Prüfkörper

Die Erfindung betrifft einen Prüfkörper zur überprüfung von Messprozessen mit Messgeräten, die in der Fertigungsmesstechnik für die messtechnische Ermittlung von Maß-, Form- und Lageabweichungen eingesetzt werden.

Bestandteile eines Messprozesses in der Fertigungsmesstechnik sind neben dem eingesetzten Messgerät in seiner realen Umgebung

(Temperatur, Schwingungen Schmutz) auch das Werkstück mit seinen unterschiedlichen Merkmalen (Messaufgaben) und die Messstrategie

(z. B. Anzahl und Verteilung von Messpunkten) [I]. Aufgabe der Qualitätssicherung ist es, diese Messprozesse zu beurteilen (Abnahme- und Annahmeprüfungen, Feststellung der Messunsicherheit) und periodisch zu überprüfen (überwachungsmessungen) .

Dimensionelle Messgeräte in der Fertigungsmesstechnik werden aus praktischen, ökonomischen und messtechnischen Gründen vorteilhaft mit Hilfe kalibrierter Prüfkörper überprüft. Die durch Messung an diesen Prüfkörpern bestimmten Parameter für Maß-, Formund Lageabweichungen werden mit den entsprechenden kalibrierten Parametern verglichen und so die Leistungsfähigkeit und die Messunsicherheit des Messgerätes festgestellt. Die Prüfkörper verkörpern die Messgrößen mit hinreichender Genauigkeit und können mit hinreichend geringer Messunsicherheit kalibriert werden.

Eine bedeutende Untergruppe dieser Prüfkörper stellen Maßverkörperungen für Koordinatenmessgeräte dar. Eine erste Gruppe dieser Maßverkörperungen sind Längenmaßverkörperungen. Diese können 1- dimensional (Stufenendmaße bzw. Kugelleisten), 2-dimensional (Kugelplatten bzw. Lochplatten) oder 3-dimensional (Kugelquader) ausgeführt sein. Auf diesen Maßverkörperungen sind geometrische Elemente, wie Prismen, Zylinder oder Kugeln, auf einem Grundkör-

per angebracht [2,3,4]. Kalibriert werden die Positionen dieser geometrischen Elemente auf den Grundkörpern, wodurch verschieden große Abstände (Längen) in teilweise unterschiedlichen Orientierungen (2- und 3-dimensionale Prüfkörper) realisiert werden. Bei einer zweiten Gruppe von Prüfkörpern sind geometrische Elemente, wie Halbkugeln, ebene Flächen oder zylindrische Bohrungen fertigungstechnisch (z. B. spanabhebend) in den Grundkörper eingebracht [5] ; oder es sind geometrische Elemente wie Kugeln, Ringe und Endmaße auf dem Grundkörper befestigt [DE000029822001U1] . Bei dieser Art von Prüfkörpern können nicht nur Abstände sondern auch andere Messaufgaben (z. B. Durchmesser, Ebenheit, Parallelität) gemessen werden.

Eine weitere Gruppe von Prüfkörpern stellen Maßverkörperungen speziell für Formmessungen dar. Diese Maßverkörperungen besitzen auf ihrer Oberfläche definierte Formabweichungen, deren Parameter ebenfalls durch Kalibrierung messtechnisch festgelegt sind. Wichtige Beispiele sind hier das so genannte Flicknormal [6] und neuerdings auch das Mehrwellennormal [6] . Es werden bei diesen speziellen Prüfkörpern nur die Parameter der Formabweichungen gemessen (nur diese sind kalibriert) und beurteilt.

Die gemeinsame Eigenschaft der Prüfkörper für die Koordinaten- messgeräte besteht darin, dass die geometrischen Elemente idealgeometrisch ausgeführt sind, d. h. sie weisen praktisch keine Formabweichungen und Rauheiten auf. Damit soll der Einfluss des Prüfkörpers auf die überprüfungsmessungen bewusst vermieden werden, um vorrangig Aussagen über das Koordinatenmessgerät zu erhalten. Aus dem selben Grund werden häufig spezielle Materialen verwendet, die einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Nachteilig ist dabei, dass der wichtige Einfluss des Messobjektes (Werkstück) auf den Messprozess weitgehend nicht beurteilt werden kann. Bei den Längenmaßverkörperungen und den Prüfkörpern für Formmessungen ist außerdem nachteilig, dass praktisch die Leistungsfähigkeit eines Messgeräts durch Angabe der Messabweichungen nur für eine Messaufgabe (Längen oder Formabweichungen) überprüft werden kann. Weiterhin sind diese be-

kannten Prüfkörper sehr aufwändig in Material und Herstellung und damit vergleichsweise teuer. Zudem entsprechen sie in ihrem Aussehen und ihrer Handhabung nicht einem Werkstück. Dies behindert stark die Anwendung der bekannten Prüfkörper durch den normalen Messgerätebediener .

Wünschenswert ist es, für unterschiedlichste Messaufgaben, z. B. Abstände, Durchmesser, Kegel, Ebenheit, Parallelität, unter realen Messbedingungen die Genauigkeit von Messprozessen zu beurteilen und aufgabenbezogene Messunsicherheiten einfach abzuschätzen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Prüfkörper zu schaffen, der sich zur überprüfung von Messprozessen für die Fertigungsmesstechnik eignet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mehrere unterschiedliche geometrische Elemente mit geeigneten bzw. kalibrierten Form- und Lageabweichungen auf dem Prüfkörper angeordnet sind, welche die überprüfung wenigstens annähernd aller Maß-, Form- und Lageabweichungen bzw. sämtlicher Arten von Maß-, Form- und Lageabweichungen zulassen. In einen Grundkörper werden Verkörperungen verschiedener geometrischer Merkmale zur überprüfung von Messprozessen mit Messgeräten fertigungstechnisch eingebracht, die in der Fertigungsmesstechnik für die messtechnische Ermittlung von Maß-, Form- und Lageabweichungen eingesetzt werden. Diese geometrischen Merkmale bzw. Elemente sollen die überprüfung möglichst aller Maß-, Form- und Lageabweichungen zulassen, die bei der Fertigung in der mechanischen Produktionstechnik vorkommen. Dazu gehören Abstände, Durchmesser, Winkel und die in der DIN ISO 1101 festgelegten Form- und Lageabweichungen, wie z. B. Geradheits-, Rundheits-, Parallelitäts-, Ebenheits- und Koaxialitätsabweichungen.

Vorteilhaft ist es, wenn der Grundkörper des Prüfkörpers mit wenigstens einem der unterschiedlichen geometrischen Elemente in einem gemeinsamen Fertigungsprozess hergestellt ist und wenn der

Grundkörper werkstückgleiches oder werkstückähnliches Material aufweist.

Die geometrischen Elemente wie zylindrische und kegelige Bohrungen, Außenzylinder, ebene Flächen oder Lochkreise werden mit allgemein üblichen Fertigungsverfahren erzeugt, bei denen Formund Lageabweichungen fertigungstechnisch bedingt sind. Der Prüfkörper kann somit vorteilhaft aus dem Material gefertigt werden, das dem der zu prüfenden Werkstück des Anwenders entspricht, also auch aus Aluminium. Dies ist möglich, weil keine speziellen Fertigungsverfahren zur Erzielung idealer Geometrieen eingesetzt zu werden brauchen, deren Anwendung häufig besondere Materialien bzw. Materialbehandlungen voraussetzen.

Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass wenigstens eines der unterschiedlichen geometrischen Elemente separat gefertigt und in den Grundkörper gesondert eingebracht ist.

Es ist auch möglich, gezielt einzelne geometrische Elemente mit vorab definierten Merkmalen (z. B. definierte Formund Lageabweichungen sowie Rauheiten) , nachträglich in den Grundkörper des Prüfkörpers einzusetzen. Die Abweichungen auf den geometrischen Elementen können hierbei durch spezielle Fertigungsmaschinen, wie z. B. mit einer Ultrapräzisionsdrehmaschine, gefertigt werden, die mit einem piezoelektrischen Fast-Tool- Servo-System ausgerüstet ist [7] . Der Grundkörper des Prüfkörpers und die unterschiedlichen geometrischen Elemente können dazu auch aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein.

Der Grundkörper des Prüfkörpers kann zylindrisch ausgeführt sein.

Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, dass die Materialoberfläche des Prüfkörpers und/oder die Materialoberfläche wenigstens eines der unterschiedlichen geometrischen Elemente durch spezielle Verfahren zur Erhöhung des mechanischen Widerstandes und zum Schutz gegen Korrosion behandelt sind.

Sämtliche für die Beschreibung der geometrischen Bestimmungsgrößen des Prüfkörpers notwendigen Parameter (Maß-, Form- und Lageabweichungen) können durch Kalibrierung messtechnisch erfasst werden. Vorteilhaft ist dabei, dass auch die zugehörigen Messunsicherheiten (Kalibrierunsicherheiten) ermittelt werden. Damit ist der Anwender in der Lage, die Qualität seiner Messungen aus den gemessenen Abweichungen zu den Kalibrierwerten besser einzuschätzen. Dem Anwender kann auch ein softwaregestütztes Verfahren unter Anwendung der DIN ISO/TS 15530-3 zur Verfügung gestellt werden, mit dem die Unsicherheit des Messprozesses für die Messaufgaben ermittelt werden, die auf dem Prüfkörper realisiert sind. Darüber hinaus kann mit dieser Software auch die Unsicherheit des Messprozesses für solche Messaufgaben abgeschätzt werden, die nur ähnlich den Messaufgaben sind, die auf dem Prüfkörper realisiert sind (z. B. für geometrische Elemente, die größere Abmessungen aufweisen als auf dem Prüfkörper vorhanden) . Dies geschieht unter Berücksichtigung der Genauigkeitsspezifikation des zu überprüfenden Messgerätes (z. B. bei Koordinaten- messgeräten mit Hilfe des Grenzwertes der Messabweichungen MPE [2]). Steuersoftware für den Messablauf am Prüfkörper kann für das zu überprüfende Messgerät genauso bereit gestellt werden wie eine Aufspannvorrichtung. Zusammen mit dem werkstückähnlichen Aussehen trägt dies alles zur Akzeptanz des Prüfkörpers bei.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass kalibrierte Prüfkörper für die Fertigungsmesstechnik mehrere unterschiedliche geometrische Elemente mit Form- und Lageabweichungen aufweisen, die die überprüfung praktisch aller Maß-, Form- und Lageabweichungen zulassen, dass diese Prüfkörper aus werkstückgleichen Materialien mit allgemein üblichen Fertigungsverfahren einfach herstellbar sind, dass diese Prüfkörper unter Berücksichtigung der Form- und Lageabweichungen mit Angabe der Messunsicherheiten kalibriert sind und dass damit der gesamte Messprozess vor Ort für eine große Bandbreite von Messaufgaben realitätsnah überprüfbar ist.

Nachfolgend ist anhand der Zeichnung prinzipmäßig ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 eine vereinfachte seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Prüfkörpers; und

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Prüfkörpers aus Fig. 1.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Prüfkörpers 1 zur überprüfung von Messprozessen in der Fertigungsmesstechnik. Sein Grundkörper 2 ist zylinderförmig ausgeführt. In den beiden Stirn- bzw. Frontflächen 3a, 3b sind folgende geometrische Elemente realisiert: zylindrische Bohrungen 4, 5 und 6 mit unterschiedlichen Durchmessern und Tiefen, Lochkreise 7, ein kurzer Kegel mit großem öffnungswinkel 8 und ein langer Kegel mit kleinem öffnungswinkel 9, die beiden Frontflächen 3a, 3b als ebene Flächen, die Fläche des Absatzes 10, der Außenzylinder des Grundkörpers 2 bzw. die Außenflächen 11, 12 seiner beiden Teilzylinder . überprüft werden können damit z. B. die folgenden Parameter: Durchmesser, Rundheits- und Zylinderformabweichungen für die geometrischen Elemente 4, 5, 6, 8, 9; Lochkreisdurchmesser und Durchmesserabweichungen für das geometrische Element 7; Stufenhöhe zwischen Fläche 3b und Absatz zu Kegel 9; öffnungswinkel der Kegel 8 und 9, Parallelitätsabweichungen zwischen den Frontflächen 3a und 3b; Geradheitsabweichungen der Mantelflächen des Außenzylinders 11, 12; Rechtwink- ligkeitsabweichungen zwischen der Mantelfläche des Außenzylinders 11, 12 und der Frontfläche 3a bzw. 3b; Ebenheitsabweichungen der Frontflächen 3a bzw. 3b; Konzentrizitäts- bzw. Koaxiali- tätsabweichungen zwischen einzelnen Zylindern (3 bis 6) bzw. zwischen den beiden Teilzylindern 11 und 12.

Somit sind mehrere unterschiedliche geometrische Elemente 3a bis 12 mit geeigneten bzw. kalibrierten Form- und Lageabweichungen

auf dem Prüfkörper 1 angeordnet, welche die überprüfung wenigstens annähernd aller

Maß-, Form- und Lageabweichungen bzw. sämtlicher Arten von Maß-, Form- und Lageabweichungen zulassen.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper 2 des Prüfkörpers 1 mit den unterschiedlichen geometrischen Elementen 3a bis 12 in einem gemeinsamen Fertigungsprozess hergestellt. Der Grundkörper 2 weist werkstückgleiches Material auf. In anderen nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann wenigstens eines der unterschiedlichen geometrischen Elemente separat gefertigt und in den Grundkörper gesondert eingebracht sein. Der Grundkörper des Prüfkörpers und die unterschiedlichen geometrischen Elemente können dazu auch aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein.

In weiteren Ausführungsbeispielen könnte die Materialoberfläche des Prüfkörpers 1 und/oder die Materialoberfläche wenigstens eines der unterschiedlichen geometrischen Elemente 3a bis 12 durch spezielle Verfahren zur Erhöhung des mechanischen Widerstandes und zum Schutz gegen Korrosion behandelt sein.

Literatur

[1] VDI/VDE 2617 Blatt 7, Genauigkeit von Koordinatenmessgerä- ten, Kenngrößen und deren Prüfung: Ermittlung der Unsicherheit von Messungen auf Koordinatenmessgeräten durch Simulation, Beuth Verlag, 2006

[2] VDI/VDE 2617 Blatt 2.1, Leitfaden zur Anwendung von DIN EN ISO 10360-2 zur Prüfung von Längenmaßen, Beuth Verlag, 2005 [3] VDI/VDE 2617 Blatt 2.3, Koordinatenmessgeräte großer Bauart, Beuth Verlag, 2006

[4] VDI/VDE 2617 Blatt 5, überwachung durch Prüfkörper, Beuth Verlag, 2001

[5] Messzentrum QfM, Universität Erlangen, www . messzentrum- qfm.de/ [6] VDI/VDE 2617 Blatt 2.2, Formmessung, Beuth Verlag, 2000

[7] Pfeifer, TiIo u.a.: Formen mit Koordinatenmessgeräten erfassen, QZ Jahrgang 50 (2005) 5, S. 45 - 49