Messsystemanalyse (MSA): Bewertung der Messfähigkeit und der Prozesszuverlässigkeit

Ein Messsystem umfasstfünf Komponenten: das Messgerät, den Bediener, die Messmethode, die Umgebung und das Werkstück. Das Messgerät – ein Lasertriangulationssensor, eine Infrarotkamera oder eine Koordinatenmessmaschine – ist eine Komponente des Messsystems. Wird das Gerät als das gesamte System betrachtet, führt dies zu MSA-Ergebnissen, die die tatsächlichen Messschwankungen unterschätzen, da Unterschiede zwischen den Bedienern, Abweichungen bei den Vorrichtungen und Schwankungen der Umgebungstemperatur allesamt zu Abweichungen beitragen, die die Gerätespezifikation allein nicht erfasst.

Ein Messsystem, das25 % der beobachteten Streuung ausmacht,führt zu unzuverlässigen Qualitätsentscheidungen: Einwandfreie Teile werden aussortiert und fehlerhafte Teile angenommen, was die Prozesskontrolle beeinträchtigt. Die MSA quantifiziert dieses Risiko, bevor ein Messsystem in die Produktion geht. Messunsicherheit und systematische Messfehler – der systematische Fehler – sind die beiden Hauptgrößen, die die MSA charakterisiert und zerlegt.

Der Messfehler ist die Differenz zwischen dem Mittelwert wiederholter Messungen an einem Referenzstandard und dem anerkannten Referenzwert dieses Standards.Ein 3D-Lasertriangulationssensor, der ein Kalibrierartefakt mit einer Nennhöhe von 10,000 mm misst und einen Mittelwert von 10,023 mm liefert, weist einen Messfehler von +23 µm auf. Der Messfehler wird durch Kalibrierung korrigiert, doch ein Messsystem mit unkorrigiertem Messfehler liefert über den gesamten Produktionslauf hinweg systematisch verschobene Ergebnisse. Die Messabweichung ist die übergeordnete Kategorie, in der der Bias die systematische, gerichtete Komponente darstellt.

Die Wiederholbarkeit ist die Abweichung, die entsteht, wenn ein einzelner Bediener dasselbe Teil mehrmals mit demselben Gerät unter identischen Bedingungen misst.Bei einem standardmäßigen Gage-R&R-Versuch wird die Wiederholbarkeit ermittelt, indem jeder Bediener dieselben Teile in mehreren Durchläufen erneut misst, wobei Bediener und Gerät konstant gehalten werden. Die Wiederholbarkeit entspricht dem geräteinternen Rauschpegel eines Messsystems: Sie stellt die minimal erreichbare Abweichung unter den am besten kontrollierten Bedingungen dar.

Reproduzierbarkeit bezeichnet die Abweichung, die entsteht, wenn verschiedene Bediener – oder unterschiedliche Vorrichtungen, Geräte oder Messorte – dasselbe Bauteil messen.Die Reproduzierbarkeit erfasst Abweichungsquellen, die bei wiederholten Messungen bestehen bleiben, sich jedoch je nach Bediener oder Messaufbau unterscheiden. Ein Messsystem, bei dem ein Bediener durchweg 15 µm höhere Werte misst als ein anderer, weist eine schlechte Reproduzierbarkeit auf, selbst wenn die individuelle Wiederholgenauigkeit jedes einzelnen Bedieners akzeptabel ist.

Stabilität ist die Veränderung des Messfehlers eines Messsystems im Laufe der Zeit, gemessen durch wiederholte Messungen am gleichen Referenzstandard in festgelegten Zeitabständen. Ein in einer Produktionsumgebung eingesetzter industrieller Sensor ist thermischen Driften, mechanischem Verschleiß und Veränderungen der Beleuchtungsbedingungen ausgesetzt, die sein output Stunden oder Tagen verschieben. Ein Messsystem ist stabil, wenn sein Messfehler während des gesamten Produktionszeitraums innerhalb definierter Kontrollgrenzen bleibt.Stabilitätsstudien verwenden Kontrollkarten mit 20–25 Messpunkten, die über einen repräsentativen Zeitraum von Tagen oder Wochen erfasst werden.

Linearität bezeichnet die Gleichmäßigkeit der Abweichung über den gesamten Messbereich des Messsystems.Ein Sensor, der bei 5 mm genau misst, bei 20 mm und 35 mm jedoch eine zunehmende Abweichung aufweist, weist eine schlechte Linearität auf. Die Linearität wird bewertet, indem standards mindestens fünfgleichmäßig über den Messbereich verteiltenReferenzwertengemessen und die Abweichung gegen den Referenzwert aufgetragen wird. Die Linearität definiert den Betriebsbereich, in dem die Spezifikationen eines Sensors gelten.

Das Gage-R&R-Modellzerlegt die gesamte beobachtete Streuung (TV) in drei Komponenten: Teil-zu-Teil-Streuung (PV), Wiederholbarkeit (EV, Messgerätestreuung) und Reproduzierbarkeit (AV, Prüfervariation). Die Standard-ANOVA-Methode trennt diese Komponenten mithilfe eines zweifaktoriellen gekreuzten Versuchsplans, bei dem die Teile und die Prüfer die beiden Faktoren darstellen. Das Verhältnis von Messgerätestreuung zu Gesamtspreuung bestimmt die Akzeptanzkennzahl %GRR.

Die Zerlegung lautet wie folgt:

\[ \text{TV} = \text{PV} + \text{GRR} \]

\[ \text{GRR} = \text{EV} + \text{AV} \]

\[ \%\text{GRR} = \frac{\text{GRR}}{\text{TV}} \times 100 \]

Dabei bezeichnet \( \text{EV} \) die Messgerätabweichung (Wiederholbarkeit), \( \text{AV} \) die Prüferabweichung (Reproduzierbarkeit), \( \text{PV} \) die Teil-zu-Teil-Abweichung und \( \text{TV} \) die Gesamtabweichung.

Bei einem gekreuzten Gage-R&R-Versuchsplan muss jeder Bediener jedes Teil der Studie messen.Ein verschachtelter Gage-R&R-Versuchsplan kommt zum Einsatz, wenn zerstörende Prüfungen eine erneute Messung desselben Teils verhindern. Bei einemgekreuzten Design mit 3 Bedienern, 10 Teilen und 3 Wiederholungsversuchen liefert die Studie 90 Messungen und ermittelt alle Wechselwirkungsterme zwischen Bedienern und Teilen. Bei einem verschachtelten Design werden jeder Kombination aus Bediener und Versuch einzigartige Teile zugewiesen, wodurch der Wechselwirkungsterm zwischen Bediener und Teil geopfert wird, aber die Möglichkeit erhalten bleibt, eine MSA unter zerstörenden Prüfbedingungen durchzuführen.

Die %GRR-Ergebnisse folgen den drei Annahmekategorien, die im AIAG-MSA-Standard (4. Auflage) definiert sind:

Bei der toleranzbasierten Bewertung – bei der der GRR nicht mit der Gesamtabweichung, sondern mit der Spezifikationstoleranz verglichen wird – werden dieselben Schwellenwerte verwendet, es ergeben sich jedoch andere absolute GRR-Prozentwerte. Die toleranzbasierte Formel lautet:

\[ \%\text{GRR}_{\text{tol}} = \frac{5,15 \times \sigma_{\text{GRR}}}{T} \times 100 \]

Dabei ist \( T \) die beidseitige Toleranz und \( \sigma_{\text{GRR}} \) die Standardabweichung der Messsystemschwankung.

Die Anzahl der unterschiedlichen Kategorien (ndc) gibt an,wie viele statistisch unterschiedliche Gruppen von Teilen das Messsystem innerhalb der Prozessschwankungen unterscheidet. Die ndc wird wie folgt berechnet:

\[ \text{ndc} = 1,41 \times \frac{\text{PV}}{\text{GRR}} \]

Ein Messsystem benötigt einen NDC-Wert von mindestens 5, um eine ausreichende Unterscheidungsfähigkeit für die Prozesssteuerung zu gewährleisten. Ein NDC-Wert von 1 oder 2 bedeutet, dass das Messsystem die Teile nur in zwei Gruppen unterteilt – im Wesentlichen „gut“ und „schlecht“ – und keine support Prozessüberwachung oder Cpk-Berechnungen support .

Bei einer Typ-1-Studie wird das Messsystemvon einem Bedienerunter stabilen Bedingungenanhand von 50 wiederholten Messungen an einem Referenzteilbewertet. Die Studie liefert zwei Fähigkeitsindizes:

Die Messsystemfähigkeit – bewertet anhand von \( C_g \) und \( C_{gk} \) – ist das aus Typ-1-Studien abgeleitete Fähigkeitskonzept. Sowohl die AIAG als auch der VDA legen Mindestschwellenwerte von 1,33 für die Akzeptanz des Messsystems fest.

Eine Typ-2-Studie ist dievollständige gekreuzte Gage-R&R-Studie: Mehrere Bediener messen mehrere Teile in mehreren Durchläufen. Die Norm AIAG MSA, 4. Auflage, empfiehlt mindestens10 Teile, 3 Bediener und 3 Durchläufe, was insgesamt 90 Messungen ergibt. Die Typ-2-Studie ist die Standard-MSA-Methode für Messsysteme in der Produktion und die Mindestanforderung für die Qualifizierung von Automobilzulieferern gemäß IATF 16949.

Eine Studie vom Typ 3 erweitert das Design vom Typ 2 umSchwankungen, die durch verschiedene Halterungen, Messorte oder räumliche Positionen innerhalb des Messfeldes bedingt sind. Dieser Studientyp gilt unmittelbar für 3D-Flächensensoren und Strukturlichtsysteme, bei denen das Messergebnis an einer bestimmten Stelle der Punktwolke aufgrund von Linsenverzerrungen, Beleuchtungsgradienten oder Ungleichmäßigkeiten bei der Sensorkalibrierung vom Ergebnis an einer anderen räumlichen Stelle abweichen kann. Eine Studie vom Typ 3 berücksichtigt neben Bediener und Bauteil auch den Messort als dritten Faktor und erfasst so die räumliche Komponente der Messabweichungen über das gesamte Sichtfeld des Sensors.

Die Attributübereinstimmungsanalyse dient der Bewertung von Messsystemen,diediskrete „Bestanden/Nicht bestanden“-Ergebnisseanstelle von kontinuierlichen Messwerten liefern. Im Rahmen des Untersuchungsdesigns wird die Übereinstimmungsrate zwischen den Bedienern sowie zwischen den Bedienern und einer bekannten Referenzentscheidung gemessen. Die Attributübereinstimmungsanalyse findet Anwendung bei visuellen Inspektionsaufgaben wie der Klassifizierung von Oberflächenfehlern, ist jedoch nicht die primäre MSA-Methode füroutput und Infrarotkamerasoutput .

Bei der statistischen Bewertung von zerstörenden Prüfungen (MSA) wird einverschachteltes Versuchsdesignverwendet, wenn der Messvorgang das Werkstück verändert oder zerstört, sodass wiederholte Messungen am selben Teil nicht möglich sind. Das verschachtelte Design gruppiert einzelne Teile innerhalb jeder Kombination aus Bediener und Versuchsdurchlauf. Homogene Produktionschargen – bei denen die Variation innerhalb einer Charge nachweislich geringer ist als die Variation zwischen den Chargen – dienen als Grundlage dafür, Teile innerhalb einer Charge als gleichwertig zu behandeln und die Wiederholbarkeitskomponente zu approximieren.

Bei der toleranzbasierten Bewertung wird die Variation des Messsystems (GRR) mit der Spezifikationstoleranz (T) verglichen. Bei der prozessbasierten Bewertung wird der GRR-Wert mit der Gesamtprozessvariation (TV) verglichen. Die beiden Ansätze ergeben für dasselbe Messsystem unterschiedliche %GRR-Werte:

Zwei normative Rahmenwerke regeln die MSA in der Automobilzulieferkette.Das „AIAG Measurement System Analysis Reference Manual“, 4. Auflage (2010), definiert Standarduntersuchungsdesigns, Akzeptanzgrenzen und Berichtsformate für nordamerikanische OEM-Zulieferer. VDA Band 5, „Prüfprozesseignung“ (2. Auflage, 2011), definiert die deutsche und europäische MSA-Methodik für die Automobilindustrie und verwendet Cg und Cgk als primäre Kennzahlen für Typ-1-Studien sowie den Q-Wert (%GRR relativ zur Toleranz) für Typ-2-Studien.

Ein Messsystem, dessen GRR-Wert den Ausschlussgrenzwert von 30 % überschreitet, erfordert vor dem Einsatz in der Produktioneine oder mehrere Korrekturmaßnahmen. Die vier wichtigsten Kategorien von Korrekturmaßnahmen sind:

1. Austausch des Sensors oder Umrüstungauf ein Gerät mit höherer Auflösung, wodurch die Geräteabweichung (EV) verringert wird.
2. Neugestaltung der Messvorrichtungzur Beseitigung von Schwankungen zwischen einzelnen Messdurchläufen, was zur Reproduzierbarkeit beiträgt (AV).
3. Schulung des Bedienpersonalszur Vereinheitlichung der Messverfahren und zur Verringerung der Abweichungen zwischen den einzelnen Bedienern.
4. Verbesserungen der Umgebungsbedingungenzur Verringerung von Temperatur-, Vibrations- oder Beleuchtungsschwankungen, die die Stabilität beeinträchtigen.

Kalibrierungsverfahren und Prozessvalidierung befassen sich mit der systematischen Verzerrung eines fehlerhaften Messsystems, beheben jedoch keine Probleme hinsichtlich der Wiederholbarkeit oder Reproduzierbarkeit, die auf mechanische oder verfahrenstechnische Ursachen zurückzuführen sind.

Ein Laser-Triangulationssensor erzeugt ein 2D-Höhenprofil, indem er eine Laserlinie projiziert und deren Ablenkung auf einem CMOS-Detektor erfasst. Die Messauflösung bestimmt den kleinsten erfassbaren Höhenunterschied über das gesamte Profil.Die MSA für Laser-Triangulationssensoren umfasst drei Untersuchungskomponenten:

1. EineTyp-1-Studiezu einem Kalibrierungsstandard zur Quantifizierung der Wiederholbarkeit und des systematischen Fehlers an einem einzelnen Messort.
2. EineTyp-3-Untersuchungüber mehrere laterale Positionen hinweg zur Quantifizierung der räumlichen Variation über die gesamte Profilbreite.
3. EineStabilitätsstudiemit 25 Messpunkten, die über eine Produktionsschicht verteilt sind, zur Charakterisierung der thermischen Drift.

Bezugspunktsysteme verankern das räumliche Koordinatensystem, in dem die Sensordaten und die auf die Höhe korrigierten Karten ausgewertet werden. Die vom Sensor erfassten Punktwolkendaten dienen als primäre input die nachfolgende geometrische Analyse und Oberflächeninspektion.

Eine Infrarotkamera misst die Oberflächentemperatur, indem sie die abgegebene Wärmestrahlung im Wellenlängenbereich von 8–14 µm erfasst.Drei Ursachen für Messabweichungen sind spezifisch für thermische Messsysteme:

1. Die thermische Drift des Focal-Plane-Arrays (FPA) des Detektors, die zu einer Verschiebung des output bis zu 2 °C während einer 30-minütigen Aufwärmphase führt.
2. Schwankungen des Emissionsgradesbei verschiedenen Werkstückmaterialien und Oberflächenbeschaffenheiten, wodurch sich das Verhältnis zwischen Strahlungsleistung und Oberflächentemperatur um bis zu 30 % zwischen lackierten Oberflächen mit hohem Emissionsgrad und metallischen Oberflächen mit niedrigem Emissionsgrad verändert.
3. Die räumliche Ungleichmäßigkeit der Sensitivitätüber das Kamera-Array hinweg führt zu einem Festmusterrauschen, das eine Korrektur der Ungleichmäßigkeit (NUC) erfordert.

Die MSA für Infrarotkameras quantifiziert jede Abweichungsquelle separat und legt die für die Messsystemfähigkeit erforderliche Mindestaufwärmzeit und das erforderliche NUC-Intervall fest.

In industriellen Produktionsumgebungen tretenvier Hauptursachen für Umgebungsschwankungenin sensorbasierten Messsystemen auf:

1. Schwankungen der Umgebungstemperaturzwischen ±5 °C und ±15 °C zwischen Schichtbeginn und Produktionsspitzenzeit.
2. Mechanische Schwingungenvon benachbarten Produktionsanlagen, die über die Befestigungskonstruktionen übertragen werden.
3. Streulichtvon Schweißlichtbögen oder wechselnde Umgebungslichtverhältnisse.
4. Verunreinigungen aus der Luftdurch Kühlmittelnebel oder Staub, die sich auf der Sensoroptik ablagern.

Maßnahmen zur Umgebungskontrolle – thermisch stabilisierte Befestigungskonstruktionen, Schwingungsdämpfer, Schutzgehäuse mit geregelter Spülluft – verringern diese Schwankungsquellen zwar, beseitigen sie jedoch nicht vollständig. MSA-Studien für Applikationen unter produktionsrelevanten Bedingungen und nicht unter Laborbedingungen durchgeführt werden, um die tatsächliche Leistungsfähigkeit des Messsystems widerzuspiegeln.

Ein Messsystem, das die MSA auf der Ebene der Bauteilprüfung besteht, erfordert vor dem Einsatz in einem automatisierten 100-Prozent-Prüfsystem eine zusätzliche Eignungsprüfung. In automatisierten 100-Prozent-Prüfanlagen tretendrei zusätzliche Variationsquellenauf, die in Standard-MSA-Studien nicht erfasst werden:

1. Abweichungen bei der Positionierung der Vorrichtung von Werkstück zu Werkstück, die sich auf die Lage des Werkstücks relativ zum Sensorbereich auswirken.
2. Eine durch den Durchsatz bedingte Verkürzung der Messzeit, die dazu führen kann, dass die Anzahl der Messungen pro Teil unter das in der Wiederholbarkeitsstudie festgelegte Minimum sinkt.
3. Abweichungen zwischen einzelnen Sensorenin Mehrsensor-Anlagen, die dasselbe Merkmal aus unterschiedlichen Blickwinkeln messen.

Eine vollständige MSA für eine automatisierte 100-Prozent-Prüfstation umfasst eine Kreuzstudie mit Produktionsvorrichtungen, Produktionsdurchsatzraten und allen Sensoreinheiten der Anlage.

The Automotive Industry Action Group (AIAG) Measurement System Analysis Reference Manual, 4th edition (2010), is the primary MSA standard for Tier 1 and Tier 2 automotive suppliers in North America. The manual defines the crossed Gage R&R, the nested Gage R&R, the Type 1 study, the attribute agreement analysis, and the bias/linearity/stability studies. Acceptance thresholds are: %GRR < 10% for full acceptance, 10–30% for conditional acceptance, and > 30% for rejection. The manual is a mandatory reference for IATF 16949 compliance.

VDA Band 5 definiert „Prüfprozessfähigkeit – Eignung von Messsystemen, Messprozessen, Prüfmitteln und Messunsicherheit“ (2. Auflage, 2011) als Norm zur Bewertung der Messprozessfähigkeit in der Automobilindustrie. Es verwendet Cg und Cgk als Indizes vom Typ 1 mit einem Mindestschwellenwert von 1,33 und den Q-Wert als Metrik vom Typ 2, der dem %GRR im Verhältnis zur Toleranz entspricht. Die Norm integriert zudem Konzepte der Messunsicherheit aus dem GUM-Rahmenwerk in die Fähigkeitsbewertung.

Die Norm ISO 22514-7, „Statistische Verfahren im Prozessmanagement – Prozessfähigkeit und Leistungsfähigkeit – Teil 7: Messprozessfähigkeit“, bildet deninternationalen Normenrahmen für die Messprozessfähigkeit und vereint die Ansätze der AIAG und des VDA in einer einheitlichen ISO-Struktur. Die Norm definiert Messprozessfähigkeitsindizes analog zu Cg und Cgk und legt Mindeststichprobengrößen sowie Untersuchungsprotokolle fest, die branchenübergreifend über die Automobilindustrie hinaus anwendbar sind.

ISO/IEC 17025 definiert die allgemeinen Anforderungen an die Kompetenz von Prüf- und Kalibrierlaboratorien, einschließlich der Anforderungen an die Rückführbarkeit von Messungen. Ein durch MSA qualifiziertes Messsystem arbeitet innerhalb einer Messkette, dieeine messtechnische Rückführbarkeit ihrer standards nationale oder internationale standards erfordert. MSA bestätigt die Leistungsfähigkeit des Messsystems innerhalb eines bestimmten Prozesses; die Rückführbarkeit bestätigt, dass die in der MSA-Studie verwendeten Referenzwerte selbst messtechnisch gültig sind. Beide Anforderungen sind für ein Messsystem notwendig, das gesetzliche oder vertragliche Qualitätsverpflichtungen erfüllt.