Dokumentationen zu Einzelthemen aus ISO GPS und ISO TPD

Die Technische Zeichnung war über mehr als ein Jahrhundert hinweg der alleinige Informati­onsträger um Geometrien bildlich darzustellen und konstruktive Ab­sichten zu beschreiben. Die grundsätzliche Problematik einer "Techni­schen Zeichnung" war und ist es jedoch, einen meist dreidi­mensionalen Ge­genstand in einer zweidimensi­onalen Zeichenebene vollständig abzubilden. Zudem sind die Informati­onen nicht digital verfügbar. Auch durch 2D-CAD-Syteme, die ab Anfang der 1980er-Jahre flächendeckend eingeführt wurden, änderte sich das grundsätzliche konstruktive Vorgehen im Ver­gleich zum am Zeichenbrett er­stellten Spezifikationen nicht nennenswert. Erst durch die zunehmende Leistungsfähigkeit der Hardware begann in den 1990er-Jahren der Schritt in die dritte Dimen­sion. Diese Softwarepakete erlaubten später auch geometriefremde Anwendungen.

Der nächste bevorstehende Evolutionsschritt ist die „modellbasierte Produktbeschrei­bung“ („Model-Based Definition“ bzw. MBD) als Baustein der "Industrie 4.0"-Philosophie. Der di­gitale 3D-CAD-Datensatz kommuniziert nicht mehr nur die zur Maschinen­steu­erung in der Fer­tigung notwendige Nenngeometrie, son­dern unter anderem auch alle weiteren fertigungs-, und qua­li­tätsrelevanten Informatio­nen, wie z. B. zuläs­sige Abweichungen der Mikro- und Makro­geomet­rie von Ihrem Idealzustand.

Die „klassische“ Technische Zeich­nung wird daher in absehbarer Zeit zu­neh­mend an Be­deutung ver­lieren, da das digitale CAD-Modell als "Single Source of Truth" genügend Informationen erhalten wird, um Produkte ohne die Notwendig­keit einer Zeichnung fertigen und prüfen zu können. Voraussetzung für diesen Innovationsschritt ist jedoch die konsequente betriebliche Implementierung eines Toleranzmana­gementsystems auf Basis ISO GPS. In diesem, teilweise zweisprachigen (dt./engl.) Modul erklären wir Ihnen die Zusammenhänge, Abhängigkeiten und die künftigen Entwicklungen.

Diese Dokumentation zur geometrischen Produktspezifikation (ISO GPS) können Sie herunterladen, falls Sie Kunde bei uns sind und freigeschaltet wurden.

Das  GPS-Normensystem der ISO ist ein auf ma­the­matisch beschreib­ba­ren Grundsätzen und Mo­dellen basierendes, generisch aufgebautes und medienunab­hängiges Re­gelwerk bzw. ein Opera­torkonzept zur Be­schreibung (Spezifikation) und In­spektion (Verifikation) der Mikro- und Makrogeo­metrie von Bauteilen.

Das GPS-Normensystem der ISO ist bereits heute ei­nes der größten Normen­systeme der ISO und be­steht aktuell (Stand: Mitte 2021) aus 150 veröf­fent­lichten und 23 in Vor­berei­tung be­findlicher, teilweise von­einander abhängi­ger Stan­dards.

Das GPS-Normensystem der ISO ist hierarchisch aufgebaut und unterscheidet fundamentale, allgemeine und komplementäre (ergänzende) Standards. Um den Anwendungsbereich einer ISO-GPS-Norm sowie die Beziehung zwi­schen einzelnen GPS-Normen abzubil­den, werden die fundamentalen und die allge­mei­nen GPS-Normen in einer Mat­rix aus Zeilen und Spal­ten abgebil­det. Die Matrix besteht derzeit aus 9 Zeilen (Katego­rien) für die geometrischen Merkmale (Größenmaß, Abstand, form, usw.). Jede Zeile der Matrix (Kate­gorie für die geo­metri­sche Eigenschaft) besteht aus einer Normenkette mit derzeit 7 Ket­tengliedern (Spalten der Matrix).

Das Modul erläutert Ihnen das GPS-Matrix-Modells gemäß ISO 14638 und zeigt anhand von Beispielen die Zuordnung.

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Eine Spezifikation im Sinne des GPS-Normensystems der ISO (ISO GPS), ist ein Doku­ment (z. B. eine Technische Zeichnung oder di­gitale Produktinformation) zur Beschreibung bestimmter An­for­derun­gen an eine Bau­gruppe, Unterbaugruppe oder eine Kompo­nente. Hierbei kann es sich um funktio­nelle Anforderungen oder Anforderungen aus bzw. an den Fertigungs- oder Prüfprozess handeln.

Priorität hat dabei grundsätzlich immer die Beschreibung der funktionellen Anforderungen. In der GPS-Terminologie der ISO (ISO/TS 21619) wird dieses grundlegende Dokument als „functional specification“ oder „FUN-SPEC“ bezeichnet. Unter Verwendung von Spezifikati­onsoperatoren werden hierin die funk­tionellen Anfor­derungen nachgebildet, unabhängig vom Ferti­gungs- oder Prüfprozess.

Aus der „FUN-SPEC“ können weitere Dokumente zur Beschreibung von An­forderungen der Ferti­gung („manufacturing specification“ oder MAN-SPEC) und/oder zur Beschreibung von An­forde­run­gen der Prüfung („verification specification“ oder VERI-SPEC) abgeleitet und zum Vertrags­gegenstand gemacht werden.

Dieses zweisprachige Modul (dt./engl.) zeigt Ihnen, welche Regeln bei der Erstellung und Ablei­tung der unterschiedlichen Dokumentenarten beachtet werden müssen.

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Geometrische Anforderungen an ein technisches Produkt (z. B. die Ebenheit einer Dichtfläche oder der Durchmesser einer Bohrung) werden im GPS-Normensystem der ISO mit Hilfe von GPS-Spezifikati­onsoperatoren festgelegt und durch GPS-Spezifikationselemente (z. B. graphische Symbole) für das entsprechende geometrische Merkmal visualisiert. Ein Spezifikationsoperator ist dabei eine Menge aus einer oder mehreren Spezifikationsoperationen mit vorgegebener Reihenfolge. Spezifikationsopera­tionen sind theoretische Konzepte, die mit Hilfe mathematischer und/oder geometrischer Ausdrücke oder Algorithmen formuliert werden (z. B. Assoziation).

Auf diese Weise werden geometrische Merkmale und damit funktionelle Anforderungen mathematisch beschreibbar. Während die im 3D-CAD-Datensatz digital beschriebene Nenngeometrie längst für die Produktion genutzt wird (CAD-CAM-Informationsverbund) können mit Hilfe der GPS-Operatoren auch Qualitätsinformationen (z. B. Abweichungen zwischen erfasster Oberfläche und Referenzgeometrieelement) jenseits der Nenngeometrie beschrieben und somit u. a. der Qua­litätssicherung digital zugänglich gemacht werden. 

Neben der Erklärung wichtiger Grundbegriffe, werden in diesem Modul insbesondere die unterschiedli­chen Oberflächenmodelle sowie das Operatorkonzept des GPS-Regelwerks der ISO (ISO GPS) beschrieben und anhand von Beispielen veranschaulicht.

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Die Geometrie ist ein Merkmal eines Produkts und nimmt Einfluss auf seinen gesamten Le­benszyklus. Sie wird in der Konstruktionsphase festgelegt, bestimmt die nachfolgenden Ferti­gungs- und Prüfpro­zesse, hat einen erheblichen Einfluss auf die Kosten und ist letztlich für die Funktion, die Sicherheit und die Verfügbarkeit des Produkts verantwortlich. Dimensionieren und Tolerieren sind dabei essen­tielle Bestandteile des Konstruktionsprozesses und Tolerie­rungsfehler letztlich Konstruktionsfehler.

Richtungs-, insbesondere aber Ortsspezifikationen sind die mit Abstand wichtigsten geo­metrischen Merk­male zur Beschreibung funktioneller Anforderungen. Deren richtige Anwen­dung setzt ein funda­men­tales Verständnis der zugrunde liegenden Logik voraus. Weit mehr als die Hälfte aller Produktspe­zifi­kationen, insbesondere bei ge­ometrisch kom­plexen Tolerie­rungs­aufga­ben oder Funk­tionsanforde­run­gen, weisen auch heute noch elementare Fehler auf und sind somit letztlich unbrauchbar.

Für die korrekte Richtungs- und Ortstolerierung ist das Verständnis über die Zuord­nung aller geometrischer Objekte zu einer Symmetrieklasse, die Reklassifizierung von Kollektionen beliebiger Objekte sowie Grundkenntnisse einer allgemeinen Theorie der relativen An­ord­nung geo­metrischer Objekte unverzichtbar. Diese Dokumentation skizziert die mathematischen Grundlagen der Klassifizie­rung aller geo­metrischen Objekte hinsichtlich ihrer Symmetrien.

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Es ist allgemein bekannt, dass die Beschreibung von Richtung und Ort geometrischer Ele­mente (Flächen) und die Bewegung geometrischer Objekte mathematisch identische Prob­leme darstellen, d. h. lediglich auf einer unterschiedlichen Interpretation beruhen. Dementspre­chend kann aus mathematischer Sicht die Richtungs- und Ortstolerierung durch die Gruppe der Starrkörpertransformation oder spezielle euklidische Gruppe SE(3), wie sie beispiels­weise aus der Roboterkinematik bekannt sind, beschrieben werden.

Diese Äquivalenzbetrachtungen zeigen, dass alle räumlichen geometrischen Objekte sieben Symmetrieklassen und alle ebenen geometrischen Objekte drei Symmetrieklassen zugeord­net werden. Diese Klassifizierung ist - unabhängig vom zugrundeliegenden Normensys­tem – von grund­legender Bedeutung für das Verständnis der Logik des geometrischen Tolerierens im Allgemeinen sowie der Richtungs- und Ortstolerierung im Besonderen.

Dieses Dokument hat zwei fundamentale Themen als Schwerpunkt:

1. Zuordnung einer Kollektion (assoziierter) Flächen zu einer Symmetrieklasse, d. h. Klassifi­zierung von Kollektionen von Punktmengen (Reklassifizierung). Diese Frage ist insbe­sondere für das Verständnis eines gemeinsamen Bezugs oder eines Bezugssystems aber auch bei der Bildung einer Elementgruppe aus tolerierten Nenngeometrieelementen (Refe­renzgeomet­rieelementen) bedeutsam.
2. Beschreibung einer allgemeinen Theorie der relativen Anordnung geometri­scher Ob­jekte: Bei der Richtungs- und Ortstolerierung (Beschreibung und Begrenzung der zulässigen Abweichung geometrischer Elemente von ihrer ide­alen Rich­tung bzw. ihrem idealen Ort) muss die relative Anord­nung geometrischer Objekte zuei­nander betrachtet werden. Hierbei ist einer­seits eine Reduktion auf ein­fache geometrische Elemente (Situationselemente) und anderer­seits die Kenntnis der Anzahl und der Art unab­hängiger Parameter erforder­lich.

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ISO 8015 ist eine fundamentale GPS-Norm der ISO und legt Konzepte, Prinzipien und Re­geln fest, die für die Er­stellung, Anwen­dung und In­ter­preta­tion aller an­deren inter­nationa­len Nor­men und techni­schen Spe­zi­fikationen sowie für die In­ter­pre­tation von GPS-Spe­zi­fi­kationen in allen Ar­ten tech­nischer Pro­dukt­do­ku­men­tatio­nen verbindlich sind, so­weit das Normensys­tem der geo­met­ri­schen Produkt­spezifikation und -prü­fung der ISO (ISO GPS) vereinbart wurde.

ISO 8015 umfasst:

• 3 grundlegende Annahmen für die Inter­pre­ta­tion von Tole­ranzgrenzen.
• 13 elementare Grundsätze.
• 3 Regeln zur Angabe von Spe­zi­fikati­onsopera­to­ren so­wie eine Regel für einge­klam­merte An­ga­ben.

Das durchgängig zweisprachige (dt./engl.) Modul erläutert anhand von konkreten Praxis- und Anwendungsbeispielen die Konsequenzen der einzelnen Grundsätze und Regeln aus ISO 8015. Erfahrungsgemäß sind in der konstruktiven und messtechnischen Praxis zwar die Regeln bisweilen bekannt, nicht jedoch deren mitunter weitreichende Konsequenzen für die Spezifikation sowie die korrekte Interpretation und Verifikation. Ein typisches Beispiel ist der „Grundsatz der Unabhängigkeit“ der auch heute noch fälschlicherweise im Kontext mit der Hüllbedingung als zeichnungsspezifischer Operator für lineare Größenmaße („Hüllprinzip“) gesehen wird.

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Ein lineares Größenmaß ist ein an der nomi­nellen (ide­a­len) Geo­met­rie ei­nes li­nearen Grö­ßenmaßele­ments festgeleg­ter va­riabler Maßpa­rameter. Das line­are Grö­ßenmaß ist ein in­trinsi­sches Geometriemerkmal eines li­nearen Größen­maßele­ments. Für den Maßparameter zur Beschrei­bung der Ausdeh­nung eines linearen Größen­maßele­ments existieren (weit­ge­hend) vollständige Spezifikationsope­ra­toren.

Das Zweipunktgrößenmaß (allge­meiner De­fault-GPS-Spe­zifi­ka­ti­onsoperator der ISO für lineare Größen­maße) ist der lokale Abstand zweier gegenüberliegender Punkte, es kontrolliert dementsprechend nicht die Form des Geomet­rie­elements und kann somit keine Funktionsanforderungen beschreiben.

Durch individuelle oder zeichnungsspezifische Änderung des Maßmerkmals (z. B. kleinstes umschriebenes oder größtes einbeschriebenes Größenmaß, globales Gauss-Größenmaß, ergänzende Rangordnungsgrößenmaße) ist es jedoch möglich, einzelne Funktionen (z. B. Spiel- oder Übermaßpassungen) zu beschreiben. In diesem Modul stellen wir Ihnen nicht nur die hinlänglich bekannten Modifikatoren vor, sondern wir zeigen Ihnen an konkreten Praxisbeispielen, wie diese Modifikatoren zur Beschreibung von Funktionsanforderungen richtig eingesetzt werden.

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Ein Winkelgrößenmaß ist ein an der nominel­len (ide­alen) Geometrie ei­nes Winkelgrößen­maß­elements festgelegter Maßparameter. Das Winkelgrö­ßenmaß ist ein intrinsisches Geometriemerkmal eines Winkel­größenmaßelements. Für den Maßparameter zur Beschrei­bung der Ausdeh­nung eines Winkelgrößen­maßelements existieren, analog zum linearen Größenmaß, weit­ge­hend vollständige Spezifikati­onsope­ra­toren.

Wenngleich das Zweilinien-Winkelgrößenmaß mit Mini­max-Anpassung im ISO-GPS-Normensystem alsstandard­mäßiges Win­kelgrößen­maßmerkmal für Winkelgrößen­ma­ßelemente festge­legt ist (allge­meiner De­fault-GPS-Spe­zifi­ka­ti­onsoperator der ISO für Winkelgrößen­maße, ISO 14405-3), so ist es möglich, funktionelle Anforderungen oder Anforderungen aus der Messtechnik durch Änderung des Winkelgrößenmaßmerkmals zu beschreiben.

In diesem Modul zeigen wir Ihnen an konkreten Anwendungsfällen und Beispielen aus der Praxis, wie diese Modifikatoren richtig angewandt werden. Die Praxisbeispiele wurden dabei so gewählt, dass gegebenenfalls eine einfache Übertragung auf Ihre Produkte möglich ist.

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Es ist zwischenzeitlich hinlänglich bekannt, dass die Spezifikation von Nicht-Größenmaßen, wie zum Beispiel lineare Abstände, Winkelabstände oder Radien eine Spezifikationsmehrdeutig­keit zur Folge hat, d. h. es existieren eine Vielzahl von Möglichkeiten für den Konformitätsnach­weis. Aufgrund der Mehrdeutigkeit gibt darüber hinaus keine Kausalität zwischen Messergeb­nis und Funktion.

Diese Mehrdeutigkeiten entstehen auch bei „indirekter“ Tolerierung unter Verwendung von Allge­meintoleranzen, wie z. B. ISO 2768-1 oder DIN 6930-2. Daher sollte die Sinnhaftigkeit der Anwendung dieser Normen zwingend geprüft werden. Ein Spezifikationsmehrdeutigkeit geht sowohl zu Lasten des Auftraggebers als auch des Auftragsnehmers (Verpflichtung zur Vertragsprüfung) und kann erfahrungsgemäß zu komplexen Produkthaftungsfragen führen.

In diesem Modul erklären wir Ihnen, weshalb Nicht-Größenmaße bei Übertragung vom Nenn- auf das Hautmodell zu Mehrdeutigkeiten führen und zeigen Ihnen an konkreten Beispielen auf welche Weise durch Verwendung geometrischer Spezifikationen (direkt und indirekt spezifiziert, z. B. ISO 22081) Mehrdeutigkeiten vermieden und ggf. funktionelle Anforderungen beschrieben werden kön­nen.

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Geometrisches Tolerieren sowohl im GPS-Normenwerk der ISO (ISO GPS) als auch in anderen Normensystemen (z. B. ASME Y14.5-2018 / ASME Y14.5.1-2019) basiert auf dem Konzept von Toleranzzonen (linear, zylinderförmig oder sphärisch) bzw. auf der Festlegung virtueller Bedingungen. Abhängig davon, ob bzw. welche Freiheitsgrade der Referenzgeometrieelemente / der Toleranzzonen bzw. des wirksamen Maximum- oder Minimum-Material-Zustandes eingeschränkt werden, unterscheidet man zwischen Form-, Richtungs- und Ortsspezifikationen.

Während bei den Formspezifikationen keine Freiheitsgrade der Toleranzzone beschränkt werden, sind es bei den Richtungsspezifikationen nur die rotatorischen und bei den Ortsspezifikationen alle, also die rotatorischen und die translatorischen Freiheitsgrade. 

In diesem Modul wird Ihnen das Konzept der geometrischen Tolerierung (Form, Richtung und Ort) ausführlich und anhand einfacher Beispiele aus der Praxis erklärt. Das Verständnis dieser Grundlagen ist die Basis für eine fehlerfreie Anwendung geometrischer Spezifikationen, unabhängig vom zugrunde liegenden Normensystem (z. B. ISO GPS oder ASME Y14.5). 

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Wird das Referenzgeometrieelement bzw. die Toleranzzone oder genauer, deren Situationselement(e) hinsichtlich Richtung und Ort nicht eingeschränkt, dann spricht man von einer Formspezifikation. Hierzu zählen die Geradheitsspezifikation (ISO 12780-1, -2), die Ebenheitsspezifikation (ISO 12781-1, -2), die Rundheitsspezifikation (ISO 12181-1, -2), die Zylindrizitätsspezifikation (ISO 12781-1, -2) so­wie die Linien- und Flächenprofilspezifikation (ISO 1660), sofern keine Bezüge (welche Freiheitsgrade einschränken können) festgelegt wur­den. Die richtige Anwendung von Formspezifikationen wird Ihnen in diesem Modul an allen mögli­chen Geometrieelementen ausführlich erläutert. Praxisbeispiele vereinfachen den Transfer auf Ihre Anwendungen.

Von besonderer Bedeutung bei der Festlegung einer Formspezifikation und letztlich für das Mess­ergebnis selbst, ist die Assoziation des Referenzgeometrieelements. In diesem Modul werden Ihnen die Default-Regeln des GPS-Normensystems der ISO (ISO GPS / ISO 1101), die Änderungsmöglich­keiten aber auch die Konsequenzen verdeutlicht. Ferner werden anhand typischer Praxisbeispiele die Notwendigkeit und richtige Festlegung von Schnittebenen (z. B. für Geradheits- und Linien­pro­filspezifikationen), Kollektionsebenen (für Flächenprofilspezifikationen) und Richtungsele­menten (z. B. für Rundheitsspezifikation) ausführlich erklärt.

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Ein Bezug (Einzelbezug, gemeinsamer Bezug oder Bezugssystem) wird in Abhängigkeit seiner Symmetrieklasse durch sein/seine Situationselement(e) charakterisiert. Bezüge haben unter anderem die folgen­den Auf­ga­ben:

1. Festlegung von Richtung oder Ort des Referenzgeometrieelements / des tolerierten Nenngeometrieelements bzw. der Toleranzzone oder genauer: Festlegung der Richtung bzw. des Orts von deren Situationselement(en) im Sinne des Blockierens von Freiheitsgraden.
2. Festlegung von Richtung oder Ort des wirksamen Maximum- bzw. Mini­mum-Material-Zustandes, ebenfalls im Sinne des Blockierens von Freiheitsgraden.
3. Festlegung der Richtung von Schnitt-, Orientierungs- und Kollektionsebenen.
4. Festlegung der Richtung der Weite einer Toleranzzone mit Hilfe von Richtungselementen.

Die „richtige“, in der Regel funktionsgerechte Festlegung von Bezügen bzw. Bezugssystemen ist sowohl für die Sicherstellung der Konformität zwischen Prüfergebnis und funktionellen Anforderun­gen als auch für die Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit der Prüfergebnisse essenziell.

Dieses sehr umfangreiche Modul zeigt Ihnen u. a. auf Basis von ISO 5459 und an konkreten Fall­beispie­len nicht nur die richtige Festlegung von Bezügen, sondern insbesondere die Beschreibung (auch kom­plexer) funktioneller Anforderungen durch Verwaltung der Freiheitsgrade zwischen dem/den Situa­tionselement(en) des Bezugs/Bezugssystems und dem/den Situationselement(en) des Referenzgeometrieelements / des tolerierten Nenngeometrieelements bzw. dessen Toleranzzone.

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Wird das Referenzgeometrieelement / das tolerierte Nenngeometrieelement bzw. die Toleranzzone (genauer: deren Situationselement(e)) nur hinsichtlich der Orientierung eingeschränkt, dann spricht man von einer Richtungsspezifikation. Hierzu zählen die Parallelitätsspezifikation, die Rechtwinkligkeitsspezifikation, die Neigungsspezifikation so­wie die richtungsgebundene Linien- und Flächenprofilspezifikation.  Eine richtungsgebun­dene Linien- und Flächenprofilspezifikation liegt vor, falls der Bezug bzw. die Bezüge nur rotatori­sche, nicht jedoch (blockierbare) translatorische Freiheitsgrade einschränkt.

Die korrekte Anwendung von Richtungsspezifikationen wird Ihnen in diesem Modul an einer Viel­zahl von Beispielen ausführlich erläutert. Anwendungsfälle aus der Praxis vereinfachen den Trans­fer auf Ihre Produktanforderungen.

Darüber hinaus werden in diesem Modul aber auch die Anwendungsgrenzen der Parallelitäts-, Rechtwinkligkeits- und Neigungsspezifikation aufgezeigt. Diese Dokumentation zeigt Ihnen aber auch, wie diese Anforderung durch Verwendung von Profilspezifikationen, verbunden mit der entsprechenden Verwaltung von Frei­heitsgraden auf dieselbe Weise, jedoch unabhängig von der jeweiligen Form des tolerierten Geo­metrieelements spezifiziert werden können. In diesem Zusammenhang wird damit auch die Frage geklärt, ob die Parallelitäts-, Rechtwinkligkeits- oder Neigungsspezifikation überhaupt noch erforderlich sind.

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Wird das tolerierte Nenngeometrieelement bzw. die Toleranzzone (genauer: deren Situationselement(e)) hinsichtlich des Ortes (beinhaltet auch die Orientierung) eingeschränkt, dann spricht man von einer Ortsspezifi­kation. Hierzu zählen die Positionsspezifikation, die Konzentrizitäts-/Koaxialitätsspezifika­tion und die Symmetriespezifikation so­wie die ortsgebundene Linien- und Flächenprofilspezi­fikation.  Eine ortsgebun­dene Linien- und Flächenprofilspezifikation liegt vor, falls der Bezug bzw. die Bezüge mindestens einen (blockierbaren) translatorischen Freiheitsgrad einschränken kann.

Die Konzentrizitäts-/Koaxialitätsspezifikation und die Symmetriespezifikation sind lediglich Sonderfälle der Positionsspezifikation, d. h. das Situationselement des tolerierten Nenngeometrieelements bzw. der Toleranzzone und den entsprechenden Situationselementen des Bezugs haben einen Ab­stand von 0. Auf diese geometrischen Merkmale kann demensprechend verzichtet werden. Ebenso wird in dieser Dokumentation der Frage nachgegangen, ob auch auf die Positionsspezifikation nicht vollständig verzichtet werden kann, zumal aus geometrischer (mathematischer) Sicht kein Unterschied zur Profilspezifikation besteht. Hierzu müssten lediglich ISO 1101 und ISO 1660 vereinigt und die Anwendbarkeit der beiden geometrischen Merkmale Position und Profil angeglichen werden.

In dieser Dokumentation werden Ihnen anhand von praktischen Beispielen die korrekte Anwendung aber auch typische Anwendungsfehler von Ortsspezifikationen ausführlich erläutert. Zusätzlich werden einige typische Unterschiede zwischen dem GPS-Normensystem der ISO (ISO GPS) und ASME Y14.5-2018 aufgezeigt.

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Zur Gruppe der Laufspezifikationen gehören der Rundlauf (radial, axial, in beliebiger Richtung und in festgelegter Richtung) und der Gesamtrundlauf (radial und axial). Während der Rundlauf auf alle nominell rotationssymmetrischen, tolerierten Geometrieelemente anwendbar ist, kann der Gesamt­lauf hingegen nur auf nominell zylinderförmige Geometrieelemente angewandt werden. Laufspezifikationen können aufgrund ihrer Definition neben den Form-, Richtungs- und Ortstoleranzen als eine eigenständige Gruppe geo­metrischer Merkmale aufgefasst werden.

Wenngleich Laufspezifikationen, insbesondere der Rundlauf, mit analogen Messmitteln (Messuhr) de­finitionsnah (geringer Verfahrensunsicherheit) verifiziert werden können, so kann bei einer Überschreitung der zulässigen Toleranz aus dem Messergebnis nicht direkt auf die Ursache geschlossen und entsprechende Korrektur­maßnahmen eingeleitet werden.

Die Dokumentation „Laufspezifikationen“ zeigt alle möglichen Anwendungsfälle aber auch die Anwen­dungsgrenzen für diese Gruppe geometrischer Merkmale sowie die Zusammenhänge mit anderen geometrischen Merkmalen auf.

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Filter werden zum Zweck der Analyse der Oberflächenbeschaffenheit eingesetzt und können unter­schiedliche Aufgaben erfüllen, wie zum Beispiel Trennung von klein- und großskaligen lateralen Anteilen (kurz- und langwelligen Profilkom­ponen­ten), um die entsprechenden geomet­rischen Merk­male (z. B. Rauheit, Welligkeit oder Form) gemäß Spe­zifikation zu ermitteln oder auch Entfernung von Ausreißern (Spikes), die sich nicht auf dem eigentlichen Werkstück befinden (unter anderem bei Messdaten mit optischen Sensoren).

In dieser Dokumentation erhalten Sie einen fundierten Überblick unter anderem über die folgenden Themen:

• Einteilung der Filter aus der ISO 16610-Normenreihe, Filterkennzeichnung (ISO 16610-1)
• Grundbegriffe, wie z. B. Grenzwellenlänge/Cut-Off, Grenzfrequenz/Wellen pro Umdrehung/UPR, Nesting-Index, Fourier-Analyse, Profil- und Flächenfilter
• Gauß-Filter (Profilfilter: 16610-21; Flächenfilter: ISO 16610-61): Mathematische Grundlagen, Übertragungscharakteristik, Anwendung und Anwendungsgrenzen, Endeffekte
• Spline-Filter (Profilfilter: 16610-22; Flächenfilter: ISO 16610-71): Mathematische Grundlagen, Ei­genschaften, Vor- und Nachteile
• Spline-Wavelet-Filter (Profilfilter: ISO 16610-29)
• Gaußsches Regressionsfilter (ISO 16610-31); Unterschied zur doppelten Gauss-Filterung nach ISO 13565-1
• Morphologische Filter:  Mathematische Grundlagen (u. a. Minkowski-Summen, morphologische Opera­tionen, stukturierendes Element, Erosion, Dilatation), morphologische Profilfilter (u. a. ISO 16610-41) und Flächenfilter (u. a. ISO 16610-85)

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Kantenzustände (Grate, Abtragungen und Übergänge) konnten bislang nur mit Hilfe von ISO 13715 („Kanten mit unbestimmter Gestalt“) oder aber - entsprechend aufwändig - mit Hilfe geometrischer Spezifikationen (Linienprofilspezifikation) beschrieben werden.

ISO 13715 ist keine GPS-Norm der ISO, dementsprechend können die zulässigen Kantenzustände am gefertigten Bauteil nur unzureichend beschrieben werden (Spezifikationsmehrdeutigkeit). Der konkrete Nachweis der Konformität einer extrahieren Kante mit den nach ISO 13715 spezifizierten Anforderungen kann häufig nicht erbracht werden. Daher sollte ISO 13715 keinesfalls angewandt werden, falls die Form des Übergangs funktionsrelevant ist.

ISO 21204:2020 („Spezifikation von Übergängen“) schließt nunmehr diese Lücke und stellt einen guten Kompromiss zwischen Eindeutigkeit und Einfachheit der Spezifikation her. Mit Hilfe dieser neuen GPS-Norm der ISO können Übergangselemente zwischen angrenzenden Geometrieelementen (z. B. Radien oder Fasen) eindeutig und mit relativ einfachen graphischen Symbolen beschrieben werden. ISO 21204 erfasst dabei runde Übergänge (Radien), ebene Übergänge (Anfasungen), elliptische Übergänge sowie im CAD-Datensatz definierte Übergangprofile.

Jedoch hat auch ISO 21204 Anwendungsgrenzen:

• ISO 21204 kann nicht für „scharfe“ Kanten (r = 0) angewandt werden.
• Die Norm beschränkt sich auf Kantenübergangselemente zwischen zwei Ebenen und zwischen einem Zylinder und einer zu ihm nominell senkrechten Ebene. Dementsprechend können mit dieser Norm nur relativ wenige „reale“ Geometrien erfasst werden.

In diesem Dokument werden Ihnen die Anwendungsmöglichkeiten aber auch die Anwendungsgrenzen von ISO 13715 und ISO 21204 vorgestellt. Beide Normen erlauben jedoch keine zufriedenstellende, allgemeine Spezifikation von Kanten und definierten Übergängen, daher werden Ihnen in Ergänzung zu diesen Standards eine Reihe alternativer Tolerierungsmöglichkeiten vorgestellt.

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Für Produktspezifikationen, denen GPS-Normen der ISO zugrunde liegen, gilt standardmäßig der elementare Grundsatz der Unabhän­gig­keit (ISO 8015). Dieser Grundsatz ist unter anderem auch einer der bedeutsamsten Unterschiede zwischen dem GPS-Regelwerk der ISO (ISO GPS) und anderen geometrischen Tolerierungssystemen, wie z. B. ASME Y14.5-2018.

Der Grundsatz der Unabhängigkeit besagt unter anderem, dass eine GPS-Spezifikation an eine Beziehung zwischen Geometrieele­menten standardmäßig un­abhängig für jedes ein­zelne Geomet­rie­ele­ment oder für jede einzelne Gruppe von Geometrieelementen erfüllt werden muss.

Die Konsequenzen aus diesem Grundsatz sind den Anwendern in Konstruktion und Messtechnik jedoch häufig nicht bewusst: Wird eine Richtungs- oder Ortsspezifikation auf mehrere Geometrieelemente oder mehrere Gruppen von Geometrieelementen angewandt und werden durch die spezifizierten Bezüge nicht alle (blockierbaren) Freiheitsgrade der Situationselemente der Referenzgeometrieelemente (der tolerierten Nenngeometrieelemente bzw. der Toleranzzonen bzw. oder virtuellen Zustände) blockiert, dann kann dies zu einer unerwünschten Anordnung dieser Geometrieelemente bzw. Gruppen von Geometrieelementen führen. Die Spezifikation ist somit letztlich unbrauchbar und entspricht nicht den funktionellen Anforderungen.

Mit Hilfe der Modifikatoren (Spezifikationselemente) „CZ“, „CZR“, „SIM“ bzw. „SIMn“ und dem redundanten Modifikator „UF“ ist es möglich, einzelne und mehrfache Elementgruppenspezifikationen sowie mehrstufige, einzelne Elementgruppen zu definieren, um die funktionellen Anforderungen sicherzustellen. Dieses Dokument beschreibt Ihnen ausführlich und anhand typischer Praxisbeispiele die richtige Anwendung der genannten Spezifikationselemente.

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Eine allgemeine dimensionelle Spezifikation so­wie eine all­gemeine geometrische Spezifikation (kurz: allge­meine Spezifika­tionen) sind Spe­zifikati­onen, die nicht direkt an bestimmten Geo­metrie­ele­menten in der Techni­schen Produkt­spezifikation (TPS) eingetra­gen und somit keine individuelle Spezi­fika­tionen sind.

ISO 22081 legt keine Zahlenwerte (Toleranzwerte) für die allgemei­nen Spezifikationen fest, sondern ist ein von werk­stoff­physikalischen Be­sonderheiten und vom Ferti­gungsverfahren unabhängiges Konzept der allge­meinen Tolerierung.

Das Problem: Toleranzwerte müssen un­ter Berücksichtigung werk­stoff­physikalischer Be­son­derheiten, wie zum Beispiel Schwindungseffekte bei Kunststoff-Formteilen, sowie Besonderheiten des Fertigungs­verfahrens (z. B. Ein­zugs- und Aus­bruch­bereich von Stanzteilen oder die Verwindung von Strang­pressprofi­len) zweckentsprechend gewählt werden. Von der Anwendung der Allgemeintoleranznormen, wie zum Beispiel ISO 2768-1, ISO 2768-2 (zurückgezogen), ISO 20457, DIN 6930-2 ist dringend ab­zuraten, da diese Normen zu mehrdeutigen Interpretationen führen, das Produkt geometrisch nicht vollständig beschreiben und teilweise mit Blick auf das zugrundeliegenden „Tolerierungskonzept“ falsch sind.

In diesem Dokument werden Ihnen die Inhalte von ISO 22081 ausführlich vorgestellt aber auch die in der aktuellen (2021) Fassung von ISO 22081 enthaltenen Widersprüche aufgezeigt. Es wird Ihnen er­läutert, wie diese Widersprüche sicher vermieden werden können und auf welche Weise Toleranzwerte aus ISO 2768-1, ISO 2768-2 (zurückgezogen), ISO 20457 oder DIN 6930-2 übernommen und werk­stoffphysikalische Besonderheiten (Kunststoffe) oder Einflüsse aus dem Fertigungsprozess (z. B. Stan­zen) adaptiert werden können.

Ziel dieser Ausarbeitung ist es, Ihnen eine vollständige und eindeutige geometrische Produktbeschrei­bung mit realistischen Toleranzwerten unter Berücksichtigung besonderer Eigenschaften des Werk­stoffs und Einflüsse aus dem Fertigungsprozess zu ermöglichen.

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