Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten in der Fertigungsumgebung

Die Genauigkeit eines Koordinatenmessgeräts (KMG) ist abhängig von den thermischen Umgebungsbedingungen, unter denen es betrieben wird. Temperaturschwankungen verursachen eine Ausdehnung bzw. Zusammenziehung und in manchen Fällen sogar eine nicht lineare Verformung von Skalen, Geräterahmen und Kalibriernormalen.

Obwohl diese thermisch induzierten Veränderungen oft auf unterschiedliche Arten kompensiert werden, können sie zu erheblichen Messunsicherheiten führen. Dies gilt insbesondere bei Messungen in der Fertigungsumgebung, wo die Temperatur oft schwer zu kontrollieren ist. Da der Trend klar dahingeht, Maßprüfungen aus dem thermisch kontrollierten Messlabor in die Produktion zu verlagern, ist es heute wichtiger denn je zu verstehen, wie sich die Temperatur auf die KMG-Genauigkeit auswirkt.

Es ist üblich, die Temperaturabhängigkeit der KMG-Genauigkeit unter Verwendung großzügiger Temperaturbereiche um die 20 °C anzugeben. Ein Hersteller könnte also die maximal zulässige Längenmessabweichung (MPEE) eines hypothetischen KMG gemäß ISO 10360-2 innerhalb eines Temperaturbereichs von 18 bis 22 °C folgendermaßen angeben:

MPEE = 3,0 + 3,0 * L / 1000

Dabei wird der Wert MPEE in Mikrometern angegeben. L ist die gemessene Länge in Millimetern.

Dies ist eine sinnvolle Art (sowohl für den KMG-Hersteller als auch für den Kunden) zur Angabe der Temperaturabhängigkeit der KMG-Genauigkeit in einer Laborumgebung. Sie ist allerdings weniger geeignet für KMG, die in einer Arbeitsumgebung aufgestellt und eingesetzt werden, in der die Temperatur weder kurzfristig noch langfristig gut kontrolliert werden kann.
Die Angabe eines Temperaturbereichs (sei er nun knapp oder großzügig bemessen) ist zwar praktisch für den Hersteller, der Kunde wird jedoch mit der konservativen und wenig aussagekräftigen Schätzung des Herstellers über die Veränderung, der die KMG-Genauigkeit bei Temperaturschwankungen unterliegt, allein gelassen. Dabei ist meist einer der Hauptgründe für die Anschaffung eines KMG für die Werksumgebung die Möglichkeit seiner Aufstellung an einem Ort, an dem sich die Umgebungstemperatur aller Wahrscheinlichkeit nach auf die Messgenauigkeit auswirken wird.

Abgestufte Temperaturspezifikation

In der Vergangenheit haben die KMG-Hersteller versucht, dieses Problem durch die Angabe mehrerer Temperaturbereiche zu lösen. Für unser hypothetisches KMG könnte das beispielsweise eine Genauigkeitsspezifikation wie die folgende sein:

MPEE = 3,0 + 3,0 * L / 1000 (18 bis 22 °C)

MPEE = 3,3 + 4,2 * L / 1000 (16 bis 26 °C)

MPEE = 3,5 + 5,0 * L / 1000 (15 bis 30 °C)

Bei einer gemessenen Länge L von 500 mm können diese Angaben grafisch als Treppenfunktion der Umgebungstemperatur dargestellt werden.

Stetige Temperaturspezifikation

Mit Blick auf die physikalischen Gesetze, die für die Ausdehnung, Zusammenziehung und Verformung von Geräterahmen bei Temperaturänderungen gelten, verstehen wir intuitiv, dass diese Treppenfunktion ungenau sein muss. Die Genauigkeit von Messgeräten ändert sich nicht als Treppenfunktion der Temperatur mit einem sofortigen Abfall der Genauigkeit, sobald die Temperatur einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Und gäbe es Messgeräte, die sich so verhalten, würden wir es vermutlich vorziehen, sie nicht für unsere Messungen einzusetzen.

Es ist offensichtlich, dass wir in einer Arbeitsumgebung ohne ausreichende thermische Kontrolle eine genauere Definition der KMG-Genauigkeit bei unterschiedlichen Temperaturbedingungen benötigen. Eine physikalisch realistischere Alternative bietet die Spezifikation der Genauigkeit als stetige Funktion der Umgebungstemperatur. Vom praktischen Standpunkt des Messtechnikers oder Qualitätsingenieurs aus gesehen ist dieser Ansatz wesentlich sinnvoller.

Um diese Behauptung zu belegen, sehen wir uns die Genauigkeitsspezifikation eines echten KMG, nämlich des 4.5.4 SF für die Fertigungsumgebung, an:

MPEE = 3,1 + 0,05 * ∆T + (3,0 + 0,2 * ∆T) * L / 1000 (15 bis 40 °C)

Dabei ist ∆T die Abweichung von der Umgebungstemperatur 20 °C.

Gehen wir wieder von einer gemessenen Länge von 500 mm aus und tragen MPEE als Funktion der Umgebungstemperatur ein. Es ergibt sich ein physikalisch deutlich intuitiveres Ergebnis, das außerdem für den Messtechniker in der Praxis wesentlich mehr Nutzen bietet.

Dieser Nutzen erschließt sich insbesondere, wenn wir die Grafik um das hypothetische Beispiel von oben ergänzen, in dem die Leistungsspezifikation in großen Temperaturbereichen erfolgte.

Eine stetige Spezifikation zeichnet nicht nur ein umfassendes Bild von der Genauigkeit des KMG bei unterschiedlichen Temperaturen, sondern bietet auch eine übersichtliche, elegante Möglichkeit zur Festlegung von Genauigkeitsspezifikationen und eignet sich zudem zur Aufnahme in die automatisierte Protokollierung der Messergebnisse.

Temperaturschwankungen im Laufe der Zeit

Ein weiterer Faktor, der bei einem erweiterten Temperaturbereich – gleichgültig, ob stetig oder abgestuft – berücksichtigt werden sollte, ist die vom Hersteller angegebene zulässige
Temperaturveränderung im Laufe der Zeit. Diese wird in der Regel als Veränderung innerhalb eines Zeitraums von einer Stunde bzw. von einem Tag (24 Stunden) angegeben. Dieser Spezifikation kann der Benutzer entnehmen, welche Temperaturveränderung unter Einhaltung der angegebenen Genauigkeit innerhalb einer bestimmten Zeit zulässig ist. Je größer die innerhalb eines bestimmten Zeitraums zulässige Veränderung, desto besser kann das KMG mit thermischen Veränderungen in der Fertigungsumgebung umgehen.

Praktische Tipps für den Einsatz eines KMG in der Fertigungsumgebung

Die Wahl des richtigen KMG für den Einsatz in der Fertigungsumgebung ist abhängig von den durchzuführenden Messaufgaben und der dafür akzeptablen Messunsicherheit. Berechnen Sie die Genauigkeit des KMG anhand einer stetigen Temperaturspezifikation bei allen Temperaturen, die in Ihrer Fertigungsumgebung vorkommen können. Stellen Sie dabei sicher, dass die angegebene Temperaturabweichung pro Stunde bzw. pro Tag nicht überschritten wird. So erhalten Sie die zu erwartende Genauigkeit des KMG zu jedem beliebigen Zeitpunkt. Entspricht diese KMG-Genauigkeit zu jedem Zeitpunkt der für Ihre Anwendungen akzeptablen Messunsicherheit, ist alles in bester Ordnung und Sie können Ihr KMG uneingeschränkt nutzen. Andernfalls müssen Sie nach Lösungen suchen. Beispielsweise könnten Sie Ihr KMG statt rund um die Uhr nur zu bestimmten Tageszeiten verwenden oder Werkstücke mit weniger engen Toleranzen zu den Zeiten messen, in denen die Temperaturen am höchsten sind.

Durch den Einsatz eines KMG mit einer stetigen Temperaturspezifikation in der Fertigungsumgebung kann sich der Anwender ein klareres Bild von der zu erwartenden Messgenauigkeit in einer nicht kontrollierten Umgebung machen. Das ermöglicht fundiertere Entscheidungen und zuverlässigere Messergebnisse. Ein Beispiel für ein solches KMG zum Einsatz in der Fertigungsumgebung ist das 4.5.4 SF.