker Herzberg, für die Geduld und die Akzeptanz von mehreren Verschiebungen des Fertigstellungsdatums des Manuskriptes sowie für die Ausgestaltung des Buches und die stets gute Zusammenarbeit. Erlangen, 29. September 2011 Albert Weckenmann

Inhaltsverzeichnis Vorwort des Herausgebers...V Inhaltsverzeichnis... VII Autorenverzeichnis... XV 1 Einführung...1 1.1 Ziele und Messobjekte der Fertigungsmesstechnik...2 1.2 Werkstückgestalt...6 1.3 Gliederung der gestaltbezogenen Mess- und Prüfaufgaben...8 1.4 Einheiten für Länge und Winkel und Rückführung...10 1.5 Fertigungsmessgeräte und Hilfsmittel...12 1.6 Koordinatenmesstechnik und Koordinatenmessgeräte...13 1.7 Multisensor Messgeräte...17 1.8 Geschichte...19 2 Messaufgaben...25 2.1 Ziel der Messung...25 2.2 Spezifikation geometrischer Eigenschaften...25 2.2.1 Darstellung der Nenngeometrie...25 2.2.2 Grundsatz der Unabhängigkeit als internationaler Tolerierungsgrundsatz...27 2.2.3 Längenmaße...28 2.2.3.1 Zweipunktmaß...28 2.2.3.2 Größenmaße...29 2.2.3.3 Hüllbedingung...29 2.2.4 Toleranzzonen für Form- und Lagetoleranzen...32 2.2.5 Formtoleranzen...34 2.2.6 Bezüge, Bezugssysteme...35 2.2.7 Lagetoleranzen...38 2.2.7.1 Richtungstoleranzen...38

VIII Inhaltsverzeichnis 2.2.7.2 Ortstoleranzen...38 2.2.7.3 Lauftoleranzen...39 2.2.7.4 Vollständige Produktspezifikation...39 2.3 Konformitätsnachweis...40 2.3.1 Partition...41 2.3.2 Extraktion...42 2.3.2.1 Werkstückbezugssystem...42 2.3.2.2 Anzahl und Anordnung der Messpunkte...42 2.3.2.3 Sensor...44 2.4 Filterung...45 2.5 Assoziation...46 2.6 System der Geometrischen Produktspezifikation und -prüfung...48 3 Grundprinzip und Gerätetechniken...53 3.1 Konventionelles Messen...53 3.1.1 2-Punkt-Maß...53 3.1.2 3-Punkt-Maß...55 3.1.3 Sinustisch...55 3.1.4 2-Punkt-Abstand...56 3.1.5 Bohrungsabstand von einer Ebene...56 3.1.6 Zusammenfassung zur konventionellen Messtechnik...56 3.2 Prinzip der Koordinatenmesstechnik...57 3.2.1 Punktantastung und Ausgleichsrechnung...57 3.2.2 Ersatzflächen und Ersatzlinien...58 3.2.3 Minimale Anzahl Antastpunkte...59 3.2.4 Anzahl Antastpunkte...60 3.2.5 Beispiel Werkstückkoordinatensystem...61 3.2.6 Verschiedene Kriterien für Ausgleichsrechnungen...62 3.2.7 Definition von Lageabweichungen...63 3.2.8 Systematik der Koordinatenmesstechnik...64 3.2.9 Vergleich der Koordinatenmesstechnik mit konventioneller Messtechnik...68 3.3 Gerätetechnik...70 3.3.1 Geräteaufbau...70 3.3.1.1 Typischer Geräteaufbau am Beispiel eines Portalgerätes mit stehendem Portal...72 3.3.1.2 Mechanisches Justieren und Softwarekompensation...72 3.3.1.3 Innerer Aufbau eines Koordinatenmessgerätes...73 3.3.1.4 Handbediente Koordinatenmessgeräte...74 3.3.1.5 Einständer-Koordinatenmessgeräte...75 3.3.1.6 Koordinatenmessgeräte mit fahrendem Portal...76 3.3.1.7 Doppelständer-Koordinatenmessgeräte...77 3.3.1.8 Mehrstellenmessgeräte...78 3.3.2 Tastelemente, Einmessen, Mehrfachtaster und Tasterradiuskorrektur...78

Inhaltsverzeichnis IX 3.3.2.1 Tastelemente...78 3.3.2.2 Einmessen...78 3.3.2.3 Mehrfachtaster...80 3.3.2.4 Tasterradiuskorrektur...80 3.4 Erweiterungen...81 3.4.1 Tasterwechseleinrichtung...81 3.4.2 Dreh-Schwenktaster...82 3.4.3 Drehtisch...83 3.4.4 Scannen...84 3.4.5 Automatischer Werkstückwechsel...85 3.4.6 Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungseinflüssen...85 3.5 Messung nach Substitutionsmethode...86 3.6 Messung von Formabweichungen...87 4 Sensoren für Koordinaten messtechnik...93 4.1 Taktile Antastung...93 4.1.1 Einführung und Grundlagen...93 4.1.1.1 Sinn und Zweck der Antastung...93 4.1.1.2 Anforderungen an taktile 3D Tastsysteme...94 4.1.1.3 Geschichtliche Entwicklung...94 4.1.1.4 Aufbau, Komponenten, Begriffsdefinitionen...96 4.1.2 Sensorik für taktile Antastsysteme...97 4.1.2.1 Schaltende und messende Sensorik...97 4.1.2.2 Serieller und paralleler Aufbau der Sensorik...98 4.1.2.3 Resistiv schaltende Sensorik...99 4.1.2.4 Schaltende Sensorik basierend auf Piezoelementen bzw. DMS...99 4.1.2.5 Induktiv und kapazitiv messende Sensorik...99 4.1.2.6 Skalenbasiert messende Sensorik...100 4.1.2.7 Optisch messende Sensorik...100 4.1.2.8 Pseudo-taktile Sensorik...101 4.1.3 Antastabweichung...103 4.1.3.1 Tastereinmessen und Bestimmung der Antastabweichung...103 4.1.3.2 Antastkraft, Deformation, Empfindlichkeit Luftantastung...106 4.1.3.3 Filterwirkung und Einfluss der Formabweichung der Tastkugel...110 4.1.3.4 Einzelpunktmessung und Scanning...111 4.1.3.5 Tastelemente, Taststifte, Tasterbäume...112 4.1.4 Beispiele taktiler 3D Tastsysteme für die Koordinatenmesstechnik...113 4.1.4.1 Taktile Tastsysteme für konventionelle KMG...113 4.1.4.2 Taktile Tastsysteme für Mikro-KMG...115 4.1.4.3 Tastsysteme für spezielle Anwendungsfälle...117 4.1.5 Anwendung taktiler Tastsysteme und Zusatzeinrichtungen...118 4.2 Visuelle Sensoren... 119 4.2.1 Abbildungssysteme...120 4.2.2 Beleuchtungssysteme...123

X Inhaltsverzeichnis 4.2.3 Kameratechnik...126 4.2.4 Software zur Bildauswertung...127 4.2.5 Einbindung der Bildverarbeitungssensorik in Koordinatenmessgeräte...129 4.3 Berührungslose Abstandssensoren... 133 4.3.1 Grundlegende Messprinzipien...134 4.3.2 Abstandssensor mit Foucault scher Schneide...135 4.3.3 Triangulationssensoren...137 4.3.4 Photogrammetrie...138 4.3.5 Streifenprojektion...139 4.3.6 Fokusvariation...140 4.3.7 Konfokale Abstandssensoren...141 4.3.8 Weißlichtinterferometrie...143 4.3.9 Konoskopischer Abstandssensor...145 4.4 Rastersondenverfahren... 147 4.4.1 Einführung und Grundlagen...147 4.4.1.1 Rastertunnelmikroskopie Ursprung der Rastersondenverfahren...148 4.4.1.2 Raster-Kraft-Mikroskopie...149 4.4.1.3 Rastersondenverfahren im Kontext der Koordinatenmesstechnik...150 4.4.2 Koordinatenmesstechnik mit Rastersondenverfahren...151 4.4.2.1 2,5D Koordinatenmesstechnik mit metrologischen Rastersondenmikroskopen...151 4.4.2.2 3D Koordinatenmesstechnik mit Raster-Kraft-Mikroskopie...152 5 Grundlagen weiterentwickelter Gerätetechnik... 155 5.1 Lasertracker... 155 5.1.1 Einleitung...155 5.1.1.1 Handtaster mit zusätzlicher Erfassung der Orientierung...158 5.1.2 Anwendungen...158 5.1.2.1 Flugzeugbau...158 5.1.2.2 Vorrichtungsbau...159 5.1.2.3 Qualitätssicherung von Großteilen und im Formenbau...160 5.1.2.4 Kalibrierung von Maschinen...160 5.1.3 Messunsicherheit und Normen...161 5.1.3.1 Messunsicherheit...161 5.1.3.2 Amerikanische Norm zur Prüfung von Lasertrackern: B89.4.19...162 5.1.3.3 Deutsche Richtline zur Prüfung von Lasertrackern: VDI 2617-10...163 5.1.3.4 Internationale Norm zur Prüfung von Lasertrackern in der Normungsreihe ISO 10360...164 5.1.4 Neue Technologien...165 5.1.4.1 Der Virtuelle Lasertracker...165 5.1.4.2 Multilaterationssystem...165 5.1.5 Zusammenfassung und Ausblick...166 5.2 Koordinatenmessgeräte mit Gelenkarmen... 167 5.2.1 Funktionsweise der Gelenkarm-KMGs...167 5.2.2 Gelenkarm-KMG mit lineargeführter Z-Achse...168

Inhaltsverzeichnis XI 5.2.3 Gelenkarm-KMG mit mehreren Gelenkarm-Segmenten...170 5.2.4 Prüfung von Gelenkarm-Koordinatenmessgeräten...174 5.3 3D-Nanomess- und Nanopositioniergeräte... 176 5.3.1 Einführung...176 5.3.2 Stand der Technik von Nanopositionier- und Nanomessgeräten...177 5.3.3 Laserinterferometrische Längenmesstechnik...179 5.3.3.1 Grundlagen der Interferometer...179 5.3.3.2 Metrologische Analyse...181 5.3.4 Laserinterferometer für Nanomessgeräte...186 5.3.5 Nanokoordinatenmessgeräte...188 5.3.5.1 Aufbauprinzipien von Koordinatenmessgeräten (CMM)...188 5.3.5.2 Aufbau, Wirkungsweise und Eigenschaften der Nanomessmaschine NMM-1...190 5.3.5.3 Nanosensoren für die Nanomessgeräte, Messergebnisse...194 5.3.5.4 Anwendungsgebiete der Nanomessmaschinen...199 5.4 Röntgentomographie... 200 5.4.1 Röntgenstrahlerzeugung...202 5.4.2 Bildaufnahme...204 5.4.3 Mechanik und Strahlenschutz...205 5.4.4 Volumen- und Messpunkteberechnung...207 5.4.5 Messabweichungen durch das Röntgentomographieprinzip...209 5.4.6 Erweiterung des Einsatzbereichs von Koordinatenmessgeräten mit Röntgentomographie...211 5.4.7 Anwendung von Koordinatenmessgeräten mit Röntgentomographie...213 5.5 Optische Messsysteme... 216 5.5.1 Prinzip der Triangulation...216 5.5.2 Berührungslose optische Erfassung von Werkstückoberflächen mit aktiver Triangulation...219 5.5.3 Berührungslose optische Erfassung von Werkstückoberflächen mit passiver Triangulation...221 5.5.3.1 Passive Triangulation mit zueinander kalibrierten Messkameras...222 5.5.3.2 Passive Triangulation mit einer bewegten Messkamera...222 5.5.3.3 Passive Triangulation mit Theodoliten...223 5.5.4 Geometrieerfassung mit photogrammetrischen Trackersystemen...224 5.5.5 Berührungslose optische Geometrieerfassung nach dem Licht-Laufzeitverfahren...226 5.5.6 Optische Geometrieerfassung spiegelnder Oberflächen...226 5.6 Messen mit mehreren Sensoren... 228 5.6.1 Optische Messsysteme mit Antastung in mehreren Einzelansichten...229 5.6.1.1 Registrierung...230 5.6.1.2 Datenfusion...233 5.6.2 Multisensor-Koordinatenmessgeräte...234 5.6.2.1 3D Multisensor-Koordinatenmessgeräte...234 5.6.2.2 Multisensor-Oberflächenmessgeräte...237

XII Inhaltsverzeichnis 5.7 Indoor-GPS (Global Positioning System)... 239 5.7.1 Funktionsweise und Komponenten des igps...239 5.7.2 Skalierung des Messsystems...241 5.7.3 Inhomogene Fehlerverteilung im Messsystem...242 5.7.4 Anwendungsbeispiel: Regelung von Robotern...243 5.8 Maschinenintegrierte Messtechnik... 244 5.8.1 Definition und Einordnung innerhalb der Fertigungsmesstechnik...244 5.8.2 Pre- und Post-Prozess-Messtechnik...244 5.8.3 Potenzial der dreidimensionalen Korrektur...246 5.8.4 Sensoren zur Integration auf der Werkzeugmaschine...247 5.8.5 In-Prozess-Messtechnik...248 5.8.6 Pneumatische In-Prozess-Messtechnik...250 5.8.7 Zukünftige Entwicklungen...252 6 Von der technischen Zeichnung über den Prüfplan hin zum Messablaufplan... 253 6.1 Einführung in die Prüfplanung... 253 6.1.1 Prüfen der Unterlagen...254 6.1.2 Erkennen der Merkmale...254 6.1.3 Auswahl der Prüfmerkmale...254 6.1.4 Abarbeiten der Prüfmerkmale (allgemein)...256 6.1.5 Abstimmen mit Fachbereichen...256 6.1.6 Dokumentation Eintragungen in den Prüfplan...257 6.1.7 Inhalte eines Prüfplans...257 6.2 Abarbeiten der Prüfmerkmale in der Koordinatenmesstechnik... 257 6.2.1 Einführung...257 6.2.2 Prüfaufgabe analysieren...258 6.2.2.1 Auswahl des Koordinatenmessgeräts und dessen Zusatzeinrichtungen...258 6.2.2.2 Prüfplan für die Koordinatenmesstechnik...259 6.2.3 Messstrategie definieren...260 6.2.3.1 Orientierung des Werkstücks im Koordinatenmessgerät...260 6.2.3.2 Koordinatensysteme...260 6.2.3.3 Antaststrategie...264 6.2.3.4 Auswertestrategie...272 6.2.4 Messablauf festlegen...279 6.2.4.1 Grundsätze...280 6.2.4.2 Optimierungskriterien...280 6.2.5 Messung vorbereiten...282 6.2.5.1 Erforderliche Unterlagen...282 6.2.5.2 Werkstück...283 6.2.5.3 Koordinatenmessgerät...284 6.2.5.4 Hilfsmittel...284 6.3 Softwareunterstützung bei der Prüfplanung für die Koordinatenmesstechnik... 285

Inhaltsverzeichnis XIII 7 Vom Messablaufplan über die Programmierung, Durchführung und Auswertung bis zur Ergebnisdarstellung... 287 7.1 Programmierung... 287 7.1.1 Software zur Programmierung für Koordinatenmessgeräte...289 7.1.2 Rechnergestützte Schnittstellen für Eingangsinformationen: CAD und Planungssoftware...291 7.1.3 Simulation und Kollisionskontrolle...296 7.1.4 Rechnergestützte Übertragung von Messprogrammen...298 7.1.5 Programmierung von automatisierten Systemen in der Produktion...300 7.1.6 Programmierung bei speziellen Messaufgaben...301 7.2 Messung und Auswertung der Koordinaten (Punkte)... 303 7.2.1 Messung: Messprogrammausführung...303 7.2.2 Auswertung: Ableitung von Informationen aus den Messpunkten...304 7.3 Ergebnisdarstellung und -übertragung... 314 7.3.1 Messprotokollgestaltung, Messprotokollarten...315 7.3.2 Rechnergestützte Übertragung von Messergebnissen...316 8 Spezielle Messaufgaben... 323 8.1 Spektrum der Messaufgaben mit komplexer Geometrie... 324 8.1.1 Messobjekte mit analytischer Geometriebeschreibung (funktionsbedingt gegeben)...324 8.1.2 Messobjekte mit numerisch-approximativer Geometriebeschreibung...327 8.2 Definition der Messaufgabe... 328 8.2.1 Messaufgaben-Definition an ausgezeichneten Punkten...328 8.2.2 Messaufgaben-Definition entlang ausgezeichneter Linien...329 8.2.3 Messaufgaben-Definition durch 3D-Topografien...330 8.3 Definition der Messstrategie... 331 8.3.1 Auswahlkriterien und Beurteilungskriterien...331 8.3.2 Gerätebezogene Aspekte der Messstrategie...331 8.3.3 Phasen der Messprogrammerstellung und der Programmierung des Prüfprozesses...332 8.4 Ausrichten... 337 8.4.1 Methodik der Ausrichtung komplexer Messobjekte...337 8.4.2 Ausrichtung nach dem Werkstück-Grundkörper oder nach funktionsbestimmenden Bezugsflächen...338 8.4.3 Ausrichtung nach den Freiformflächen...339 8.4.4 Ausrichtung mit Ähnlichkeitstransformationen...342 8.4.5 Ausrichtung nach Teilflächen...343 8.5 Messdatenauswertung... 344 8.5.1 Messdatenauswertung für Freiformflächen...345 8.5.1.1 Zuordnung von Soll- und Ist-Punkten...345 8.5.1.2 Tastkugelkorrektur...346 8.5.1.3 Soll-Ist-Vergleich...348

XIV Inhaltsverzeichnis 8.5.1.4 Berechnung von Abweichungs-Kenngrößen...349 8.5.2 Sonderfall Verzahnungsmessungen...351 8.5.3 Besondere Auswertemethoden...353 8.6 Funktionsorientierte Prüfungen... 354 8.6.1 Prinzip der numerischen Funktionsprüfung in der Koordinatenmesstechnik...354 8.6.2 Beispiel Tragbildprüfung bei Zylinderrädern...355 9 Messunsicherheit und Rückverfolgbarkeit von Messwerten... 359 9.1 Metrologische Rückverfolgbarkeit... 359 9.2 Ermittlung der Messunsicherheit... 361 9.2.1 Messunsicherheitsbilanz...362 9.2.2 Ermittlung der Messunsicherheit am kalibrierten Werkstück...372 9.2.3 Ermittlung der Messunsicherheit durch Simulation...373 9.2.4 Korrektur systematischer Abweichungen...374 9.3 Annahme und Überwachung von Koordinatenmessgeräten... 375 9.3.1 Antastabweichung...379 9.3.2 Längenmessabweichung...380 9.4 Eignungsnachweis für Prüfprozesse und Messsysteme... 382 10 Wirtschaftlichkeit... 387 10.1 Kosten... 388 10.2 Nutzen und Zweckerfolg einer Messung... 389 10.2.1 Referenzmodell zur Bewertung des Zweckerfolgs einer Messung...389 10.2.2 Methodisches Vorgehen...393 10.3 Bewertungsansätze... 396 10.3.1 Konformitätsprüfung (Gestaltprüfung)...396 10.3.2 Prozessfähigkeitsuntersuchung...398 10.3.3 Statistische Prozesslenkung...403 11 Schulungskonzepte... 409 11.1 Einführung... 409 11.2 Formen der Ausbildung... 410 11.3 Modernes Ausbildungskonzept CMTrain... 412 11.4 Ausblick auf künftige Ausbildung... 415 Stichwortverzeichnis... 417

Autorenverzeichnis Dr.-Ing. habil. Ralf Christoph, Werth Messtechnik GmbH, geschäftsführender Gesellschafter, Schwerpunkt in Forschung und Entwicklung seit Anfang der 80er Jahre: optische Sensoren für Koordinatenmessgeräte, Multisensor-Koordinatenmesstechnik und Koordinatenmesstechnik mit Röntgentomografie Dipl.-Ing. Björn Damm, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement der RWTH Aachen und Geschäftsführer des Interdisciplinary Imaging & Vision Institute. Prof. Dr.-Ing. Michael Dietzsch war bis 2011 Professor für Fertigungsmesstechnik und Qualitätssicherung an der Technischen Universität Chemnitz. Er ist weiterhin Mitarbeiter in den Gremien des DIN, VDI und der ISO auf dem Gebiet der Geometrischen Produktspezifikation und -prüfung. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Adrian Dietlmaier, OSRAM AG, Quality Management Specialty Lighting. Bis Juli 2011 war er akademischer Rat a. Z. am Lehrstuhl QFM der Universität Erlangen-Nürnberg mit dem Forschungsschwerpunkt Wirtschaftlichkeit von Messergebnissen. Prof. Dr.-Ing. Bernd Gawande lehrt die Fachgebiete Messtechnik und Qualitätsmanagement an der Hochschule für Technik und Wirtschaft in Berlin und ist seit 1984 in der Koordinatenmesstechnik tätig. Prof. Dr.-Ing. Gert Goch, Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ), Universität Bremen. Institutsleiter; Forschungsschwerpunkte: Messverfahren und Sensoren in der Produktion; Diagnose, Steuerung und Qualitätsregelung von industriellen Produktionsprozessen; Numerisch gesteuerte Messgeräte und Werkzeugmaschinen; Präzisionstechnik Dr.-Ing.Frank Härtig leitet den Fachbereich Koordinatenmesstechnik in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt. Auf dem Gebiet der Fertigungsmesstechnik kann er auf langjährige Erfahrung in Industrie und Wissenschaft zurückgreifen.

XVI Autorenverzeichnis Dr.-Ing. Jörg Hoffmann, nach fünfjähriger wissenschaftlicher Arbeit am Lehrstuhl QFM befasst sich Jörg Hoffmann seit 2009 bei Intego GmbH, Erlangen mit der Entwicklung automatisierter multisensorischer Mess- und Prüfanlagen für die Siliziumindustrie. Dr.-Ing. Dietrich Imkamp ist Leiter Visual Systems bei der Carl Zeiss, Industrielle Messtechnik GmbH und ist seit 1994 in der Koordinatenmesstechnik tätig. Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. h.c. Dr. h.c. mult. Gerd Jäger war Leiter des Institutes Prozessmess- und Sensortechnik der Technischen Universität Ilmenau. Schwerpunkte seiner Arbeit: Nanomess- und Nanopositioniertechnik, Lasermesstechnik, Kraftmess- und Wägetechnik. Dr.-Ing. Marco Gerlach ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Fertigungsmesstechnik und Qualitätssicherung (IFMQ) der Technischen Universität Chemnitz. Der Schwerpunkt der Lehr- und Forschungstätigkeit liegt in der Tolerierung und Messung von Geometrieabweichungen. Dr.-Ing. Sophie Gröger ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Fertigungsmesstechnik und Qualitätssicherung (IFMQ) der Technischen Universität Chemnitz. Die geometrische Beschreibung und Bewertung von Werkstücken im System der Geometrischen Produktspezifikation und -prüfung sind der Schwerpunkt ihrer Forschungsarbeit. Dr. sc. techn. Dipl. Ing. ETH Wolfgang Knapp, Eidgenössische Technische Hochschule (ETH), Zürich, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigung (IWF); seit 1986 Ingenieurbüro Dr. W. Knapp, Maschinen- und Koordinatenmesstechnik; seit 1995 Dozent an der ETH Zürich für Werkstück- und Maschinenmesstechnik (Teilzeit); seit 1998 Leiter des Sektors Messtechnik am IWF der ETH Zürich (Teilzeit) Prof. Dr.-Ing. Claus P. Keferstein, Leiter des Instituts für Produktionsmesstechnik, Werkstoffe und Optik (PWO) an der NTB. Seit über 30 Jahren im Bereich Fertigungsmesstechnik, optische Mess- und Prüftechnik in der Industrie und in Forschung und Lehre tätig. Dr.-Ing. Rolf Krüger-Sehm ist Leiter der Arbeitsgruppe 5.14 Rauheitsmessverfahren bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Sein Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung von Messeinrichtungen, Messverfahren sowie Kalibriernormalen, die im Gebiet der Oberflächenrauheit eingesetzt werden. Dipl.-Ing. Karsten Lübke, Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ), Universität Bremen. Sein Forschungsschwerpunkt liegt in der Koordinatenmesstechnik im Bereich Algorithmen für die Berechnung von Maß-, Form- und Lageabweichungen.

Autorenverzeichnis XVII Dipl.-Ing. (FH) Michael Marxer, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut PWO und Leiter der akkreditierten Kalibrierstelle. Seine Schwerpunkte sind die Koordinaten- und Oberflächenmesstechnik sowie moderne Schulungskonzepte auf Basis blended Learning. Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH) Christian Neukirch, Volkswagen AG, Abt. Meisterbock und Cubing Marke VW, zuständig für neue Technologien und Hochschulkontakte, Leiter des DKD Labors, ist seit über 25 Jahren im Bereich der Längenmesstechnik tätig. Prof. Dr.-Ing. Robert Schmitt, Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement, Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen und Direktoriumsmitglied des Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT. Dipl.-Ing. Alexander Schönberg, Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Lehrstuhl für Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement der RWTH Aachen. Er beschäftigt sich mit globalen Referenzsystemen für wandlungsfähige Produktion. Dr.-Ing. Heinrich Schwenke, Vorstandsvorsitzender der Etalon AG, Braunschweig. Die Etalon AG entwickelt und vertreibt laserbasierte Messtechnik für die Prüfung und Kompensation von Mess- und Fertigungsmaschinen. Prof. Dr.-Ing. Jörg Seewig, Lehrstuhl für Messtechnik und Sensorik, Technische Universität Kaiserslautern. Schwerpunkt seiner Forschung liegt in der strukturorientierten Auswertung von Oberflächenrauheit und der anwendungsnahen optischen Messtechnik. Dipl.-Ing. (FH) Laura Shaw, Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl Qualitätsmanagement und Fertigungsmesstechnik der Universität Erlangen-Nürnberg und Leiterin des akkreditierten Kalibrierlaboratoriums des Messzentrum QFM. Ihr Forschungsschwerpunkt liegt in der Multisensor Messtechnik. Prof. Dr.-Ing. Rainer Tutsch, Leiter des Instituts für Produktionsmesstechnik der Technischen Universität Braunschweig. Schwerpunkte seiner Forschung sind die Wellen- und Strahlenoptik mit dem Ziel der Bestimmung von Lage, Form und Formänderung. Dipl.-Ing. Axel von Freyberg, Abteilungsleiter für den Bereich Geometriemesstechnik und Qualitätswissenschaft im Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ) an der Universität Bremen.

XVIII Autorenverzeichnis Dipl.-Ing. (FH) Josef Wanner ist Leiter Applikations-Support bei der Carl Zeiss, Industrielle Messtechnik GmbH und ist seit 1979 in der Koordinatenmesstechnik tätig. Er ist seit vielen Jahren in den nationalen und internationalen Normengremien für die Koordinatenmesstechnik vertreten. Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult. Albert Weckenmann, Ordinarius des Lehrstuhls Qualitätsmanagement und Fertigungsmesstechnik der Universität Erlangen-Nürnberg. Die Koordinatenmesstechnik ist seit über dreißig Jahren besonderer Schwerpunkt seiner Forschung und Lehre. Dr.-Ing. Klaus Wendt ist Leiter der Arbeitsgruppe für Koordinatenmessgeräte in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt. Sein Forschungsschwerpunkt liegt seit über 20 Jahren im Bereich der Koordinatenmesstechnik.