ISO 10360-10 ist die internationale Norm für Abnahme- und Nachprüfungsprüfungen von berührungslosen, flächenscannenden optischen 3D-Messsystemen. Die Norm definiert zwei primäre Leistungskennzahlen – den Abtastfehler und den Kugelabstandsfehler – und legt die Prüfbedingungen, Referenzartefakte und Bewertungsverfahren fest, anhand derer die Angaben der Hersteller zu den maximal zulässigen Fehlern (MPE) überprüft werden.
Inhaltsverzeichnis
Wichtige Fakten
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Standardbezeichnung:DIN/EN ISO 10360-10
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Ausstellende Stelle:Internationale Organisation für Normung (ISO)
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Geltungsbereich:Abnahme- und Nachprüfungsversuche an berührungslosen optischen 3D-Messsystemen
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Wichtigste Leistungskennzahlen:2: Messfehler (P_Form) und Kugelabstandsfehler (E_uni)
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Haupttestartefakt:Kalibrierte Referenzkugel (mit rückverfolgbarem Kalibrierzertifikat)
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Referenztemperatur:20 °C (gemäß ISO 1)
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MPE-Erklärung:Herstellerspezifisch – nicht durch den Standard allgemein festgelegt
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Geeignete Sensortypen:Lasertriangulation, Strukturlicht- und Time-of-Flight-3D-Kameras
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Übergeordnete Standardreihe:ISO 10360 (Teil 2: taktile Koordinatenmessgeräte; Teil 10: berührungslose optische Systeme)
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Zugehöriger normativer Rahmen:GPS – Geometrische Produktspezifikationen (ISO 14638-Masterplan)
Was ist der Geltungsbereich der Norm ISO 10360-10?
Der Formfehler (P_Form) ist der Bereich der Restabweichungen von einer nach der Methode der kleinsten Quadrate durchgeführten Kugelanpassung an alle erfassten Datenpunkte auf einer kalibrierten Referenzkugel. Der Sensor erfasst eine festgelegte Mindestanzahl von Punkten über die gesamte Kugeloberfläche; ein Algorithmus der kleinsten Quadrate passt eine ideale Kugel an diese Punktwolke an; P_Form ist die Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Restabweichung.
Formal:
PForm = dmax − dminPForm=dmax−dmin
wobei dmaxdmax der größte positive Residualwert ist und dmindmin ist der größte negative Restwert von der am besten passenden Kugeloberfläche.
P_Form quantifiziert die Fähigkeit des Systems, die Form eines bekannten geometrischen Grundelements wiederzugeben.Ein niedriger P_Form-Wert deutet darauf hin, dass der Sensor die Oberflächengeometrie mit hoher lokaler Konsistenz und geringem Rauschen erfasst.
Was sind die wichtigsten Begriffsbestimmungen in ISO 10360-10?
Die Norm ISO 10360-10 definiert vier grundlegende messtechnische Konzepte, die den Aufbau und die Bewertung von Leistungsprüfungen regeln: Abtastfehler, Kugelabstandsfehler, Messvolumen und Erfassungsmodus.
Was versteht man unter einem Messfehler in ISO 10360-10?
Der Formfehler (P_Form) ist der Bereich der Restabweichungen von einer nach der Methode der kleinsten Quadrate durchgeführten Kugelanpassung an alle erfassten Datenpunkte auf einer kalibrierten Referenzkugel. Der Sensor erfasst eine festgelegte Mindestanzahl von Punkten über die gesamte Kugeloberfläche; ein Algorithmus der kleinsten Quadrate passt eine ideale Kugel an diese Punktwolke an; P_Form ist die Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Restabweichung.
Formal:
PForm = dmax − dminPForm=dmax−dmin
wobei dmaxdmax der größte positive Residualwert ist und dmindmin ist der größte negative Restwert von der am besten passenden Kugeloberfläche.
P_Form quantifiziert die Fähigkeit des Systems, die Form eines bekannten geometrischen Grundelements wiederzugeben.Ein niedriger P_Form-Wert deutet darauf hin, dass der Sensor die Oberflächengeometrie mit hoher lokaler Konsistenz und geringem Rauschen erfasst.
Was ist der Kugelabstandsfehler gemäß ISO 10360-10?
Der Kugelabstandsfehler (E_uni) ist die absolute Differenz zwischen dem gemessenen Mittenabstand zweier kalibrierter Referenzkugeln und dem rückführbaren Referenzwert dieses Abstands.
Formal:
Euni = |Lmeasured − Lreference|Euni=∣Lgemessen−LReferenz∣
wobei L gemessenLgemessen der aus der Punktwolke bestimmte Mittenabstand ist und L-ReferenzLReferenz ist der kalibrierte Wert aus dem Zertifikat des Kalibrierobjekts.
E_uni quantifiziert die Genauigkeit der Längenmessung des Systems über das gesamte Messvolumen hinweg. E_uni ist das volumetrische Äquivalent des Längenmessfehlers, der bei taktilen KMG-Prüfungen gemäß ISO 10360-2 verwendet wird. Ein einzelnes E_uni-Testergebnis deckt eine räumliche Ausrichtung und einen Abstand ab; das vollständige Prüfprotokoll erfordert Messungen an mehreren Positionen und Ausrichtungen innerhalb des Messvolumens.
Was versteht man unter dem Messvolumen in ISO 10360-10?
Das Messvolumen ist der dreidimensionale Arbeitsraum, innerhalb dessen ein Messsystem Ergebnisse liefert, die den vom Hersteller angegebenen Spezifikationen entsprechen. Die Norm ISO 10360-10 schreibt vor, dass bei Leistungsprüfungen das Messvolumen systematisch abgetastet wird – nicht nur in der Mitte oder bei einem einzigen Arbeitsabstand.
Durch systematische Volumenabtastung lassen sich drei Kategorien räumlich abhängiger Fehler erkennen: Verzerrungen in Randbereichen aufgrund der Objektiv- oder Lasergeometrie, tiefenabhängige Skalierungsfehler aufgrund von Kalibrierungsnichtlinearitäten sowie positionsabhängiges Rauschen aufgrund schwankender Beleuchtungsintensität über das gesamte Bildfeld.
Was ist der Unterschied zwischen Single-Scan- und Multi-Scan-Erfassung?
Die Norm ISO 10360-10 unterscheidet zwischen zwei Erfassungsmodi. Bei der Einzelabtastung wird ein Prüfobjekt in einer einzigen Belichtung oder einem einzigen Abtastdurchgang erfasst, ohne dass der Sensor oder das Objekt neu positioniert wird. Bei der Mehrfachabtastung werden mehrere Belichtungen oder Abtastdurchgänge – mit oder ohne Neupositionierung des Sensors – kombiniert, um das endgültige Messergebnis zu erzielen.
Beide Modi sind gemäß ISO 10360-10 zulässig, sofern der Hersteller angibt, welcher Modus für die angegebenen MPE-Werte gilt. Die Ergebnisse von Mehrfachmessungen sind nicht direkt mit den Ergebnissen von Einzelmessungen fürdenselben Leistungsindikator vergleichbar.
Welche Referenzartefakte schreibt die Norm ISO 10360-10 vor?
ISO 10360-10 legt kalibrierte Referenzkugeln als primäre Prüfartefakte fest. Jede Kugel ist mit einem rückverfolgbaren Kalibrierungszertifikat für ihren Durchmesser und ihre Formabweichung versehen. Eine konforme Referenzkugel muss drei material- und geometriebezogene Anforderungen erfüllen.
Welche Anforderungen gelten für Referenzkugeln?
Erstens muss der Durchmesser der Kugel im Verhältnis zur räumlichen Auflösung des Sensors groß genug sein, um die erforderliche Mindestanzahl an Datenpunkten über die gesamte Kugeloberfläche zu erfassen. Zweitens muss die Oberflächenbeschaffenheit der Kugel eine stabile, diffuse Reflexion erzeugen, die mit der Beleuchtungswellenlänge des Sensors übereinstimmt – Oberflächen mit hohem Spiegelungsgrad oder wellenlängenabhängiger Absorption verursachen systematische Fehler in der Punktwolke. Drittens muss die (kalibrierte) Formabweichung der Kugel kleiner sein als der zu messende Abtastfehler, damit das Artefakt das Testergebnis nicht dominiert.
Wie werden Referenzkugeln für die Prüfung positioniert?
ISO 10360-10 schreibt vor, dass die Kugeln an mehreren Positionen und in verschiedenen Ausrichtungen innerhalb des Messvolumens platziert werden müssen. Mindestens fünf Kugelpositionen – verteilt so, dass der nahe, der ferne, der zentrale sowie der linke und der rechte Bereich des Feldes abgedeckt werden – ermöglichen die Erfassung räumlich abhängiger Leistungsschwankungen. Jede Position liefert ein P_Form-Ergebnis; bei paarweise angeordneten Kugelpositionen werden E_uni-Ergebnisse für jeden getesteten Trennungsabstand und jede getestete Ausrichtung ermittelt.
Warum erfordern optische Systeme oberflächenspezifische Prozeduren zur Artefaktvermeidung?
Optische Sensoren reagieren auf die optischen Eigenschaften der gemessenen Oberfläche – reflectance, Spiegelung, Farbe und Lichtdurchlässigkeit – auf eine Weise, wie es taktile Sensoren nicht tun. Eine Referenzkugel mit einer mattweißen Keramikbeschichtung erzeugt ein grundlegend anderes Signal als dieselbe Kugel mit einer polierten Stahloberfläche, selbst wenn ihre Geometrie identisch ist.
Die Norm ISO 10360-10 trägt dieser Abhängigkeit Rechnung, indem sie vorschreibt, dass die Prüfkörper der reflectance der Werkstücke entsprechen, die das System messen soll , oder für diese repräsentativ sind. Diese Anforderung an die Übereinstimmung zwischen Prüfkörper und Oberfläche findet bei taktilen KMG-Prüfungen gemäß ISO 10360-2 keine Entsprechung.
Welche Leistungskennzahlen definiert die Norm ISO 10360-10?
Die Norm ISO 10360-10 definiert drei quantitative Leistungskennzahlen zur Bewertung und Abnahme optischer 3D-Messsysteme: den Abtastfehler (P_Form), den Kugelabstandsfehler (E_uni) und – sofern vom Hersteller angegeben – den Ebenheitsfehler.
Wie wird P_Form berechnet?
P_Form wird in vier Schritten berechnet.
| SCHRITT | AKTION |
|---|---|
| 1 | Erfassen Sie eine Punktwolke einer kalibrierten Referenzkugel unter den angegebenen Testbedingungen |
| 2 | Wende einen Algorithmus zur Kugelanpassung nach der Methode der kleinsten Quadrate an, um den Mittelpunkt und den Radius der am besten passenden Kugel zu bestimmen |
| 3 | Berechne für jeden erfassten Punkt die vorzeichenbehaftete Restabweichung relativ zur bestpassenden Kugeloberfläche |
| 4 | Berechne P_Form als die Spanne: PForm=dmax−dminPForm=dmax−dmin |
Ein P_Form-Ergebnis überschreitet die vom Hersteller angegebene MPE, wenn die Streuung der Abweichungen größer ist als die angegebene Messfehlergrenze. Eine Überschreitung an einer einzigen Prüfposition gilt als nicht konformes Ergebnis für diese Prüfung.
Wie wird E_uni berechnet?
E_uni wird wie folgt berechnet: Euni = |Lmeasured − Lreference|Euni=∣Lgemessen−LReferenz∣. Der Mittelpunkt jeder Kugel wird durch eine Kugelanpassung nach der Methode der kleinsten Quadrate an die für diese Kugel erfasste Punktwolke bestimmt.
E_uni wird für jedes Paar von Kugelpositionen und jede getestete räumliche Ausrichtung separat ermittelt. Das vollständige E_uni-Testergebnis ist der maximale E_uni-Wert, der über alle getesteten Positionen und Ausrichtungen innerhalb des Messvolumens gemessen wurde.
Welche Rolle spielt MPE bei Abnahmetests?
Der MPE (Maximum Permissible Error) ist die vom Hersteller angegebene Obergrenze für einen Leistungswert unter festgelegten Testbedingungen. Die Norm ISO 10360-10 definiert keine allgemeingültigen MPE-Werte; jeder Hersteller legt den für jedes Produkt und jeden Betriebsmodus geltenden MPE fest.
Bei der Abnahmeprüfung wird festgestellt, ob ein bestimmtes Messsystem P_Form- und E_uni-Ergebnisse liefert, die die für dieses System angegebenen MPE-Werte nicht überschreiten. Eine einzige Überschreitung eines beliebigen MPE-Wertes gilt als nicht konformes Abnahmeprüfergebnis, unabhängig von den Ergebnissen an anderen Messstellen.
Die Messunsicherheit, die gemäß dem Leitfaden zur Angabe der Messunsicherheit (GUM / ISO/IEC-Leitfaden 98-3) ermittelt wurde, gilt sowohl für die Kalibrierung des Referenzartikels als auch für die Ergebnisse der Prüfmessung. Die Messunsicherheit wird getrennt von der maximalen prozentualen Abweichung (MPE) behandelt und ersetzt diese nicht.
Welche Umgebungsbedingungen schreibt die Norm ISO 10360-10 vor?
Die Norm ISO 10360-10 legt fünf Kategorien von Umgebungsbedingungen fest, die bei Abnahme- und Nachprüfungen kontrolliert und dokumentiert werden müssen: Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Vibration, Luftbewegung und Einlaufzeit des Systems.
| ZUSTAND | ANFORDERUNG | SPEZIFISCHES RISIKO BEI OPTISCHEN SYSTEMEN |
|---|---|---|
| Temperatur | Bezugswert: 20 °C (ISO 1). Schwankung während der Prüfung: innerhalb des vom Hersteller angegebenen Bereichs, typischerweise ±2 °C | Die thermische Drift verändert die interne Kalibrierungsgeometrie und die optische Weglänge |
| Luftfeuchtigkeit | innerhalb des vom Hersteller angegebenen Betriebsbereichs | Hohe Luftfeuchtigkeit führt zu Kondensation auf optischen Elementen; niedrige Luftfeuchtigkeit in Verbindung mit Gradienten verursacht Schwankungen des Brechungsindexes in der Luftsäule |
| Vibration | Innerhalb der vom Hersteller angegebenen Schwingungstoleranz | Vibrationen des Bodens oder der Halterung verschieben die Geometrie der Laserlinie, was zu Punkt-zu-Punkt-Fehlern beim Scan führt |
| Luftbewegung | Keine turbulenten Luftströmungen im Messvolumen | Durch Luftbewegungen verursachte lokale Brechungsindexgradienten verschieben die scheinbaren Oberflächenpositionen |
| Absetzzeit | In der Regel 2–12 Stunden nach dem Transport, vor der Untersuchung | Durch die thermische Stabilisierung werden interne Temperaturgradienten beseitigt, die die Kalibrierungsgeometrie verzerren |
Optische 3D-Systeme benötigen nach dem Transport eine Einlaufzeit, bevor mit der Prüfung begonnen werden kann. Diese Einlaufzeit ermöglicht es, dass sich die Innentemperatur des Sensors stabilisiert, wodurch Temperaturgradienten beseitigt werden, die die optische Weglänge und die interne Kalibrierungsgeometrie verändern. Optische Triangulationssensoren reagieren empfindlicher auf Mikrovibrationen als taktile KMG-Taster, da mechanische Schwingungen die Geometrie der Laserlinie direkt beeinflussen.
Die kontrollierten Bedingungen während der Prüfung gemäß ISO 10360-10 werden als obligatorischer Bestandteil im Prüfbericht dokumentiert. Prüfergebnisse, die außerhalb der angegebenen Umgebungsbereiche erzielt wurden, sind für Abnahmeentscheidungen nicht gültig.
Was ist der Unterschied zwischen Abnahmetests und Nachprüfung?
Die Norm ISO 10360-10 definiert zwei normativ voneinander getrennte Prüfverfahren: die Abnahmeprüfung und die Nachprüfung. Beide verwenden dasselbe Prüfprotokoll und dieselben Leistungskennzahlen, dienen jedoch unterschiedlichen Zwecken und finden zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Lebenszyklus des Systems statt.
| ATTRIBUT | ABNAHMEPRÜFUNG | NEUPRÜFUNG |
|---|---|---|
| Zeitpunkt | Einmalig – bei Lieferung und Installation | In regelmäßigen Abständen während der gesamten Lebensdauer |
| Zweck | Stellen Sie sicher, dass das neu installierte System die vom Hersteller angegebenen MPE-Werte erfüllt | Stellen Sie sicher, dass die Konformität nach Gebrauch, Transport, Wartung oder Austausch von Bauteilen weiterhin gewährleistet ist |
| Protokoll | Vollständige Testsequenz gemäß ISO 10360-10 | Entspricht dem Protokoll für die Abnahmetests |
| Intervall | Nicht zutreffend (einmalige Veranstaltung) | Bestimmt durch die Anforderungen an die Anwendungsunsicherheit, die beobachtete Stabilität und das geltende Qualitätsmanagementsystem (z. B. ISO/IEC 17025) |
| Rückverfolgbarkeit | Wird durch kalibrierte Referenznormale (rückführbar auf den SI-Meter) aufrechterhalten | Wird durch dieselben kalibrierten Referenzobjekte aufrechterhalten; Neukalibrierung der Referenzobjekte in festgelegten Abständen |
Das Intervall für die erneute Überprüfung ist in der Norm ISO 10360-10 nicht festgelegt. Die Kalibrierungsintervalle werden durch drei Faktoren bestimmt: die für die Anwendung erforderliche Messunsicherheit, die beobachtete Leistungsstabilität des Systems im Zeitverlauf und die Anforderungen des Qualitätsmanagementsystems, dem das Messlabor unterliegt.
Die Rückführbarkeit der Messergebnisse auf den SI-Meter wird durch die kalibrierten Referenznormale gewährleistet, die sowohl bei der Abnahmeprüfung als auch bei der Nachprüfung zum Einsatz kommen. Die Rückführbarkeit ist im Kalibrierzertifikat für jede Referenzkugel dokumentiert.
Inwiefern gilt die Norm ISO 10360-10 für Lasertriangulationssysteme?
ISO 10360-10 ist der wichtigste normative Rahmen für die Qualifizierung von Lasertriangulationssensoren in industriellen Applikationen. Die Lasertriangulation ist ein geometrisch-optisches Messprinzip, bei dem eine Laserlinie oder ein Laserpunkt auf eine Oberfläche projiziert wird; eine Kamera erfasst das verschobene Laserbild; die Verschiebung gibt die Oberflächenhöhe an jeder beleuchteten Position wieder.
Lasertriangulationssensoren und -systeme sind optische 3D-Messsysteme im Sinne der Norm ISO 10360-10. Die Norm gilt für drei Ausführungsarten, die für den industriellen Einsatz von Sensoren relevant sind.
| BEREITSTELLUNGSTYP | BESCHREIBUNG | ISO 10360-10 ANWENDUNG |
|---|---|---|
| An einer Koordinatenmessmaschine montierter Sensor | Stationärer Laser-Triangulationssensor, montiert auf einer Koordinatenmessmaschine (CMM) | Sowohl der P_Form- als auch der E_uni-Test finden direkt Anwendung; das Messvolumen entspricht dem Arbeitsabstandsbereich und dem Erfassungsbereich des Sensors |
| Robotergesteuerter Sensor | Sensor, der programmierte Abtastbahnen mithilfe eines Industrieroboters abfährt | In den Herstellerspezifikationen sind die geltenden MPE-Werte für die bei der Prüfung verwendete kinematische Konfiguration festgelegt |
| Inline-Sensor | In eine Fertigungslinie integrierter Sensor zur kontinuierlichen Teileprüfung | Das Prüfprotokoll entspricht dem bei der Produktionsmessung verwendeten Erfassungsmodus |
Die Norm ISO 10360-10 berücksichtigt sowohl Einzel- als auch Mehrfachscan-Protokolle für Laser-Triangulationssensoren. Ergebnisse aus Einzel-Scans gelten für Sensoren, die jedes Werkstück in einem einzigen Scan-Durchgang messen. Ergebnisse aus Mehrfach-Scans gelten für Systeme, die mehrere Scan-Durchgänge zu einer registrierten Punktwolke zusammenfügen. Der bei der Abnahmeprüfung verwendete Erfassungsmodus muss mit dem bei der Serienmessung verwendeten Erfassungsmodus übereinstimmen.
Für den Abtastfehler-Test erfasst der Sensor eine Punktwolke einer kalibrierten Referenzkugel; für den Kugelabstandsfehler-Test werden Kugelpaare in Ausrichtungen positioniert, die die bei der tatsächlichen Messanwendung vorherrschenden Scanrichtungen widerspiegeln. Diese anwendungsrelevante Testgeometrie stellt sicher, dass das Qualifizierungsergebnis für den vorgesehenen Einsatzzweck aussagekräftig ist.
Die Einhaltung der Norm ISO 10360-10 bietet eine standardisierte, herstellerunabhängige Grundlage für die Bewertung und den Vergleich der Leistungsfähigkeit von Laser-Triangulationssensoren verschiedener Anbieter und in unterschiedlichen Installationen.