Messgeräte-Leistungsfähigkeit: Analyse der Leistungsfähigkeit von Messgeräten

Eine Messgeräte-Eignungsstudie bewertet eineinzelnes Messgerät, das ein einzelnes Referenzteilunter stabilen Umgebungs- und Betriebsbedingungenmisst. Die Studie trennt die dem Messgerät innewohnende Messstreuung von den Schwankungen zwischen Bedienern und zwischen den einzelnen Teilen. Durch diese Trennung unterscheidet sich die Messgeräte-Eignungsstudie von der umfassenderen Messsystemanalyse (MSA), die alle Schwankungsquellen innerhalb eines Messsystems einbezieht.

Die Messgenauigkeit gilt für alle Messgeräte, die quantitative Messergebnisse liefern, daruntertaktile Messtaster, Lasertriangulationssensoren, konfokale Sensoren und Infrarotkameraszur Messung von Oberflächentemperaturverteilungen. Die Studie verlangt mindestens25 wiederholte Messungenan einem einzigen Referenzteil, die unter identischen Bedingungen von einem einzigen Bediener durchgeführt werden.

Die Messgerätetauglichkeit und die Prozessfähigkeit messen unterschiedliche Eigenschaften eines Produktionssystems.Die Prozessfähigkeitsindizes Cp und Cpk geben an, wie gut ein Fertigungsprozess die Abmessungen der Teile innerhalb der Toleranzen hält.Die Messgerätetauglichkeitsindizes Cg und Cgk geben an, wie gut ein Messgerät diese Abmessungen erfasst. Eine Prozessfähigkeitsstudie ist ungültig, wenn das zur Datenerfassung verwendete Messgerät keine ausreichende Messgerätetauglichkeit aufweist.

Drei internationale standards Branchendokumentelegen die Methodik zur Messgeräteeignungsprüfung fest:

• VDA Band 5(Messung der Prozesstauglichkeit, 2. Auflage) – das Rahmenwerk der deutschen Automobilindustrie
• ISO 22514-7(Statistische Verfahren im Prozessmanagement – Prozessfähigkeit und Prozessleistung – Teil 7: Messprozessfähigkeit) – das ISO-Rahmenwerk
• AIAG MSA-Handbuch(Messsystemanalyse, 4. Auflage) – die Methodik der nordamerikanischen Automobilzulieferkette

Cgist das Verhältnis eines festgelegten Anteils des Toleranzbandes zum Sechsfachen der Standardabweichung der Wiederholungsmessungen. Der Faktor 0,2 definiert den Untersuchungsbereich als20 % des gesamten Toleranzbandes– den Schwellenwert, innerhalb dessen die Streuung des Messgeräts liegen muss. $T$ ist die beidseitige Toleranz des Merkmals; $\sigma$ ist die Standardabweichung der wiederholten Messungen mit der Messlehre.

Cg = 0,2 × T⁶ × σCg​=6⋅σ0,2⋅T​

Cgkerweitert die Cg-Berechnung, indem es den systematischen Versatz zwischen dem gemessenen Mittelwert und dem Referenzwert berücksichtigt. xˉxˉ ist der Mittelwert der wiederholten Messungen; xrefxref​ ist der nominelle Referenzwert des Referenzteils. Cgk nimmt ab, wenn das Messgerät systematisch über oder unter dem Referenzwert misst.

Cgk=0,1⋅T−∣xˉ−xref∣3⋅σCgk​=3⋅σ0,1⋅T−∣xˉ−xref​∣​

Der Schwellenwert für Cg und Cgk beträgt gemäß VDA Band 51,33. Ein Messgerät mit Cg ≥ 1,33 und Cgk ≥ 1,33 wird als messfähig eingestuft und für die Produktionsmessung freigegeben.Drei Ergebnisbedingungenbestimmen die erforderlichen Maßnahmen:

%GR&R (Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der Messung, ausgedrückt als Prozentsatz der gesamten Studienvariation) ist eine ergänzende Kennzahl, die im Rahmen einer vollständigen Messsystemanalyse (MSA) berechnet wird. Im Gegensatz zu Cg und Cgk erfasst %GR&R sowohl die Wiederholbarkeit innerhalb eines Bedieners als auch die Reproduzierbarkeit zwischen verschiedenen Bedienern.Ein %GR&R-Wert unter 10 % wird als akzeptabel eingestuft. Die vollständige Methodik zur Berechnung von %GR&R ist im Artikel zur Messsystemanalyse (MSA) detailliert beschrieben.

Das in einer Eignungsprüfung verwendete Referenzteil ist ein physisches Teil oder ein Artefakt, dessen Nennwert für das gemessene Merkmal bekannt ist und auf nationale standards rückführbar ist.Vier Anforderungen definieren ein gültiges Referenzteil:

1. Der Nennwert liegt immittleren Drittel des Toleranzbereichsder Kennlinie.
2. Das Bauteil bleibt über die gesamte Untersuchungsdauer hinweg stabil und verformt sich nicht, oxidiert nicht und verändert sich thermisch nicht.
3. Die Oberflächeneigenschaften des Referenzteils entsprechen denen der Serienteile – ein entscheidender Faktor für optische Messsysteme.
4. Das Bauteil wird mit einemKalibrierzertifikat geliefert,das die messtechnische Rückverfolgbarkeit gewährleistet.

Die Umgebungsbedingungen während der Studie müssen den Bedingungen entsprechen, unter denen das Gerät in der Produktion eingesetzt wird. Temperatur, Vibration und Luftfeuchtigkeit werden im Rahmen des Studienprotokolls aufgezeichnet und dokumentiert.

Eine Leistungsstudie nach Typ 1 umfasst25 oder 50 wiederholte Messungen, die von einem einzigen Bediener an einem einzigen Referenzteil durchgeführt werden, ohne dass das Teil zwischen den Messungen neu positioniert wird. Der Bediener misst das Referenzteil, bringt das Messgerät in eine definierte Ausgangsposition zurück und wiederholt den Messzyklus. Die Studie isoliert die dem Messgerät innewohnende Messwiederholbarkeit von den Auswirkungen der Neupositionierung und des Bedieners.

Bei optischen 3D-Sensoren und Infrarotkameras von AT Sensors umfasst der Messzyklusdie Sensorauslösung, die Datenerfassung und die Extraktion des Messergebnissesaus der Punktwolke oder dem Wärmebild. Alle drei Schritte müssen bei jedem der 25 Messzyklen identisch sein, um valide Wiederholbarkeitsdaten zu gewährleisten.

Die Auswertung berechnet die Standardabweichung $\sigma$ aus den 25 Wiederholungsmessungen und berechnet anschließend Cg und Cgk.Die Dokumentation erfasst 7 Datenelemente:

Die Standardabweichung $\sigma$ , die zur BerechnungvonCg verwendet wird, entspricht derWiederholbarkeitskomponente der erweiterten Messunsicherheit.Ein Messgerät mit einer im Verhältnis zur Toleranz großen Messunsicherheit liefert einen niedrigen Cg-Wert und unterschreitet damit den Fähigkeitsschwellenwert. Eine Verringerung der Messunsicherheit – durch verbesserte Sensorhardware, thermische Stabilisierung oder Schwingungsisolierung – erhöht den Cg-Wert direkt.

Der ISO/IEC-Leitfaden 98-3 (GUM – Leitfaden zur Angabe der Messunsicherheit) und die Norm ISO 22514-7 definieren den formalen Zusammenhang zwischen Messgeräte-Leistungsindizes und der erweiterten Messunsicherheit für Messprozesse in der Fertigung.Der VDA-Band 5 enthält die für die Automobilindustrie angepasste Versiondieses Zusammenhangs.

Die Auflösung eines Messgeräts begrenzt die kleinste nachweisbare Änderung der Messgröße.Ein Gerät, dessen Auflösung gröber ist als$\sigma /4\sigma /4$der Untersuchung, kann kein gültiges Ergebnis zur Messfähigkeit liefern,da die Diskretisierung des Messsignals künstliche Wiederholbarkeitsfehler verursacht. Bei 3D-Sensoren bestimmen die Punktwolkenauflösung und der Subpixel-Interpolationsalgorithmus des Sensors die effektive Auflösung, die für die Fähigkeitsuntersuchung zur Verfügung steht.

Linearitätsfehler führen zu einer systematischen Abweichung, die über den Messbereich variiert. Ein Sensor mit schlechter Linearität liefert an verschiedenen Positionen innerhalb seines Messbereichs unterschiedliche Cgk-Werte. Die Sensorauflösung und die Linearität werden jeweils in eigenen Artikeln im Objektvermessung behandelt.

Die messtechnische Rückführbarkeit verbindet das Messergebnis einer Messmittelbeurteilungüber eine lückenlose Kette von Kalibrierungen, die jeweils eine dokumentierte Messunsicherheit beitragen, mit nationalen oder internationalen standards. VDA Band 5 schreibt vor, dass das in der Typ-1-Untersuchung verwendete Referenzteil von einem nach ISO/IEC 17025 akkreditierten Labor kalibriert werden muss. Die Rückführbarkeit stellt sicher, dass die an einer Messstation ermittelten Cg- und Cgk-Werte mit den Werten vergleichbar sind, die an einer anderen Station, bei einem Lieferanten oder in einer Kundenanlage ermittelt wurden.

Bei der automatisierten 100-prozentigen Prüfung wird jedes in der Fertigungslinie hergestellte Teil gemessen. In diesen Systemen führt das Messgerät pro Schicht Tausende von Messzyklen ohne Eingreifen des Bedieners durch.Die Messfähigkeit in 100-prozentigen Prüfsystemen muss drei zusätzliche Einflussfaktoren berücksichtigen:

• Temperaturdrift des Sensors bei längerem Betrieb
• Vibrationen, die von der Produktionsumgebung auf die Sensorhalterung übertragen werden
• Der Einfluss von Oberflächenabweichungen zwischen Bauteilen auf optische Messsysteme

Die AT Sensors nutzen die Prinzipien der Lasertriangulation und des strukturierten Lichts,um geometrische Merkmale wieHöhe, Stufenhöhe, Ebenheit und Profilabmessungenzu messen.Bei Eignungsprüfungen für diese Sensoren wird ein kalibriertes Stufenartifakt mit einer zertifizierten Stufenhöhe innerhalb des Messbereichs als Referenzteil verwendet. Für die Stufenhöhenmessung werden die Cg- und Cgk-Werte berechnet, die den Schwellenwert von 1,33 erfüllen müssen, bevor der Sensor für das von ihm in der Produktion gemessene geometrische Merkmal freigegeben wird.

AT Sensors messen thermische Eigenschaften wieOberflächentemperatur, Temperaturverteilung und Temperaturgradienten.Bei Eignungsprüfungen für Infrarotkameras werden blackbody als Referenzobjekte verwendet, deren Strahlungstemperatur rückführbar auf nationale standards kalibriert ist. Der Schwellenwert von 1,33 gilt gleichermaßen für die Temperaturmessfähigkeit wie für die geometrische Messfähigkeit.

Qualitätsmanagementsysteme nach IATF 16949 und ISO 9001 erfordern einen dokumentierten Nachweis über die Qualifizierung von Messmitteln.Der Bericht zur Messmittel-Eignungsstudie – einschließlich Rohdaten, Kennzahlen und Freigabeentscheidung – ist Bestandteil der Messsystemdokumentation, die für die Kundenzulassung in der Automobilzulieferkette erforderlich ist (PPAP – Production Part Approval Process). Das Dokument zur Eignungsstudie wird als Qualitätsaufzeichnung für die gesamte Laufzeit des Produktionsprogramms aufbewahrt.