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Maschinen & Anlagenbau » Grundsätzliches
Maschinen- und Anlagenbau

Schwarz, Willfried, Prof. Dr.-Ing., Weimar, Bauhaus-Universität Weimar

Grundsätzliches

Wirtschaftlichkeit und Produktivität sind die tragenden Elemente der modernen Industrie. Der Erfolg eines Unternehmens hängt dabei maßgeblich von der Qualität seiner Produkte ab. In der industriellen Fertigung spielen im Rahmen der Qualitätsprüfung die geometrischen Eigenschaften eine wesentliche Rolle. Über 90% der in der Qualitätsprüfung zu überprüfenden Merkmale sind geometrischer Natur. Es werden Messunsicherheiten von 10-5 bis 10-6 in der Feinwerktechnik und 10-6 bis 10-7 in der optischen Fertigung gefordert. Aufgrund der hohen Genauigkeiten und der hohen Fertigungsgeschwindigkeiten muss die Mess- und Prüftechnik in der Lage sein, schnell und in unmittelbarer Nähe des Fertigungsprozesses die Qualität der produzierten Erzeugnisse nachzuweisen, zu dokumentieren und möglichst schnell die Informationen zur Korrektion des Fertigungsprozesses bereitzustellen. Neben dem großen Feld der Qualitätsprüfung in der industriellen Fertigung ist eine Vielzahl messtechnischer Aufgaben, insbesondere beim Aufbau größerer Maschinen bzw. Anlagen zu lösen (z. B. Kraftwerksturbinen, Papiermaschinen, Kernenergieanlagen, Teilchenbeschleuniger, Kranbahnen). Bedingt durch die fortschreitenden Entwicklungen auf den Gebieten der Messtechnik und durch die weitgehend automatisch ablaufenden Produktionsvorgänge sowie laufend gestiegenen Genauigkeitsanforderungen ist dieses Gebiet durch eine große Dynamik gekennzeichnet. Zur Bearbeitung der anstehenden Aufgaben sind Verfahren des Maschinenbaus und der Geodäsie gleichermaßen einzusetzen. Es berühren und überschneiden sich naturgemäß diese beiden Bereiche und fordern eine interdisziplinäre Vorgehensweise.

Was leistet das Verfahren?
Was kostet der Einsatz des Verfahrens?
Was lässt sich einsparen?

Im Maschinenbau wird die Genauigkeit eines Messverfahrens ausgedrückt durch seine Messunsicherheit u . Sie setzt sich zusammen aus einer zufälligen und einer systematischen Komponente. Die zufällige Komponente entspricht für das in der Fertigungsmesstechnik bevorzugte Vertrauensniveau von 95% näherungsweise der doppelten Standardabweichung des zuvor von bekannten systematischen Abweichungen bereinigten Messwertes. Demgegenüber lässt sich die systematische Komponente für die im Einzelnen nicht bekannten systematischen Abweichungen nicht berechnen; sie kann aufgrund von Erfahrungswerten nur abgeschätzt werden. DIN 1319 lässt offen, ob die beiden Komponenten durch lineare oder durch quadratische Addition zur Messunsicherheit u zusammengefasst werden. Ob ein Messverfahren, das eine bestimmte Messunsicherheit garantiert, auch wirklich eingesetzt wird, richtet sich nach dem Motto:


"so genau wie nötig" und nicht "so genau wie möglich".


Aussagen zur Brauchbarkeit eines Messverfahrens in Verbindung mit einer vorgegebenen Toleranz T liefern DIN 2257 und DIN 1319. Die Messunsicherheit u darf danach nur einen Teil der vorgegebenen Fertigungstoleranz T betragen. Das Verhältnis V = (Messunsicherheit u ) / (Fertigungstoleranz T ) sollte gewisse Werte nicht überschreiten. In der Praxis geht man von einem Wert für V < 0,3 aus.


Bei der Durchführung von Messungen wird versucht, systematische Einflüsse auf die Messungen zu vermeiden, sie zu erfassen (z. B. durch eine Kalibrierung) bzw. sie durch das Messverfahren auszuschalten (z. B. durch Messungen in beiden Fernrohrlagen mit einem Theodolit). Allerdings gelingt dies nur zu einem Teil. Bei jeder Messung werden systematische Einflüsse wirksam bleiben, die sich nicht erfassen lassen. Für die Bestimmung der Messunsicherheit u sind diese nicht erfassbaren systematischen Abweichungen abzuschätzen. Im Folgenden werden einige Effekte, die zu systematischen Abweichungen führen können, aufgezählt:

Verletzung des Abbeschen Komparatorprinzips,
Einfluss der Atmosphäre bei optischen Streckenmessungen (z. B. mit einem Laserinterferometer),
Durchbiegung von Endmaßen, Linealen und Stangenmikrometern,
Einfluss der Temperatur von Messobjekt und Maßverkörperung,
Nichtbeachten der Theodolithfehler,
Exzentrizität infolge Restneigung der Stehachse bei Theodolithen und Tachymetern mit elektronischen Neigungssensoren,
Nichtbeachten der Konvergenz der Lotlinien,
Ungleiche Zielweiten beim Nivellement,
Refraktion bei optischen Zielungen,
Lageveränderungen der Fokussierlinse bei Fernrohren,
Veränderungen elektrischer Signale durch Umwelteinflüsse,
Verformung des Messstativs,
Schiefstellung des Messtasters,
Schiefstellung des Maßstabes,
sprunghafte Längenänderungen bei Invardrähten.

Bei der Anlage und Durchführung der Messungen muss beachtet werden, dass viele Messungen in irgendeiner Weise den Einflüssen des Schwerefeldes der Erde unterliegen. Das Erdschwerefeld wird bestimmt durch die Form des Erdkörpers, durch die Massenverteilung und deren lokale und zum Teil zeitlich variierende Anomalien, durch den Stand anderer Himmelskörper (z. B. Sonne und Mond). Aufgrund dessen sind z. B. an unterschiedlichen Stellen der Oberfläche aufgehängte Schnurlote nicht parallel zueinander; man spricht von der Konvergenz der Lotlinien.


Zur Beschreibung der Lage von Punkten im Raum sind Koordinatensysteme zu definieren, die in Bezug zum Messobjekt eindeutig festzulegen sind durch

den Ursprung,
die Orientierung und
den Maßstab.

Dieser Satz von Parametern wird auch als Geodätisches Datum bezeichnet. Bei Koordinatensystemen, in denen die Messungen durchgeführt werden, sollte eine Koordinatenachse mit der örtlichen Lotrichtung zusammenfallen (Messkoordinatensystem). Gegebenenfalls sind diese Koordinaten umzurechnen in Koordinatensysteme, die rein objektbezogen (Objektkoordinatensystem) sind und den räumlichen Lageveränderungen eines Objekts folgen.



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