Das volle Potenzial Ihrer Koordinatenmessmaschine (KMG) ausschöpfen

Seit über 50 Jahren verbessern Koordinatenmessmaschinen (KMG) Messproduktivität und -qualität. Die Leistungsfähigkeit von KMGs hat viele komplexe Prüfa scheinbar trivial gemacht. Bei so viel Messfähigkeit: Ist es möglich, dass Bediener ihre KMGs als selbstverständlich betrachten?

KMGs sind oft teuer, mit anspruchsvoller Software und komplexen Genauigkeitsspezifikationen – dennoch werden viele KMGs täglich erfolgreich und effizient von Bedienern genutzt, sogar solchen mit begrenztem KMG-Wissen. Wie bei moderner Technologie wird die tägliche Nutzung einfacher, während das Wissen, um die Technologie richtig zu unterstützen, recht anspruchsvoll werden kann. Schauen wir uns einige Schlüsselthemen an, um Bedienern zu helfen, ihre KMGs besser zu verstehen und zu nutzen.

In den 1950ern eingeführt, waren die ersten KMGs manuelle Prüfgeräte mit konischen Zylindertastern, die Abstände zwischen Bohrungen in zwei Dimensionen schnell messen konnten. Ziel war, Stunden von Rissarbeit auf wenige Minuten zu reduzieren. Trotz Ähnlichkeiten zu den Ur-KMGs kommt das moderne KMG in so vielen Bauarten, dass der Begriff „Koordinatenmesssysteme“ statt „Maschinen“ häufiger genutzt wird. Klassische 3-Achs-KMGs sind nach wie vor beliebt, aber Gelenkarm-Messsysteme, Lasertracker, optische Scanner, Röntgen, fortschrittliche Tastsensoren sowie High-Speed-Inline-Messsysteme und andere 3D-Messtechnologien wachsen und verändern den traditionellen KMG-Markt stetig.

KMG-Kalibrierung

Die fortgeschrittene Technologie am KMG hat das Verständnis der Messgenauigkeit kompliziert. Wenn wir über Qualität eines Messprozesses nachdenken und managen, fokussieren wir oft zwei separate Aspekte: die Genauigkeit der Messausrüstung und die Genauigkeit/Wiederholbarkeit des Messprozesses. Die Gerätegenauigkeit wird häufig durch korrekte Kalibrierung und Verifikation gegen Herstellerspezifikationen gemanagt. Bei KMGs ist die Situation dieselbe, aber Kalibrierung ist komplexer.

Die Kalibrierung eines einfachen Endmaßes ist leicht verständlich: Es ist ein Längenstandard, also kalibriert man die Länge. Für Messschieber oder Mikrometer, die Längen messen, kalibriert man sie für Längenmessung. KMGs haben oft mehrere Bewegungsachsen, diverse Tastsensoren und Software, um fast alles zu messen. Anders als Endmaß oder Messschieber kann man ein KMG nicht für jede Messaufgabe separat kalibrieren – ökonomisch unpraktisch. Es ist auch nicht sehr nützlich, mechanische Komponenten einzeln zu kalibrieren – z. B. Genauigkeit einer einzelnen Messachse oder Rechtwinkligkeit zwischen Achsen –, da alle Komponenten zusammenwirken und ihr Einfluss auf Messergebnisse komplex ist.

KMGs werden stattdessen durch eine Reihe von Längenmessungen über den Messvolumen kalibriert. Gut dokumentierte, standardisierte Testverfahren gibt es seit Mitte der 1980er – der aktuelle internationale Standard ist ISO 10360-2:2009, in den USA als ASME B89.4.10360.2 übernommen. Der Primärtest ist einfach als E-Test bekannt (E = Error of Indication). Er umfasst 105 verschiedene Längenmessungen über das Messvolumen in verschiedenen Orientierungen – dann Vergleich der Testwerte mit der Herstellerspezifikation. Der häufigste Referenzstandard für KMG-Kalibrierung ist ein Stufenendmaß (Step Gage), ähnlich einer Reihe verschiedener Endmaße. Andere Referenzstandards wie Laserinterferometer (beliebt bei großen KMGs) sind per aktuellem ISO 10360-2 ebenfalls erlaubt.

Eine KMG-Kalibrierung nach ISO und ASME ist eine Gesamtsystem-Verifikation. Fällt der Test durch, sind Justagen nötig. Für diese können zusätzliche Messungen nötig sein – z. B. Rechtwinkligkeit zwischen zwei Achsen. Besteht der Test, hat der KMG-Bediener Vertrauen in die allgemeine Gesamtgenauigkeit; jedoch muss, da KMGs für so viele Aufgaben genutzt werden, consideration gegeben werden, zusätzliche Fehler durch die spezifische KMG-Nutzung zu verstehen.

KMG-Wiederholbarkeit

Bei der Bewertung von Messprozessqualität ist es üblich, eine Wiederholbarkeitsstudie durchzuführen. In vielen Branchen heißt das Gage Repeatability & Reproducibility Study (GR&R). Ziel: Variation im Messprozess über einen kurzen Zeitraum finden – was die langfristige Gerätekalibrierung ergänzt. Jede GR&R- oder Wiederholbarkeitsstudie muss so designed sein, dass wahrscheinliche Variationsquellen evaluiert werden – z. B. Fehler im Messprozess. Bei traditionellen manuellen Messgeräten sind Bedienerfertigkeit und Interaktion Bediener-Gerät oft die dominantesten Fehlerquellen. Bei vollautomatischen KMGs können diese verschwinden.

Bei jedem automatisierten Messprozess kann die Wiederholbarkeit künstlich klein erscheinen, weil das Studiendesign nicht sensitiv für echte Variationsquellen ist. Für KMGs sollte die Studie die Einflussfaktoren der Tastsensorkalibrierung (manchmal Probe Tip Qualification genannt) sowie der Verteilung und Anzahl der Messpunkte (Sampling Strategy) einbeziehen. Beide Fehlerquellen sind spezifisch für die jeweilige Messaufgabe und in der KMG-Kalibrierung meist nicht gut abgedeckt. Bei einer GR&R-Studie kann die Reproduzierbarkeit von verschiedenen Bedienern auf verschiedene Tastspitzenkalibrierungen umgestellt werden.

Temperaturkompensation

Viele KMGs sind heute mit eingebauten Temperaturkompensationssystemen (Temp Comp) ausgestattet. Diese können einen erstaunlichen Job machen, große thermische Fehler zu kompensieren und zu korrigieren – sei es am KMG oder am Messobjekt, das nicht auf der Referenztemperatur 20 °C (68 °F) ist. Werden sie jedoch nicht korrekt genutzt, können sie extrem große Fehler einführen.

Szenario: Ein KMG-Bediener entscheidet, das System nicht zu nutzen – indem er Werkstücksensoren ignoriert oder den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Werkstücks auf null setzt. Er denkt, er folgt stattdessen der traditionell guten Praxis, das Messobjekt auf der Messausrüstung thermisch „auszuschwitzen“, um beide auf dieselbe Temperatur zu bringen – und thermische Korrektur nicht zu brauchen. Dieser Ansatz funktionierte Jahrzehnte bei traditioneller Messtechnik ohne Temp Comp – aber der Bediener ahnt nicht, dass das Temp-Comp-System noch aktiv das KMG auf 20 °C korrigiert, nur das KMG, während das Werkstück nicht korrigiert wird. Durch Ignorieren der Werkstücksensoren entsteht ein Temperaturdifferenzial, das signifikant große, unbekannte Fehler erzeugen kann.

Für KMGs mit Temp Comp: Besten Ansatz – Werkstücktemperatursensoren am Messobjekt platzieren. Wenn unpraktisch: Sensoren in der Nähe platzieren, z. B. in eine Vorrichtung integriert, die das Teil hält. So lässt sich eine relativ genaue Werkstücktemperatur messen, auch ohne direkten Kontakt. Wenn kein Plan besteht, Werkstücksensoren zu nutzen: Das gesamte System sollte abgeschaltet werden – was meist nur ein Serviceingenieur des KMG-Herstellers kann.

GD&T-Themen

Die Messsoftware an KMGs führte die erste breite Nutzung digitaler, computergestützter Messmethoden ein. KMG-Software hat Funktionen und Buttons, basierend auf Symbolen und Bedeutungen der Geometrischen Produktspezifikation (GPS) Standards wie ASME Y14.5. Während dies unter Experten viel Diskussion auslöste, was eine „korrekte“ Messmethode sei (falls es eine gibt), ist das praktische Problem für KMG-Bediener: Unterschiedliche Methoden oder Softwareansätze können Messergebnisse signifikant verändern. Zwei KMGs, beide innerhalb Spec und mit ausreichender Wiederholbarkeit, können radikal unterschiedliche Ergebnisse liefern – aufgrund von Entscheidungen des Bedieners oder der Software.

Entwickler von KMG-Software würden gerne einen single best approach für jede GPS-Toleranz festlegen, und manche Firmen behaupten sogar, ihre Software „complies to ASME Y14.5“ – was leider unmöglich und inkorrekt ist. GPS-Standards wie ASME Y14.5 haben Regeln für die Definition von Werkstückdesign, nicht für das Messen – also ist ASME Y14.5 kein Standard, dem je eine Messung entsprochen hat oder entsprechen wird. Zudem gibt es immer einen Zweck hinter jeder Messung, der bei der Bestimmung der besten Messmethode berücksichtigt werden muss. Entwickler müssen ein Array an Tools bereitstellen, das Bedürfnisse vieler Nutzer befriedigt, sowie Application Engineers, die notwendige Anleitung geben.

Die beste Messmethode für einen Bediener kann sehr anders sein als die eines anderen – selbst bei ähnlichen Teilen oder Toleranzen. Messproduktivität, Kosten, rechtliche Risiken und andere Aspekte müssen angemessen abgewogen werden, um die beste Lösung zu finden. Gute dimensionale Messplanung darf nicht übersehen werden, auch wenn der Knopf am KMG es einfach aussehen lässt. Messplanung ist wahrscheinlich das größte Implementierungsproblem, das alle KMG-Bediener managen müssen. Hardware- und Softwareoptionen heutiger KMGs sind riesig und mächtig – Unternehmen müssen Best Practices entwickeln, um alle Implementierungsrisiken zu managen. Ein guter Leitfaden für Messplanung ist der US-Standard ASME B89.7.2-2014 Dimensional Measurement Planning.

KMG-Betrieb in der Zukunft wird sehr anders sein als heute. Fortgeschrittene KMG-Software ist bereits verfügbar, die Messprogramme in Sekunden basierend auf digitalen Teilmodellen generiert. KMG-Programmierer der Zukunft müssen nicht mehr viel darüber nachdenken, wie man ein spezifisches Teil misst – aber sie müssen Metrologie- und Toleranzprinzipien verstehen, um Best Practices und Messregeln zu entwickeln, die für alle KMG-Messungen deployed werden können. KMG-Technologie schreitet weiter voran mit wachsender Genauigkeit, zusätzlicher Fähigkeit und reduzierter Messzeit. Für KMGs wie für jede Technologie: Je fortgeschrittener die Tools, desto fortgeschrittener muss auch der Support sein.

Zuvor in Quality Magazine veröffentlicht.