DE102016115979B4 - Method and arrangement for ensuring reliable information on measurement uncertainties of measuring systems in changing environmental conditions - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Sicherung von zuverlässigen Angaben über Messunsicherheiten von Messsystemen bei veränderlichen Umgebungsbedingungen mit den Schritten:
- Qualifizieren der Umgebungsbedingungen, bezogen auf Art, Typ und Konfiguration von Messmitteln und Komponenten des Messsystems sowie damit zu erfassende gewünschte Messgrößen, durch für die jeweils gewünschte Messgröße relevante Einflussgrößen,
- Zuordnen der qualifizierten relevanten veränderlichen Einflussgrößen der Umgebungsbedingungen zu Messunsicherheitsparametern der Messgrößen,
- kontinuierliches Erfassen, Speichern und Bewertung wenigstens einer relevanten veränderlichen Einflussgröße der Umgebungsbedingungen durch geeignete Sensoren, wobei mindestens eine Komponenten-Temperatur eines Messmittels innerhalb des Messsystems gemessen wird,
- Auslegen von Kalibriermitteln derart, dass damit die Konfiguration von Messmitteln und Komponenten des Messsystems ausreichend an einen ermittelten Variationsbereich jeder relevanten veränderlichen Einflussgröße anpassbar ist,
- Ermitteln der aktuellen Messunsicherheit und Dokumentation der Historie jeder gewünschten Messgröße entsprechend dem Variationsbereich jeder relevanten Einflussgröße der Umgebungsbedingungen, und Ablehnen einer Kalibrierung bei als unzulässig erkannten Umgebungsbedingungen, die einen nicht zulässigen Ausnahmezustand für mindestens eine relevante Einflussgröße darstellen,
- Ausgabe der aktuell erreichbaren messtechnischen Messunsicherheit für jede gewünschte Messgröße auf Basis der Umgebungsbedingungen bei Kalibrierung oder Ausgabe eines aktuell erkannten Zustandes der Messunsicherheit des Systems in Echtzeit auf Basis der gemessenen Einflussgrößen der Umgebungsbedingungen.
Method for securing reliable information on measuring uncertainties of measuring systems in changing environmental conditions with the following steps:
- Qualifying the environmental conditions, based on type, type and configuration of measuring means and components of the measuring system and thus to be detected desired measured variables, by influencing factors relevant to the respective desired variable,
Assignment of the qualified relevant variable influencing variables of the environmental conditions to measurement uncertainty parameters of the measured variables,
continuous detection, storage and evaluation of at least one relevant variable influencing variable of the ambient conditions by suitable sensors, wherein at least one component temperature of a measuring means is measured within the measuring system,
- Designing calibration means such that the configuration of measuring means and components of the measuring system is sufficiently adaptable to a determined variation range of each relevant variable influencing variable,
Determination of the current measurement uncertainty and documentation of the history of each desired measured variable corresponding to the range of variation of each relevant influencing variable of the environmental conditions, and rejecting a calibration in the case of inadmissibly recognized environmental conditions representing a non-permitted state of emergency for at least one relevant influencing variable,
- Output of the currently achievable metrological uncertainty for each desired measurement on the basis of environmental conditions during calibration or output of a currently detected state of the measurement uncertainty of the system in real time based on the measured parameters of the environmental conditions.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Sicherung von zuverlässigen Angaben über Messunsicherheiten von Messsystemen bei veränderlichen Umgebungsbedingungen, insbesondere bei der Genauigkeitsspezifikation von Längenmesssystemen, vorzugsweise optisch-berührungslos messenden, aber auch Multisensor-Bildmesssystemen, vorzugsweise für den Einsatz unter Fertigungsbedingungen.The invention relates to a method and an arrangement for securing reliable information on measurement uncertainties of measuring systems under varying environmental conditions, in particular in the accuracy specification of length measuring systems, preferably optically noncontact measuring, but also multi-sensor image measuring systems, preferably for use under production conditions.
Angaben zu Messunsicherheiten von Messsystemen werden nach unterschiedlichen Verfahren/Normen vorgenommen. Diese Angaben beziehen sich im Allgemeinen auf genau definierte und beschriebene Bedingungen für die Anwendung der Systeme sowie für deren Kalibrierung und/oder Justage.Information on measurement uncertainties of measuring systems is made according to different procedures / standards. This information generally refers to well-defined and described conditions for the use of the systems and their calibration and / or adjustment.
Einen sehr hohen Einfluss auf Messunsicherheit vor allem in der dimensionalen Messtechnik haben die Temperatur und deren zeitlicher Verlauf.The temperature and its time course have a very high influence on measuring uncertainty, especially in dimensional measuring technology.
Die üblicherweise unter Fertigungsbedingungen bestehende große Variabilität von Temperatur und Temperaturverlauf hat entscheidend Einfluss auf die Messunsicherheit des Messsystems im operativen Einsatz. Bekannt und vertraglich zugesichert ist jedoch nur die Messunsicherheit unter den vom Hersteller in technischen Datenblättern zu den Messsystemen beschriebenen, häufig idealen Einsatzbedingungen, welche im operativen Einsatz jedoch häufig nicht eingehalten werden können. Bestenfalls geben Hersteller bezogen auf unterschiedliche Umgebungsbedingungen abweichende Messunsicherheiten an. Zum einen sind in vielen Fällen die unter realen Fertigungsbedingungen vorliegenden Umgebungsbedingungen nicht ausreichend bekannt (ermittelt) oder werden bisher nicht für die operative Bestimmung von Messunsicherheiten von Messsystemen berücksichtigt. Die konkrete Messunsicherheit von Messsystemen zum Einsatzzeitpunkt unter Fertigungsbedingungen ist somit weitgehend unbekannt. Damit ist im Zweifelsfall auch nicht gesichert, ob ein Messsystem zum Zeitpunkt der Ermittlung von Messergebnissen (Messgrößen) für die konkrete Messaufgabe „messmittelfähig“ war oder nicht.The large variability of temperature and temperature usually prevailing under production conditions has a decisive influence on the measurement uncertainty of the measuring system in operational use. However, only the measurement uncertainty among the frequently ideal conditions of use described by the manufacturer in technical data sheets for the measuring systems, which can often not be adhered to during operational use, is known and guaranteed by contract. At best, manufacturers indicate deviating measurement uncertainties in relation to different environmental conditions. On the one hand, in many cases the ambient conditions present under real production conditions are not sufficiently known (ascertained) or have hitherto not been taken into account for the operative determination of measurement uncertainties of measuring systems. The concrete measurement uncertainty of measuring systems at the time of use under production conditions is therefore largely unknown. Thus, in case of doubt, it is also not certain whether or not a measuring system was "capable of measuring" at the time of determining measurement results (measured variables) for the specific measuring task.
Messgenauigkeiten werden als Messunsicherheiten unter bestimmten Bedingungen für Kalibrierung und Justage definiert und vertraglich zugesichert. Diese sind im Allgemeinen Bestandteil von Datenblättern.Measurement accuracies are defined and contractually guaranteed as measurement uncertainties under certain conditions for calibration and adjustment. These are generally part of datasheets.
Die umgebungsabhängigen Parameter wie Temperatur, Temperaturverlauf (Temperaturgradient) können durch Raumklassen, wie z.B. nach Standard (VDI/VDE 2627) beschrieben werden.The environment-dependent parameters such as temperature, temperature profile (temperature gradient) can be determined by space classes, e.g. according to standard (VDI / VDE 2627).
Üblicherweise wird die Messunsicherheit nur unter guten Einsatzbedingungen (Messraum hoher Güteklasse) beschrieben. Teilweise geben Hersteller sehr hochwertiger Messsysteme Messunsicherheiten, bezogen auf verschiedene Umgebungsbedingungen, an. Nachteilig dabei bleibt aber, dass diese Messsysteme für bestimmte von der optimalen Raumklasse oder vom Hersteller angegebenen Spezifikation abweichende Bedingungen keine Information bereitstellen und erst recht nicht selbsttätig eine Anpassung der angezeigten Messunsicherheit der Messergebnisse an geänderte Umgebungsbedingungen vornehmen.Normally, the measurement uncertainty is described only under good conditions of use (high-quality measuring room). In part, manufacturers of very high-quality measuring systems state measurement uncertainties in relation to different environmental conditions. However, the disadvantage here is that these measuring systems do not provide any information for certain conditions specified by the optimum space class or by the manufacturer, and certainly not automatically adapt the displayed measurement uncertainty of the measurement results to changed environmental conditions.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Lösungen bekannt, mit denen sich Messfehler reduzieren oder Messunsicherheiten anzeigen lassen.Solutions are already known from the state of the art with which measuring errors can be reduced or measurement uncertainties can be indicated.
In der
Die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Sicherung von zuverlässigen Angaben über Messunsicherheiten von Messsystemen bei veränderlichen Umgebungsbedingungen, insbesondere unter Fertigungsbedingungen, zu finden, die es dem Anwender/Nutzer des Messsystems zu jedem Einsatzzeitpunkt gestattet, eine qualifizierte Information über die reale Messunsicherheit unter den gegebenen Umgebungsbedingungen zu erhalten oder zu verändern durch Verbesserung der Umgebungsbedingungen/Einsatzbedingungen des Messsystems. Des Weiteren sollen vor allem Servicetechniker in die Lage versetzt werden, eine Installation und/oder Kalibrierung des Messsystems nicht mehr nur unter den sehr einschränkend vorgegebenen Raumklassenbedingungen höchster Güte vornehmen zu können, sondern auch bei jenen Umgebungsbedingungen, die einer vorliegenden erweiterten Messunsicherheitsspezifikation unterliegen.The invention has for its object to find a new way to secure reliable information on measurement uncertainties of measuring systems under varying environmental conditions, especially under production conditions, which allows the user / user of the measuring system at each time of use, a qualified information on the real measurement uncertainty under the given environmental conditions to maintain or change by improving the environmental conditions / Operating conditions of the measuring system. Furthermore, especially service technicians should be enabled to no longer be able to install and / or calibrate the measuring system only under the very restrictive predetermined class conditions of the highest quality, but also under those environmental conditions that are subject to an existing extended measurement uncertainty specification.
In einer erweiterten Aufgabenstellung soll die Ermittlung der bestmöglichen Messunsicherheit, d.h. geringsten Messunsicherheit, des Messsystems unter dem Einfluss der realen Umgebungsbedingungen im gegebenen Zeitfenster im Rahmen der Kalibrierung vollautomatisch erfolgen.In an extended task, the determination of the best possible measurement uncertainty, i. lowest measurement uncertainty, the measuring system under the influence of real environmental conditions in the given time window in the context of calibration fully automatic.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren zur Sicherung von zuverlässigen Angaben über Messunsicherheiten von Messsystemen bei veränderlichen Umgebungsbedingungen mit den folgenden Schritten gelöst:
- - Qualifizieren der Umgebungsbedingungen, bezogen auf Art, Typ und Konfiguration von Messmitteln und Komponenten des Messsystems sowie damit zu erfassende gewünschte Messgrößen, durch für die jeweils gewünschte Messgröße relevante Einflussgrößen,
- - Zuordnen der qualifizierten relevanten veränderlichen Einflussgrößen der Umgebungsbedingungen zu Messunsicherheitsparametern der Messgrößen,
- - kontinuierliches Erfassen, Speichern und Bewertung wenigstens einer relevanten veränderlichen Einflussgröße der Umgebungsbedingungen durch geeignete Sensoren, wobei mindestens eine Komponenten-Temperatur eines Messmittels innerhalb des Messsystems gemessen wird,
- - Auslegen der Kalibriermittel derart, dass damit die Konfiguration von Messmitteln und Komponenten des Messsystems ausreichend an einen ermittelten Variationsbereich jeder relevanten veränderlichen Einflussgröße anpassbar ist,
- - Ermitteln der aktuellen Messunsicherheit und Dokumentation der Historie jeder gewünschten Messgröße entsprechend dem Variationsbereich jeder relevanten Einflussgröße der Umgebungsbedingungen, und Ablehnen einer Kalibrierung bei als unzulässig erkannten Umgebungsbedingungen, die einen nicht zulässigen Ausnahmezustand für mindestens eine relevante Einflussgröße darstellen,
- - Ausgabe der aktuell erreichbaren messtechnischen Messunsicherheit für jede gewünschte Messgröße auf Basis der Umgebungsbedingungen bei Kalibrierung oder Ausgabe eines aktuell erkannten Zustandes der Messunsicherheit des Systems in Echtzeit auf Basis der gemessenen Einflussgrößen der Umgebungsbedingungen.
- - Qualifying the environmental conditions, based on type, type and configuration of measuring means and components of the measuring system and thus to be detected desired measured variables, by influencing factors relevant to the respective desired variable,
- Assignment of the qualified relevant variable influencing variables of the environmental conditions to measurement uncertainty parameters of the measured variables,
- continuous detection, storage and evaluation of at least one relevant variable influencing variable of the ambient conditions by suitable sensors, wherein at least one component temperature of a measuring means is measured within the measuring system,
- - Designing the calibration means such that the configuration of measuring means and components of the measuring system is sufficiently adaptable to a determined variation range of each relevant variable influencing variable,
- Determination of the current measurement uncertainty and documentation of the history of each desired measured variable corresponding to the range of variation of each relevant influencing variable of the environmental conditions, and rejecting a calibration in the case of inadmissibly recognized environmental conditions representing a non-permitted state of emergency for at least one relevant influencing variable,
- - Output of the currently achievable metrological uncertainty for each desired measurement on the basis of environmental conditions during calibration or output of a currently detected state of the measurement uncertainty of the system in real time based on the measured parameters of the environmental conditions.
Beim Erfassen und Speichern (Dokumentieren) der Einflussgröße Temperatur außer der Messung mindestens einer Komponenten-Temperatur wird vorteilhaft mittels innerhalb des Messsystems angeordneten Sensoren zusätzlich durch außerhalb des Messsystems angebrachte Sensoren eine Umgebungstemperatur gemessen.When detecting and storing (documenting) the influencing variable temperature other than the measurement of at least one component temperature, an ambient temperature is advantageously additionally measured by means of sensors arranged within the measuring system by sensors mounted outside the measuring system.
Beim Erfassen und Speichern von Einflussgrößen der Umgebungsbedingungen erfolgen zweckmäßig außer der Komponenten-Temperaturmessung zusätzlich Messungen der Prüflings-/Werkstücktemperatur oder der Vibration/Erschütterung, Luftqualität innerhalb des Messsystems.When capturing and storing influencing variables of the ambient conditions, it is expedient to carry out, in addition to the component temperature measurement, measurements of the specimen / workpiece temperature or of the vibration / vibration, air quality within the measuring system.
Das Zuordnen der qualifizierten Einflussgrößen der Umgebungsbedingungen zu den Messunsicherheitsparametern der Messgrößen erfolgt vorteilhaft statisch.The assignment of the qualified influencing variables of the environmental conditions to the measurement uncertainty parameters of the measured variables advantageously takes place statically.
In einer bevorzugten Ausführung kann das Zuordnen der qualifizierten Einflussgrößen der Umgebungsbedingungen zu den Messunsicherheitsparametern der Messgrößen dynamisch erfolgen.In a preferred embodiment, the assignment of the qualified influencing variables of the environmental conditions to the measurement uncertainty parameters of the measured variables can take place dynamically.
Es erweist sich als zweckmäßig, wenn vor der Ausgabe der aktuell erreichbaren messtechnischen Messunsicherheiten oder Fähigkeitskenngrößen für jede gewünschte Messgröße eine Bewertung auf Realisierbarkeit unter den gegebenen Umgebungsbedingungen erfolgt.It proves to be expedient if, prior to the output of the currently achievable metrological measurement uncertainties or capability characteristics, an evaluation for feasibility under the given ambient conditions takes place for each desired measured variable.
Die Aufgabe wird des Weiteren bei einer Anordnung zur Sicherung der Messunsicherheitsangaben von Messsystemen unter veränderlichen Umgebungsbedingungen mit Messmitteln zum Erfassen gewünschter Messgrößen, die durch für die Messgröße relevante veränderliche Einflussgrößen der Umweltbedingungen in ihrer Messunsicherheit beeinflusst sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Sensormittel zum kontinuierlichen Erfassen und Speichermittel zum Speichern wenigstens einer relevanten veränderlichen Einflussgröße der Umgebungsbedingungen vorhanden sind, wobei mindestens ein Sensor zur Messung der Temperatur oder zur Aufnahme von Wärmebildern außerhalb des Messsystems vorhanden ist, dass eine Berechnungseinheit zum Ermitteln der aktuellen Messunsicherheit und Speichermittel zum Speichern der Historie der Messunsicherheit entsprechend dem Variationsbereich jeder veränderlichen Einflussgröße der Umgebungsbedingungen, und Vergleichseinheit zum Prüfen, ob gegebene Umweltbedingungen in einem als unzulässig definierten Bereich von Einflussgrößen der Umgebungsbedingungen erfasst sind, die einen nicht dokumentierten Ausnahmezustand mindestens einer relevanten Einflussgröße darstellen, der eine Kalibrierung ausschließt, und dass eine Ausgabeeinheit zur Anzeige der aktuell erreichbaren messtechnischen Messunsicherheit für jede gewünschte Messgröße auf Basis der Umgebungsbedingungen bei Kalibrierung und der aktuell vorliegenden Einflussgrößen der Umgebungsbedingungen.The object is further achieved in an arrangement for securing the Uncertainty information of measuring systems under varying environmental conditions with measuring means for detecting desired parameters, which are affected by relevant for the measured variable variables of environmental conditions in their uncertainty, inventively solved in that sensor means for continuous detection and Storage means for storing at least one relevant variable influencing variable of the environmental conditions are present, wherein at least one sensor for measuring the temperature or for taking thermal images outside the measuring system is present, that a calculation unit for determining the current measurement uncertainty and storage means for storing the history of the measurement uncertainty Range of variation of each variable influencing variable of the environmental conditions, and comparison unit for checking whether given environmental condition are recorded in a range of influencing variables of the environmental conditions defined as inadmissible represent an undocumented exceptional state of at least one relevant influencing variable which excludes a calibration, and that an output unit for displaying the currently achievable metrological measurement uncertainty for each desired measured variable on the basis of the ambient conditions during calibration and the currently present influencing variables of the environmental conditions.
Vorteilhaft ist mindestens ein weiterer Sensor zur Temperaturmessung außerhalb des Messsystems angeordnet. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn mindestens ein weiterer Sensor zur Messung der Prüflings-/Werkstück-Temperatur innerhalb des Messsystems angeordnet ist.At least one further sensor for temperature measurement is advantageously arranged outside the measuring system. Furthermore, it is expedient if at least one further sensor for measuring the specimen / workpiece temperature is arranged within the measuring system.
Es erweist sich ferner als vorteilhaft, dass eine Bewertungseinheit zur Prüfung auf Realisierbarkeit der Messungen unter den gegebenen Umgebungsbedingungen vorhanden ist, sodass die Ausgabeeinheit zur Anzeige von Abweichungen der Umgebungsbedingungen des vorliegenden Kalibrierzustandes ansteuerbar ist. Zweckmäßig ist die Bewertungseinheit auch zum Bewerten von Messaufgaben auf Realisierbarkeit unter den gegebenen oder für erwartete mögliche Umgebungsbedingungen vorgesehen.It also proves to be advantageous for a rating unit to be present for testing the feasibility of the measurements under the given ambient conditions, so that the output unit can be controlled to indicate deviations of the ambient conditions of the present calibration state. The evaluation unit is expediently also provided for assessing measurement tasks for feasibility under the given or for expected possible ambient conditions.
Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass das Temperaturverhalten des Messsystems dem Hersteller grundsätzlich bekannt ist, wobei vorrangig die Umgebungstemperatur und deren Verlauf sowie ggf. die Temperature(n) des Prüflings/Werkstücks oder Normals zur Kompensation der gemessenen Dimensionen berücksichtigt werden müssen. Eine nach der Kompensation verbleibende, weitgehend bekannte Restunsicherheit wird dann in das Unsicherheitsbudget des Messsystems aufgenommen. Ggf. können auch weitere für die entsprechende Messtechnik wichtige Umgebungsbedingungen wie z.B. Erschütterungsinformationen in Verbindung mit taktiler Sensorik Eingang finden. Damit sind Aussagen zur Genauigkeit unter den vorgesehenen Bedingungen möglich, die sowohl eine Ergänzung zum Messergebnis in Form der Angabe der minimal messbaren Toleranz als auch eine Abschätzung für die Realisierbarkeit weiterer Messungen unter den bestimmten Umgebungsbedingungen sein kann.The invention is based on the basic idea that the temperature behavior of the measuring system is basically known to the manufacturer, whereby the ambient temperature and its course and possibly the temperature (s) of the test object / workpiece or standard must be taken into account to compensate for the measured dimensions. A residual uncertainty remaining after the compensation, which is largely known, is then included in the uncertainty budget of the measuring system. Possibly. For example, other environmental conditions important for the corresponding measuring technology, such as Find vibration information in connection with tactile sensor input. This makes it possible to make statements about the accuracy under the intended conditions, which can be both an addition to the measurement result in the form of the indication of the minimum measurable tolerance and an estimate of the feasibility of further measurements under the given environmental conditions.
Das Messsystem gemäß der Erfindung kann nach der Auswertung von Daten aus Vergangenheit und in Echtzeit zu Umgebungsbedingungen und aktuellen Teiletemperaturen oder anderen Messbedingungen (wie beispielsweise „Werkstück sauber, trocken, gratfrei sowie ggf. bestimmte Oberflächengüte, z.B. geschliffen“) jederzeit Informationen zur Messunsicherheit und „Messmittelfähigkeit“ bereitstellen, d.h. eine Verschlechterung oder Verbesserung der Messunsicherheit bzw. den Vertrauensbereich der Messung anzeigen und ggf. den gemessenen Wert einer physikalischen Größe zu verwerfen.The measuring system according to the invention can, at any time after the evaluation of data from past and real-time environmental conditions and current part temperatures or other measurement conditions (such as "workpiece clean, dry, burr-free and possibly certain surface finish, eg ground") information on measurement uncertainty and " Provide measuring capability ", ie indicate a deterioration or improvement in the measurement uncertainty or the confidence interval of the measurement and possibly discard the measured value of a physical quantity.
Bei Kalibrierungen von Messsystemen können Servicetechniker die Abnahmen unter konkreter Berücksichtigung der vorhandenen Umgebungsbedingungen durchführen. Dabei wird die aktuell erreichbare Messunsicherheit dokumentiert.When calibrating measuring systems, service technicians can carry out the acceptance tests with specific consideration of the existing environmental conditions. The currently achievable measurement uncertainty is documented.
Ferner können Anwender/Nutzer des Messsystems bei Bedarf auf dessen Leistungsfähigkeit in Bezug auf die Messunsicherheit positiv oder negativ Einfluss nehmen, indem die Umgebungsbedingungen entsprechend verändert werden, z.B. durch Änderung des Standortes des Messsystems oder Regelung der Temperatur durch Klimaanlagen oder Abschirmen von Sonnenstrahlung oder Wärmestrahlung.Furthermore, users / users of the measuring system can positively or negatively influence their performance with regard to the measurement uncertainty, if necessary, by correspondingly changing the environmental conditions, e.g. by changing the location of the measuring system or controlling the temperature by air conditioning or shielding from solar radiation or heat radiation.
Die am Einsatzort von Messsystemen vorliegenden Umgebungsbedingungen in Bezug auf Temperatur (beispielsweise bei absoluter Längenmessung) oder bezüglich Erschütterungen (bei Rauheitsmesssystemen) beeinflussen am wesentlichsten die messtechnischen Eigenschaften und damit die Eignung des Messsystems für die jeweilige Messaufgabe. Die Umgebungsabhängigkeit (z.B. Temperaturabhängigkeit) der messtechnischen Eigenschaften wird gemäß der Erfindung ermittelt und beschrieben.The ambient conditions at the place of use of measuring systems with regard to temperature (for example in absolute length measurement) or with regard to vibrations (in roughness measuring systems) have the greatest influence on the metrological properties and thus the suitability of the measuring system for the respective measuring task. The environmental dependence (e.g., temperature dependence) of the metrological properties is determined and described according to the invention.
Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren für alle dimensionalen Präzisionsmesssysteme sowie darüber hinaus für Konturen-, Form-, und/oder Rauheitsmesssysteme im Einsatz unter veränderlichen Fertigungs- bzw. Umgebungsbedingungen und daraus resultierenden veränderlichen Messunsicherheitsspezifikationen verwendet werden. Als veränderliche Fertigungs- bzw. Umgebungsbedingungen sind - je nach Art der verwendeten Sensorik in den Messsystemen - unterschiedliche Parameter als Einflussfaktoren hinsichtlich Umgebungsbedingungen maßgeblich (z.B. Temperatur, Erschütterung, Luftreinheit usw.)In principle, the method according to the invention can be used for all dimensional precision measuring systems and furthermore for contour, shape and / or roughness measuring systems in use under varying production or environmental conditions and resulting variable measurement uncertainty specifications. Depending on the type of sensors used in the measuring systems, varying parameters as influential factors with regard to environmental conditions (for example, temperature, vibration, air purity, etc.) are relevant as variable manufacturing or environmental conditions.
Die Messunsicherheitsspezifikationen können dabei entweder in bestimmten Klassen zur Auswahl durch das System vordefiniert sein oder theoretisch auch durch Zugrundelegen eines erweiterten Berechnungsmodells dynamisch berechnet werden.The measurement uncertainty specifications can either be predefined in certain classes for selection by the system or, in theory, can also be calculated dynamically by using an extended calculation model.
Die Erfindung eröffnet somit eine neue Möglichkeit zur Sicherung von zuverlässigen Angaben über Messunsicherheiten von Messsystemen bei veränderlichen Umgebungsbedingungen und der realen und ermittelten Messunsicherheit von Messsystemen unter veränderlichen Umweltbedingungen, insbesondere unter anspruchsvollen Fertigungsbedingungen (nicht konstante Temperatur, Erschütterungen, schlechte Luftreinheit). Die zuverlässigen Angaben zur Messunsicherheit gestatten es dem Nutzer des Messsystems, zu jedem Einsatzzeitpunkt eine qualifizierte Information über die reale Messunsicherheit unter den gegebenen Umweltbedingungen zu erhalten oder mit Verbesserung oder Verschlechterung der Einsatzbedingungen des Messsystems nachvollziehbaren Einfluss auf die tatsächliche Messunsicherheit zu nehmen. Des Weiteren werden vor allem Servicetechniker in die Lage versetzt, eine Installation und/oder Kalibrierung eines Messsystems nicht mehr ausschließlich unter einer sehr eingeschränkten vorgegebenen Raumklassenbedingung, sondern auch bei solchen Umgebungsbedingungen, die mit einer erweiterten Messunsicherheitsspezifikation abgedeckt sind, vornehmen zu können. In einer erweiterten Lösungsvariante ist nicht nur eine vollautomatische Ermittlung der bestmöglichen Messunsicherheit des Messsystems unter dem Einfluss der realen Umgebungsbedingungen im Rahmen der Kalibrierung möglich, sondern es liegt die Information über die Messunsicherheit des Messsystems in Echtzeit zu jedem Einsatzzeitpunkt vor. Dies kann entsprechend in geeigneter Form dokumentiert und für etwaige Bedarfe als Qualitätsnachweis (Messmittelfähigkeit) verwendet werden.The invention thus opens up a new possibility for securing reliable information on measurement uncertainties of measuring systems under varying environmental conditions and the real and determined measurement uncertainty of measuring systems under varying environmental conditions, in particular under demanding production conditions (non-constant temperature, vibrations, poor air purity). The reliable ones Information on the measurement uncertainty allows the user of the measuring system to obtain qualified information about the real measurement uncertainty under the given environmental conditions at each time of use or to make a comprehensible impact on the actual measurement uncertainty by improving or worsening the operating conditions of the measuring system. Furthermore, it is above all possible for service technicians to be able to carry out installation and / or calibration of a measuring system no longer exclusively under a very limited predetermined room class condition, but also under those environmental conditions which are covered by an extended measurement uncertainty specification. In an extended solution variant, not only a fully automatic determination of the best possible measurement uncertainty of the measuring system under the influence of real environmental conditions in the context of calibration is possible, but there is the information about the measurement uncertainty of the measuring system in real time at each time of use. This can be suitably documented in a suitable form and used for any requirements as proof of quality (measuring equipment capability).
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
-
1 : ein Blockschema des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufs; -
2 : eine Darstellung der Temperatur über der Zeit für eine optische Komponente (beispielhaft TOLARIS OPTIC) aufgenommen; -
3 : eine Zuordnungstabelle der Messunsicherheit der Messgröße Durchmesser gegenüber physikalischen Einflussgrößen der Umgebungsbedingungen, wie Temperatur und Temperaturgradient, eingeteilt in Klassen/Intervalle; -
4 : ein Beispiel als Prinzipdarstellung für die Ausgabe/Anzeige der messmittelfähig ermittelten Abweichung des Istmaßes vom Nennmaß; -
5 : ein Beispiel für ein Kopfdaten-Protokoll zur Annahmeprüfung mit Angaben zur vorliegenden real ermittelten Messunsicherheit unter den gegebenen relevanten Einflussgrößen der Umgebungsbedingungen Temperatur und Temperaturgradient.
-
1 : a block diagram of the process sequence according to the invention; -
2 a plot of the temperature over time for an optical component (exemplified by TOLARIS OPTIC) taken; -
3 : an allocation table of the measurement uncertainty of the measured variable diameter compared to physical parameters of the environmental conditions, such as temperature and temperature gradient, divided into classes / intervals; -
4 : an example as a schematic diagram for the output / display of the measured-medium-determined deviation of the actual dimension from the nominal size; -
5 : an example of a head data protocol for acceptance testing with information on the actual measurement uncertainty determined under the given relevant parameters of the ambient conditions temperature and temperature gradient.
Die Erfindung ist in dem in
- - Qualifizieren der Umgebungsbedingungen, bezogen auf Art, Typ und Konfiguration von Messmitteln und Komponenten des Messsystems sowie damit zu erfassende gewünschte Messgrößen, durch für die jeweils gewünschte Messgröße relevante Einflussgrößen,
- - Zuordnen der qualifizierten relevanten veränderlichen Einflussgrößen der Umgebungsbedingungen zu Messunsicherheitsparametern der Messgrößen,
- - kontinuierliches Erfassen, Speichern und Bewertung wenigstens einer relevanten veränderlichen Einflussgröße der Umgebungsbedingungen durch geeignete Sensoren, wobei mindestens eine Komponenten-Temperatur eines Messmittels innerhalb des Messsystems gemessen wird,
- - Auslegen der Kalibriermittel derart, dass damit die Konfiguration von Messmitteln und Komponenten des Messsystems ausreichend an einen ermittelten Variationsbereich jeder relevanten veränderlichen Einflussgröße anpassbar ist,
- - Ermitteln der aktuellen Messunsicherheit und Dokumentation der Historie jeder gewünschten Messgröße entsprechend dem Variationsbereich jeder relevanten Einflussgröße der Umgebungsbedingungen, und Ablehnen einer Kalibrierung bei als unzulässig erkannten Umgebungsbedingungen, die einen nicht zulässigen Ausnahmezustand für mindestens eine relevante Einflussgröße darstellen,
- - Ausgabe der aktuell erreichbaren messtechnischen Messunsicherheit für jede gewünschte Messgröße auf Basis der Umgebungsbedingungen bei Kalibrierung oder Ausgabe eines aktuell erkannten Zustandes der Messunsicherheit des Systems in Echtzeit auf Basis der gemessenen Einflussgrößen der Umgebungsbedingungen.
- - Qualifying the environmental conditions, based on type, type and configuration of measuring means and components of the measuring system and thus to be detected desired measured variables, by influencing factors relevant to the respective desired variable,
- - assignment of the qualified relevant variable influencing variables of the environmental conditions to measurement uncertainty parameters of the measured variables,
- continuous detection, storage and evaluation of at least one relevant variable influencing variable of the ambient conditions by suitable sensors, wherein at least one component temperature of a measuring means is measured within the measuring system,
- - Designing the calibration means such that the configuration of measuring means and components of the measuring system is sufficiently adaptable to a determined variation range of each relevant variable influencing variable,
- Determination of the current measurement uncertainty and documentation of the history of each desired measured variable corresponding to the range of variation of each relevant influencing variable of the environmental conditions, and rejecting a calibration in the case of inadmissibly recognized environmental conditions representing a non-permitted state of emergency for at least one relevant influencing variable,
- - Output of the currently achievable metrological uncertainty for each desired measurement on the basis of environmental conditions during calibration or output of a currently detected state of the measurement uncertainty of the system in real time based on the measured parameters of the environmental conditions.
Der Nutzer des Systems hat jederzeit unmittelbaren Einfluss auf die Messunsicherheit des Messsystems, indem er die Umgebungsbedingungen beeinflusst, z.B. das Messsystem in eine Klimakabine mit höchster Güteklasse (beste Messunsicherheit des Messsystems) stellt. Wenn das Messsystem in veränderlichen Umgebungsbedingungen betrieben wird, kann sich entsprechend der vom Hersteller definierten Zuordnung Umgebungsbedingungen zu Messunsicherheitsangaben die Messmittelfähigkeit des Systems zur Messung bestimmter Werkstücktoleranzen ändern. Einer der Hauptnutzer der Erfindung ist nun bzw. kann sein wenn als Funktion aktiviert/genutzt, das der Betreiber während der Nutzung einen entsprechenden Hinweis bekommt z.B. „Bitte nehmen Sie zur Kenntnis, dass zum Zeitpunkt der Messung auf Grund der aktuell im Vergleich zum Abnahmezustand verschlechterten Umgebungsbedingungen eine höhere/schlechtere Messunsicherheit besteht.“ In einer weiteren zusätzlichen Funktion kann dann noch der gerade gemessene Prüfplan in Bezug auf die vorliegenden Toleranzen analysiert werden und im Ergebnis eine weitere detailliertere Aussage zur gegebenen Auswirkung der veränderten Messmittelfähigkeit auf einzelne Merkmale wie Durchmesser und Längen getroffen werden. Gegebenenfalls kommt im schlechtesten Fall die Aussage: „Prüfplan nicht messmittelfähig messbar! Bitte Umgebungsbedingungen verbessern um fähige Messung zu ermöglichen!“The user of the system always has a direct influence on the measuring uncertainty of the measuring system by influencing the environmental conditions, eg placing the measuring system in a high-quality climate cabin (best measurement uncertainty of the measuring system). If the measuring system is operated in variable environmental conditions, the measuring equipment capability of the system for measuring certain workpiece tolerances may change according to the assignment of environmental conditions to measurement uncertainty specifications as defined by the manufacturer. One of the main users of the invention is now or may be when activated / used as a function that the operator receives a corresponding indication during use, for example "Please note that at the time of the measurement due to the currently deteriorated compared to the acceptance state In a further additional function, the currently measured test plan can then be analyzed with regard to the existing tolerances and, as a result, another more detailed statement on the given effect of the changed measuring capability on individual characteristics such as diameter and lengths are taken. If necessary, the following statement can be made in the worst case: "Test plan can not be measured for measuring purposes! Please improve environmental conditions to enable capable measurement! "
Ermittlung und Angabe von MessunsicherheitenDetermination and indication of measurement uncertainties
Die erreichbare Messunsicherheit wird - vollautomatisch durch das Messsystem - in Abhängigkeit von den real vorliegenden Umgebungsbedingungen bei der Kalibrierung, Justage oder Systemanwendung angegeben. Der Zusammenhang zwischen Messunsicherheit und Fähigkeitskenngrößen und Toleranzen ist durch MSA (Measurement System Analysis) nach ISO/IEC Leitfaden
Die Messmittelfähigkeit setzt diese Messunsicherheit in ein Verhältnis zur Toleranz der Messgröße, wofür es normierte Kennzahlen mit genormten Berechnungsvorschriften gibt, die an dieser Stelle als bekannt vorausgesetzt werden. Die Fähigkeitskenngrößen beschreiben, ob ein Messsystem für eine definierte Messaufgabe ausreichend genau ist oder nicht. Damit ist auch ein Grenzwert für eine Toleranz berechenbar, ab der das Messsystem messmittelfähig ist.The ability to measure means sets this uncertainty of measurement in relation to the tolerance of the measurand, for which there are standardized key figures with standardized calculation rules, which are assumed to be known at this point. The capability characteristics describe whether a measuring system is sufficiently accurate or not for a defined measuring task. Thus, a limit value for a tolerance can be calculated from which the measuring system is capable of measuring.
In dem durch das Messsystem durchgeführten Mess- und Verarbeitungsprozess erfolgt eine automatische Zuordnung von Messunsicherheitsangaben entweder von Daten in vordefinierten Klassen, z.B. in Form einer Matrix (Look-up-table) oder dynamisch über ein Modell berechnet, zu den Umgebungsbedingungen. Wichtigste variable Einflussgröße auf dimensionale Messwerte ist die Temperatur, die gegebenenfalls an unterschiedlichen Stellen im und um das Messsystem bestimmt wird. Weitere Einflussgrößen können Luftreinheit, Vibrationsfrequenzen/-amplituden sein.In the measurement and processing process performed by the measurement system, an automatic assignment of measurement uncertainty information either from data in predefined classes, e.g. in the form of a matrix (look-up table) or calculated dynamically via a model, to the environmental conditions. The most important variable influence on dimensional measured values is the temperature, which is determined if necessary at different places in and around the measuring system. Other influencing factors may be air purity, vibration frequencies / amplitudes.
Dies bildet die Grundlage für Aussagen zu Fähigkeitskenngrößen an Messnormalen und an Prüfkörpern und Werkstücken für die beim Anwender/Nutzer erwarteten und vorliegenden Einsatzbedingungen und ist somit Basis von vertraglich zugesicherten und nachzuweisenden Eigenschaften.This forms the basis for statements on capability characteristics at measurement standards and on specimens and workpieces for the operating conditions expected and present by the user / user and is therefore the basis of contractually guaranteed and verifiable properties.
Erfindungsgemäß werden Sensoren zur Erfassung von Umgebungsbedingungen eingesetzt (vor allem Sensoren zur Erfassung von Einflussgrößen, wie Umgebungstemperatur, Maschinentemperatur, Komponententemperatur(en) und/oder Prüflings-/Werkstücktemperatur oder bei Bedarf auch weiterer Einflussgrößen, wie z. B. Vibration, Schall/Lautheit, Luftfeuchtigkeit, Luftddruck, Luftreinheit (z.B. wg. Ölnebel in der Luft.According to the invention, sensors are used for detecting environmental conditions (above all sensors for detecting influencing variables, such as ambient temperature, machine temperature, component temperature (s) and / or test piece / workpiece temperature or, if required, further influencing variables, such as vibration, sound / loudness , Air humidity, air pressure, air purity (eg due to oil mist in the air.
Damit besteht die vor allem in der dimensionalen Messtechnik wichtige Möglichkeit, Temperaturen und deren Verläufe/Gradienten über einen längeren Zeitraum zu erfassen, auszuwerten und in einem geeigneten Kompensations- und Verwendungsmodell, das vor allem lineare oder kubische Ausdehnungskoeffizienten aber auch empirische gefundene Konstanten und Messfehlerdiagramme über den jeweils qualifizierten Einflussgrößen beinhaltet, einzusetzen. Für empirische Konstanten und Messfehlerverläufe werden bevorzugt auch Look-up-Tables für die Messunsicherheitsermittlung oder das Kompensationsmodell eingesetzt.Thus, the important possibility, especially in dimensional metrology, to detect and evaluate temperatures and their courses / gradients over a longer period of time, and in a suitable compensation and use model, the above mainly linear or cubic expansion coefficients but also empirical found constants and measurement error diagrams each of which contains qualified influencing factors. For empirical constants and measurement error profiles, look-up tables are also preferably used for the measurement uncertainty determination or the compensation model.
Die erreichbare Messunsicherheit wird abhängig von den Umgebungsbedingungen angegeben und bildet die Grundlage für Aussagen zu Fähigkeitskenngrößen für die beim Anwender erwarteten Einsatzbedingungen.The achievable measurement uncertainty is specified depending on the environmental conditions and forms the basis for statements on performance characteristics for the operating conditions expected by the user.
Ausführungsbeispiel TemperaturmessungExample of temperature measurement
Wichtigste variable Einflussgröße auf dimensionale Messwerte ist die Temperatur, die gegebenenfalls an unterschiedlichen Stellen im und um das Messsystem bestimmt wird. The most important variable influence on dimensional measured values is the temperature, which is determined if necessary at different places in and around the measuring system.
Deshalb werden in optisch-berührungslos messende Messsysteme vor allem Sensoren zur Erfassung von Temperaturen als qualifizierte Einflussgrößen eingesetzt. Die Erfassung von Einflussgrößen beschränkt sich dabei aber nicht nur auf eine Temperatur, wie die Umgebungstemperatur, sondern erfordert meist noch viel wesentlichere Einflussgrößen, wie die Prüflings-/Werkstücktemperatur, die Komponententemperatur(en) und/oder die Maschinentemperatur oder bei Bedarf auch weitere Einflussgrößen, wie z. B. Vibration, Luftreinheit (z.B. wg. Ölnebel in der Luft), Schall/Lautheit, Luftfeuchtigkeit, Luftddruck, etc.For this reason, sensors for measuring temperatures are used as qualified factors in non-contact optical measuring systems. The detection of influencing variables is not limited to a temperature, such as the ambient temperature, but usually requires much more significant factors such as the Prüflings- / workpiece temperature, the component temperature (s) and / or the machine temperature or, if necessary, other factors, such as Vibration, air purity (e.g., due to oil mist in the air), sound / loudness, humidity, air pressure, etc.
Bei der Erfassung der Umgebungstemperatur (außerhalb des Messsystems) wird eine Messung in der Nähe des Werkstücks, vorzugsweise in gleicher Raumhöhe gewählt. Die Gerätetemperatur ist vorzugsweise am Maschinenbett angebracht, während Komponententemperaturen an einzelnen wesentlichen Messkomponenten, wie der Messoptik und an der Kamera oder auch am Sensorblock derselben, abgenommen werden.When measuring the ambient temperature (outside the measuring system), a measurement is selected near the workpiece, preferably at the same room height. The temperature of the device is preferably attached to the machine bed, while component temperatures are taken from individual essential measuring components, such as the measuring optics and the camera or even at the sensor block thereof.
Eine für optisch messende Systeme ebenfalls wichtige Temperatur ist die Werkstücktemperatur bzw. die Prüflingstemperatur des Messnormals für die Kalibrierung. Another important temperature for optically measuring systems is the workpiece temperature or the sample temperature of the calibration standard.
Bezüglich der Temperatureinflüsse erfolgt durch das Messsystem eine vollautomatische Zuordnung von realen Temperaturbedingungen zur Anwendung bei Kalibrierung/Justage und zur Anzeige von Messungenauigkeitsangaben - die Angaben zu realen Messunsicherheiten liegen damit, wie in
Dabei bezieht sich die Messunsicherheit auf das gesamte Messsystem. Die einzelnen Einflussgrößen (hier verschiedene Temperaturmessungen sowie ein Temperaturgradient einer oder mehrerer Temperaturen) gehen lediglich als Teilkomponenten in die Berechnung der Messunsicherheit ein, wie nachfolgend erläutert wird.The measurement uncertainty refers to the entire measuring system. The individual influencing variables (in this case different temperature measurements as well as a temperature gradient of one or more temperatures) are only included as subcomponents in the calculation of the measurement uncertainty, as explained below.
Bei der Ermittlung der Messunsicherheit wird vorzugsweise nach folgender Beziehung eine erweiterte Messunsicherheit U zugrunde gelegt:
Dabei wird erfindungsgemäß die kombinierte Messunsicherheit nach der folgenden Gleichung ermittelt:
Dabei ist die kombinierte Messunsicherheit u aus beliebig vielen Teilunsicherheiten ui zusammengesetzt, wobei die einzelnen Teilunsicherheiten aus dem Messsystem selbst herauskristallisiert werden müssen Dazu werden über Messreihen bei systematisch veränderten Umgebungsbedingungen diejenigen Einflussgrößen ermittelt, d.h. als Einflussgrößen qualifiziert, die die Messunsicherheit der Messgrößen nachweislich bzw. am deutlichsten beeinflussen.The combined uncertainty u is composed of any number of subunits u i , whereby the individual subunits must be crystallized out of the measuring system itself. For that purpose, the influencing variables are determined via series of measurements under systematically changed environmental conditions, ie qualified as influencing variables which demonstrably or unambiguously determine the measurement uncertainty of the measured variables. most clearly influence.
In der oben stehenden Gleichung (2) sind für optische Längenmessgeräte die folgenden Teilmessunsicherheiten eingesetzt worden:
- uCAL
- - zertifizierte Messunsicherheit des verwendeten Messnormals (aus Zertifikat)
- uEVR
- - Streuung der Messung am Messnormal (durch Messungen bestimmt)
- uBI
- - Abweichung des Mittelwerts der Messung am Messnormal vom zertifizierten Wert (durch Messungen bestimmt)
- uT1
- - Komponententemperatur (z.B. Optik) (durch Versuche / Messreihen)
- uT2
- - Prüflings-/Werkstücktemperatur (durch Versuche / Messreihen)
- uTGr
- - Temperaturgradient (ΔT/h) (durch Versuche / Messreihen)
- u CAL
- - certified measurement uncertainty of the measuring standard used (from certificate)
- u EVR
- - Scattering of the measurement at the measurement standard (determined by measurements)
- u BI
- - Deviation of the mean value of the measurement at the measurement standard from the certified value (determined by measurements)
- u T1
- - Component temperature (eg optics) (by experiments / measurement series)
- u T2
- - DUT / workpiece temperature (by tests / measurement series)
- u TGr
- - temperature gradient (ΔT / h) (by tests / measurement series)
Damit können die messunsicherheit und eine Messmittelfähigkeit des Messsystems ermittelt und zur Anzeige gebracht werden.Thus, the measurement uncertainty and a measurement capability of the measuring system can be determined and displayed.
Dem Nutzer/Anwender des Messsystems steht damit die Möglichkeit frei, entsprechende Maßnahmen bei potentiell nicht messmittelfähigen Ergebnissen einzuleiten.The user / user of the measuring system is thus free to initiate corresponding measures with potentially non-measurable results.
Bewertung der Signifikanz von Messergebnissen während der MessungenEvaluation of the significance of measurement results during the measurements
Bei Messungen von Werkstücken kann als Option die unter den gegebenen Umgebungsbedingungen erreichte Messunsicherheit, z.B. in Form einer minimal messmittelfähig messbaren Toleranz berechnet werdenFor measurements of workpieces, the measurement uncertainty achieved under the given environmental conditions, e.g. be calculated in the form of a minimum measurable measurable tolerance
Das gezeigte Beispiel enthält Beispielwerte einer Messung für eine Länge und dient lediglich der Veranschaulichung. Es zeigt die Nennmaßabweichung als wichtig Stellgröße bei der Werkstückfertigung. Für die Ermittlung der zulässigen Toleranz erfolgt eine Berechnung, die statistisch auf der bereits oben erwähnten MSA basiert.The example shown contains example values of a measurement for a length and is for illustrative purposes only. It shows the nominal deviation as an important control variable in workpiece production. For the determination of the permissible tolerance, a calculation is carried out that is statistically based on the MSA already mentioned above.
Protokollierung der erreichbaren Genauigkeit/Messunsicherheit und KalibrierungLogging of achievable accuracy / measurement uncertainty and calibration
Bei Annahmeprüfungen werden die relevanten Umgebungsbedingungen (hier im Beispiel Temperatur und Temperaturgradient) sowie die daraus resultierende Messunsicherheit dokumentiert. In
Ausgehend von Temperatur und Gradient bei Kalibrierung/Justage wird die mögliche Messunsicherheit bestimmt. Diese bildet die Grundlage für die messtechnische Bewertung der Annahme entsprechend den verwendeten Verfahren.Based on temperature and gradient during calibration / adjustment, the possible measurement uncertainty is determined. This forms the basis for the metrological evaluation of the assumption according to the methods used.
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