Setzen Sie das Potenzial Ihres CMM frei

Seit mehr als 50 Jahren verbessern Koordinatenmessgeräte (KMG) die Messproduktivität und -qualität. Die Leistungsfähigkeit von KMGs hat viele komplexe Inspektionsaufgaben fast trivial erscheinen lassen. Ist es bei so vielen Messmöglichkeiten möglich, dass Betreiber ihre CMMs als selbstverständlich ansehen?

KMGs sind oft teuer, mit ausgeklügelter Software und komplizierten Genauigkeitsspezifikationen, aber viele KMGs werden täglich erfolgreich und effizient von Bedienern verwendet, selbst von solchen mit begrenzten Kenntnissen über ihr KMG. Wie bei vielen modernen Technologien wird die tägliche Verwendung von KMGs einfacher, während der Wissensstand, der für die ordnungsgemäße Unterstützung der Technologie erforderlich ist, recht hoch werden kann. Lassen Sie uns einen genaueren Blick auf einige der wichtigsten Punkte werfen, die Bedienern helfen sollen, ihre CMMs besser zu verstehen und zu verwenden.

Die ersten KMGs, die in den 1950er Jahren eingeführt wurden, waren manuelle Inspektionsinstrumente, die mit konischen Zylindersonden ausgestattet waren, mit denen der Abstand zwischen Löchern schnell in zwei Dimensionen gemessen werden konnte. Das Ziel dieser frühen CMMs war es, die Stunden der Layout-Inspektionszeit auf nur wenige Minuten zu reduzieren. Die heutigen modernen KMGs haben zwar immer noch Ähnlichkeiten mit den ursprünglichen KMGs, sind aber in so vielen verschiedenen Ausführungen erhältlich, dass der Begriff Koordinatenmesssysteme, nicht Maschinen, häufiger verwendet wird. Herkömmliche dreiachsige KMGs sind immer noch sehr beliebt, aber Gelenkarme, Lasertracker, optische Scanner, Röntgenstrahlen, fortschrittliche Messsensoren sowie Hochgeschwindigkeits-Inline-Messsysteme und andere Technologien für 3D-Messungen nehmen weiter zu und den traditionellen KMG-Markt verändern.

KMG-Kalibrierung

Die fortschrittliche Technologie des KMG hat das Verständnis der Genauigkeit von KMG-Messungen erschwert. Wenn wir über die Qualität eines Messprozesses nachdenken und ihn steuern, konzentrieren wir uns oft auf zwei verschiedene Themen:Zum einen die Genauigkeit der Messausrüstung und zum anderen die Genauigkeit und Wiederholbarkeit des Messprozesses. Die Genauigkeit der Messgeräte wird häufig durch eine ordnungsgemäße Kalibrierung und Überprüfung anhand der ursprünglichen Herstellerspezifikationen verwaltet. Die Situation ist für CMMs die gleiche, aber die Kalibrierung ist komplexer.

Die Kalibrierung von etwas Einfachem, wie z. B. einem Endmaß, ist leicht verständlich. Es ist ein Längenstandard, und daher kalibrieren Sie die Länge. Bei Messschiebern oder Mikrometern, die Längen messen, kalibrieren Sie sie zum Messen von Längen. KMGs haben oft mehrere Bewegungsachsen, verschiedene Messsensoren und sind mit Software ausgestattet, um fast alles zu messen. Im Gegensatz zum Endmaß oder Messschieber können Sie ein KMG nicht für jede Messaufgabe, die es durchführt, separat kalibrieren, da dies wirtschaftlich nicht praktikabel wäre. Es ist auch nicht sehr sinnvoll, die mechanischen Komponenten eines KMG, wie z. B. die Genauigkeit einer einzelnen Messachse oder die Rechtwinkligkeit zwischen den Achsen, separat zu kalibrieren, da alle Komponenten zusammenarbeiten und ihr Einfluss auf die Messergebnisse kompliziert ist.

CMMs werden stattdessen kalibriert, indem eine Reihe von Längenmessungen über das Messvolumen des CMM durchgeführt werden. Seit Mitte der 1980er Jahre gibt es gut dokumentierte standardisierte Testverfahren, zuletzt die internationale Norm ISO 10360-2:2009, die in den USA als ASME B89.4.10360.2 übernommen wurde. Der primäre Test ist einfach als E-Test bekannt, wobei E für Anzeigefehler steht. Der Test umfasst 105 verschiedene Längenmessungen über das Messvolumen und in verschiedenen Ausrichtungen und den anschließenden Vergleich der Testwerte mit den angegebenen Herstellerangaben. Das gebräuchlichste Referenznormal, das für die KMG-Kalibrierung verwendet wird, ist ein Stufenendmaß, das einer Reihe von Endmaßen unterschiedlicher Länge nicht unähnlich ist. Andere Referenznormale, wie z. B. ein für große KMGs beliebtes Laserinterferometer, sind gemäß der neuesten Norm ISO 10360-2 ebenfalls zulässig.

Eine KMG-Kalibrierung nach den ISO- und ASME-Standards ist eine Gesamtsystemverifizierung. Wenn der Test die Konformität nicht erfüllt, sind möglicherweise Anpassungen erforderlich. Um die Anpassungen abzuschließen, müssen möglicherweise zusätzliche Messungen, wie z. B. die Rechtwinkligkeit zwischen zwei Achsen, gemessen und korrigiert werden. Wenn der Test bestanden wird, hat der KMG-Bediener Vertrauen in die allgemeine allgemeine Genauigkeit des KMG; Da CMMs jedoch für so viele verschiedene Aufgaben verwendet werden können, muss berücksichtigt werden, dass die zusätzlichen Fehler aufgrund der spezifischen Verwendung des CMMs verstanden werden.

KMG-Wiederholbarkeit

Bei der Bewertung der Qualität von Messprozessen ist es ziemlich üblich, eine Art Wiederholbarkeitsstudie durchzuführen. In vielen Branchen wird dies als Gage Repeatability and Reproducibility Study oder GR&R bezeichnet. Der Zweck der Wiederholbarkeitsstudie besteht darin, über einen relativ kurzen Zeitraum nach Schwankungen im Messprozess zu suchen, was die Langzeitbewertung der Gerätekalibrierung ergänzt. Jede GR&R- oder Wiederholbarkeitsstudie muss so konzipiert sein, dass wahrscheinliche Quellen von Schwankungen, beispielsweise Fehler im Messprozess, richtig bewertet werden. Bei herkömmlichen manuell betriebenen Messgeräten sind die Fähigkeiten des Bedieners und die Interaktion zwischen dem Bediener und dem Messgerät wichtige und manchmal die dominierendsten Fehlerquellen. Bei vollautomatisierten KMGs können diese Fehlerquellen verschwinden.

Bei jedem automatisierten Messprozess kann die Wiederholbarkeit ziemlich klein erscheinen, da das Design der Wiederholbarkeitsstudie nicht empfindlich auf die tatsächlichen Quellen der Variation reagiert. Bei KMGs sollte die Studie den Einfluss der Kalibrierung der Sondierungssensoren (manchmal als Sondenspitzenqualifizierung bezeichnet) zusammen mit der Berücksichtigung des Einflusses der Verteilung und Anzahl der aufgenommenen Messpunkte, z. B. der Probenahmestrategie, umfassen. Diese beiden Fehlerquellen sind spezifisch für eine einzigartige Messaufgabe und werden im Allgemeinen bei der Kalibrierung des KMG nicht gut abgedeckt. Bei der Durchführung einer GR&R-Studie kann die Reproduzierbarkeit von der Untersuchung verschiedener Bediener auf die Untersuchung verschiedener Sondenspitzenkalibrierungen geändert werden.

Temperaturkompensation

Viele CMMs sind heute mit eingebauten Temperaturkompensationssystemen ausgestattet. Diese Temperaturkompensationssysteme leisten hervorragende Arbeit bei der Kompensation und Korrektur großer thermischer Fehler, die damit zusammenhängen, dass entweder das KMG oder das gemessene Teil nicht die Standard-Referenztemperatur von 20 °C (68 °F) erreicht. Wenn jedoch ein temporäres Comp-System nicht richtig verwendet wird, können diese Systeme extrem große Fehler einführen.

Stellen Sie sich eine Situation vor, in der ein KMG-Bediener beschließt, das System nicht zu verwenden, indem er die Werkstücksensoren ignoriert oder den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Werkstücks auf Null setzt. Der Bediener denkt möglicherweise, dass er stattdessen der traditionellen guten Messpraxis folgen wird, das gemessene Teil auf der Messausrüstung thermisch „auszuweichen“, um es auf die gleiche Temperatur zu bringen, und daher die thermischen Fehler nicht korrigieren muss. Während dieser Ansatz bei herkömmlichen Messgeräten ohne Temperaturkompensation jahrzehntelang funktioniert hat, ist dem Bediener möglicherweise nicht bewusst, dass das Temperaturkompensationssystem immer noch aktiv arbeitet, um das KMG, und nur das KMG, auf 20 °C zu korrigieren, während das Werkstück nicht in Ordnung ist korrigiert. Durch Ignorieren der Verwendung der Werkstücksensoren wird ein Temperaturunterschied erzeugt, der zu erheblich großen und unbekannten Fehlern führen kann.

Bei KMGs mit Temperaturkompensation besteht der beste Ansatz darin, die Werkstücktemperatursensoren am gemessenen Teil zu platzieren. Wenn dieser Ansatz nicht zweckmäßig ist, könnten die Temperatursensoren in der Nähe des gemessenen Teils platziert werden, beispielsweise integriert in eine Vorrichtung, die das Teil hält. Auf diese Weise kann immer noch eine relativ genaue Messung der Teiletemperatur durchgeführt werden, selbst wenn die Temperatursensoren nicht in Kontakt mit dem Teil sind. Wenn die Werkstücktemperatursensoren nicht verwendet werden sollen, sollte das gesamte System abgeschaltet werden, was normalerweise nur von einem Servicetechniker des Herstellers des KMG durchgeführt werden kann.

GD&T-Probleme

Die Messsoftware auf KMGs führte zum ersten breiten Einsatz digitaler und rechnerischer Messmethoden. Die CMM-Software verfügt über Funktionen und Schaltflächen, die auf den Symbolen und Bedeutungen in den Standards für geometrische Bemaßung und Tolerierung (GD&T) wie ASME Y14.5 basieren. Während dies unter Experten viele Diskussionen darüber ausgelöst hat, was eine „richtige“ Messmethode ist (wenn überhaupt eine existiert), besteht das praktischere Problem für KMG-Betreiber darin, dass unterschiedliche Methoden oder Softwareansätze die Messergebnisse erheblich verändern können. Zwei unterschiedliche KMGs, die beide innerhalb der Spezifikation und mit ausreichender Wiederholbarkeit arbeiten, können aufgrund der vom Bediener oder in der Software getroffenen Auswahl radikal unterschiedliche Ergebnisse liefern.

Die Entwickler von KMG-Software würden gerne einen einzigen besten Ansatz zur Messung einer bestimmten GD&T-Toleranz festlegen, und einige Unternehmen behaupten sogar, dass ihre Messsoftware „ASME Y14.5 entspricht“, aber das ist leider unmöglich und falsch. GD&T-Standards wie ASME Y14.5 haben Regeln für die Definition des Werkstückdesigns, nicht für das Messen, daher ist ASME Y14.5 kein Standard, dem jemals eine Messung entspricht oder jemals entsprechen wird. Darüber hinaus gibt es immer einen Zweck hinter jeder Messung, und dieser Zweck muss bei der Bestimmung der besten Messmethode berücksichtigt werden. Entwickler von CMM-Software müssen eine Reihe von Tools bereitstellen, die die Anforderungen vieler verschiedener Benutzer erfüllen können, sowie über Anwendungsingenieure verfügen, die ihren Kunden die erforderliche Anleitung geben.

Die beste Messmethode für einen Bediener kann sich sehr von der eines anderen unterscheiden, selbst wenn ähnliche Teile oder Toleranzen gemessen werden. Messproduktivität, Kosten, rechtliche Risiken und andere Aspekte müssen angemessen abgewogen werden, um die beste Lösung zu finden. Eine gute dimensionale Messplanung ist nicht zu übersehen, auch wenn die Taste am KMG es einfach aussehen lässt. Die Messplanung ist wahrscheinlich das größte Implementierungsproblem, das alle KMG-Betreiber bewältigen müssen. Die Hardware- und Softwareoptionen in CMMs sind heute umfangreich und leistungsstark, und Unternehmen müssen bewährte Betriebspraktiken entwickeln, um sicherzustellen, dass alle Implementierungsrisiken gehandhabt werden. Ein guter Leitfaden für die Messplanung ist die US-Norm ASME B89.7.2-2014 Dimensional Measurement Planning.

KMG-Betrieb in der Zukunft wird ganz anders sein als heute. Es ist bereits eine fortschrittliche CMM-Software verfügbar, mit der Messprogramme auf der Grundlage digitaler Teilemodelle in Sekundenschnelle erstellt werden können. KMG-Programmierer der Zukunft müssen sich nicht viele Gedanken darüber machen, wie ein bestimmtes Teil gemessen wird, aber sie müssen Messtechnik und Toleranzprinzipien verstehen, um bewährte Verfahren und Messregeln zu entwickeln, die dann für alle KMG-Messungen eingesetzt werden können. Die KMG-Technologie entwickelt sich weiter mit zunehmenden Vorteilen in verbesserter Genauigkeit, zusätzlichen Fähigkeiten und reduzierter Messzeit. Für CMMs, wie für jede Technologie, die wir verwenden, müssen mit der Weiterentwicklung der Tools auch die Art und das Niveau der Unterstützung weiterentwickelt werden.

Zuvor im Quality Magazine vorgestellt.