Messunsicherheit am KreissegmentWarum der Radius mit dem Bogenwinkel unsicher wird

Ein Radius lässt sich nicht direkt antasten. Er ergibt sich immer aus einem Ausgleichskreis durch die Antastpunkte – und damit zwingend aus einem rechnerisch bestimmten Mittelpunkt.

Je kleiner der abgetastete Bogen, desto schwächer stützen die Punkte diesen Mittelpunkt. Die Darstellung unten zeigt das an einem simulierten Bauteil mit realer Ist-Kontur.

Der Effekt ist rein geometrisch bedingt. Er tritt bei jedem Messverfahren auf – ungeachtet des verwendeten Messmittels – und lässt sich auch durch ein genaueres Messgerät nicht beheben.
Soll-Kontur (CAD / Zeichnung)
Ist-Kontur (Formabweichung aus der Fertigung)
Antastpunkte einer Messung
Soll-Mittelpunkt
Ermittelte Mittelpunkte aus Wiederholmessungen
Antastpunkte je Messung
Anzahl der Stellen, an denen die Kontur erfasst wird. Mehr Punkte mitteln zufällige Streuung besser aus, ändern aber nichts an der Bogenlänge.
Formabweichung (PV)
Wie stark die reale Kontur von der Soll-Kontur abweicht. PV (Peak-to-Valley) ist die Differenz zwischen dem höchsten und dem tiefsten Punkt, also die gesamte Bandbreite der Abweichung. Sie entsteht in der Fertigung und ist eine Eigenschaft des Bauteils.
Antaststreuung (1σ)
Wie stark zwei Antastungen derselben Stelle auseinanderliegen. Sie beschreibt die zufällige Streuung des Messvorgangs selbst – Tasterelastizität, Rauschen des Sensors, Temperatur, Sauberkeit. 1σ heisst: rund zwei von drei Antastungen liegen innerhalb dieses Bereichs.
Darstellung überhöht
Reiner Anzeigefaktor. Formabweichung und Mittelpunktstreuung liegen im Bereich weniger Tausendstelmillimeter und wären im Massstab unsichtbar. Alle Bilder verwenden denselben Faktor und bleiben damit untereinander vergleichbar.

Streuung des Radiuswerts über den Bogenwinkel

Bis etwa 180° bleibt der Anstieg moderat. Darunter wächst die Unsicherheit überproportional – im letzten Drittel des Diagramms um mehr als eine Zehnerpotenz. Die Kurve zeigt den Verlauf einer Modellrechnung; die absoluten Werte hängen von Formabweichung, Antastpunktzahl und Antaststreuung ab und lassen sich über die Regler oben nachvollziehen.

Zahlenwerte

Kreissegment Antastpunkte Streuung Mittelpunkt 1σ Streuung Radius 1σ Faktor

Sinnvolle Alternativen zum Radiusmass am Segment

Bezug auf einen vorhandenen Vollkreis, oder Auswertung des Bogens als Formmerkmal statt als Radiusmass – als Profiltoleranz der Linie oder der Fläche.

Mass an stabiler Geometrie

Vollkreis als Bezug

Wo konstruktiv möglich, den Radius an einem vollständigen Kreis oder an einem Segment über 180° festlegen statt am kurzen Bogen. Über einen so grossen Winkelbereich stützen die Antastpunkte den Mittelpunkt stabil, der Radius wird belastbar.

Formmerkmal statt Mass

Profiltoleranz einer Linie

Die Kontur darf innerhalb eines Toleranzbandes um die Soll-Linie liegen. Toleriert wird die Linie selbst, nicht ein daraus abgeleiteter Radius. Die Prüfung braucht deshalb keinen Mittelpunkt und ist unabhängig vom Bogenwinkel.

Formmerkmal statt Mass

Profiltoleranz einer Fläche

Die gesamte Fläche darf innerhalb eines Toleranzraums um die Soll-Fläche liegen. Auch hier wird kein Mittelpunkt benötigt.

Was daraus folgt

Für die Fertigung

Ein Radius an einem kurzen Bogen ist kein belastbares Prüfmerkmal. Toleranzen im Hundertstel-Bereich auf Segmenten unter 90° lassen sich messtechnisch nicht sinnvoll nachweisen – unabhängig vom Aufwand.

Für die Messung

Mehr Antastpunkte reduzieren nur den Anteil der Antaststreuung. Der Anteil aus der Formabweichung bleibt bestehen, weil ein kurzer Bogen jeweils nur einen Ausschnitt der Welligkeit erfasst – erkennbar am Schieberegler «Antastpunkte».

Simulation: Nennradius 20 mm. Die Ist-Kontur wird aus überlagerten Harmonischen erzeugt (Welligkeit 2. bis 7. Ordnung) und auf den eingestellten PV-Wert (Peak-to-Valley) normiert. Je Segment werden 200 Wiederholmessungen mit zufälliger Antastpunktlage und normalverteilter Antaststreuung gerechnet und über einen Gauss-Ausgleichskreis (kleinste Quadrate, geometrisch) ausgewertet. Ausgewiesen ist die Standardabweichung der 200 Radiuswerte, bezogen auf den Wert beim Vollkreis.

Darstellung: Formabweichung, Antastpunktlage und Mittelpunktstreuung sind um den eingestellten Faktor überhöht gezeichnet, sonst wären sie im Massstab unsichtbar. Alle Panels verwenden denselben Faktor und sind damit direkt vergleichbar.

Aussagekraft: Die Darstellung ist eine Modellrechnung und ersetzt keine Unsicherheitsbetrachtung für ein konkretes Bauteil. Sie zeigt den geometrischen Zusammenhang zwischen Bogenwinkel und Radiusunsicherheit.

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