Fachkunde Metall57., neu bearbeitete Auflage
Jörg Bartenschlager Stefan OesterleJosef Dillinger Ludwig ReißlerWalter Escherich Andreas StephanWerner Günter Reinhard VetterDr. Eckhard Ignatowitz Falko Wieneke
VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL · Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG
Düsselberger Straße 23 · 42781 Haan-Gruiten
Europa-Nr.: 10129
EUROPA-FACHBUCHREIHE für metalltechnische Berufe
Autoren:Bartenschlager, Jörg Oberstudienrat RheinbreitbachDillinger, Josef Studiendirektor MünchenEscherich, Walter Studiendirektor MünchenGünter, Werner Dipl.-Ing. (FH) OberwolfachIgnatowitz, Dr. Eckhard Dr.-Ing. WaldbronnOesterle, Stefan Dipl.-Ing. AmtzellReißler, Ludwig Studiendirektor MünchenStephan, Andreas Dipl.-Ing. (FH) KressbronnVetter, Reinhard Oberstudiendirektor OttobeurenWieneke, Falko Dipl.-Ing. Essen
Die Autoren sind Fachlehrer der technischen Ausbildung und Ingenieure.
Lektorat: Josef DillingerBildentwürfe: Die AutorenFotos: Leihgaben der Firmen (Verzeichnis Seite 664)Bildbearbeitung: Zeichenbüro des Verlages Europa-Lehrmittel, OstfildernEnglische Übersetzung: OStRin Christina Murphy, Wolfratshausen
57. Auflage 2013
Druck 6 5 4 3 2 1
Alle Drucke derselben Auflage sind im Unterricht nebeneinander einsetzbar, da sie bis auf korrigierte Druckfehler und kleine Änderungen, z. B. aufgrund neuer Normen, identisch sind.
ISBN 978-3-8085-1157-2
Umschlaggestaltung unter Verwendung eines Fotos der Firma TESA / Brown & Sharpe, CH-Renens
Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden.
© 2013 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruitenhttp://www.europa-lehrmittel.deSatz: Satz+Layout Werkstatt Kluth GmbH, 50374 ErftstadtDruck: B.o.s.s Druck und Medien GmbH, 47574 Goch
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1 Prüftechnik 2 Qualitäts -
management
12 … 87
3 Fertigungstechnik
88 … 259
5 Maschinentechnik 6 Elektrotechnik
341 … 436
8 Automatisierungs-technik
476 … 562
4 Werkstofftechnik
260 … 340
7 Montage, Inbetriebnahme, Instandhaltung
437 … 475
9 Automatisierte Fertigung
10 Technische Projekte
563 … 636
Vorwort
Die Fachkunde Metall dient der Ausbildung und der Weiterbildung in den Maschinenbauberufen.
Zielgruppen• Industriemechaniker• Feinwerkmechaniker• Fertigungsmechaniker• Zerspanungsmechaniker• Technische Produktdesigner• Meister und Techniker• Praktiker in der metallverarbeitenden Industrie und im Handwerk• Schüler technischer Schulen• Praktikanten und Studierende der Fachrichtung Maschinenbau
InhaltDer Inhalt des Buches ist in zehn Hauptkapitel gegliedert. Er ist auf die Bildungspläne und Ausbildungsordnungen der oben genann-ten Berufsgruppen als auch mit den KMK-Lehrplänen abgestimmt und berücksichtigt neueste Entwicklungen im technischen Bereich.Das Sachwortverzeichnis enthält die technischen Fachbegriffe auch in englischer Sprache.
Unterricht nach LernfeldernDie lernfeldorientierten Rahmenlehrpläne erfordern handlungs-orientierte Unterrichtsformen, durch die der Lernende das er-worbene Wissen in die betriebliche Praxis übertragen kann. Der Erwerb dieser Fähigkeit wird in dreizehn Lernfeldern durch je ein Leitprojekt mit einem Vorschlag für die Umsetzung angeboten.
Vorwort zur 57. Auflage
In der vorliegenden Auflage wurden folgende Inhalte neu aufge-nommen bzw. aktualisiert:• Lernfeldkompass und Überarbeitung der Leitprojekte für die
Fachstufe. • Fertigungstechnik: Generative Fertigungsverfahren; Räumen• Automatisierungstechnik: Zeitbausteine, Vakuumtechnik und
Ventilinseln; Proportionaltechnik.• Automatisierte Fertigung: Drehen: Programmierverfahren nach Siemens und PAL. Angetriebene Werkzeuge nach PAL. Fräsen: Programmierverfahren nach Heidenhain und PAL. 5-Achs-Bearbeitung nach PAL.• Technische Projekte in Ausbildung und Beruf planen, erarbeiten,
dokumentieren und präsentieren. • Zu jedem Kapitel eine Seite in englischer Sprache zum Üben und
Vertiefen. Die Übersetzung ist auf der beiliegenden CD.
Die Autoren und der Verlag sind allen Nutzern der „Fachkunde Me-tall“ für kritische Hinweise und Verbesserungsvorschläge dankbar ([email protected]).
Sommer 2013 Die Verfasser
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LernfeldkompassMit dem Lernfeldkompass wird dem Nutzer an Berufsschulen in der Metalltechnik eine Hilfe an die Hand gegeben, mit der der Lernfeldunterricht zielgerichtet durchgeführt werden kann.Die Inhalte der Fachkunde Metall sind sachlogisch strukturiert, um dem Lehrenden und Lernenden ein Höchstmaß an didaktischer und methodischer Freiheit zu ermöglichen. Die im Buch gewählte Sachstruk-tur soll den Lernenden zu selbstständigem Erarbeiten der in den Lernfeldern geforderten unterschiedli-chen fachlichen Inhalte führen.Die folgende Kapitelauswahl zu den Lernfeldern aus den einzelnen Rahmenlehrplänen zeigt die Zuord-nung der Kapitel und Inhalte des Fachbuches zu den einzelnen Lernfeldern. Sie dient als Anregung und Hinweis, um den lernfeldorientierten Unterricht zielgerichtet durchführen zu können.
Lernfeld Sachinformationen im Buch (Beispiele)
Fertigen von Bauelementen mit handgeführten Werkzeugen Vorbereiten und Fertigen von berufstypischen Bau-elementen mit handgeführten Werkzeugen.Erstellen und Ändern von Zeichnungen für einfache Baugruppen.
Arbeitsschritte mit Werkzeugen und Materialien planen und Berechnungen durchführen.Geeignete Prüfmittel auswählen, anwenden und Ergeb-nisse protokollieren.Fertigungskosten überschlägig ermitteln.
Dokumentieren und Präsentieren der Arbeits ergebnisse.
Bestimmungen des Arbeits- und Umweltschutzes beachten.
Projekt: Schlüsselanhänger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 638
3.6.2 Fertigen mit handgeführten Werkzeugen
1.2 Grundlagen der Messtechnik 1.2.1 Grundbegriffe 1.2.2 Messabweichungen 1.2.3 Messmittelfähigkeit 1.3 Längenprüfmittel 1.5 Toleranzen und Passungen
2.7.1 Prüfplanung 3.2 Gliederung der Fertigungsverfahren3.4.1 Verhalten der Werkstoffe3.4.2 Umformverfahren3.4.3 Biegeumformen3.5 Schneiden3.5.1 Scherschneiden4.1 Übersicht der Werk- und Hilfsstoffe4.2 Auswahl und Eigenschaften der Werkstoffe4.4 Stähle und Gusswerkstoffe4.5 NE-Metalle4.9 Kunststoffe4.10 Verbundwerkstoffe
10.5 Technische Projekte dokumentieren
3.1 Arbeitssicherheit3.11 Fertigungsbetrieb und Umweltschutz4.12 Umweltproblematik der Werk- und Hilfsstoffe
Fertigen von Bauelementen mit Maschinen
Auswerten von Zeichnungen und Stücklisten.Auswahl von Werkstoffen nach spezifischen Eigen-schaften.Planen von Fertigungsabläufen mit Berechnungen.
Aufbau und Wirkungsweise von Maschinen.Einsatz von Werkzeugen.
Auswahl und Einsatz von Prüfmitteln.
Projekt: Spanngerät für runde Werkstücke . . . . . . . 640
5.6 Antriebseinheiten5.5 Funktionseinheiten zur Energieübertragung
1.4 Oberflächenprüfung
1.5 Toleranzen und Passungen3.7 Fertigen mit Werkzeugmaschinen3.8 Fügen4.4 Stähle und Eisen-Gusswerkstoffe5.6 Antriebseinheiten5.5 Funktionseinheiten zur Energieübertragung
5.1 Einteilung der Maschinen5.2 Funktionseinheiten von Maschinen3.7.1 Schneidstoffe
1.2 Grundlagen der Messtechnik
5Lernfeldkompass
Dokumentieren und Präsentieren der Arbeits ergebnisse.
Bestimmungen des Arbeits- und Umweltschutzes beachten.
1.2.1 Grundbegriffe1.2.2 Messabweichungen 1.2.3 Messmittelfähigkeit 1.3 Längenprüfmittel2 Qualitätsmanagement 2.3 Qualitätsforderungen2.4 Qualitätsmerkmale und Fehler 2.7.1 Prüfplanung
10.5 Technische Projekte dokumentieren
3.1 Arbeitssicherheit3.11 Fertigungsbetrieb und Umweltschutz4.12 Umweltproblematik der Werk- und Hilfsstoffe
Lernfeld Sachinformationen im Buch (Beispiele)
Herstellen einfacher Baugruppen
Gruppenzeichnungen und Schaltpläne lesen und verstehen. Planen einfacher Steuerungen.Montage von Baugruppen.Teile normgerecht kennzeichnen.
Fügeverfahren unterscheiden.Auswahl von Werkzeugen und Normteilen.
Dokumentieren und Präsentieren der Arbeits ergebnisse.
Bestimmungen des Arbeits- und Umweltschutzes beachten.
Projekt: Bohrständer für Handbohrmaschine . . . . . 642
5.1 Einteilen der Maschinen5.4 Funktionseinheiten von Maschinen5.6 Antriebseinheiten5.5 Funktionseinheiten zur Energieübertragung8.3.3 Schaltpläne pneumatischer Steuerungen8.3.4 Systematischer Schaltplanentwurf8.3.5 Grafcet
3.8 Fügen4.4 Stähle und Eisen-Gusswerkstoffe
2 Qualitätsmanagement2.1 Arbeitsbereiche QM2.2 Normen QM2.3 Qualitätsforderungen2.4 Qualitätsmerkmale und Fehler
10.1.1 Arbeitsorganisation Linie und Projekt10.5.1 Textverarbeitung10.5.2 Tabellenkalkulation10.5.3 Präsentationssoftware10.5.4 Technische Kommunikation
3.1 Arbeitssicherheit3.11 Fertigungsbetrieb und Umweltschutz4.12 Umweltproblematik der Werk- und Hilfsstoffe
Warten technischer Systeme
Bewertung der Instandhaltungsmaßnahmen.
Wartungsarbeiten planen, Werkzeuge und Hilfsstoffe bestimmen.
Dokumentieren und Präsentieren der Arbeitsergebnisse.
Bestimmungen des Arbeits- und Umweltschutzes beachten.
Projekt: Warten einer Säulenbohrmaschine . . . . . . 644
1 Prüftechnik1.1 Größen und Einheiten7.3 Instandhaltung 7.4 Korrosion und Korrosionsschutz7.5 Schadensanalyse und Schadensvermeidung7.6 Beanspruchung und Festigkeit der Bauteile
4.1.3 Hilfsstoffe und Energie5.6 Antriebseinheiten5.5 Funktionseinheiten zur Energieübertragung7.3.6 Schmierstoffe7.3.7 Inspektion10.5 Technische Projekte dokumentieren
3.1 Arbeitssicherheit3.11 Fertigungsbetrieb und Umweltschutz4.12 Umweltproblematik der Werk- und Hilfsstoffe
6 Lernfeldkompass
Lernfeld Sachinformationen im Buch (Beispiele)
Fertigen von Einzelteilen mit Werkzeugmaschinen Fertigen von Werkstücken aus verschiedenen Werk-stoffen auf Werkzeugmaschinen.
Geeignete Fertigungsverfahren auswählen und Spann-mittel für Werkzeuge und Werkstücke wählen.
Glühen, Härten, Vergüten.
Prüfpläne mit den Mitteln des Qualitätsmanagements entwickeln.
Projekt: Hydraulisches Spannelement . . . . . . . . . . . 646
3.7 Fertigen mit Werkzeugmaschinen4.4.3 Bezeichnungssystem der Stähle2.4 Qualitätsmerkmale und Fehler 2.7.1 Prüfplanung
1.2 Grundlagen der Messtechnik1.3 Längenprüfmittel1.4 Oberflächenprüfung1.5 Toleranzen und Passungen1.6 Form- und Lageprüfung
4.4 Stähle und Eisen-Gusswerkstoffe2.4 Qualitätsmerkmale und Fehler 2.7.1 Prüfplanung 4.8 Wärmebehandlung der Stähle
Installieren und Inbetriebnahme steuerungstechni-scher Systeme
Steuerungstechnische Systeme installieren und in Betrieb nehmen.
Aus Steuerungen in unterschiedlichen Gerätetechniken Komponenten und Funktionsabläufe ermitteln. Aufbau und Inbetriebnahme unterschiedlicher Steue-rungen.
Montieren von technischen Systemen
Montage technischer Teilsysteme planen und Montage-pläne erstellen.Baugruppen montieren.Funktionskontrolle durchführen und Prüfprotokolle er-stellen.Festigkeitskenngrößen.
Arbeitsergebnisse dokumentieren und präsentieren.
Projekt: Vereinzelung unterschiedlicher Metallkugeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 648
5.1 Einteilung der Maschinen10.3 Projekte in Phasen erarbeiten
5.6 Antriebseinheiten8.2 Grundlagen und Elemente von Steuerungen8.3 Pneumatische Steuerungen8.4 Elektropneumatische Steuerungen8.5 Hydraulische Steuerungen
Projekt: Kegelradgetriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650
1.5 Toleranzen und Passungen1.6 Form- und Lageprüfung3.8 Fügen5.4 Funktionseinheiten zum Stützen und Tragen
4.11 Werkstoffprüfung
10.5 Technische Projekte dokumentieren
Programmieren und Fertigen auf numerisch gesteuerten Werkzeug maschinenBauelemente auf numerisch gesteuerten Werkzeug-maschinen fertigen.Arbeits- und Werkzeugpläne erstellen.
Einrichten der Werkzeugmaschine.CNC-Programme entwickeln.
Prüfpläne mit den Mitteln des Qualitätsmanagement entwickeln.
Projekt: Getriebewelle und Lagerdeckel . . . . . . . . . 652
9.1 CNC-Steuerungen9.1.2 Koordinaten, Null- und Bezugspunkte9.1.3 Werkzeugvermessung und Korrekturen9.1.4 Grundlagen der CNC-Programmierung9.1.5 Zyklen und Unterprogramme9.1.6 Programmieren von CNC-Drehmaschinen9.1.7 Programmieren von CNC-Fräsmaschinen9.2 Automatisierte Fertigungseinrichtungen 2.3 Qualitätsforderungen2.4 Qualitätsmerkmale und Fehler
9.1.2 Koordinaten, Null- und Bezugspunkte9.1.3 Werkzeugvermessung und Korrekturen9.1.4 Grundlagen der CNC-Programmierung9.1.5 Zyklen und Unterprogramme9.1.6 Programmieren von CNC-Drehmaschinen9.1.7 Programmieren von CNC-Fräsmaschinen
2.7.1 Prüfplanung1.2 Grundlagen der Messtechnik1.4 Oberflächenprüfung1.5 Toleranzen und Passungen1.6 Form- und Lageprüfung
7Lernfeldkompass
Lernfeld Sachinformationen im Buch (Beispiele)
Instandsetzen von technischen Systemen Instandsetzungsmaßnahmen planen.
Demontage von Teilsystemen.Analyse und Dokumentation von Fehlern.
Ersatz und Montage defekter Bauteile.
Projekt: Motorspindel einer CNC-Fräsmaschine . . . 654
7.5 Schadensanalyse und Schadensvermeidung 7.6 Beanspruchung und Festigkeit der Bauteile 3.8 Fügen
4.8 Wärmebehandlung der Stähle4.11 Werkstoffprüfung5.4.1 Reibung und Schmierstoffe7.3.6 Schmierstoffe7.3.8 Instandsetzung7.3.9 Verbesserungen10.5 Technische Projekte dokumentieren
Herstellen und in Betrieb nehmen technischer Teilsysteme Funktionszusammenhänge von Bauelementen und Bau-gruppen beschreiben.Geeignete Fertigungsverfahren und Montagehilfsmittel wählen.Teilsysteme zu Gesamtsystemen zusammenfügen und in Betrieb nehmen.Übergabe protokollieren.
Projekt: Vorschubantrieb einer CNC-Fräs- maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656
3.7.10 Räumen 3.7.11 Feinbearbeitung3.8 Fügen
7.2 Inbetriebnahme
10.5 Technische Projekte dokumentieren
Überwachen der Produkt- und Prozessqualität
Maschinen und Prozessfähigkeitsuntersuchungen durchführen.Prozessdaten aufnehmen und Kenngrößen bewerten.Unterscheiden von systematischen und zufälligen Ein-flussgrößen.Den Produktionsprozess in der Massen- und Serien-fertigung mit den Methoden der Qualitätssicherung überwachen, den Verlauf dokumentieren und Korrektur-maßnahmen ableiten.
Projekt: Richtwaage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 658
2.5 Werkzeuge des Qualitätsmanagements2.6 Qualitätslenkung2.7 Qualitätssicherung2.8 Maschinenfähigkeit2.9 Prozessfähigkeit2.10 Statistische Prozessregelung mit Qualitäts-
regel karten2.12 Kontinuierlicher Verbesserungsprozess10.5 Technische Projekte dokumentieren
Instandhalten von technischen Systemen
Technische Systeme instandhalten. Ursachen für Fehler untersuchen.Schwachstellenanalyse durchführen und geeignete Prüfverfahren und Prüfmittel wählen.
Technische Systeme übergeben.
Projekt: Getränkeabfüllanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 660
2.12 Kontinuierlicher Verbesserungsprozess2.5 Werkzeuge des QM 7.3 Instandhaltung7.5 Schadensanalyse und Schadensvermeidung7.6 Beanspruchung und Festigkeit der Bauteile7.2.3 Abnahme von Maschinen oder Anlagen10.3.3.1 Projektorganisation10.3.5 Projektabschluss
Sicherstellen der Betriebsfähigkeit automatisierter Systeme
Automatisierte Systeme analysieren und Betriebsfähig-keit sichern.Betriebsstörungen beheben, Strategien zur Fehlerein-grenzung entwickeln und Prozessabläufe optimieren.Arbeitsschutz beim Umgang mit Fertigungs- und Hand-habungssystemen beachten.
Projekt: Automatisieren eines Handarbeits- platzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662
2.12 Kontinuierlicher Verbesserungsprozess8.6 Speicherprogrammierbare Steuerungen8.7 Handhabungstechnik in der Automation10.3.2 Definitionsphase10.3.3.1 Projektorganisation10.3.5 Projektabschluss
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1 Prüftechnik
1.1 Größen und Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.2 Grundlagen der Messtechnik . . . . . . . . . . . . . 151.2.1 Grundbegriffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.2.2 Messabweichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.2.3 Messmittelfähigkeit, Prüfmittelüberwachung 211.3 Längenprüfmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.3.1 Maßstäbe, Lehren und Endmaße . . . . . . . . . . 231.3.2 Mechanische und elektronische Messgeräte . 261.3.3 Pneumatische Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . 341.3.4 Elektronische Messgeräte. . . . . . . . . . . . . . . . . 361.3.5 Optoelektronische Messgeräte . . . . . . . . . . . . 371.3.6 Multisensortechnik in Koordinatenmess-
geräten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391.4 Oberflächenprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411.4.1 Oberflächenprofile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
1.4.2 Kenngrößen von Oberflächen . . . . . . . . . . . . . 421.4.3 Oberflächen-Prüfverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . 431.5 Toleranzen und Passungen . . . . . . . . . . . . . . . 451.5.1 Toleranzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451.5.2 Passungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491.6 Form- und Lageprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . 531.6.1 Form- und Lagetoleranzen . . . . . . . . . . . . . . . . 531.6.2 Prüfung ebener Flächen und Winkel . . . . . . . . 551.6.3 Rundform-, Koaxialitäts- und Rundlauf-
prüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581.6.4 Gewindeprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631.6.5 Kegelprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651.7 Practice your English . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Inhaltsverzeichnis
2 Qualitätsmanagement
2.1 Arbeitsbereiche des QM . . . . . . . . . . . . . . . . . 672.2 Die Normenreihe DIN EN ISO 9000 . . . . . . . . 682.3 Qualitätsforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 682.4 Qualitätsmerkmale und Fehler . . . . . . . . . . . . 692.5 Werkzeuge des Qualitätsmanagements . . . . 702.6 Qualitätslenkung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732.7 Qualitätssicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 742.8 Maschinenfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.9 Prozessfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 812.10 Statistische Prozessregelung mit Qualitäts-
regelkarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 822.11 Auditierung und Zertifizierung . . . . . . . . . . . . 852.12 Kontinuierlicher Verbesserungsprozess:
Mitarbeiter optimieren Prozesse . . . . . . . . . . 862.13 Practice your English . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3 Fertigungstechnik
3.1 Arbeitssicherheit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 893.2 Gliederung der Fertigungsverfahren . . . . . . . 913.3 Gießen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933.3.1 Formen und Modelle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933.3.2 Gießen in verlorene Formen . . . . . . . . . . . . . . 943.3.3 Gießen in Dauerformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 973.3.4 Gusswerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 983.3.5 Gussfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 983.3.6 Formgebung der Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . 993.3.7 Weiterverarbeitung der Halbzeuge und
Fertigteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.4 Umformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1063.4.1 Verhalten der Werkstoffe beim Umformen . . 1063.4.2 Umformverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1063.4.3 Biegeumformen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1073.4.4 Zugdruckumformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1103.4.5 Druckumformen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1143.4.6 Maschinen zum Umformen . . . . . . . . . . . . . . . 1163.5 Schneiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1173.5.1 Scherschneiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1173.5.2 Strahlschneiden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1223.6 Spanende Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1263.6.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1263.6.2 Fertigen mit handgeführten Werkzeugen . . . 1273.7 Fertigen mit Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . 1313.7.1 Schneidstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.7.2 Kühlschmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1353.7.3 Sägen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1383.7.4 Bohren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1393.7.5 Senken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1483.7.6 Reiben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1493.7.7 Drehen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1513.7.8 Fräsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1713.7.9 Schleifen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1883.7.10 Räumen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2003.7.11 Feinbearbeitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2023.7.12 Funkenerosives Abtragen. . . . . . . . . . . . . . . . . 2083.7.13 Vorrichtungen und Spannelemente . . . . . . . . 2123.7.14 Fertigungsbeispiel Spannpratze . . . . . . . . . . . 219
3.8 Fügen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2233.8.1 Fügeverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2233.8.2 Press- und Schnappverbindungen . . . . . . . . . 2263.8.3 Kleben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2283.8.4 Löten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2303.8.5 Schweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
3.9 Generative Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . 2493.9.1 Rapid Prototyping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2493.9.2 Rapid Tooling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2513.9.3 Rapid Manufacturing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
3.10 Beschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2523.11 Fertigungsbetrieb und Umweltschutz . . . . . 2563.12 Practice your English . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
9Inhaltsverzeichnis
4 Werkstofftechnik
4.1 Übersicht der Werk- und Hilfsstoffe . . . . . . . 2614.2 Auswahl und Eigenschaften der Werkstoffe 2634.3 Innerer Aufbau der Metalle . . . . . . . . . . . . . . . 2694.3.1 Innerer Aufbau und Eigenschaften . . . . . . . . . 2694.3.2 Kristallgittertypen der Metalle . . . . . . . . . . . . . 2704.3.3 Baufehler im Kristall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2714.3.4 Entstehung des Metallgefüges. . . . . . . . . . . . . 2714.3.5 Gefügearten und Werkstoffeigenschaften . . . 2724.3.6 Gefüge reiner Metalle und Legierungen. . . . . 2734.4 Stähle und Eisen-Gusswerkstoffe . . . . . . . . . 2744.4.1 Gewinnung von Roheisen . . . . . . . . . . . . . . . . 2744.4.2 Herstellung von Stahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2754.4.3 Das Bezeichnungssystem für Stähle . . . . . . . . 2784.4.4 Einteilung der Stähle nach Zusammen-
setzung und Güteklassen . . . . . . . . . . . . . . . . . 2814.4.5 Stahlsorten und ihre Verwendung . . . . . . . . . 2824.4.6 Handelsformen der Stähle . . . . . . . . . . . . . . . . 2844.4.7 Legierungs- und Begleitelemente . . . . . . . . . . 2854.4.8 Erschmelzen der Eisen-Gusswerkstoffe . . . . . 2864.4.9 Das Bezeichnungssystem für Gusseisen-
werkstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2874.4.10 Eisen-Gusswerkstoffarten. . . . . . . . . . . . . . . . . 2884.5 Nichteisenmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2914.5.1 Leichtmetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2914.5.2 Schwermetalle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2934.6 Sinterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2964.7 Keramische Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2984.8 Wärmebehandlung der Stähle . . . . . . . . . . . . 3004.8.1 Gefügearten der Eisenwerkstoffe . . . . . . . . . . 3004.8.2 Eisen-Kohlenstoff-Diagramm. . . . . . . . . . . . . . 3014.8.3 Gefüge und Kristallgitter bei Erwärmung. . . . 302
4.8.4 Glühen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3034.8.5 Härten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3044.8.6 Vergüten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3084.8.7 Härten der Randzone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3094.8.8 Fertigungsbeispiel: Wärmebehandlung
einer Spannpratze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3124.9 Kunststoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3134.9.1 Eigenschaften und Verwendung . . . . . . . . . . . 3134.9.2 Chemische Zusammensetzung und
Herstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3144.9.3 Technologische Einteilung und innere
Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3154.9.4 Thermoplaste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3164.9.5 Duroplaste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3184.9.6 Elastomere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3194.9.7 Wichtige Kunststoffe und ihre Kennwerte . . . 3194.10 Verbundwerkstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3214.11 Werkstoffprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3264.11.1 Prüfung der Verarbeitungseigenschaften. . . . 3264.11.2 Prüfung mechanischer Eigenschaften. . . . . . . 3274.11.3 Kerbschlagbiegeversuch. . . . . . . . . . . . . . . . . . 3294.11.4 Härteprüfungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3304.11.5 Dauerfestigkeitsprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3344.11.6 Bauteil-Betriebslasten-Prüfung . . . . . . . . . . . . 3354.11.7 Zerstörungsfreie Werkstoffprüfungen. . . . . . . 3354.11.8 Metallografische Untersuchungen . . . . . . . . . 3364.11.9 Prüfung der Kunststoff-Kennwerte . . . . . . . . . 3374.12 Umweltproblematik der Werk- und
Hilfsstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3384.13 Practice your English . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
5 Maschinentechnik
5.1 Einteilung der Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . 3425.2 Funktionseinheiten von Maschinen und
Geräten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3505.2.1 Innerer Aufbau von Maschinen . . . . . . . . . . . . 3505.2.2 Funktionseinheiten einer CNC-Werkzeug-
maschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3525.2.3 Funktionseinheiten einer Klimaanlage . . . . . . 3545.2.4 Sicherheitseinrichtungen an Maschinen. . . . . 3555.3 Funktionseinheiten zum Verbinden. . . . . . . . 3575.3.1 Gewinde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3575.3.2 Schraubenverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 3595.3.3 Stiftverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3675.3.4 Nietverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3695.3.5 Welle-Nabe-Verbindungen. . . . . . . . . . . . . . . . 3715.4 Funktionseinheiten zum Stützen und
Tragen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3755.4.1 Reibung und Schmierstoffe . . . . . . . . . . . . . . . 375
5.4.2 Lager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3785.4.3 Führungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3875.4.4 Dichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3905.4.5 Federn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3925.5 Funktionseinheiten zur Energie-
übertragung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3945.5.1 Wellen und Achsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3945.5.2 Kupplungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3965.5.3 Riementriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4015.5.4 Kettentriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4035.5.5 Zahnradtriebe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4055.6 Antriebseinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4085.6.1 Elektromotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4085.6.2 Getriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4155.6.3 Linearantriebe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4215.7 Practice your English . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
6 Elektrotechnik
6.1 Der elektrische Stromkreis . . . . . . . . . . . . . . . 4246.2 Schaltung von Widerständen . . . . . . . . . . . . . 4276.3 Stromarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4296.4 Elektrische Leistung und elektrische Arbeit . 4306.5 Überstrom-Schutzeinrichtungen . . . . . . . . . . 4316.6 Fehler an elektrischen Anlagen . . . . . . . . . . . 432
6.7 Schutzmaßnahmen bei elektrischen Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
6.8 Hinweise für den Umgang mit Elektrogeräten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .435
6.9 Practice your English . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
10 Inhaltsverzeichnis
7 Montage, Inbetriebnahme, Instandhaltung
7.1 Montagetechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4387.1.1 Montageplanung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4387.1.2 Organisationsformen bei der Montage. . . . . . 4397.1.3 Automatisierung der Montage. . . . . . . . . . . . . 4397.1.4 Montagebeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4407.2 Inbetriebnahme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4467.2.1 Aufstellen von Maschinen oder Anlagen . . . . 4477.2.2 Inbetriebnahme von Maschinen oder
Anlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4487.2.3 Abnahme von Maschinen oder Anlagen . . . . 4507.3 Instandhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4517.3.1 Tätigkeitsgebiete und Definition . . . . . . . . . . . 4517.3.2 Begriffe der Instandhaltung . . . . . . . . . . . . . . . 4527.3.3 Ziele der Instandhaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . 4537.3.4 Instandhaltungskonzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
7.3.5 Wartung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4567.3.6 Inspektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4597.3 7 Instandsetzung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4617.3.8 Verbesserungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4637.3.9 Auffinden von Störstellen und Fehlerquellen 4647.4 Korrosion und Korrosionsschutz . . . . . . . . . . 4657.4.1 Ursachen der Korrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4657.4.2 Korrosionsarten und ihr Erscheinungsbild. . . 4677.4.3 Korrosionsschutz-Maßnahmen . . . . . . . . . . . . 4687.5 Schadensanalyse und Schadens-
vermeidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4717.6 Beanspruchung und Festigkeit der
Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4737.7 Practice your English . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
8 Automatisierungstechnik
8.1 Steuern und Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4778.1.1 Grundlagen der Steuerungstechnik . . . . . . . . 4778.1.2 Grundlagen der Regelungstechnik . . . . . . . . . 4798.2 Grundlagen und Grundelemente von
Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4838.2.1 Arbeitsweise von Steuerungen . . . . . . . . . . . . 4838.2.2 Steuerungskomponenten. . . . . . . . . . . . . . . . . 4848.3 Pneumatische Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . 4898.3.1 Baugruppen pneumatischer Anlagen . . . . . . . 4898.3.2 Bauelemente der Pneumatik . . . . . . . . . . . . . . 4908.3.3 Schaltpläne pneumatischer Steuerungen . . . 4998.3.4 Systematischer Schaltplanentwurf . . . . . . . . . 5008.3.5 Beispiele pneumatischer Steuerungen . . . . . . 5048.3.6 Vakuumtechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5078.4 Elektropneumatische Steuerungen . . . . . . . . 5098.4.1 Bauelemente elektrischer Kontakt-
steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5098.4.2 Signalelemente – Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . 5128.4.3 Verdrahtung mit Klemmleiste . . . . . . . . . . . . . 5178.4.4 Beispiele für elektropneumatische
Steuerungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5188.4.5 Ventilinseln. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5238.5 Hydraulische Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . 5248.5.1 Energieversorgung und Druckmittel-
aufbereitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
8.5.2 Arbeitselemente und Hydrospeicher. . . . . . . . 5278.5.3 Hydraulikventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5318.5.4 Proportionalhydraulik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5358.5.5 Hydraulikleitungen und Zubehör. . . . . . . . . . . 5378.5.6 Beispiele für hydraulische Schaltungen . . . . . 5398.6 Speicherprogrammierbare Steuerungen . . . 5428.6.1 Speicherprogrammierbare Steuerung als
Kleinsteuerung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5428.6.2 Speicherprogrammierbare Steuerung als
modulares Automatisierungssystem . . . . . . . 5458.7 Handhabungstechnik in der Automation . . . 5548.7.1 Handhabungssystemtechnik . . . . . . . . . . . . . . 5548.7.2 Einteilung der Handhabungssysteme . . . . . . . 5558.7.3 Kinematik und Bauarten von Industrie-
robotern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5558.7.4 Funktionseinheiten von Industrierobotern . . . 5578.7.5 Programmierung von Industrierobotern. . . . . 5578.7.6 Koordinatensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5588.7.7 Bewegungsarten von Industrierobotern. . . . . 5598.7.8 Kommunikation von Industrierobotern . . . . . 5608.7.9 Sicherheit beim Einsatz von Handhabungs-
systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5618.8 Practice your English . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562
9 Automatisierte Fertigung
9.1 CNC-Steuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5649.1.1 Merkmale CNC-gesteuerter Maschinen . . . . . 5649.1.2 Koordinaten, Null- und Bezugspunkte . . . . . . 5689.1.3 Steuerungsarten, Korrekturen . . . . . . . . . . . . . 5709.1.4 Erstellen von CNC-Programmen . . . . . . . . . . . 5739.1.5 Zyklen und Unterprogramme. . . . . . . . . . . . . . 5789.1.6 Programmieren von CNC-Drehmaschinen. . . 5799.1.7 Programmieren von CNC-Fräsmaschinen . . . 5879.1.8 Programmierverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5939.1.9 5-Achs-Bearbeitung nach PAL . . . . . . . . . . . . . 5959.2 Automatisierte Fertigungseinrichtungen . . . 5999.2.1 Betriebswirtschaftliche Anforderungen . . . . . 5999.2.2 Vergleich: Herkömmliche Fertigung und
automatisierte Fertigung . . . . . . . . . . . . . . . . . 600
9.2.3 Automatisierungsstufen von Fertigungs- anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 601
9.2.4 Automatisierung von Werkzeugmaschinen . . 6029.2.5 Transportsysteme in automatisierten
Fertigungsanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6059.2.6 Informationsfluss in automatisierten
Fertigungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6059.2.7 Beispiel einer automatisierten Fertigungs-
anlage für Getriebewellen . . . . . . . . . . . . . . . . 6069.2.8 Flexibilität und Produktivität von Fertigungs-
anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6079.3 Practice your English . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608
11Inhaltsverzeichnis
10 Technische Projekte
10.1 Grundlagen der Projektarbeit . . . . . . . . . . . . . 60910.1.1 Arbeitsorganisation Linie und Projekt. . . . . . . 60910.1.2 Der Projektbegriff. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60910.1.3 Technische Projektarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61010.2 Projektarbeit als vollständige Handlung
und planmäßige Problemlösung . . . . . . . . . . 61010.3 Projekte in Phasen erarbeiten am Projekt-
beispiel Hebevorrichtung . . . . . . . . . . . . . . . . 61110.3.1 Die Initialisierungsphase. . . . . . . . . . . . . . . . . . 61110.3.2 Die Definitionsphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61210.3.3 Die Planungsphase mit Konzeptentwicklung
als Hauptprojekt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 615
10.3.4 Die Durchführungsphase mit Projekt- realisierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 620
10.3.5 Der Projektabschluss. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62210.4 Veränderte Vorgehensmodelle bei der
Projektarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62310.5 Technische Projekte dokumentieren . . . . . . . 62410.5.1 Textverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62510.5.2 Tabellenkalkulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62710.5.3 Präsentationssoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63010.5.4 Technische Kommunikation. . . . . . . . . . . . . . . 63310.6 Practice your English . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636
Lernfelder
Lernfeld: Fertigen von Bauelementen mit handgeführten Werkzeugen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .638Lernfeld: Fertigen von Bauelementen mit Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .640Lernfeld: Herstellen einfacher Baugruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .642Lernfeld: Warten technischer Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .644Lernfeld: Fertigen von Einzelteilen mit Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .646Lernfeld: Installieren und Inbetriebnahme steuerungstechnischer Systeme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .648Lernfeld: Montieren von technischen Systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .650Lernfeld: Programmieren und Fertigen auf numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .652Lernfeld: Instandsetzen von technischen Systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .654Lernfeld: Herstellen und in Betrieb nehmen technischer Teilsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .656Lernfeld: Überwachen der Produkt- und Prozessqualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .658Lernfeld: Instandhalten von technischen Systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .660Lernfeld: Sicherstellen der Betriebsfähigkeit automatisierter Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .662
Firmenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664
Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667
12
1 Prüftechnik
2 Qualitätsmanagement
Prüfen
subjektives Prüfen objektives Prüfen
LehrenSinneswahrnehmung Messen
MesswertGut/AusschussErgebnis:
Rundlauf
0,1 B-C
C B
Mit
telw
erte
x
95 %
99 %
Normalverteilung
OEG
UEG
OWG
UWG
Stichproben-Nr.:
4 6 8 10
1.1 Größen und Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.2 Grundlagen der Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . . 15 Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Messabweichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Messmittelfähigkeit, Prüfmittelüberwachung . . 21
1.3 Längenprüfmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Maßstäbe, Lehren und Endmaße . . . . . . . . . . . . 23 Mechanische und elektronische Messgeräte . . . 26 Pneumatische, elektronische Messgeräte . . . . . 34 Optoelektronische Messgeräte . . . . . . . . . . . . . . . 37 Multisensortechnik in Koordinatenmessgeräten 39
1.4 Oberflächenprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Oberflächenprofile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Kenngrößen; Oberflächen-Prüfverfahren . . . . . . 421.5 Toleranzen und Passungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Toleranzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Passungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.6 Form- und Lageprüfung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Form- und Lagetoleranzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Prüfung ebener Flächen und Winkel . . . . . . . . . . 55 Rundform-, Koaxialitäts- und Rundlaufprüfung 58 Gewindeprüfung; Kegelprüfung . . . . . . . . . . . . . . 631.7 Practice your English . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.1 Arbeitsbereiche des QM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 672.2 Die Normenreihe DIN EN ISO 9000 . . . . . . . . . . . 682.3 Qualitätsforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 682.4 Qualitätsmerkmale und Fehler . . . . . . . . . . . . . . 692.5 Werkzeuge des Qualitätsmanagements . . . . . . 702.6 Qualitätslenkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732.7 Qualitätssicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 742.8 Maschinenfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 782.9 Prozessfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 812.10 Statistische Prozessregelung mit Qualitätsregelkarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 822.11 Auditierung und Zertifizierung . . . . . . . . . . . . . . 852.12 Kontinuierlicher Verbesserungsprozess: Mitarbeiter optimieren Prozesse . . . . . . . . . . . . 862.13 Practice your English . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
13Größen und Einheiten
1 Prüftechnik
A
Ü
Länge (Weg) und ZeitLänge (Durchmesser)
ö (d )
t
m
Masse Stromstärke u. Lichtstärke
Üv
ö (s )
1° = Vollwinkel
1° = 60' = 3600"
= 5,325°
Grad Radiant
Vollkreis
1°
360
1m1
rad
1 m
5°19'30" = 5° + 57,296°+19° 180°60
30°3600
1 rad = =p
Bild 1: Basisgrößen
Bild 2: Winkeleinheiten
1.1 Größen und EinheitenGrößen beschreiben Merkmale, z . B . Länge, Zeit, Temperatur oder Stromstärke (Bild 1).
Im internationalen Einheitensystem SI (System International) sind Basisgrößen und Basiseinheiten festgelegt (Tabelle 1).Zur Vermeidung von sehr großen oder kleinen Zahlen werden dezimale Vielfache oder dezimale Teile den Namen der Einheiten vorangestellt, z . B . Millimeter (Tabelle 2).
Länge
Die Basiseinheit der Länge ist das Meter . Ein Meter ist die Länge des Weges, den das Licht im luftleeren Raum in einer 299 729 458stel Sekun-de durchläuft .
In Verbindung mit der Einheit Meter sind einige Vorsätze gebräuchlich, die zweckmäßige Angaben von großen Entfernungen oder von kleinen Längen ermöglichen (Tabelle 3).
Neben dem metrischen System wird in einigen Ländern noch das Inch-System verwendet .
Umrechnung: 1 Inch (in) = 25,4 mm
Winkel
Die Einheiten des Winkels bezeichnen Mittel-punktswinkel, die sich auf den Vollkreis beziehen .
Ein Grad (1°) ist der 360ste Teil des Vollwinkels (Bild 2). Die Unterteilung von 1° kann in Minuten (*), Sekunden (+) oder in dezimale Teile erfolgen .
Der Radiant (rad) ist der Winkel, der aus einem Kreis mit dem Radius 1 m einen Bogen von 1 m Länge schneidet (Bild 2) . Ein Radiant entspricht einem Winkel von 57,295 779 51° .
Tabelle 1: Internationales Einheitensystem
Basisgrößen und FormelzeichenBasiseinheiten
Name Zeichen
Länge ŒMasse mZeit tThermodynamische Temperatur TElektrische Stromstärke ILichtstärke Iv
MeterKilogrammSekundeKelvinAmpereCandela
mkgsKAcd
Tabelle 2: Vorsätze zur Bezeichnung von dezimalen Vielfachen und Teilen der Einheiten
Vorsatz Faktor
Mk
MegaKilo
millionenfachtausendfach
106 = 1 000 000103 = 1 000
hda
HektoDeka
hundertfachzehnfach
102 = 100101 = 10
dc
DeziZenti
ZehntelHundertstel
10–1 = 0,110–2 = 0,01
mµ
MilliMikro
TausendstelMillionstel
10–3 = 0,00110-6 = 0,000 001
Tabelle 3: Gebräuchliche LängeneinheitenMetrisches System
1 Kilometer (km)1 Dezimeter (dm)1 Zentimeter (cm)1 Millimeter (mm)1 Mikrometer (µm)1 Nanometer (nm)
= 1000 m= 0,1 m= 0,01 m= 0,001 m= 0,000 001 m = 0,001 mm= 0,000 000 001 m = 0,001 µm
14 Größen und Einheiten
Masse, Kraft und Druck
Die Masse m eines Körpers ist abhängig von seiner Stoffmenge . Sie ist unabhängig vom Ort, an dem sich der Körper befindet . Die Basis-einheit der Masse ist das Kilogramm . Gebräuchliche Einheiten sind auch das Gramm und die Tonne: 1 g = 0,001 kg, 1 t = 1000 kg .Ein Platin-Iridium-Zylinder, der in Paris aufbewahrt wird, ist das in-ternationale Normal für die Masse 1 kg . Es ist die einzige Basisein-heit, die bisher nicht mithilfe einer Naturkonstanten definiert werden konnte .
Der Druck p bezeichnet die Kraft je Flächeneinheit (Bild 2) in Pascal (Pa) oder Bar (bar) .Einheiten: 1 Pa = 1 N/m2 = 0,000 01 bar; 1 bar = 105 Pa = 10 N/cm2
Temperatur
Die Temperatur beschreibt den Wärmezustand von Körpern, Flüssig-keiten oder Gasen . Das Kelvin (K) ist der 273,15te Teil der Tempera-turdifferenz zwischen dem absoluten Nullpunkt und dem Gefrierpunkt des Wassers (Bild 3). Die gebräuchlichste Einheit der Temperatur ist das Grad Celsius (°C). Der Gefrierpunkt des Wassers entspricht 0 °C, der Siedepunkt des Wassers 100 °C .Umrechnung: 0 °C = 273,15 K; 0 K = – 273,15 °C
Zeit, Frequenz und Drehzahl
Für die Zeit t ist die Basiseinheit Sekunde (s) festgelegt .Einheiten: 1 s = 1000 ms; 1 h = 60 min = 3600 sDie Periodendauer T, auch Schwingungsdauer genannt, ist die Zeit in Sekunden, in der sich ein Vorgang regelmäßig wiederholt, z . B . eine volle Schwingung eines Pendels oder die Umdrehung einer Schleif-scheibe (Bild 4).Die Frequenz f ist der Kehrwert der Periodendauer T (f = 1/T ) . Sie gibt an, wie viele Vorgänge je Sekunde stattfinden . Sie wird in 1/s oder Hertz (Hz) angegeben .Einheiten: 1/s = 1 Hz; 103 Hz = 1 kHz; 106 Hz = 1 MHzDie Umdrehungsfrequenz n (Drehzahl) ist die Anzahl der Umdre-hungen je Sekunde oder Minute .Beispiel: Eine Schleifscheibe mit dem Durchmesser von 200 mm macht 6000
Umdrehungen in 2 min . Wie groß ist die Drehzahl?Lösung: Drehzahl (Umdrehungsfrequenz) n = 6000
2 min = 3000/min
Größengleichungen (Formeln)
Formeln stellen Beziehungen zwischen Größen her .Beispiel: Der Druck p ist die Kraft F je Fläche A.
p = FA
; p = 100 N1 cm2
= 100 Ncm2
= 10 bar
Beim Rechnen werden die Größen durch Formelzeichen ausgedrückt . Der Größenwert wird als Produkt aus Zahlenwert und Einheit ange-geben, z . B . F = 100 N oder A = 1 cm2 . Einheitengleichungen geben die Beziehung zwischen Einheiten an, z . B . 1 bar = 105 Pa .
Ein Körper mit der Masse von einem Kilogramm wirkt auf der Erde (Normort Zürich) mit einer Kraft FG (Gewichtskraft) von 9,81 N auf seine Aufhängung oder Auflage (Bild 1).
Massem = 1kg
GewichtskraftFG = 9,81N 10N
10
5
Bild 1: Masse und Kraft
Schwingungen Umdrehungen
Bild 4: Periodische Vorgänge
ther
mo
dyn
amis
che
Tem
per
atu
r in
Kel
vin
absoluterNullpunkt
Celsius
Kelvin
200 K
0 K –273 °C
–20 °C
100 °C373 K
Schmelz-punkt vonEis
Siede-punkt vonWasser
273 K
300K
100
K
50 °C
0 °C10
0 °C
Bild 3: Temperaturskalen
Druck p =
pF
A
FA
Bild 2: Druck
15Grundlagen der Messtechnik
1.2.1 GrundbegriffeBeim Prüfen werden vorhandene Merkmale von Produkten wie Maß, Form oder Oberflächengüte mit den geforderten Eigenschaften verglichen .
Durch Prüfen wird an einem Prüfgegenstand festgestellt, ob er die geforderten Merkmale auf-weist, z . B . Maße, Form oder Oberflä chengüte .
Prüfarten
Subjektives Prüfen erfolgt über die Sinneswahr-nehmung des Prüfers ohne Hilfsgeräte (Bild 1). Er stellt z . B . fest, ob die Gratbildung und Rautiefe am Werkstück zulässig sind (Sicht- und Tastprüfung) .
Objektives Prüfen erfolgt mit Prüfmitteln, d . h . mit Messgeräten und Lehren (Bild 1 und Bild 2).
Messen ist das Vergleichen einer Länge oder eines Winkels mit einem Messgerät . Das Ergeb-nis ist ein Messwert .
Lehren ist Vergleichen des Prüfgegenstandes mit einer Lehre . Man erhält dabei keinen Zah-lenwert, sondern stellt nur fest, ob der Prüfge-genstand Gut oder Ausschuss ist .
Prüfmittel
Die Prüfmittel werden in drei Gruppen unterteilt: Messgeräte, Lehren und Hilfsmittel.
Alle Messgeräte und Lehren bauen auf Maßver-körperungen auf . Sie verkörpern die Messgröße z . B . durch den Abstand von Strichen (Strichmaß), durch den festen Abstand von Flächen (Endmaß, Lehre) oder durch die Winkellage von Flächen (Winkelendmaß) .
Anzeigende Messgeräte besitzen bewegliche Mar-ken (Zeiger, Noniusstrich), bewegliche Skalen oder Zählwerke . Der Messwert kann unmittelbar abge-lesen werden .
Lehren verkörpern entweder das Maß oder das Maß und die Form des Prüfgegenstandes .
Hilfsmittel sind z . B . Messständer und Prismen .
Messtechnische Begriffe
Um Missverständnisse bei der Beschreibung von Messvorgängen oder Auswerteverfahren zu ver-meiden, sind eindeutige Grundbegriffe unerläss-lich (Tabelle folgende Seite).
1.2 Grundlagen der Messtechnik
Prüfen
Gut / AusschussErgebnis:
subjektives Prüfen objektives Prüfen
MessenLehrenSinneswahrnehmung
Messwert
15°
60
Maßstab Messschieber Grenzlehren(Maßlehren)
Parallelendmaß MessuhrRadiuslehre(Formlehre)
Winkelendmaß WinkelmesserWinkel(Formlehre)
Prüfmittel
Messgeräte
Maßverkör-perungen
AnzeigendeMessgeräte
Hilfsmittel Lehren
Bild 1: Prüfarten und Prüfergebnis
Bild 2: Prüfmittel
16
Ziffernanzeige
0
0,4
0,2 0,2
0,10,1
0,30,30,01mm
Skalenanzeige Skw = 0,01mm
Zw = 0,01mm
M
Grundlagen der Messtechnik
Tabelle 1: Messtechnische Begriffe
Begriff Kurz- zeichen
Definition, Erklärung Beispiel, Formeln
MessgrößeM
Die zu messende Länge bzw . der zu messende Winkel, z . B . ein Bohrungsabstand oder ein Durch-messer .
Anzeige
–
Der angezeigte Zahlenwert des Messwertes ohne Einheit (vom Messbereich abhängig) . Bei Maßverkörperungen entspricht die Aufschrift der Anzeige .
Skalenanzeige – Kontinuierliche Anzeige auf einer Strichskale
Ziffernanzeige – Digitale Anzeige auf einer Ziffernskale
Skalenteilungs-wert* Skw
oder
Differenz zwischen den Messwerten, die zwei auf-einander folgenden Teilstrichen entsprechen . Der Skalenteilungswert Skw wird in der auf der Skale stehenden Einheit angegeben .
Ziffernschrittwert Zw Der Ziffernschrittwert entspricht dem Skalentei-lungswert einer Strichskale .
Angezeigter Messwert
xa x1, x2 …
Einzelne Messwerte oder Mittelwerte setzen sich aus dem richtigen Wert und den zufälligen sowie systematischen Messabweichungen zusammen .
Der Mittelwert x̄ ergibt sich in der Regel aus fünf Wiederholungsmessungen .Den wahren Wert würde man nur bei einer idealen Messung erhalten . Der wahre Wert xw ist ein aus vielen Wiederholungsmessungen ermittelter und um die bekann-ten systematischen Abweichungen korrigierter „Schätzwert“ .Der richtige Wert xr wird bei Maßverkörperungen durch Kalibrierung ermittelt . Er weicht meist vernachlässigbar vom wahren Wert ab . Bei einer Vergleichsmessung, z . B . mit einem Endmaß, kann dessen Maß als richtiger Wert angesehen werden .
Mittelwert x–
Wahrer Wertxw
Richtiger Wertxr
Unberichtigtes Messergebnis
xa x1, x2 …
x–
Gemessener Wert einer Messgröße, z . B . ein unkorrigierter Einzelmesswert oder ein durch Wiederholungsmessungen ermittelter Messwert, der noch nicht um die syste-matischen Abweichungen As korrigiert wurde .In der Fertigungstechnik werden aufgrund bekannter Abweichungen aus früheren Messreihen oder von Fähigkeitsuntersuchungen überwiegend einmalige Messungen durchgeführt . Das Messergebnis bleibt bei Einzelmessungen durch die zufälligen so-wie durch die unbekannten systematischen Messabweichungen unsicher .
Systematische Messabweichung As
Die Messabweichung ergibt sich durch Vergleich des angezeigten Messwertes xa oder des Mittel-wertes x̄a mit dem richtigen Wert xr (Seite 20) .
As = xa – xr (As = x-a – xr)
Korrektionswert KAusgleich von bekannten, systematischen Abwei-chungen, z . B . Abweichung der Temperatur .
K = – As (K = K1 + K2 … + Kn)
Messunsicher- heit* u
Die Messunsicherheit beinhaltet alle zufälligen Abweichungen sowie die unbekannten und nicht korrigierten systematischen Messabweichungen .
uc = u 2x1 + u 2x2 + … u 2xn
U = 2 · uc(Faktor 2 für Vertrauensniveau 95 %)
Kombinierte Standard- unsicherheit
uc
Gesamtwirkung vieler Unsicherheitsanteile an der Streuung von Messwerten, z . B . durch Tempera-tur, Messeinrichtung, Prüfer und Messverfahren .
Erweiterte Mess- unsicherheit U
Die erweiterte Unsicherheit gibt den Bereich y – U bis y + U um das Messergebnis an, in dem der „wahre Wert“ einer Messgröße erwartet wird .
Berichtigtes Messergebnis y
Messwert, korrigiert um bekannte systematische Messabweichungen (K – Korrektion) .
y = x + K (y = x- + K )
Vollständiges Messergebnis Y
Das Messergebnis Y ist der wahre Wert für die Messgröße M. Es schließt die erweiterte Messun-sicherheit U ein .
Y = y ± U (Y = x- + K ± U )
* Merkmale von Messgeräten, die in Katalogen angegeben werden .
133333333
17
f w
fu
steigendeAnzeige
fallendeAnzeige
hinein-gehenderMessbolzen
heraus-gehenderMessbolzen
0 10
20
30
405060
70
80
0 10
20
30
405060
70
80
90 90
Endmaß oderWerkstück
0 10
20
30405060
70
0 10
20
30405060
70
80 80
9090
0 10
20
30
405060
70
80
90
unterer Anschlag Anhub
An
zeig
e-b
erei
ch
Mes
s-sp
ann
e
Freihub
Abweichungsspanne fe Messwertumkehr-spanne fu
0 1 2 3 4 5 6 7 8 10
– 20
–15
–10
– 5
0
5
10
15
20
mm
obere Fehlergrenze Go
Abweichungs-spanne fges
Teilmess-spanne f t
untere Fehlergrenze Gu
max. Mess-abweichung
richtiger Wert x r(Länge von Endmaßen)
Mes
sab
wei
chu
ng
herausgehender Messbolzenhineingehender Messbolzen
f w
fu
steigendeAnzeige
fallendeAnzeige
hinein-gehenderMessbolzen
heraus-gehenderMessbolzen
0 10
20
30
405060
70
80
0 10
20
30
405060
70
80
90 90
Endmaß oderWerkstück
0 10
20
30405060
70
0 10
20
30405060
70
80 80
9090
0 10
20
30
405060
70
80
90
unterer Anschlag Anhub
An
zeig
e-b
erei
ch
Mes
s-sp
ann
e
Freihub
Abweichungsspanne fe Messwertumkehr-spanne fu
0 1 2 3 4 5 6 7 8 10
– 20
–15
–10
– 5
0
5
10
15
20
mm
obere Fehlergrenze Go
Abweichungs-spanne fges
Teilmess-spanne f t
untere Fehlergrenze Gu
max. Mess-abweichung
richtiger Wert x r(Länge von Endmaßen)
Mes
sab
wei
chu
ng
herausgehender Messbolzenhineingehender Messbolzen
f w
fu
steigendeAnzeige
fallendeAnzeige
hinein-gehenderMessbolzen
heraus-gehenderMessbolzen
0 10
20
30
405060
70
80
0 10
20
30
405060
70
80
90 90
Endmaß oderWerkstück
0 10
20
30405060
70
0 10
20
30405060
70
80 80
9090
0 10
20
30
405060
70
80
90
unterer Anschlag Anhub
An
zeig
e-b
erei
ch
Mes
s-sp
ann
e
Freihub
Abweichungsspanne fe Messwertumkehr-spanne fu
0 1 2 3 4 5 6 7 8 10
– 20
–15
–10
– 5
0
5
10
15
20
mm
obere Fehlergrenze Go
Abweichungs-spanne fges
Teilmess-spanne f t
untere Fehlergrenze Gu
max. Mess-abweichung
richtiger Wert x r(Länge von Endmaßen)
Mes
sab
wei
chu
ng
herausgehender Messbolzenhineingehender Messbolzen
Grundlagen der Messtechnik
Tabelle 1: Messtechnische Begriffe
Begriff Kurz- zeichen
Definition, Erklärung Beispiel
Wiederhol- präzision*
Wiederhol- grenze* (Wiederhol-barkeit)
fw
r
Wiederholpräzision ist die Fähigkeit eines Messgerätes, bei meist 5 Mes-sun gen derselben Messgröße in glei-cher Messrichtung unter denselben Messbedingungen nahe beieinander liegende Anzeigen zu erreichen . Je klei-ner die Streuung ist, umso „prä ziser“ arbeitet das Messverfahren .Die Wiederholgrenze ist der Differenz-betrag für zwei einzelne Messwerte bei einer Wahrscheinlichkeit von 95 % .
Messwert- umkehr- spanne*
fu Die Messwertumkehrspanne eines Mess gerätes ist der Unterschied der Anzeige für dieselbe Messgröße, wenn einmal bei steigender Anzeige (bei hi neingehendem Messbolzen) und ein-mal bei fallender Anzeige (bei heraus-gehendem Messbolzen) gemessen wird .Die Messwertumkehrspanne kann durch einzelne Messungen bei belie-bigen Werten innerhalb des Messbe-reiches bestimmt oder aus dem Abwei-chungsdiagramm entnommen werden .
Abwei-chungs- spanne*
Gesamtab-weichungs-spanne
fe
fges
Die Abweichungsspanne fe ist die Dif ferenz zwischen der größten und kleins ten Messabweichung im gesam-ten Messbereich . Sie wird bei Mess-uhren und Feinzeigern bei hineinge-hendem Messbolzen ermittelt .Die Gesamtabweichungsspanne fges von Messuhren wird durch Messungen im ganzen Messbereich mit hi nein- und herausgehendem Messbolzen ermittelt .
Fehler- grenze*
G Fehlergrenzen sind vereinbarte oder vom Hersteller angegebene Abwei-chungsgrenzbeträge für Messabwei-chungen eines Messgerätes . Werden diese Beträge überschritten, sind die Abweichungen Fehler . Wenn die obere und untere Grenzabweichung gleich groß sind, gilt der angegebene Wert für jeden der beiden Grenzabwei-chungen, z . B . Go = Gu = 20 µm
Mess- bereich*
Meb Der Messbereich ist der Bereich von Messwerten, in dem die Fehlergrenzen des Messgerätes nicht überschritten werden .
Mess- spanne
Mes Die Messspanne ist die Differenz zwi-schen Endwert und Anfangswert des Messbereiches .
Anzeige- bereich
Az Der Anzeigebereich ist der Bereich zwi-schen der größten und der kleins ten Anzeige .
* Merkmale von Messgeräten, die in Katalogen angegeben werden .
18 Grundlagen der Messtechnik
20°C
Maßverkörperung aus Stahl 24°C
Werkstück aus Stahl 24°C
Maßverkörperung aus Stahl 24°C
Werkstück aus Aluminium 24°C
Maßverkörperung aus Stahl 18°C
Werkstück aus Aluminium 24°C
Messbeispiele:
–10 –5 0 +5 +10Längenänderung
f = 4,9
f = 0
Mess-abweichung
f = 10,8
Länge ö1= 100 mm bei Bezugstemperatur
a)
b)
c)
Längenänderung
ö1 Ausgangslänge bei 20°Caä LängenausdehnungskoeffizientDt Temperaturänderung
Dö = ö1 . aä . Dt
Bild 1: Messabweichungen durch die Temperatur
0Messkraft F
1 N 30
2
5
10zul. Messkraftvon Feinzeigern
Au
fbie
gu
ng
Mess-stativ
Messvorgangam Werkstück
Position des Feinzeigers:Höhe: 200 mmAusladung: 100 mmSäule: ø22 mmQuerstange: ø16 mm
Einstel-lungmit End-maßen
Messkraft F
Bild 2: Messabweichungen durch elastische Form-änderung am Messstativ durch die Messkraft
Blickrichtungen: richtig falsch
f
Bild 3: Messabweichung durch Parallaxe
Ursachen von Messabweichungen (Tabelle 1, folgende Seite)
Die Abweichung von der Bezugstemperatur 20 °C bewirkt immer dann Messabweichungen, wenn die Werkstücke und die zur Kontrolle eingesetzten Messgeräte und Lehren nicht aus dem gleichen Material sind und nicht dieselbe Temperatur ha-ben (Bild 1).
Bereits bei der Erwärmung eines 100 mm langen Endmaßes aus Stahl um 4 °C, z . B . durch die Hand-wärme, tritt eine Längenänderung von 4,6 µm auf .
Bei der Bezugstemperatur von 20 °C sollen Werkstücke, Messgeräte und Lehren innerhalb der vorgeschriebenen Toleranzen liegen .
Formänderungen durch die Messkraft treten an elastischen Werkstücken, Messgeräten und Mess-stativen auf .
Die elastische Aufbiegung eines Messstativs bleibt ohne Wirkung auf den Messwert, wenn beim Mes-sen mit gleicher Messkraft wie bei der Nullstellung mit Endmaßen gemessen wird (Bild 2).
Die Verringerung von Messabweichungen wird erreicht, wenn die Anzeige eines Messgerätes unter gleichen Bedingungen eingestellt wird, unter denen Werkstücke gemessen werden .
Messabweichungen durch Parallaxe entstehen, wenn unter schrägem Blickwinkel abgelesen wird (Bild 3).
Arten von Abweichungen
Systematische Messabweichungen werden durch konstante Abweichungen verursacht: Temperatur, Messkraft, Radius des Messtasters oder ungenaue Skalen .
Zufällige Messabweichungen können hinsichtlich Größe und Richtung nicht erfasst werden . Ursa-chen können z . B . unbekannte Schwankungen der Messkraft und der Temperatur sein .
Systematische Messabweichungen machen den Messwert unrichtig . Wenn Größe und Vor-zeichen (+ oder –) der Abweichungen bekannt sind, können sie ausgeglichen werden .
Zufällige Messabweichungen machen den Messwert unsicher . Unbekannte zufällige Ab-weichungen sind nicht ausgleichbar .
1.2.2 Messabweichungen
19
20 °C
40 °C
f
0.10
0.2
0.1
0.2
0.3 0.30.4
ff
f f
F F
Abweichung von derBezugstemperatur
zu großer Messwert durch zu hohe Werkstücktemperatur
zu kleiner Messwert durch den Einfluss der Messkraft
Formänderung durchgleichbleibend hoheMesskraft
Messwertunterschiede bei Maßstäben
kleinere Messwerte bei Außenmessungen,größere bei Innenmessungen
Messabweichungen durch Abnutzung der Messflächen
Gewindesteigung
Einfluss von Steigungsabweichungen auf die Messwerte
Kleine Abweichun-gen der Überset-zung bewirken,dass je nach derPosition desMessbolzens dieAnzeige messbarabweicht.
ungleichmäßige Übertragung der Messbolzenbewegung
GratSpäneSchmutzFett
Unsicherheiten durch unsaubere Flächen u. Formabweichungen
Formänderung durchMesskraftschwankungbei ungleichmäßigem„Andrehen” derMessspindel
Streuung der Messwerte durch Messkraftschwankung
f
f
F
Kippfehler
„Kippfehler” in Abhängigkeit von Messkraft und Führungsspiel
unsicheres Ansetzen des Messschiebers bei Innenmessungen
Parallaxe
Ablesefehler durch schrägen Blickwinkel (Parallaxe)
Grundlagen der Messtechnik
Tabelle 1: Ursachen und Arten von Messabweichungen
Systematische Messabweichungen Zufällige Messabweichungen
20 Grundlagen der Messtechnik
0 0
Fehlergrenze
Fehlergrenze GAbweichungsdiagramm
0 2,5 5,1 7,7 10,3 12,9 17,6 mm 2515M
ess-
abw
eich
un
g A
srichtiger Wert x r (Endmaße)
–4–3–2–1
012
4
AbweichungAs
KorrektionK
richtigerWert xr
7,700 mm10,300 mm15,000 mm17,600 mm
angezeigter Wert xa15,002
richtiger Wert x r
15
Bild 1: Systematische Abweichungen einer Bügelmessschraube
010
90
40
60 30
7020
80
50
010
90
40
60 30
7020
80
50
0,12
ö 0 M
Werk-stück
MessenNullein-stellung
End-maß
Bild 2: Nulleinstellung der Anzeige und Unterschieds- messung
+3 +5+4 +4+5 +6+4 +3
+2+4
A. Nulleinstellung des Feinzeigers auf den Drehteildurchmesser mit Nennmaß 30,0 mm mit einem Endmaß.
B. 10 Wiederholmessungen Spannweite der angezeigten Werte R = xa max – xa min
Mittelwert der 10 Anzeigewerte
C. Messergebnis Mittelwert des Durchmessers x = 30,0 mm + 0,004 mm x = 30,004 mm
xa= = + 4+40 m10
Anzeigewerte in
Bild 3: Zufällige Abweichungen eines Feinzeigers bei Messungen unter Wiederholbedingungen
Systematische Abweichungen können durch eine Vergleichsmessung mit genauen Messgeräten oder Endmaßen festgestellt werden .
Am Beispiel der Prüfung einer Messschraube wird die Anzeige mit einem Endmaß verglichen (Bild 1). Der Nennwert der Endmaße (Aufschrift) kann als der richtige Wert angesehen werden . Die systematische Abweichung As eines einzelnen Messwertes ergibt sich aus der Differenz von an-gezeigtem Wert xa und richtigem Wert xr .
Prüft man die Messabweichungen einer Bügel-messschraube im Messbereich von 0 mm bis 25 mm, erhält man das Diagramm der Messabwei-chungen (Bild 1). Bei Messschrauben erfolgt die Vergleichsmessung mit festgelegten Endmaßen bei verschiedenen Drehwinkeln der Messspindel .
Fehlergrenzen und Toleranzen
• Die Fehlergrenze G darf an keiner Stelle des Messbereiches überschritten werden .
• Der Normalfall in der Messtechnik sind symme-trische Fehlergrenzen . Die Fehlergrenzen enthal-ten die Abweichungen des Messelements, z . B . Ebenheitsabweichungen .
• Die Einhaltung der Fehlergrenze G kann mit Pa-rallel endmaßen der Toleranzklasse 1 nach DIN EN ISO 3650 geprüft werden .
Die Verringerung systematischer Messabwei-chungen erreicht man durch eine Nulleinstellung der Anzeige (Bild 2). Die Nulleinstellung erfolgt mit Endmaßen, die dem Prüfmaß am Werkstück entsprechen . Die zufällige Streuung kann durch Messungen unter Wiederholbedingungen ermit-telt werden (Bild 3):
Systematische Messabweichungen werden durch eine Vergleichsmessung festgestellt .Zufällige Abweichungen können durch Wieder-holmessungen ermittelt werden .
Arbeitsregeln für Messungen unter Wiederholbedingungen
• Die wiederholten Messungen derselben Mess größe am selben Werkstück sollen auf-einanderfolgend durchgeführt werden .
• Messeinrichtung, Messverfahren, Prüfperson und die Um gebungsbedingungen dürfen sich während der Wiederhol messung nicht än-dern .
• Wenn Rundheitsabweichungen die Mess-streuung nicht beeinflussen sollen, muss stets an derselben Stelle gemessen werden .