Fertigungsmesstechnik

Der Begriff Fertigungsmesstechnik steht für alle im Zusammenhang mit dem Messen und Prüfen verbundenen Tätigkeiten industriell hergestellter Produkte. In diesem Kapitel wird auf die Entwicklung der Fertigungsmesstechnik eingegangen und es werden grundlegende Begriffe und Konzepte eingeführt. Es wird die Rolle der Fertigungsmesstechnik innerhalb des Produktlebenszyklus behandelt und die Aufgaben der Fertigungsmesstechnik als Informationslieferant im gesamten Produktlebenszyklus von der Konstruktion über die Fertigung bis zum Qualitätsmanagement werden vorgestellt.

Dieses Kapitel beinhaltet, zusammen mit dem Kapitel Glossar, einen Überblick über Grundbegriffe, Definitionen der Fertigungsmesstechnik und Erläuterungen zu wichtigen Grundprinzipien. Ein Schwerpunkt liegt auf der messtechnischen Rückführung und einer Einführung über Normale in der Fertigungsmesstechnik. Ein weiterer Schwerpunkt liegt bei der Geometrischen Produktspezifikation und Verifikation und weiteren Grundlagen für eine funktionierende internationale Zusammenarbeit bei der Produktherstellung. Es werden ausgewählte Konstruktionsprinzipien vorgestellt, welche bei der Auslegung von Messgeräten der geometrischen Messtechnik eine große Bedeutung haben.

In diesem Kapitel wird auf die Bedeutung der Messunsicherheit eingegangen und es wird erläutert, wie die Messunsicherheit bei Entscheidungen berücksichtigt werden muss, ob eine Spezifikation eingehalten ist oder verletzt wird. Darüber hinaus werden Methoden zur Messunsicherheitsabschätzung und praxisorientierte Verfahren zur Messunsicherheitsermittlung vorgestellt. Ein Fallbeispiel zur Abschätzung der Messunsicherheit illustriert die grundlegenden Zusammenhänge.

Koordinatenmessgeräte sind universelle Messgeräte, mit denen eine Vielzahl von dimensionellen Messaufgaben gelöst werden können. In diesem Kapitel wird der Bogen von der 1-D- bis zur 3-D-Koordinatenmesstechnik gespannt. Basierend auf der Beschreibung der Grundprinzipien der Koordinatenmesstechnik wird das Vorgehen beim Messen beschrieben und wichtige Elemente zur Definition der Messstrategie erläutert. Es wird auf die Gerätetechnik eingegangen und wichtige Komponenten, wie auch Bauarten von Koordinatenmessgeräten, werden erklärt. Im Abschnitt „Taktile Koordinatenmessgeräte“ werden Messkopfsysteme der berührenden Koordinatenmesstechnik erläutert und die Schritte der Messpunkterfassung aufgezeigt. Ein Abschnitt Mikro-Koordinatenmesstechnik gibt eine Einführung über neueste Entwicklungen zur Erfassung kleinster Dimensionen und Merkmale bis in den Sub-Mikrometerbereich. Im Abschnitt „Optische Koordinatenmesstechnik“ werden berührungslose Messkopfsysteme und deren Methoden zur Messpunkterfassung erklärt. Ein Schwerpunkt bildet die Multisensor-Koordinatenmesstechnik. In diesem Abschnitt werden die Möglichkeiten beim Einsatz mehrerer Messkopfsysteme in Kombination auf einer Bewegungsplattform aufgezeigt. Die Computertomographie wird erläutert und ein Abschnitt mit Hinweisen zur Programmierung von Koordinatenmessgeräten zeigt die umfangreichen Möglichkeiten dieser Technologie auf. Ein Abschnitt „Ermittlung der Leistungsfähigkeit und Überwachung“ und Erläuterungen zu Schnittstellen runden dieses Kapitel ab.

Es wird auf die Geometrischen Tolerierung eingegangen und erläutert, warum alle im Produktentstehungsprozess beteiligten Abteilungen diese Thematik, selbstverständlich in unterschiedlicher Tiefe und mit unterschiedlichen Schwerpunkten, kennen müssen. Dazu werden die Grundzüge der Geometrischen Tolerierung vorgestellt und auf Toleranzarten sowie auf wichtige Normen für Spezifikation und Messverfahren für die Verifikation eingegangen. Dabei wird an Beispielen erläutert, dass die funktionsorientierte Spezifikation und Verifikation im Zentrum der Bestrebungen steht, Produkte wirtschaftlich und funktionsgerecht herstellen zu können. Im Abschnitt Gerätetechnik wird ein Überblick über spezialisierte Messverfahren für die Ermittlung von Form, Richtung, Ort und Lauf gegeben. Ein Schwerpunkt in diesem Kapitel stellt die Rundheitsmessung dar. In diesem Abschnitt wird auf die Spezifika von Formmessgeräten und Koordinatenmessgeräten sowie die Filterung von Messdaten bei Formmessungen eingegangen. Neben der Beschreibung von Messverfahren widmet sich ein Abschnitt der Rückführung von Messresultaten und der Überwachung von Geräten, die zur Ermittlung von Geometrischen Toleranzen eingesetzt wird.

Jede Oberfläche weist eine Struktur auf. Die Feingestalt der Werkstückoberfläche ist ein fertigungsspezifisches Merkmal, das großen Einfluss auf die Werkstückeigenschaften haben kann. Es werden objektive Parameter zur Beschreibung der Oberflächenrauheit erläutert, und es wird erklärt, wie die Ermittlung von Oberflächenkenngrößen durchgeführt wird. In einem Abschnitt werden weit verbreitete 2-D-Rauheitsparameter vorgestellt und erklärt und es wird dazu auf Senkrechtkenngrößen und auf Waagerechtkenngrößen eingegangen. Eine Einführung in 3-D-Kenngrößen ermöglicht einen Einstieg in die neuen Aspekte der flächenhaften Rauheitskenngrößen. Im Abschnitt „Gerätetechnik“ wird auf taktile und optische Messverfahren zur Ermittlung von Rauheitskenngrößen wie auch auf Geräte für die Konturmesstechnik eingegangen. Ein Schwerpunkt stellt die Festlegung der Messstrategie dar mit einem Fokus auf Filterung von Messdaten. Es werden Aspekte der Rückführung von Messresultaten, zu Überwachung von Geräten sowie Normale vorgestellt, die in der Oberflächen- und Konturmesstechnik eingesetzt werden.

Messresultate müssen reproduzierbar sein. Die Messunsicherheit wird von einer Vielzahl von Parametern beeinflusst. Es werden wichtige Einflussgrößen wie z. B. Umgebungsbedingungen, in der Messungen durchgeführt werden, vorgestellt und deren Bedeutung auf Messresultate diskutiert. In diesem Kapitel wird die Bedeutung von Messräumen verdeutlicht und es werden praxisorientierte Hinweise zur Planung, zur Auslegung und zur Spezifikation von Messräumen aufgezeigt. Dazu werden zulässige Temperaturabweichungen, Festlegungen zur relativen Feuchte und weitere wichtige Parametern aufgezeigt. Es wird auf die Architektur und Ausrüstung wie auch auf ergonomische Aspekte eingegangen, die bei der Planung von Messräumen berücksichtigt werden sollten.

In diesem Kapitel werden Maßverkörperungen für Länge und Winkel beschrieben wie auch Längenaufnehmer und Messuhren praxisorientiert erläutert. In einem Abschnitt werden Arten von Lehren und Prinzipien wie der Taylorsche Grundsatz erklärt, mit dem verständlich wird, wie Lehren ausgelegt werden sollen und welche Aspekte bei deren Anwendung beachtet werden müssen. Ein Schwerpunkt stellen Längenmessgeräte dar. Dazu werden unterschiedliche Funktionsprinzipien, deren Eigenschaften und die bevorzugten Einsatzmöglichkeiten vorgestellt.

In diesem Kapitel wird der Begriff «Beherrschte Fertigung» behandelt und Messgeräte und Messstrategien vorgestellt, die in diesem Kontext verwendet werden. Es wird auf Messvorrichtungen bzw. Mehrstellenmessgeräte eingegangen, die Sondermessmittel für die Überwachung von Serienteilen mit einer Vielzahl von Merkmalen sind. Ein Exkurs über die Überwachung von Werkzeugmaschinen ergänzt dieses Kapitel.

Die Sichtprüfung oder auch visuelle Prüfung ist eine wichtige, schnelle und berührungslose Methode für die Qualitätssicherung. Sie eröffnet die Bearbeitung vieler Aufgabenfelder. In diesem Kapitel wird die Suche nach Oberflächendefekten wie Kratzer, Dellen, Lackierfehlern usw. diskutiert. Es wird auf unterschiedliche Arten visueller Prüfungen wie die Objekterkennung, Lageerkennung, Vollständigkeitsprüfung aber auch die Form- und Maßprüfung wie auch Oberflächenprüfung eingegangen. Ein Abschnitt befasst sich mit ergonomischen Aspekten, die bei der Auslegung von Sichtprüfarbeitsplätzen durch Menschen berücksichtigt werden sollten. Ein Schwerpunkt in diesem Kapitel wird auf die Automation von Sichtprüfaufgaben gelegt. In einem neuen Abschnitt wird das „Maschinelle Lernen“ und seine Anwendung in der Sichtprüfung und deren Automatisierung erläutert. Es werden Komponenten und Geräte für die automatisierte Sichtprüfung wie z. B. Aspekte der Beleuchtung, Kamera und Objektiv erklärt.

Die Statistische Prozessregelung beschreibt Maßnahmen und Methoden der Prozessqualifikation, -überwachung und -verbesserung. In diesem Kapitel werden Verfahren der Statistischen Prozessregelung erläutert und weit verbreitete Parameter zur Steuerung von Fertigungsprozessen erklärt. Dabei werden Begriffe wie Prozesspotential, Prozessstreubreite und Prozessfähigkeit praxisorientiert beschrieben sowie Verfahren diskutiert, wie diese Kenngrößen ermittelt werden. Es werden Methoden zur Steuerung von Prozessen und Hilfsmittel zur Visualisierung von Prozessverläufen wie z. B. Qualitätsregelkarten erklärt.

Die berührungslos optische Messtechnik ist heute aus der Fertigungsmesstechnik nicht mehr wegzudenken. Innerhalb der Einführung wird auf die historische Entwicklung dieses Teils der Fertigungsmesstechnik eingegangen und die Leistungsfähigkeit verschiedener Messverfahren werden gegenübergestellt. Es wird ein Überblick über eine Vielzahl von optischen Sensoren gegeben, die für die industrielle Messtechnik zur Verfügung stehen. Dabei handelt es sich sowohl um Sensoren, die als Stand-Alone-System oder auch integriert in Messsysteme wie z. B. in Koordinatenmessgeräten oder Rauheitsmessgeräten, eingesetzt werden können. Für jeden optischen Sensor werden das Messprinzip und Eigenschaften erklärt wie auch Anwendungsbeispiele gegeben.

Es werden optische Messverfahren erläutert, die typischerweise ohne zusätzliche Bewegungsachsen im Einsatz sind. Hier wird zwischen Verfahren unterschieden, die 1-D- und 2-D – Messdaten und solche, die 3-D – Daten erzeugen. Zu den hier beschriebenen Messsystemen werden die zugrundeliegenden Messprinzipien erläutert und es werden Eigenschaften und Anwendungen erklärt. Die Spannweite der beschriebenen Messsysteme reicht von Profilprojektoren bis zu Laserinterferometern.

Es wird das Prüfmittelmanagement als Unternehmensprozess beschrieben, der die Prüfplanung mit dem Lebenszyklus des Prüfmittels verbindet und von der Prüfmittelbeschaffung über den Prüfmitteleinsatz und die Prüfmittelüberwachung bis zum Ausscheiden des Prüfmittels reicht. Beherrschte Produktionsprozesse sind nur mit fähigen und beherrschten Prüfprozessen möglich. Das Prüfmittelmanagement trägt zur Entwicklung und Aufrechterhaltung fähiger Prüfprozesse bei. Prüfmittel müssen zum richtigen Zeitpunkt, am richtigen Ort in einsatzbereitem Zustand zur Verfügung gestellt werden. Die Prüfplanung spielt dabei eine zentrale Rolle. Zur Beurteilung von Qualitätsmerkmalen und zur Steuerung von Produktionsprozessen sind fähige Prüfprozesse erforderlich. In diesem Kapitel werden Verfahren zur Ermittlung der Prüfprozessfähigkeit erläutert.

In den letzten Jahren hat die Digitalisierung viele Bereiche grundlegend gewandelt. Auch in der Industrie werden immer mehr Prozesse digital abgewickelt oder mit digitalen Prozessen unterstützt. Die Fertigungsmesstechnik profitiert von dieser Entwicklung ebenfalls. Auslöser für die neuen Möglichkeiten sind, dass Messdaten kostengünstig digital erfasst und gespeichert werden können, aber auch moderne Verfahren der Datenanalyse vorliegen, mit denen schneller Rückschlüsse auf die gesamten betrieblichen Abläufe vom Entwurf über die Produktion und bis zur Qualitätssicherung gezogen werden können.

Dieses Kapitel beinhaltet eine Zusammenstellung wichtiger Begriffe der Messtechnik in alphabetischer Reihenfolge inklusive deren Erläuterung. Die Definitionen sind weitgehend an bereits existierenden Definitionen z. B. aus dem Internationalen Wörterbuch der Metrologie angelehnt, wurden teilweise aber vereinfacht und mit praxisorientierten Hinweisen versehen.