vdi vde 2617-6.2 accuracy of cmms - guideline for the application of iso 10360 to cmms with optical...

VEREIN DEUTSCHERINGENIEURE

VERBAND DERELEKTROTECHNIK

ELEKTRONIKINFORMATIONSTECHNIK

Genauigkeit von KoordinatenmessgertenKenngren und deren PrfungLeitfaden zur Anwendung von

DIN EN ISO 10 360 fr Koordinatenmessgerte mit optischen Abstandssensoren

Accuracy of coordinate measuring machines Characteristics and their testing Guideline for the application of

DIN EN ISO 10 360 to coordinate measuring machines with optical distance sensors

VDI/VDE 2617Blatt 6.2 / Part 6.2

Ausg. deutsch/englischIssue German/English

VDI/VDE-Handbuch Mess-und Automatisierungstechnik, Band 2: Fertigungstechnisches MessenVDI/VDE-Handbuch Optische Technologien

VDI/VDE-Handbuch Mikro- und FeinwerktechnikVDI-Handbuch Betriebstechnik, Teil 3

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Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1 Zweck und Geltungsbereich . . . . . . . . . . 3

2 Sensorarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3 Funktionsbeschreibung . . . . . . . . . . . . 43.1 1-D-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 43.2 2-D-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 93.3 3-D-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4 Formelzeichen und Begriffe . . . . . . . . . . 11

5 Annahmeprfung . . . . . . . . . . . . . . . . 135.1. Antastabweichung . . . . . . . . . . . . . . 14

5.1.1 Prfkrper. . . . . . . . . . . . . . . 155.1.2 Definitionen der Kenngren . . . . 155.1.3 Durchfhrung . . . . . . . . . . . . . 165.1.4 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . 16

5.2 Lngenmessabweichung. . . . . . . . . . . 175.2.1 Prfkrper. . . . . . . . . . . . . . . 175.2.2 Definition der Kenngre . . . . . . 185.2.3 Durchfhrung . . . . . . . . . . . . . 185.2.4 Auswertung: . . . . . . . . . . . . . 21

Contents Page

Preliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1 Objective and scope . . . . . . . . . . . . . . . 32 Types of sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3 Functioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43.1 One-dimensional methods . . . . . . . . . . 43.2 Two-dimensional methods . . . . . . . . . . 93.3 Three-dimensional methods . . . . . . . . . 11

4 Symbols and definitions. . . . . . . . . . . . . 11

5 Acceptance testing . . . . . . . . . . . . . . . 135.1 Probing error . . . . . . . . . . . . . . . . 14

5.1.1 Artefacts . . . . . . . . . . . . . . . . 155.1.2 Definition of the characteristics . . . . 155.1.3 Procedure . . . . . . . . . . . . . . . 165.1.4 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . 16

5.2 Error of indication for size measurement . . 175.2.1 Artefacts . . . . . . . . . . . . . . . . 175.2.2 Definition of characteristic . . . . . . 185.2.3 Procedure . . . . . . . . . . . . . . . 185.2.4 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . 21

VDI/VDE-RICHTLINIEN

VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA)Fachausschuss Koordinatenmesstechnik

Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.

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6 berwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246.1 Prfkrper . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256.2 Durchfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . 256.3 Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Anhang Strukturauflsung . . . . . . . . . . . . 26

VorbemerkungIn der Richtlinie VDI/VDE 2617 sind Kenngrenzur Beschreibung der Genauigkeit von Koordinaten-messgerten (KMG) festgelegt und Verfahren zu ih-rer Prfung beschrieben. Die Richtlinie besteht ausfolgenden Blttern:

Blatt 1 GrundlagenBlatt 2.1 Leitfaden zur Anwendung von

DIN EN ISO 10 360-2 zur Messung von Lngenmaen

Blatt 2.2 FormmessungBlatt 2.3 Annahme- und Besttigungsprfung von

Koordinatenmessgerten groer Bauart

Blatt 3 Komponenten der Messabweichung des Gertes

Blatt 4 Leitfaden zur Anwendung von DIN EN ISO 10 360-3 fr Koordinaten-messgerte mit Drehtisch

Blatt 5 berwachung durch PrfkrperBlatt 5.1 berwachung mit KugelplattenBlatt 6.1 Leitfaden zur Anwendung von

DIN EN ISO 10360 fr Koordinaten-messgerte mit optischen Sensoren fr la-terale Strukturen

Blatt 6.2 Leitfaden zur Anwendung von DIN EN ISO 10 360 fr Koordinaten-messgerte mit optischen Abstands-sensoren

Blatt 7 Ermittlung der Unsicherheit von Messungen auf Koordinatenmessgerten durch Simulation

Blatt 8 Prfprozesseignung von Messungen mit Koordinatenmessgerten(in Vorbereitung)

Blatt 9 Gelenkarm-Koordinatenmessgerte(in Vorbereitung)

Blatt 10 Multisensor-Koordinatenmessgerte(in Vorbereitung)

Seite

6 Reverification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246.1 Artefact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256.2 Procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256.3 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Annex Structural resolution . . . . . . . . . . . 26

Preliminary noteThe guideline VDI/VDE 2617 specifies characteris-tics serving to describe the accuracy of coordinatemeasuring machines (CMMs) and describes methodsfor testing these characteristics. The guideline con-sists of the following parts:

Part 1 BasicsPart 2.1 Code of practice for the application of

DIN EN ISO 10 360-2 for length measurement

Part 2.2 Form measurementPart 2.3 Acceptance and reverification test for

coordinate measuring machines of large dimensions

Part 3 Components of measurement deviation of the machine

Part 4 Manual for the use of DIN EN ISO 10 360-3 for coordinate measuring machines with additional axes of rotation

Part 5 Interim check with artefactsPart 5.1 Interim check with ball platesPart 6.1 Guideline for the application of

DIN EN ISO 10360 to coordinate measuring machines with optical sensors for lateral stuctures

Part 6.2 Guideline for the application of DIN EN ISO 10 360 to coordinate measuring machines with optical distance sensors

Part 7 Estimation of measurement uncertainty of coordinate measuring machines by means of simulation

Part 8 Suitability of measurements using coordinate measuring machines for test procedures (in preparation)

Part 9 Coordinate measuring machines with ar-ticulating arm (in preparation)

Part 10 Multisensor coordinate measuring machines


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1 Zweck und GeltungsbereichZweck dieser Richtlinie ist es, fr Koordinatenmess-gerte Spezifikationen und Verfahren zu deren Pr-fung zu definieren. Hierbei wird die Vergleichbarkeitder Kenngren von Koordinatenmessgerten mittaktilen und mit optischen Sensoren sichergestellt.Der Geltungsbereich bezieht sich auf Koordinaten-messgerte jeglicher Bauart mit optischen 1-D-, 2-D-oder 3-D-Abstandssensoren. Die Sensoren knnenber Zusatzeinrichtungen auch dreh- oder schwenk-bar sein. Funktionsweise und Besonderheiten derSensoren werden erlutert.In enger Anlehnung an DIN EN ISO 10 360-2 wer-den die Verfahren fr die Annahmeprfung und frdie berwachung der Lngenmessabweichung undder Antastabweichung mit optischen Abstandssenso-ren definiert. Die Normenreihe DIN EN ISO 10 360ist in der bisher vorliegenden Form sehr stark an tak-tilen Sensoren orientiert. Deshalb legt diese Richtli-nie fr die Anwendung optischer Sensoren notwen-dige Ergnzungen fest: alternativ zu Endmaen verwendbare Normale

Vergleichbarkeit der Kenngren bei Verwendungvon alternativen Normalen (beispielsweise mitkugelfrmigen Begrenzungsflchen)

Vergleichbarkeit der Kenngren bei sensorab-hngig unterschiedlichen Antaststrategien (unter-schiedliche Punkteanzahl, Abdeckungsgrad deranzutastenden Elemente, Nutzung von Zusatzein-richtungen wie Dreh-/Schwenkeinrichtungen)

Definition der Kenngren fr unterschiedlicheBetriebsbedingungen

Hinweise zum Umgang mit Einflussgren wieUmgebungsbedingungen, mathematischen Fil-tern und der Oberflchenbeschaffenheit der Prf-krper

Zur Spezifikation und berprfung von optischenSensoren werden Richtlinien durch OSIS-Arbeits-gruppen (Optical Sensor Interface Standard) defi-niert. Diese finden bei der Zusammenarbeit von Sen-sor- und Gerteherstellern bei der SystemintegrationAnwendung. Sie kommen nicht fr die Spezifikationund berprfung von Koordinatenmessgerten imVerhltnis zwischen Hersteller und Anwender zumEinsatz.

1 Objective and scopeThis guideline is intended to give specifications forcoordinate measuring machines and define methodsfor the testing of these instruments. Comparability ofthe characteristics of coordinate measuring machineswith tactile and optical sensors is ensured. The scope includes coordinate measuring machinesof any type with optical one-, two-, or three-dimen-sional distance sensors. Sensors may allow swing-and-tilt movements by means of accessories. Thefunctioning and specifics of the sensors are ex-plained. The methods for acceptance testing and reverificationof error of indication for size measurement and prob-ing error in optical distance sensors are defined inclose harmonisation with DIN EN ISO 10 360-2. Inits present form, the DIN EN ISO 10 360 series ofstandards is dominated to a large extent by tactile sen-sors. Consequently, this guideline provides the neces-sary additional specifications for the use of opticalsensors:

standards to be used as an alternative to gaugeblocks

comparability of the characteristics where alterna-tive standards are used (having, e.g., sphericalboundary surfaces)

comparability of the characteristics where probingstrategies differ for different sensors (differentnumber of points, differences in coverage of theelements to be probed, use of accessories such asswing-and-tilt equipment)

definition of the characteristics for varying operat-ing conditions

guidance on how to take into account influencingquantities such as environmental parameters,mathematical filters, and surface characteristics ofthe artefacts

OSIS (Optical Sensor Interface Standard) workinggroups draft guidelines concerning the specificationand testing of optical sensors. These guidelines areused in the cooperation between sensor and instru-ment manufacturers for the purpose of system inte-gration. No reference is made to them between man-ufacturers and users when specifying and testing co-ordinate measuring machines.


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Tabelle 1. Optische Sensoren fr Koordinatenmessgerte

Table 1. Selection of optical sensors for CMMs

3-D-Verfahren(ohne externe Achsen) Verfahren mit strukturierter Beleuchtung

2-D-Verfahren(mindestens eine mechanischeAchse fr die 3D-Messung)

triangulationsbasierte Verfahren Lichtschnittverfahren/Laserscanverfahren

interferometrische Verfahren Weilichtinterferometrie

Fokusverfahren Konfokalmikroskopie

1-D-Verfahren(mindestens zwei mechanischeAchsen fr die 3D-Messung) Fokusverfahren

Chromatisches Fokusverfahren

Laserfokusverfahren

Video-Autofokusverfahren

triangulationsbasierte Verfahren Punkttriangulation

holographische Verfahren holographische Konoskopie

Three-dimensional methods(w/o external frame of reference) Methods involving structured lighting

Two-dimensional methods(involving at least one mechanicalaxis for three-dimensional measurements)

Methods based on triangulation Laser light section/Laser scanning

Interferometric methods White-light interferometry

Focusing methods Confocal microscopy

One-dimensional methods(involving at least two mechanicalaxes for three-dimensionalmeasurements)

Focusing methods

Chromatic focusing method

Laser focusing method

Video autofocus method

Methods based on triangulation Point triangulation

Holographic methods Holographic conoscopy

2 SensorartenTabelle 1 zeigt eine Auswahl der fr Koordinaten-messgerte geeigneten optischen Sensoren. Siewurde nach Dimensionalitt der Sensoren und physi-kalischem Messprinzip gegliedert.

3 Funktionsbeschreibung3.1 1-D-Verfahren3.1.1 PunkttriangulationEindimensionale Triangulationssensoren arbeitenmessend oder schaltend. Bei der messenden Arbeits-weise wird beispielsweise von der Lage des Licht-schwerpunkts auf dem Detektor des Sensors auf denAbstand zwischen Sensor und angetasteter Messob-jektoberflche rckgerechnet. Bei der schaltendenArbeitsweise wird der Sensor in seiner Messrichtungverfahren, bis der Lichtschwerpunkt durch die opti-sche Achse luft und dadurch ein Schaltsignal er-zeugt.

2 Types of sensorsTable 1 below compiles a selection of optical sen-sors suitable for coordinate measuring machines. Thetable has been structured according to the number ofdimensions of the sensors and the underlying physi-cal principle of measurement.

3 Functioning3.1 One-dimensional methods3.1.1 Point triangulationOne-dimensional triangulation sensors are of themeasuring or switching type. In the case of measur-ing, e.g., the distance between the sensor and the sur-face of the test object being probed is calculated fromthe position of the centre of the light incident on thedetector of the sensor. In the case of switching, theentire sensor unit is moved along the direction ofmeasurement until the centre of the light intersectsthe optical axis, thus generating a trigger signal.


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In Bild 1 ist ein Beispiel eines Triangulationssensorsdargestellt. Eine Lichtquelle (z.B. Laserdiode)emittiert einen kollimierten Laserstrahl in eine vorge-gebene Richtung. Die Strahlachse stellt dabei dieMesslinie dar. Der Strahl wird durch die Oberflchedes Messobjektes diffus reflektiert. Der so entstan-dene Lichtfleck wird von einer gegen die Laserstrahl-achse geneigten Abbildungsoptik auf einen Positi-onsdetektor (z.B. eine positionsempfindliche Foto-diode, eine Differenzfotodiode oder eine CCD-Zeile)abgebildet. ndert sich der Abstand zwischen Sensorund Messobjekt um z, so verschiebt sich der abge-bildete Lichtfleck auf dem Detektor um h. Der ge-suchte Abstand zwischen dem Sensor und dem Mes-sobjekt ergibt sich aus der Position der Schwerpunktsdes Lichtflecks auf dem Detektor.

3.1.2 Holographische KonoskopieDie zu messende Objektoberflche wird mit einemLaser punktuell angetastet. Der Laserlichtfleck wirdauf der Objektoberflche diffus gestreut und stellteine Punktlichtquelle fr das Messsystem dar.Diese Punktlichtquelle wird ber eine Optik aufge-weitet und in einem doppelbrechenden Kristall, wel-cher sich zwischen zwei zirkular polarisierenden Fil-tern befindet, in einen ordentlichen und einen auer-ordentlichen Strahl aufgespaltet. Ordentlicher undauerordentlicher Strahl bilden hinter dem zweitenPolarisationsfilter ein holographisches Muster, wel-ches mit einer CCD-Kamera detektiert wird. DiesesFunktionsprinzip ist in Bild 2 dargestellt.Der Abstand zwischen Sensor und Messobjekt wirdaus dem Interferenzmuster ber eine Bildverarbei-tung berechnet.

Figure 1 shows an example of a triangulation sen-sor. A light source (such as a laser diode) emits a col-limated laser beam in a specified direction. The beamaxis is the measurement line. The surface of the testobject causes a diffuse reflection of the light beam.The resulting light spot is projected onto a positiondetector (such as a position-sensitive photo diode, adifferential photo diode, or a linear CCD array) bymeans of an optical imaging system whose axis is in-clined with respect to the laser beam axis. The posi-tion of the light spot on the detector changes as thedistance between the sensor and the test objectchanges by z. The sought-for distance between sen-sor and test object then results from the position ofthe centre of the light spot on the detector by h.

3.1.2 Holographic conoscopyThe object surface to be measured is probed by a laserpoint. The laser light spot is diffusely reflected by theobject surface, forming a point light source for themeasuring system. The light cone originating in this point light source iswidened by an optical system, and split into an ordi-nary and an extraordinary beam by a birefractivecrystal arranged between two circular polarisers.Having passed the second polariser, the ordinary andextraordinary beams superimpose to give a holo-graphic pattern that can be detected by means of aCCD camera. The principle of functioning is illus-trated in Figure 2.The distance between sensor and test object is calcu-lated from the interference fringes as determined byimage processing.

Bild 1. Funktionsprinzip der Punkttriangulation Fig. 1. Principle of functioning underlying point triangulation


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Bild 3. Funktionsprinzip des chromatischen Fokusverfahrens Fig. 3. Principle of functioning underlying the chromatic focusingmethod

3.1.3 Chromatisches FokusverfahrenBeim chromatischen Sensor (Bild 3) wird Weilichtmittels einer Linse fokussiert. Durch die chromati-sche Aberration der Linse kommt es nicht zu einemdefinierten Fokuspunkt hinter der Linse, sondernvielmehr zu einer Fokuslinie in Abhngigkeit derWellenlnge des Lichts. Die unterschiedlichen Farb-anteile des weien Lichts werden somit in unter-schiedlichen axialen Abstnden vom Sensor fokus-siert und knnen mit einem Spektrometer detektiertwerden. Die Abstandsinformation des chromatischenSensors wird aus der spektrometrisch detektiertenWellenlnge berechnet.

3.1.3 Chromatic focusing methodThe chromatic sensor (Figure 3) focuses white lightusing a lens. Due to chromatic aberration of the lens,rather than being collected in a focal point behind thelens, the light is focused in a focal line dependingon the wavelength of the light. The different colourcomponents of white light are therefore focused atdifferent distances from the sensor and can be de-tected using a spectrometer. The distance informationof the chromatic sensor is determined from the wave-length as detected by the spectrometer.

Bild 2. Funktionsprinzip der holographischen Konoskopie Fig. 2. Principle of functioning underlying holographic conoscopy


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3.1.4 Foucault-VerfahrenDas Foucault-Verfahren ist in Bild 4 dargestellt. EinLaserstrahl, z.B. aus einer Laserdiode, wird auf dieOberflche des Messobjektes fokussiert. Der diffusreflektierte Lichtfleck wird ber einen Strahlteiler aufeinen Detektor (meist eine Anordnung von Differenz-dioden) abgebildet. Durch Einfhrung einer Schneideoder eines Biprismas in den Strahlengang wird ein Teildes Lichtstrahls ausgeblendet, sodass der Strahl asym-metrisch wird. Dies fhrt zu einem Signal in der Diffe-renzdiode, wenn sich die Oberflche des angetastetenMessobjekts auerhalb des Sensorfokus befindet. Ausdem Detektorsignal knnen direkt die Abstandsnde-rungen zwischen dem Messobjekt und dem Sensor er-mittelt werden (messender Sensor). Das Detektorsi-gnal kann aber auch als Stellsignal innerhalb eines Re-gelvorgangs zum Fokussieren der Abbildungsoptikoder des gesamten Sensors verwendet und so ein Scan-ning realisiert werden. Aus Lage und Orientierung desSensors im Koordinatensystem des Koordinatenmess-gertes lassen sich dann die Messpunkte zur Erfassungder Objektgeometrie bestimmen.

3.1.4 Foucault methodThe Foucault method is illustrated in Figure 4. A la-ser beam, emitted by, e.g., a laser diode, is focusedonto the surface of the test object. The diffuse reflec-tion of the light spot is projected via a beam splitteronto a detector (mostly a linear array of differentialdiodes). An edge or a biprism introduced into the op-tical path serves to block part of the light beam, mak-ing it asymmetrical. This will give rise to a signal inthe differential diode as long as the surface of the testobject probed does not lie in the focus of the sensor.The detector signal allows for direct determination ofthe variations in the distance between test object andsensor (measuring sensor). However, the detector sig-nal can also be used as an input signal to control thefocusing of the optical imaging system or the sensoras a whole, allowing for scanning of the surface. Theposition and orientation of the sensor in the frame ofreference of the coordinate measuring machine thenallows to determine the measurement points for de-tecting the geometry of the object in question.

Bild 4. Funktionsprinzip des Foucault-Verfahrens Fig. 4. Principle of functioning underlying the Foucault method


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3.1.5 Kontrastfokus-VerfahrenKontrastfokus-Verfahren nutzen z.B. CCD-Kamerasmit Bildverarbeitungssystemen. Sie ermitteln denAbstand von der Oberflche des Messobjekts durchFokussieren auf den grten Kontrast (Bildschrfe).Dies geschieht im Allgemeinen durch Relativbewe-gung zwischen Sensor und Messobjekt in Messrich-tung (Bild 5). Dabei werden die Sensorposition so-wie ein Bewertungskriterium fr den Kontrast be-stimmt. Neben dem Kontrast selbst kann beispiels-weise die Kantensteilheit oder das Spektrum derOrtsfrequenzen verwendet werden. Dabei erfolgtdiese Bewertung in einem Ausschnitt des Kamera-bildfeldes, welcher vom Anwender variabel in derGre und Position innerhalb des Bildfeldes gewhltwerden kann.Ist die Position des grten Kontrastes erreicht, liegtder gemessene Bildausschnitt in einem bekanntenAbstand vor dem Sensor auf dessen optischer Achse.Dieser Abstand wird durch einen Einmessvorgangvorab bestimmt. Zur Erhhung der Auflsung derAbstandsmessung wird hufig eine Bestfit-Kurve indie gemessenen Werte des Kontrastes eingepasst unddie Position des Maximums dieser Kurve als interpo-lierte Sensorposition des Fokuspunktes berechnet.Meist sind die Bildverarbeitungssysteme mit eigenenBeleuchtungsquellen ausgestattet. Um auch Objektemit kontrastarmen Strukturen mit Video-Autofokus-sensoren antasten zu knnen, existieren des WeiterenSysteme, die ein kontrastreiches scharfes Muster aufdie Objektoberflche projizieren und auf dieses fo-kussieren.

3.1.5 Contrast-focusing methodContrast-focusing methods are used, e.g., in CCDcameras with image-processing systems. They deter-mine the distance from the surface of the test objectby focusing to maximum contrast (image sharpness).This is usually achieved by means of a relative move-ment along the direction of measurement, betweenthe sensor and the test object (Figure 5). While do-ing so, the position of the sensor and a weighting cri-terion for the contrast are determined. In addition tothe contrast proper, it is possible to use, e.g., acutance(steepness of an edge) or the spectrum of spatial fre-quencies. This evaluation is performed for a part ofthe entire image, whose position and size can be spec-ified by the user.

When the position of greatest contrast has been found,the part of the image under evaluation lies on the opti-cal axis of the sensor, at a known distance in front ofthe same. This distance is determined beforehand bymeans of calibration. For enhanced resolution of dis-tance measurement, a best match curve is frequentlyfitted to the measured contrast values, and the positionof the maximum of this curve is calculated in terms ofan interpolated sensor position of the focal point. Image-processing systems are mostly equipped withtheir own sources of lighting. Furthermore, in orderto allow probing of objects with low-contrast struc-tures by means of video autofocus sensors, systemsare used which project a high-contrast, sharp patternonto the object surface, allowing focusing on thisprojected pattern.

Bild 5. Funktionsprinzip Kontrastfokus-Verfahren Fig. 5. Principle of functioning underlying the contrast-focusingmethod


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3.2 2-D-Verfahren3.2.1 Laserlichtschnitt-VerfahrenDas Lichtschnitt-Verfahren (auch Laserscanning-Verfahren) beruht auf dem Triangulationsprinzip.Hierbei wird ein Lichtvorhang durch Aufweitung desLaserstrahls mittels einer speziellen Zylinderlinseoder durch einen oszillierenden Spiegel erzeugt.Beim Lichtschnitt-Verfahren wird der von der Punkt-triangulation bekannte Zeilensensor durch einen Ma-trixsensor ersetzt. Mit Hilfe von Bildverarbeitungsal-gorithmen wird die Lage der diffus vom Messobjektrckgestreuten Lichtlinie auf dem Matrixsensor er-mittelt.Ein Beispiel eines Laserlichtschnittsensors ist inBild 6 dargestellt. Die Berechnung des Abstandsvon Laserlichtschnittsensor zur Messobjektoberfl-che erfolgt anlog zum Punkttriangulations-Verfahrenmit der Erweiterung von der punktuellen zur Linien-Auswertung.

3.2.2 WeilichtinterferometrieBei der Weilichtinterferometrie wird das Licht einerWeilichtquelle zunchst ber einen Strahlteiler in denSensor eingekoppelt. Es durchluft dann ein Mikro-skopobjektiv, in das ein Interferometer eingebaut ist.Entspricht die Weglnge des Lichts zwischen Objektivund Prfling exakt der Weglnge des Lichts im Inter-ferometer, treten Weilichtinterferenzen auf. berVerstellelemente wird das Objektiv durch den Messbe-reich verfahren. ber Positionsmessung des Objektivswird der Weg dabei exakt aufgenommen. Der Ort derWeilichtinterferenz wird fr jedes Pixel separat er-rechnet und hieraus auf den jeweiligen Messpunkt ge-schlossen.

3.2 Two-dimensional methods3.2.1 Laser light sectionLaser light section (or laser scanning) is based on thetriangulation principle. By widening a laser beam us-ing a special cylinder lens or an oscillating mirror, alight curtain is generated. For laser light section,the linear CCD array known from point triangulationis replaced by a sensor matrix. Image-processing al-gorithms are used to determine the position of thelight line, diffusely reflected by the test object, on thesensor matrix.

Figure 6 shows an example of a laser light-sectionsensor design. The distance between the laser light-section sensor and the test object surface is calculatedas for the point triangulation method, extending theevaluation of a point to that of a line.

3.2.2 White-light interferometryIn white-light interferometry, the light of a source ofwhite light is first fed into the sensor via a beam split-ter, whereupon it passes through a microscope withbuilt-in interferometer. If the path length of the lightbetween lens and test object exactly equals the pathlength of the light in the interferometer, white-lightinterference fringes can be seen. The lens is movedover the working range by means of actuators. Thedisplacement of the lens is recorded precisely bymeans of position sensing. The position of white-light interference is calculated separately for eachpixel, and a conclusion is derived from this with re-spect to the corresponding measurement point.

Bild 6. Aufbau eines Laserlichtschnittsensors Fig. 6. Laser light-section sensor design


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Bild 7. Weilichtinterferometer und Weilichtinterferenzstruktur Fig. 7. White-light interferometer and white-light interferencefringes

Bild 7 zeigt das Funktionsprinzip eines Weilichtin-terferometers sowie den entsprechenden Intensitts-verlauf exemplarisch fr ein Pixel.

3.2.3 KonfokalmikroskopieBei der konfokalen Mikroskopie (Beispiel sieheBild 8) wird eine punktfrmige Lichtquelle durchein Mikroskopobjektiv auf das Messobjekt abgebil-det. Liegt das Objekt im Brennpunkt, so wird dasLicht vom Messobjekt ber denselben Weg durch dasObjektiv hindurch und ber einen Strahlteiler auf ei-nen Detektor reflektiert. Befindet sich das Objekt au-erhalb des Brennpunktes, hlt dagegen eine Loch-blende das reflektierte Licht vor dem Detektor zu-rck. Der abgebildete Lichtpunkt wird sehr schnellPunkt fr Punkt und Zeile fr Zeile ber das Objektbewegt und auf diese Weise eine Messebene abgeta-stet. Diese laterale Abtastung geschieht mittels rotie-render Lochscheiben (Nipkov-Scheiben), mittelsSpiegelsystemen oder durch den Einsatz von Mikro-spiegelarrays (DMD, digital micromirror device).Anschlieend wird das Objekt in der Hhe geringf-gig verfahren und erneut abgetastet. Durch das ber-einanderlegen dieser Schichtaufnahmen ergibt sichsomit die dreidimensionale Struktur des Objektes.

Figure 7 shows the principle of functioning of awhite-light interferometer, and the light intensity as afunction of lens displacement for one pixel.

3.2.3 Confocal microscopyIn confocal microscopy (see Figure 8), a micro-scope lens is used to project a point light source ontothe test object. If the object lies precisely in the focalpoint, it reflects the light back along the same paththrough the lens, and via a beam splitter onto a detec-tor. If, on the other hand, the object is out-of-focus, anaperture will prevent the reflected light from reachingthe detector. The projected light spot is moved veryrapidly across the object, scanning it point by pointand line by line, which allows to scan a measurementplane. This lateral scanning is achieved by means ofrotating, apertured disks (Nipkov disks), systems ofmirrors, or micromirror arrays (DMDs, digital micro-mirror devices). Finally, the object is slightly ad-justed in height, and the surface scanned again.Stacking the sections thus obtained will reveal thethree-dimensional structure of the object.


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3.3 3-D-Verfahren3.3.1 Verfahren mit strukturierter BeleuchtungEin Verfahren, welches mittels strukturierter Beleuch-tung arbeitet, ist die Streifenprojektion. Dies ist einTriangulations-Verfahren und kann als Erweiterungdes Lichtschnitt-Verfahrens betrachtet werden. Bei derStreifenprojektion wird im Vergleich zum Licht-schnittprinzip keine einzelne Linie sondern ein peri-odisches quidistantes Streifenmuster auf das Messob-jekt projiziert. Dies geschieht beispielsweise durchFlssigkristall- oder Mikrospiegelarray-Projektoren.Das durch diffuse Reflexion auf dem Objekt sichtbarwerdende Streifenmuster wird von einer CCD-Kameraerfasst, welche unter einem Triangulationswinkel zur Beleuchtungsrichtung angeordnet ist (Bild 9a). Die Hheninformation ist analog zum Punkttriangula-tions- und Lichtschnitt-Verfahren in der Position der

3.3 Three-dimensional methods3.3.1 Methods using structured lightingOne method using structured lighting is line projec-tion. This method is actually a triangulation methodand can be regarded as an extension of light section.The method consists in projecting a recurrent patternof equidistant lines, rather than one single line, ontothe test object. This is achieved by, e.g., liquid-crystalor micromirror-array projectors. The diffusely re-flected line pattern then visible on the object is re-corded by a CCD camera aligned at a triangulationangle, , to the axis of lighting (Figure 9a).

As in the point triangulation and light section methods,the height information is contained in the position of

Bild 8. Prinzipieller Strahlengang bei einem konfokalen Mikro-skop

Fig. 8. Schematic of beam path in a confocal microscope

Bild 9. Funktionsprinzip eines Streifenprojektionssystems, bestehend aus Projektor und Kamera (a) sowie Graycode-Verfahren (b)M Projektions- oder MessfeldFig. 9. Principle of functioning of a line-projection system consisting of projector and camera (a), and Graycode method (b)M projection or working range


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Streifen auf dem CCD-Sensor enthalten. Um eine ein-deutige Zuordnung zwischen den projizierten Streifenund den aufgenommenen Streifen zu gewhrleisten,werden die Streifen nacheinander z.B. nach dem Gray-codeverfahren (Bild 9b) projiziert. Um genauer aufl-sen zu knnen werden Phasenschiebetechniken undSubpixeling-Verfahren eingesetzt.

4 Formelzeichen und BegriffeFr die Anwendungen dieser Richtlinie geltendie Definitionen aus DIN EN ISO 10 360-1,DIN EN ISO 14 253-1 und VIM. Ergnzend werdenfolgende Kenngren fr verschiedene Betriebsarten(Antaststrategien) neu eingefhrt:Antastabweichung PF Form (form)PF AntastabweichungPF(OT) Antastabweichung unter Verwendung der

Koordinatenachsen des Koordinatenmess-gertes (optical probing error translatory)

PF(OA) Antastabweichung unter zustzlicher Ver-wendung eines Dreh-Schwenk-Gelenks(optical probing error articulating)

PF(OS) Antastabweichung bei Stillstand der Koor-dinatenachsen (optical probing error static)

Antastabweichung PS Ma (size)PS ermittelte Durchmesserabweichung der

PrfkugelPS(OT) ermittelte Durchmesserabweichung der

Prfkugel unter Verwendung der Koordi-natenachsen des Koordinatenmessgertes(optical size error translatory)

PS(OA) ermittelte Durchmesserabweichung derPrfkugel unter zustzlicher Verwendungeines Dreh-Schwenk-Gelenks (optical sizeerror articulating)

PS(OS) ermittelte Durchmesserabweichung derPrfkugel bei Stillstand der Koordinaten-achsen (optical size error static)

Lngenmessabweichung EE(OT) Lngenmessabweichung unter Verwen-

dung der Koordinatenachsen des Koordina-tenmessgertes (optical error translatory)

E(OA) Lngenmessabweichung unter zustzlicherVerwendung eines Dreh-Schwenk-Gelenks(optical error articulating)

E(OS) Lngenmessabweichung bei Stillstand derKoordinatenachsen (optical error static)

the lines on the CCD sensor. In order to ensure unam-biguous allocation of the projected lines to those re-corded, the lines are projected serially, e.g. accordingto the Graycode method (Figure 9b). Enhanced reso-lution is achieved by using phase-shifting techniquesand sub-pixel methods.

4 Symbols and definitionsFor the purposes of this guideline the definitionsof DIN EN ISO 10 360-1, DIN EN ISO 14 253-1, andthe VIM apply. Additionally, the following character-istics for different operating modes (probing strate-gies) are introduced:Probing error PF formPF probing errorPF(OT) probing error when using the frame of ref-

erence of the coordinate measuring ma-chine (optical probing error translatory)

PF(OA) probing error when using an additional ar-ticulating system (optical probing error ar-ticulating)

PF(OS) probing error with frame of reference atrest (optical probing error static)

Probing error PS sizePS calculated error in the diameter of the test

spherePS(OT) calculated error in the diameter of the test

sphere when using the frame of referenceof the coordinate measuring machine (opti-cal size error translatory)

PS(OA) calculated error in the diameter of the testsphere when using an additional articulat-ing system (optical size error articulating)

PS(OS) calculated error in the diameter of the testsphere with frame of reference at rest (opti-cal size error static)

Error of indication for size measurement EE(OT) error of indication for size measurement

when using the frame of reference of thecoordinate measuring machine (error of in-dication for size measurement translatory)

E(OA) error of indication for size measurementwhen using an additional articulating sys-tem (error of indication for size measure-ment articulating)

E(OS) error of indication for size measurementwith frame of reference at rest (error of in-dication for size measurement static)


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GrenzwerteMPEXX Grenzwert fr die Kenngre XX (maxi-

mum permissible error)Dies bedeutet z.B.: MPEPS(OT) ist derGrenzwert fr PS(OT).

HilfsgrenRmax maximaler Abstand von Antastpunkten

zum Mittelpunkt der AusgleichskugelRmin minimaler Abstand von Antastpunkten

zum Mittelpunkt der Ausgleichskugel Da gemessener Durchmesser der PrfkugelDr kalibrierter Durchmesser der PrfkugelSD KugelabstandsabweichungLa gemessene Lnge des EndmaesLr kalibrierte Lnge des EndmaesLka gemessener KugelabstandLkr kalibrierter KugelabstandEE Lngenmessabweichung am kurzen End-

ma

5 AnnahmeprfungDie Annahmeprfung dient dazu festzustellen, ob dasKoordinatenmessgert mit optischen Sensoren dievom Hersteller spezifizierten bzw. vertraglich verein-barten Grenzwerte fr die Kenngren von Antastab-weichung und Lngenmessabweichung einhlt. Vorder Durchfhrung der in Abschnitt 5.1 und Ab-schnitt 5.2 angegebenen Prfungen sind die in derBetriebsanleitung des Herstellers festgelegten Vorbe-reitungen zu treffen, z.B.: Einschalten und Vorbereiten des Koordinaten-

messgertes fr den Messbetrieb Sensor konfigurieren und einmessen ausreichend stabile Befestigung der Prfkrper,

mglichst ohne VerformungDie notwendigen Informationen sollten vom Herstel-ler gegeben werden. Bei den Prfungen mssen dievom Hersteller vorgegebenen Umgebungs- und Be-triebsbedingungen eingehalten werden.Filterungen der Messwerte sind nur in dem Umfangzulssig, wie sie fr die zu prfende Kenngre alsRandbedingung definiert sind bzw. beim normalenGebrauch des Gertes eingesetzt werden da hier-durch die Auflsung der Sensoren beeinflusst wird.Die Prfkrper und das Gert mssen die mittlereTemperatur des Messvolumens angenommen haben.Weicht die mittlere Temperatur der Prfkrper unddes Koordinatenmessgertes von der Bezugstempe-ratur nach DIN EN ISO 1 ab, so sind entsprechendeTemperaturkorrekturen vorzunehmen, sofern diesesim normalen Gebrauch des Gertes ebenfalls ge-schieht.

LimitsMPEXX limit for characteristic XX (maximum per-

missible error)Example: MPEPS(OT) is the limit forPS(OT).

Additional quantitiesRmax maximum distance between probing points

and the centre of the regression sphereRmin minimum distance between probing points

and the centre of the regression sphereDa diameter of the test sphere as measuredDr calibrated diameter of the test sphereSD sphere-distance errorLa length of the gauge block as measuredLr calibrated length of the gauge blockLka ball distance as measuredLkr calibrated ball distanceEE error of indication for size measurement of

the short gauge block

5 Acceptance testingAcceptance testing serves to verify whether the coor-dinate measuring machine including the optical sen-sors complies with the limits for the characteristicvalues of probing error and error of indication for sizemeasurement as specified by the manufacturer or asagreed by contract. Prior to performance of the testslisted in Section 5.1 and Section 5.2, preparationsshall be made as specified in the manufacturers in-struction manual. Examples are: switch on coordinate measuring machine and pre-

pare for measuring operation configure and qualify sensor fix artefacts in a sufficiently stable manner, prefer-

ably without deformationThe required information should be provided by themanufacturer. During testing, ensure compliancewith the environmental and operating conditionsspecified by the manufacturer. Filtering of measured values, affecting the resolutionof the sensors, is only permitted to the extent that isdefined as a boundary condition for the characteristicin question, or to the extent used during normal oper-ation of the instrument.The artefacts and the instrument shall be in thermalequilibrium at the average temperature of the meas-urement volume. Where the average temperature ofthe artefacts and coordinate measuring machine devi-ate from the reference temperature specified inDIN EN ISO 1, the pertinent temperature correctionsshall be made, provided this is also done during nor-mal operation of the instrument.


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5.1 AntastabweichungDurch die Antastabweichung wird nachDIN EN ISO 10 360 das dreidimensionale Abwei-chungsverhalten des Gesamtsystems, bestehend ausKoordinatenmessgert, optischem Abstandssensorund Zusatzeinrichtungen (z.B. Schwenkgelenke), ineinem sehr kleinen Messvolumen beschrieben. Hierwird zwischen der Antastabweichung Form (PF) undder Antastabweichung Ma (PS) unterschieden.Der Wert der Antastabweichung eines optischen Ko-ordinatenmessgerts wird von den Abweichungendes Koordinatenmessgerts und im besonderen Maevon den Abweichungen des Sensors bestimmt (z.B.Rauschen, Digitalisierungsfehler, Abbildungsfehler,optische Wechselwirkungen mit der Oberflche desPrfkrpers, Einmessfehler des Sensors, unzurei-chende Algorithmen in der Messwertverarbeitung). Bei Koordinatenmessgerten mit optischen Ab-standssensoren besteht abhngig von der Dimensio-nalitt des Sensors die Mglichkeit, neben der Mes-sung mit Bewegung der Koordinatenachsen zustz-lich eine Messung unter Einschluss eines Dreh-Schwenk-Gelenks durchzufhren. Hierdurch knnenEinschrnkungen des Sensors umgangen werden(z.B. mangelnde oder schlechte Fhigkeit geneigteFlchen anzutasten). Fr dreidimensionale Abstands-sensoren kann auch eine Messung ohne Verfahren derKoordinatenachsen durchgefhrt werden. Fr jedendieser Flle ergibt sich eine getrennte Angabe derAntastabweichung: 1. Der Sensor wird durch das Koordinatenmessgert

verschoben, die Messung erfolgt in mehreren Po-sitionen am Bild. Bei 1-D- und 2-D-Sensorenwerden zustzliche Verfahrbewegungen an den je-weiligen Positionen durchgefhrt, um so die 3-D-Funktionalitt mit diesen Sensoren zu ermgli-chen. Die zugehrige Antastabweichung wird alsPF(OT) bzw. PS(OT) bezeichnet. Diese Messungist grundstzlich durchzufhren.

2. Die Orientierung des Sensors wird zustzlichdurch ein Dreh-Schwenk-Gelenk verndert. Diezugehrige Antastabweichung wird als PF(OA)bzw. PS(OA) bezeichnet. Diese Messung kann zu-stzlich durchgefhrt werden.

3. Der Sensor steht beim Messen still, die Mess-punkte am Prfkrper oder einem Teil davon wer-den an einer Position bernommen, die Messungerfolgt im Bild. Die zugehrige Antastabwei-chung wird als PF(OS) bzw. PS(OS) bezeichnet.Diese Messung kann bei Koordinatenmessgertenmit 3-D-Abstandssensoren zustzlich durchge-fhrt werden. Der Einfluss des Koordinatenmess-gerts ist hier nicht enthalten. Es werden allein dieEigenschaften des Sensors erfasst.

5.1 Probing errorAccording to DIN EN ISO 10 360, the probing errorcharacterises the three-dimensional errors of the en-tire system consisting of coordinate measuring ma-chine, optical distance sensor, and accessories (likearticulators) within a very small measurement vol-ume. A distinction is made between the probing er-rors for the form (PF) and for the size (PS).

The value of the probing error of an optical coordi-nate measuring machine is determined by the errorsof the coordinate measuring machine and, particu-larly, by the errors of the sensor (such as noise, digi-tising errors, image distortion, optical interactionwith the surface of the artefact, calibration errors ofthe sensor, faulty algorithms in measured-dataprocessing).Depending on the number of dimensions in which co-ordinate measuring machines with optical distancesensors probe the artefacts, measurements can be per-formed not only by moving the frame of reference butalso using an articulating system. This allows to ex-tend measurements beyond any restrictions imposedby the sensor (such as lacking or poor ability to probeinclined surfaces). Three-dimensional distance sen-sors also allow measurements without moving theframe of reference. The probing errors are stated sep-arately for each of these cases.

1. The sensor is moved by the coordinate measuringmachine, measurements are taken at several posi-tions on the image. For one- and two-dimen-sional sensors, additional sensor movements areneeded at the pertinent positions to extend theirfunctionality to three dimensions. The associatedprobing errors are PF(OT) and PS(OT). Thismeasurement is mandatory.

2. The alignment of the sensor is additionally modi-fied by means of an articulating system. The asso-ciated probing errors are PF(OA) and PS(OA).This measurement is optional.

3. The sensor remains at rest during measurements.Measurement points on the artefact or part thereofare collected with the sensor in a fixed position,measurement is taken in the image. The associ-ated probing errors are PF(OS) and PS(OS).This measurement is optional for coordinatemeasuring machines with three-dimensional dis-tance sensors. It does not include the influence ofthe coordinate measuring machine, only the char-acteristics of the sensor are detected.


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Die Strukturauflsung des Sensors muss angegebenwerden, weil durch Filterverfahren die Strukturaufl-sung verschlechtert und gleichzeitig die Antastab-weichung verbessert werden kann. Der Herstellermuss Prfkrper, Messablauf und Auswertung zurErmittlung der Strukturauflsung beschreiben. Es istzu beachten, dass Messergebnisse bei unterschied-lichen Verfahren zur Auflsungsbestimmung nichtdirekt miteinander vergleichbar sind. Beim Vergleichverschiedener Systeme sollte der Anwender daraufachten, gleiche Verfahren zur Auflsungsbestim-mung zu verwenden. Im Anhang wird die Struktur-auflsung beschrieben, und es werden Beispiele frMessverfahren zu deren Bestimmung angegeben.

5.1.1 PrfkrperZur Ermittlung der Antastabweichung werden Kugelnaus Keramik oder Stahl verwendet, andere geeigneteMaterialien sind zugelassen. Da unterschiedliche Ma-terialien unterschiedliche optische Eigenschaften wieReflexionsgrad, optische Eindringtiefe (Volumen-streuung), Farbe, Streuungseigenschaften u.a. besitzenund somit zu unterschiedlichen Werten der Antastab-weichung fhren knnen, sind diese unbedingt anzu-geben. Die Rauheit der Antastformelemente sollte ver-nachlssigbar klein sein. Erfolgt durch den Herstellerkeine Spezifikation des Materials und der Oberflchedes Prfkrpers, sind diese frei whlbar.Fr die Ermittlung der Antastabweichung PF(OT) undPS(OT) mit Bewegen der Koordinatenachsen bzw. derAntastabweichung PF(OA) und PS(OA) unter zustzli-cher Verwendung eines Dreh-Schwenkgelenks ist ent-sprechend DIN EN ISO 10 360 der Kugeldurchmesser10 mm bis 50 mm zu verwenden. Fr die Ermittlungder Antastabweichung im Stillstand des Koordinaten-messgerts PF(OS) und PS(OS) soll der Durchmesserder Kugel ca. 0,1 bis 0,2 der Raumdiagonalen des Sen-sormessvolumens betragen. Mssen aus technischenGrnden andere Durchmesser verwendet werden, sosind diese anzugeben. Fr den Prfkrper muss einKalibrierschein vorliegen.Zur detaillierten Untersuchung spezieller Sensor-eigenschaften knnen weitere Tests zwischenHersteller und Anwender vereinbart werden.Bei Sensoren mit sehr groen Messbereichen kannz.B. eine kalibrierte Ebene gemessen werden (vgl.VDI/VDE 2634 Blatt 2).5.1.2 Definitionen der KenngrenDie Kenngre Antastabweichung PF ist nachDIN EN ISO 10 360 die Spanne der radialen Abwei-chungen der Messpunkte von der berechneten Aus-gleichskugel. Dies entspricht der Differenz zwischenmaximalem und minimalem Abstand von Antast-punkten zum Mittelpunkt der Ausgleichskugel:

PF = Rmax Rmin

The structural resolution of the sensor shall be stated,as filter methods will impair structural resolutionwhile at the same time improving the probing error.The manufacturer shall describe artefact, measure-ment procedure, and the evaluation for determiningthe structural resolution. Note that measurement re-sults for determining the resolution are not a prioricomparable if they were obtained using differentmethods. Where different systems are compared, theuser should ensure that identical methods are used todetermine the resolution. The annex describes thestructural resolution, and examples of measurementmethods serving to determine this quantity are given.

5.1.1 ArtefactsTest spheres of ceramics or steel are used to deter-mine the probing error. Other appropriate materialsare permitted. The material used shall be stated at anyrate as different materials have different optical char-acteristics such as reflection factor, optical penetra-tion depth (volume scattering), colour, scatteringcharacteristics, etc., which means that the values ofthe pertinent probing errors may differ. The rough-ness of the features to be probed should be negligible.Where the manufacturer fails to specify the materialand surface of the artefact, these can be chosen arbi-trarily. According to DIN EN ISO 10 360, a sphere diameterof 10 mm to 50 mm shall be used for determining theprobing errors PF(OT) and PS(OT) with moving frameof reference, and for determining PF(OA) and PS(OA)with additional articulating system. For determinationof the probing error with the coordinate measuring ma-chine at rest, the sphere diameter shall be approxi-mately 0,1 to 0,2 times the length of the body diagonalthrough the measurement volume covered by the sen-sor. A calibration certificate is required for the artefact.

Manufacturer and user may agree on further tests fordetailed investigation of special sensor characteris-tics. An example, described in is the measurement ofa calibrated plane in the case of sensors with verylarge working ranges (cf. VDI/VDE 2634 Part 2).

5.1.2 Definition of the characteristicsAccording to DIN EN ISO 10 360, the characteristicprobing error PF is the range of radial deviations be-tween the measurement points and the calculated re-gression sphere. This is identical to the difference be-tween the maximum and minimum distances of prob-ing points from the centre of the regression sphere:

PF = Rmax Rmin


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Die Ausgleichskugel wird nach der Methode derkleinsten Fehlerquadratsumme bei freiem Radius be-stimmt. Als zustzliche Kenngre der Antastabwei-chung wird die Durchmesserabweichung PS be-stimmt. Diese ergibt sich aus der Differenz zwischengemessenem Durchmesser Da und kalibriertemDurchmesser Dr der Kugel:

PS = Da Dr

5.1.3 DurchfhrungAnalog zu DIN EN ISO 10 360 sind fr die Ermittlungder Kenngren PF(OT) und PS(OT) bzw. PF(OA)und PS(OA) jeweils mindestens 25 Messpositionen sozu whlen, dass der Prfkrper mglichst vollstndigerfasst wird. Ist bei dreidimensionalen Sensoren derPrfkrper kleiner als der Messbereich des Sensors,sind die Positionen innerhalb des Messbereichs desSensors zu whlen. Sind Bereiche auszulassen, ist diesanzugeben.

Die Kenngren PF(OS) und PS(OS) werden stich-probenartig an beliebigen Positionen des Sensormess-volumens gemessen (empfohlen werden neun Positio-nen, in den Ecken und der Mitte des Messvolumens).Die Anzahl der Antastpunkte muss generell minde-stens 25 sein. Es gibt keine Beschrnkung hinsichtlichder maximalen Anzahl der Antastpunkte.

Die Verwendung von Filtern oder Algorithmen zurAusreierreduzierung muss genau beschrieben wer-den. Fehlen diese Angaben, drfen die Kenngrenauch ohne Filter ermittelt werden. Auch hier ist zu be-achten, dass die Filterverfahren, die beim praktischenMessen eingesetzt werden, auch fr die Prfung derAntastabweichung verwendet werden. Unter Umstn-den sind fr verschiedene Filtereinstellungen, die derAnwender bentigt, verschiedene Werte fr die An-tastabweichung zu bestimmen.

5.1.4 AuswertungDie Grenzwerte MPEXX der Kenngren werdenvom Gertehersteller festgelegt. Die Spezifikationder Antastabweichungen ist eingehalten, wenn die er-mittelten Werte der Kenngren die zugehrigenGrenzwerte MPEXX an keiner der Messpositionenberschreiten. Hierbei ist die erweiterte Mess-unsicherheit U des Prfverfahrens zu bercksichtigen(siehe DIN EN ISO 14 253-1):

|Px(xx)| |MPEXX| U fr den Hersteller|Px(xx)| |MPEXX| + U fr den Abnehmer

Tritt genau eine berschreitung auf, so ist gemDIN EN ISO 10 360 diese Messung zehnmal zu wie-derholen. Erreichen oder unterschreiten die gemesse-nen Werte bei der Wiederholung die Grenzwerte, soist die Annahme erfolgreich.

The regression sphere is determined according to theleast-squares method, with the radius being unre-stricted. As an additional characteristic of the probingerror, the error in diameter, PS, is determined. Thisquantity is obtained from the difference between themeasured and calibrated diameters, Da and Dr, re-spectively, of the sphere:

PS = Da Dr

5.1.3 ProcedureBy analogy to DIN EN ISO 10 360, no less than25 measurement positions shall be selected for the de-termination of the characteristics PF(OT) and PS(OT),and PF(OA) and PS(OA), respectively. The selectionshall be such that the greatest possible coverage of thesurface of the artefact is achieved. Where the artefact issmaller than the working range of a three-dimensionalsensor, the positions shall be chosen to lie within theworking range of the sensor. Where certain ranges areto be omitted, these shall be identified. For determination of the characteristics PF(OS) andPS(OS), sample measurements are taken at arbitrarypositions within the measurement volume of the sen-sor. (It is recommended to measure at nine positions, inthe corners and at the centre of the measurement vol-ume). The total number of probing points shall neverbe less than 25, with no limit to the maximum numberof probing points. The use of filtering, and of algorithms, serving to re-duce outliers, shall be described in detail. Where thisinformation is not available, characteristics may be de-termined without filtering. Ensure, also in this case,that the filtering methods used for actual measure-ments are also used during the determination of theprobing error. If necessary, different values of the prob-ing error shall be determined for different filter settingsrequired by the user.

5.1.4 EvaluationThe limits, MPEXX, for the characteristics are specifiedby the instrument manufacturer. Compliance with thespecification of the probing errors is demonstrated ifthe values of the characteristics do not exceed the asso-ciated limits, MPEXX, at any one of the measurementpoints. In this evaluation, consideration shall be givento the expanded uncertainty of measurement, U, of thetest method (see DIN EN ISO 14 253-1):

|Px(xx)| |MPEXX| U for the manufacturer|Px(xx)| |MPEXX| + U for the customer

Where there is one, and only one, case of exceedingthe limits, this measurement shall be repeated tentimes in accordance with DIN EN ISO 10 360.Where the values measured during the repeatedmeasurements are equal to or less than the limits, ac-ceptance is successful.


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Die Grenzwerte der Kenngren sind unter allen vomHersteller zugelassenen Bedingungen einzuhalten.Dies gilt insbesondere hinsichtlich der Oberflchen-eigenschaften der Prfkrper und der Filterparame-ter.

5.2 LngenmessabweichungDurch die Lngenmessabweichung wird nachDIN EN ISO 10 360 das dreidimensionale Abwei-chungsverhalten des Gesamtsystems, bestehend ausKoordinatenmessgert und Sensor im gesamtenMessvolumen beschrieben. Dieses Abweichungsver-halten entsteht durch die berlagerung verschiedenerEinzelabweichungen, z.B. nicht korrigierte systema-tische Abweichungen und nicht korrigierte Um-kehrspannen durch Bewegung der Koordinatenach-sen sowie zufllige Abweichungen. Der Wert derLngenmessabweichung kann bei Koordinatenmess-gerten mit optischen Abstandssensoren im besonde-ren Mae von den Abweichungen des Sensors be-stimmt werden. In Abhngigkeit von den Eigenschaf-ten des Sensors ist es unter Umstnden sinnvoll odererforderlich, die Messungen unter Einschluss einesDreh-Schwenk-Gelenks durchzufhren (siehe Ab-schnitt 5.1.1)Werden bei Messungen Dreh-Schwenkgelenke oderandere Zusatzeinrichtungen verwendet, sind diedurch sie verursachten Messabweichungen bei derBestimmung der Lngenmessabweichung einzube-ziehen. Anderenfalls sind diese Einrichtungen ein-deutig auszuschlieen.Es wird ausdrcklich darauf hingewiesen, dass sichdie Lngenmessabweichung von der Kugelabstands-abweichung in der Richtlinie VDI/VDE 2634 Blatt 2unterscheidet. Bei der Ermittlung der Kugelabstands-abweichung ist die Antastabweichung wegen der gro-en Anzahl der zulssigen Antastpunkte in der Kenn-gre durch Mittelungseffekte beim Berechnen derAusgleichskugel nicht vollstndig enthalten und so-mit nicht mit der Messung von Endmaen vergleich-bar. Deshalb ist bei Lngenmessabweichungen, dieaus mehr als zwei Antastpunkten pro Lnge berech-net werden, der Anteil der Antastabweichung geson-dert hinzuzurechnen.

5.2.1 PrfkrperZur Bestimmung der Lngenmessabweichung wer-den Prfkrper mit Lngenmaverkrperungen wieKugelstbe mit zwei oder mehreren Kugeln, Kugel-leisten (nachfolgend zusammengefasst als Kugel-stbe bezeichnet), Parallelendmae, Stufenendmae(nachfolgend als Endmae bezeichnet) oder Kugel-platten verwendet. Bei Kugelstben und Kugelplatten

The limits of the characteristics shall be compliedwith under all conditions permitted by the manufac-turer. This is particularly true for the surface charac-teristics of the artefacts and the filter parameters.

5.2 Error of indication for size measurementAccording to DIN EN ISO 10 360, the error of indi-cation for size measurement characterises the three-dimensional errors of the entire system consisting ofcoordinate measuring machine and sensor within thetotal of the measurement volume. These errors resultfrom the superposition of various individual errors,such as non-corrected bias errors and non-correctedhysteresis where the frame of reference is moved, aswell as random errors. In coordinate measuring ma-chines with optical distance sensors, the value of theerror of indication for size measurement can be dom-inated by the influence of the sensor errors. Depend-ing on the sensor characteristics, it may be conven-ient, or even necessary, to include the articulatingsystem in the measurements (see Section 5.1.1).

Where articulating systems or other accessories areused in measurements, the errors of measurementcaused by these accessories shall be included in thedetermination of the error of indication for size meas-urement, or the accessories shall be clearly excluded.

It shall be noted expressly that the error of indicationfor size measurement differs from the sphere-dis-tance error as per the guideline VDI/VDE 2634Part 2. When the sphere-distance error is determined,the probing error is not included completely in thecharacteristic. This is due to averaging effects in thecalculation of the regression sphere, which resultfrom the large number of permissible measurementpoints. This measurement is, therefore, not compara-ble to measurements using gauge blocks. As a matterof consequence, the contribution of the probing errorshall be added separately to errors of indication forsize measurement calculated from more than twoprobing points per length.

5.2.1 ArtefactsThe error of indication for size measurement is deter-mined using artefacts including material standards ofsize such as ball bars having two or more spheres, ballrails (summarised below by the term ball bars), gaugeblocks, step gauge blocks (called gauge blocks be-low) or ball plates. The probing features of ball barsand ball plates should have a diameter of 10 mm to


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sollten die Antastformelemente einen Durchmesservon 10 mm bis 50 mm haben. Mssen aus techni-schen Grnden andere Durchmesser verwendet wer-den, so sind diese anzugeben. Die Rauheit der Antast-formelemente sollte vernachlssigbar klein sein. Daunterschiedliche Materialien unterschiedliche opti-sche Eigenschaften besitzen (siehe Abschnitt 5.1.1)und somit zu unterschiedlichen Lngenmessabwei-chungen fhren knnen, sind diese unbedingt anzu-geben. Erfolgt durch den Hersteller keine Spezifika-tion des Materials und der Oberflche des Prfkr-pers, sind diese frei whlbar.Die Kalibrierunsicherheit des Prfkrpers muss doku-mentiert und deutlich kleiner als die vom Herstellerangegebenen maximal zulssigen Lngenmessab-weichungen des zu prfenden Koordinatenmess-gertes sein (siehe hierzu DIN EN ISO 14 253-1). Esmssen die Abstnde wie auch die Form aller fr diePrfung bentigten Antastformelemente eines Prf-krpers kalibriert sein.

5.2.2 Definition der KenngreDie Kenngre Lngenmessabweichung E ist nachDIN EN ISO 10 360 die Abweichung, mit der dieLnge einer Maverkrperung mit dem Koordinaten-messgert bestimmt werden kann, wenn die Messungdurch bidirektionale Antastung von zwei gegenber-liegenden Punkten aus entgegengesetzten Richtun-gen an nominell parallelen Flchen senkrecht zu ei-ner der beiden Flchen durchgefhrt wird. Der Ab-stand zwischen diesen Punkten ist die Prflnge.Wenn die Lngenmessabweichung nicht wie obenbeschrieben ermittelt werden kann, sondern z.B.durch Mehrpunktantastung von Endmaen oder dieMessung von Kugelstben und -platten, ist durch denHersteller darauf besonders hinzuweisen. Durch ge-eignete Manahmen ist eine Vergleichbarkeit der Er-gebnisse herzustellen (siehe auch Abschnitt 5.2.4.). Bei der Bestimmung der Lngenmessabweichungsind die verwendete Antaststrategie und der verwen-dete Sensor zu dokumentieren, da sich fr unter-schiedliche Antaststrategien bzw. Sensoren unter-schiedliche Werte ergeben knnen.

5.2.3 DurchfhrungNach DIN EN ISO 10 360-2 sind die Prfkrper invier Raumdiagonalen und in drei weiteren vom An-wender zu whlenden Lagen zu messen. Ist dies austechnischen Grnden nicht mglich, sind hnlicheLagen zu whlen.Es sind in jeder Lage fnf Prflngen je dreimal zumessen. Die kleinste Prflnge sollte nicht grer als30 mm sein, die grte muss mindestens 66 % derRaumdiagonale des Messvolumens berdecken. Diebrigen Prflngen sind so zu whlen, dass sie etwagleichmig ber die Lnge der Messlinie abgestuft

50 mm. Where other diameters are required for tech-nical reasons, these diameters shall be stated. Theroughness of the features to be probed should be neg-ligible. The material used shall be stated at any rate asdifferent materials can have different optical charac-teristics (see Section 5.1.1), which can lead to differ-ent errors of indication for size measurement. Wherethe manufacturer fails to specify the material and sur-face of the artefact, these can be chosen arbitrarily.

The calibration uncertainty of the artefact shall bedocumented and shall be significantly less than themaximum permissible errors of indication for sizemeasurement of the coordinate measuring machineunder test, as specified by the manufacturer (in thiscontext, see DIN EN ISO 14 253-1). The distancesand forms of all probing features of an artefact re-quired for the test shall be calibrated.

5.2.2 Definition of characteristicAccording to DIN EN ISO 10 360, the characteristicerror of indication for size measurement, E, is the er-ror with which the length of a material measure canbe determined using a coordinate measuring machineif measurement is performed by bidirectional probing(from opposite directions) of two opposite points onnominally parallel surfaces, perpendicular to one ofthe two surfaces. The test length is the distance be-tween these two points. Where the error of indicationfor size measurement cannot be determined as de-scribed above, but must be determined by probingseveral points of gauge blocks or by measuring ballbars or ball plates, the manufacturer shall state thisexpressly. Appropriate action shall be taken to renderthe results comparable (see also Section 5.2.4).

When determining the error of indication for sizemeasurement, document the probing strategy and thesensor used, as different errors of indication for sizemeasurement can result for different probing strate-gies or sensors.

5.2.3 ProcedureAccording to DIN EN ISO 10 360-2, the artefactsshall be measured along four body diagonals andthree further orientations chosen by the user. Wherethis is ruled out for technical reasons, similar posi-tions shall be chosen. In each position, five test lengths shall be measuredthree times each. The shortest test length shall not belonger than 30 mm, the longest shall cover at least66 % of the body diagonal of the measurement volume.The remaining test lengths shall be chosen in such away as to cover the length of the measurement line in


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sind. Abhngig von den Bewegungsachsen des opti-schen Tastsystems bzw. der Zusatzeinrichtungen wie Drehschwenkgelenk kann die Messung desPrfkrpers in folgender Weise erfolgen:1. Der Sensor wird durch das Koordinatenmessgert

positioniert, die Messung der Antastformele-mente erfolgt an mehreren Positionen am Bild.Bei 1-D- und 2-D-Sensoren werden zustzlicheVerfahrbewegungen an den jeweiligen Positionendurchgefhrt, um so die 3-D-Funktionalitt mitdiesen Sensoren herzustellen. Dieser Vorgangwird an jedem Antastformelement wiederholt.

2. Verfahren wie unter 1. beschrieben, wobei die Ori-entierung des Sensors zustzlich durch ein Dreh-Schwenk-Gelenk verndert wird.

3. Der Sensor steht beim Messen still, die Messpunktean den Antastformelementen oder Teilen davonwerden jeweils an einer Position bernommen(Messung erfolgt im Bild). Lediglich zur Mes-sung der verschiedenen Antastformelemente wirdder Sensor durch das Koordinatenmessgert posi-tioniert. Dies ist nur mit 3-D-Sensoren mglich.

Die Antastung der Formelemente der Prfkrper er-folgt einheitlich nach einem der vorstehenden Verfah-ren.

Bei der Verwendung von Endmaen werden in jederLage/Orientierung fnf Endmae angeordnet. JedesEndma ist einzeln auszurichten. Die Bezugsrichtungist durch geeignete numerische Ausrichtung zu be-stimmen. Bei der Wiederholmessung der Prflngenwird jeweils abwechselnd die linke und rechteMessflche des Endmaes nach Mglichkeit in derMitte der Messflche angetastet. Dies kann durch phy-sikalisches Antasten in der Mitte oder durch Auswahldes der Mitte am nchsten liegenden Punktes aus einerMesspunktwolke erfolgen. Fr die Auswertung darfausdrcklich jeweils nur ein Einzelmesspunkt verwen-det werden. Das Endma bleibt whrend dieser dreiMessungen in der gleichen Lage. Die Messung vonEndmaen erfordert im Allgemeinen ein Dreh-Schwenkgelenk oder einen Sensor mit schwenkbarerMessachse. Bei der Verwendung von Kugelstben und Kugelplat-ten ist prinzipiell keine Ausrichtung erforderlich, je-doch fr eine praktikable Durchfhrung sinnvoll (auto-matischer Messablauf). Die Messung der Kugeln erfolgt durch mglichstgleichmig auf der gesamten Kugeloberflche ver-teilte Messpunkte. Die Messrichtung des Sensors wirddabei mit dem Dreh-Schwenkgelenk mglichst senk-recht zu Kugeloberflche eingestellt. Mindestens istdarauf zu achten, dass die Messpunkte mglichst sym-metrisch zu einer Ebene senkrecht zur Messlinie und

approximately equidistant steps. Depending on theaxes of motion of the optical probing system or the ac-cessories such as an articulating system, the measure-ment on the artefact can be performed as follows. 1. The sensor is brought into position by the coordi-

nate measuring machine, and the measurement ofthe features to be probed is performed at several po-sitions on the image. For one- and two-dimen-sional sensors, additional movements are needed atthe pertinent positions to extend their functionalityto three dimensions. This procedure is repeated foreach feature to be probed.

2. Proceed as described in 1. additionally changingthe orientation of the sensor by means of an articu-lating system.

3. The sensor remains immobile during the measure-ment, measurement points on each feature to beprobed, or on parts thereof, are collected with thesensor in a fixed position (measurement is taken inthe image). It is only for the measurement of theindividual features to be probed that the sensor ispositioned by the coordinate measuring machine.This is only possible using three-dimensional sen-sors.

Probing of the features of the artefact is performed in auniform way according to one of the methods outlinedabove.Where gauge blocks are used, five gauge blocks arealigned in each position or orientation. Each gaugeblock shall be aligned individually. The reference di-rection shall be identified in terms of a suitable numer-ical alignment. For test-length measurements under re-peatability conditions, the left and right measurementfaces of the gauge block shall be probed in turn, at thecentres, if possible. This may be done by physicallyprobing the centre or by selecting the most centralpoint in a cloud of points. It is expressly stated thatonly one individual measurement point may be used.The gauge block shall remain stationary during thesethree measurements. Measuring a gauge block usuallyrequires an articulating system or a sensor with swing-and-tilt measurement axis.

Where ball bars or ball plates are probed, alignment isnot required but convenient from the practical point ofview (automated measurement procedure).

Measuring of the spheres shall be performed usingpoints distributed as evenly as possible over the entiresurface of the sphere. Using the articulating system,the measurement line of the sensor shall, if possible, bealigned perpendicular to the sphere surface. Makesure, at least, that the measurement points are as sym-metrical as possible to a plane that is perpendicular to


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durch den Kugelmittelpunkt liegen (Bild 10a). Diesmuss unbedingt eingehalten werden sonst treten zu-stzliche Abweichungen auf (Bild 10b undBild 10c).

the measurement line and goes through the sphere cen-tre (Figure 10a). It is essential to comply with this re-quirement, otherwise additional errors will be intro-duced (Figure 10b and Figure 10c).

a) Richtige Antastung beim Einsatz eines Dreh-/Schwenkge-lenks: Antastrichtung senkrecht zur Oberflche

a) Correct probing by using an articulating system: probingdirection perpendiculary to the sphere surface

b) Nicht-senkrechtes Antasten fhrt zu systematischen Abwei-chungen der Kugelpositionen und verflscht den Kugelmittel-punktabstand

b) Non perpendicular probing results in systematic error of theposition of the sphere and has effect of distance of the spherecentre

c) Erhhte Streuung in Messlinienrichtung

Bild 10. Anordnung der Messpunkte am Kugelstab in Abhngig-keit von der Antastrichtung und deren Auswirkung auf denKugelmittelpunktabstand

c) Higher uncertainty in direction of the measurement line

Fig. 10. Arrangement of measurement points in depending onthe probing direction on the ball bar and their consequences forthe distance of the sphere center


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Sind keine Dreh-/Schwenkgelenke im Einsatz wer-den ersatzweise mglichst vollstndige Halbkugelngemessen (Bild 11).Bei der Messung von Kugelpositionen treten im Ver-gleich zur Messung von Einzelpunkten auf Ebenenein Mittelungseffekt und gegebenenfalls eine Kom-pensation systematischer Antastabweichungen auf.Zur Herstellung der Vergleichbarkeit kann ein kurzesParallelendma nach oben beschriebener Verfahrens-weise mit jeder Messlnge zustzlich gemessen undhieraus ein Korrekturwert fr die jeweilige Mess-lnge ermittelt werden. Die Orientierung des Endma-es erfolgt parallel zur jeweiligen Messlinie von Ku-gelstab oder -platte. Alternativ kann der Korrektur-wert auch aus den Messungen zur Antastabweichunggewonnen werden. Der jeweilige Korrekturwert wirdanschlieend bei der Auswertung zur Ermittlung derLngenmessabweichung bercksichtigt (siehe Ab-schnitt 5.2.4.). Bei der Wiederholmessung derPrflngen werden alle Antastformelemente in derjeweils gleichen Reihenfolge angetastet.

5.2.4 AuswertungDie Auswertung ist davon abhngig, ob Endmae,Kugelstbe oder Kugelplatten als Prfkrper verwen-det werden.Kommen Endmae zur Ermittlung der Kenngrezum Einsatz, wird die Prflnge aus dem Abstandzweier Messpunkte auf gegenberliegenden End-maflchen berechnet. Die Differenz zwischen derPrflnge La (angezeigter Wert) und dem kalibriertenMittenma Lr (richtiger Wert) des Endmaes(DIN EN ISO 3650) ist die Lngenmessabwei-chung E:

E = La Lr

Where no articulating systems are used, completehemispheres, if possible, are measured instead (Fig-ure 11).Unlike for measurements of individual points onplanes, an averaging effect is encountered whenmeasuring sphere positions, possibly affording acompensation of bias errors. In order to ensure com-parability, a short gauge block with each test lengthmay be measured additionally, according to themethod outlined above, which allows to determine acorrection for the respective length. The gauge blockshall be aligned parallel to the respective measure-ment line of the ball bar or ball plate. Alternatively,the correction may be obtained from the measure-ments of the probing error. The pertinent correction isthen taken into account in the evaluation for deter-mining the error of indication for size measurement(see Section 5.2.4). When measuring the test lengthsunder repeatability conditions, all features to beprobed are approached in the same sequence.

5.2.4 EvaluationThe evaluation depends on whether gauge blocks,ball bars or ball plates are used as artefacts.

Where gauge blocks are used to determine the char-acteristic, the test length is calculated from the dis-tance of two measurement points on opposite faces ofthe gauge block. The difference between the testlength, La (indicated value), and the calibrated centrallength, Lr (true value), of the gauge block(DIN EN ISO 3650) is the error of indication for sizemeasurement, E:

E = La Lr

Bild 11. Richtige Antastung bei Verzicht auf Dreh-Schwenkge-lenke: systematische Antastabweichungen wirken sich in Mess-linienrichtung nicht aus

Fig. 11. Correct probing without using an articulating system:systematic errors have no effects in direction of the measure-ment line


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Werden Kugelstab oder Kugelplatte als Prfkrperzur Ermittlung der Lngenmessabweichung verwen-det, sind fr jede Testlnge die Kugelmittelpunkte(Positionen) der beide

vdi vde 2617-6.2 accuracy of cmms - guideline for the application of iso 10360 to cmms with optical...

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