Eignungsnachweis von Prüfprozesseignung downloaded from by on September 22, 2017

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1 Edgar Dietrich Alfred Schulze Prüfprozesseignung Prüfmittelfähigkeit und Messunsicherheit im aktuellen Normenumfeld 4., überarbeitete Auflage

2 Edgar Dietrich/Alfred Schulze Eignungsnachweis von Prüfprozessen Bleiben Sie auf dem Laufenden! Hanser Newsletter informieren Sie regelmäßig über neue Bücher und Termine aus den ver schiedenen Bereichen der Technik. Profitieren Sie auch von Gewinnspielen und exklusiven Leseproben. Gleich anmelden unter

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4 Edgar Dietrich/Alfred Schulze Eignungsnachweis von Prüfprozessen Prüfmittelfähigkeit und Messunsicherheit im aktuellen Normenumfeld 4., überarbeitete Auflage

5 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek: Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. ISBN E-Book ISBN Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Alle in diesem Buch enthaltenen Verfahren bzw. Daten wurden nach bestem Wissen dargestellt. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund sind die in diesem Buch enthaltenen Darstellungen und Daten mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autoren und Verlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgend-eine Art aus der Benutzung dieser Darstellungen oder Daten oder Teilen davon entsteht. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Einwilligung des Verlages in irgendeiner Form (Foto kopie, Mikrofilm oder einem anderen Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung mit Ausnahme der in den 53, 54 URG genannten Sonderfälle, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden Carl Hanser Verlag München Wien Lektorat: Dipl.-Ing.Volker Herzberg Herstellung: Der Buchmacher, Arthur Lenner, München Coverconcept: Marc Müller-Bremer, Rebranding, München, Germany Titelillustration: Atelier Frank Wohlgemuth, Bremen Coverrealisierung: Stephan Rönigk Druck und Bindung: Kösel, Krugzell Printed in Germany

6 Vorwort Die Bedeutung der Eignung von Prüfprozessen hat in den letzten Jahren immer mehr zugenommen. Ende der 80er-Jahre waren es nur einige wenige Firmenricht linien, die auf die Bedeutung der Prüfmittel hingewiesen haben und die Eignung mit sogenannten Fähigkeitsstudien gefordert haben. Im Laufe der Zeit sind immer neue und weitere Richtlinien hinzugekommen. Weiter wurde die Vorgehensweise immer mehr verfeinert und für die Anwendung verbessert. Nachdem sich diese Methodik etabliert hatte, kamen immer mehr Forderungen aus Quasi-Normen wie den Richt linien nach QS-9000 oder VDA 6.1 hinzu. Damit mussten Prüfmittelfähigkeitsuntersuchungen regelmäßig durchgeführt werden, um ein Zertifikat gemäß des jeweiligen QM-Systems zu erhalten. Mittlerweile ist zu dem Thema Fähigkeitsuntersuchung die Bestimmung der Mess unsicherheit für die Anwendungsfälle in der Fertigung hinzugekommen. So fordert beispielsweise die DIN EN ISO [17] für Längenmaße die Bestimmung der Mess unsicherheit und deren Berücksichtigung an den Spezifikationsgrenzen. Damit sind immer mehr Firmen verpflichtet im Rahmen ihres QM-Systems die Messunsicherheit zu berechnen und im jeweiligen Anwendungsfall zu verwalten. Um dies möglichst einfach durchführen zu können, hat mittlerweile der VDA den Band Prüfprozesseignung (VDA 5 [42]) herausgebracht. Bereits dem Titel ist zu entnehmen, dass man sich nicht ausschließlich mit dem Messgerät auseinandersetzt, sondern mit dem Messgerät plus aller darauf wirkenden Einflussfaktoren. In unserem Buch Statistische Verfahren zur Maschinen- und Prozessqualifikation [11] hatten wir bereits in der zweiten und dritten Auflage ein Kapitel dem Thema Prüfmittelfähigkeit gewidmet. Aufgrund der Vielfältigkeit der einzelnen Verfahren zum Nachweis der Prüfprozesseignung haben wir uns entschlossen, dieses Thema in der 4. Auflage nicht mehr zu behandeln und dafür das vorliegende Buch herauszu geben, das diese Thematik detaillierter behandelt. Besonders möchten wir uns bei Herrn Ofen (Robert Bosch GmbH, Bamberg) für die langjährige Zusammenarbeit und seine fachliche Unterstützung bedanken. Von ihm stammen große Teile des Buches Sonderfälle bei der Beurteilung von Messverfahren. Daraus haben wir mit seiner Zustimmung einige Textpassagen in das vorliegende Buch übernommen.

7 VI Vorwort Weiter möchten wir uns ganz herzlich bei Frau Mesad für das Layout und die Gestaltung des Buches bedanken. Bei Fragen können Sie sich auch direkt an die Q-DAS GmbH, Eisleber Str. 2, Weinheim, Tel.: 06201/3941-0, Fax: 06201/ , Hotline Tel.: 06201/ , wenden. Weinheim, April 2003 Edgar Dietrich und Alfred Schulze

8 Vorwort zur 2. Auflage Das in dem vorliegenden Buch behandelte Thema ist auf große Resonanz gestoßen. So hatten wir auf die erste Auflage ein hohes Feedback mit vielen Anregungen. Insbesondere möchten wir uns bei den Lesern bedanken, die uns auf die eine oder andere Unzulänglichkeit hingewiesen haben. Diese Vorschläge wurden aufgegriffen und in der neuen Auflage berücksichtigt. Mittlerweile ist der VDA Band 5 Prüfprozesseignung im Rotdruck erschienen. Dieser hat in der Fachwelt für eine Menge Diskussionsstoff gesorgt, aber auch Fragen aufgeworfen. Daher sind wir insbesondere auf diese Thematik näher eingegangen und haben Rechenbeispiele ergänzt. In vielen Gesprächen und Seminaren wurde immer der Wunsch geäußert, dass man sich zur Bestimmung der Erweiterten Messunsicherheit in Analogie zu der weit verbreiteten Vorgehensweise der Messmittelfähigkeit R&R eine ähnlich strukturierte Vorgehensweise wünscht. Daher haben wir basierend auf aktuell gültigen Normenentwürfen eine von den Autoren als so genannte AIO (All-in-One Methode) bezeichnete Vorgehensweise zur Bestimmung der erweiterten Messunsicherheit entwickelt. Damit können quasi kochrezeptartig die einzelnen Standardunsicherheiten ermittelt und als Endergebnis die erweiterte Messunsicherheit berechnet werden. Bei der Erstellung der neuen Rechenbeispiele hat uns Herr Dipl.-Ing. Michael Radeck unterstützt. Auch hat er das Thema Attributive Prüfmittel bearbeitet. Für seine Mithilfe möchten wir uns bei ihm recht herzlich bedanken. Weinheim, Mai 2004 Edgar Dietrich und Alfred Schulze

9 Vorwort zur 3. Auflage Zwar war die Bestimmung der Messunsicherheit gemäß der Anleitung zur Bestimmung der Messunsicherheit (GUM Guide to the Uncertainty in Measurement [23]) bereits in den vorangegangenen Auflagen vorhanden. Deren Anwendung in der industriellen Produktion war allerdings nur wenig verbreitet. Dies hat sich in letzter Zeit allerdings verändert. Insbesondere durch die neue ISO 10012:2004 [16] Messmanagementsysteme Anforderungen an Messprozesse und Messmittel hat dieses Thema deutlich an Bedeutung gewonnen. Wie der Untertitel dieser Norm ausdrückt, ist die Messunsicherheit für die jeweiligen Messprozesse nachzuweisen. Darin steht wörtlich: Die Messunsicherheit muss für jeden vom Messsystem überwachten Messprozess abgeschätzt werden. Die hierbei anzuwendenden Methoden sind im Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) [23] angegeben. Dies war Anlass, sich innerhalb dieses Buches mit dem Thema Messunsicherheit intensiver auseinanderzusetzen. Seit dem Erscheinen der zweiten Auflage im Mai 2004 sind weitere Firmenrichtlinien zu dem Thema Eignungsnachweis von Prüfprozessen veröffentlicht worden. Der dritten Auflage sind die Richtlinien von DaimlerChrysler LF05 und von der Robert Bosch GmbH Heft 10 angefügt. In beiden Richtlinien sind die in der vorliegenden Auflage theoretisch behandelten Verfahren und Vorgehensweisen für den Eignungsnachweis von Prüfprozessen umgesetzt. Mittlerweile liegen durch die Anwendung der Richtlinien innerhalb der Unternehmen und bei Zulieferern Erfahrungen im Umgang mit dieser Methodik vor, das den praktischen Nutzen zusätzlich bestätigt. Bei der Erstellung des Kapitels Bestimmung der Messunsicherheit hat uns Herr Dipl.-Ing. Stephan Conrad unterstützt. Für seine Mithilfe möchten wir uns bei ihm recht herzlich bedanken. Bei Fragen können Sie sich auch direkt an die Q-DAS GmbH & Co. KG, Eisleber Str. 2, Weinheim, Tel.: 06201/3941-0, Fax: 06201/ , Hotline Tel.: 06201/ , wenden. Weinheim, September 2006 Edgar Dietrich und Alfred Schulze

10 Vorwort zur 4. Auflage Sowohl die AIAG (Automotive Industry Action Group) als auch der VDA (Verband der Automobilindustrie) haben 2010 bzw die Leitfäden zum Eignungsnachweis von Prüfprozessen neu veröffentlicht. Während die 4. Ausgabe der MSA (Measurement System Analysis [1]) gegenüber der 3. Ausgabe nur unwesentliche Änderungen enthält, wurde der VDA Band 5 (Prüfprozesseignung [40]) gänzlich überarbeitet und unterscheidet sich gegenüber der 1. Ausgabe von 2003 erheblich. Daher ist das Kapitel 8 (Bestimmung der erweiterten Messunsicherheit nach VDA 5) vollständig über arbeitet worden. Weiter wurden Änderungen und Trends aufgrund der aktuellen Normung eingearbeitet. So gibt es mittlerweile die ISO , die inhaltlich mit dem VDA 5 Band identisch ist. Mein besonderer Dank gilt Herrn Michael Radeck für die intensive Durchsicht und die vielen Anregungen. Weinheim, November 2013 Edgar Dietrich

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12 Inhalt Vorwort V Vorwort zur 2. Auflage VII Vorwort zur 3. Auflage VIII Vorwort zur 4. Auflage IX 1 Prüfprozesseignung Einführung Warum Prüfprozesseignung? Historischer Rückblick und Ausblick Entwicklung Prüfprozessfähigkeit Entwicklung Prüfprozesseignung Prüfprozess oder Messprozess? Anmerkung Autoren zu MSA und VDA Experimentelle Beurteilung Definitionen und Begriffe Prozess Prüfprozess Prüfen Prüfmittel Messabweichungen und Messunsicherheit Messabweichungen Systematische Messabweichungen Zufällige Messabweichungen Messergebnis Wiederholpräzision Vergleichspräzision Linearität Stabilität/Messbeständigkeit Einflussgrößen auf den Messprozess Typische Einflussgrößen Auswirkung der Einflussgrößen beim Messsystem Bewertung des Messprozesses

13 XII Inhalt 4 Prüfmittelfähigkeit als Eignungsnachweis für Messprozesse Grundlegende Verfahren und Vorgehensweise Beurteilung Messmittel Unsicherheit des Normals/Einstellmeister Einfluss der Auflösung Beurteilung der Systematischen Messabweichung Verfahren Qualitätsfähigkeitskenngrößen Cg und Cgk Verfahren 1 für einseitig begrenzte Merkmale Verfahren 1 für mehrere Merkmale Linearität Begriffserklärung Linearität Beurteilung Prüfprozess Spannweitenmethode (Short Method) Verfahren 2: %GRR mit Bedienereinfluss Numerische Auswertung der Versuchsdaten Verfahren 3: %GRR ohne Bedienereinfluss Überprüfung der Messbeständigkeit Weitere Verfahren Verfahren Verfahren Vorgehensweise nach CNOMO Eignungsnachweis von attributiven Prüfprozessen Lehren Lehren oder Messen Voraussetzungen für eine erfolgreiche attributive Prüfung Untersuchung von attributiven Prüfprozessen Short Method Untersuchung von attributiven Prüfprozessen Erweiterte Methode Einleitung Testen von Hypothesen Aufbau einer Kreuztabelle für zwei Prüfer Kappa-Koeffizient nach Fleiss Beurteilung der Effektivität eines attributiven Prüfsystems Effektivität bei einem Prüfer ohne Referenz-Vergleich Effektivität bei einem Prüfer mit Referenz-Vergleich Effektivität bei allen Prüfern ohne Referenz-Vergleich Effektivität bei allen Prüfer mit Referenz-Vergleich Methode der Signalerkennung Symbol-Erläuterung Anmerkungen zur MSA 4th Edition Begriffsdefinition Separate Betrachtung Messsystem Auflösung Messgerät Systematische Messabweichung und Linearität

14 Inhalt 6.3 %GRR-Wert das Maß der Dinge Bezugsgrößen beeinflussen das Ergebnis Teilestreuung Prozess- und Vorläufige Prozessstreuung Die Toleranz als sinnvolle Bezugsgröße Wahrscheinlichkeit 99,73 % anstatt 99 % Attributive Prüfprozesse Erweiterte Mess unsicherheit als Eignungsnachweis für Messprozesse Guide to the expression of Uncertainty in Measurement Grundlagen Zielsetzung und Zweck der GUM Anwendungsbereich Der Inhalt des Leitfadens Definitionen und Begriffe Ermittlung von Messunsicherheiten Ermittlung der Standardunsicherheit Ermittlung der kombinierten Standardunsicherheit Ermittlung der erweiterten Unsicherheit Protokollierung der Unsicherheit Angabe des Ergebnisses Beispiel GUM H.1 Endmaß-Kalibrierung Messaufgabe Standardunsicherheiten Unsicherheit u(ls) der Kalibrierung des Normals Unsicherheit u(d) der gemessenen Längendifferenz Unsicherheit u(αs) des Wärmeausdehnungskoeffizienten Unsicherheit u(θ) der Temperaturabweichung des Endmaßes Unsicherheit u(δα) der Differenz der Ausdehnungskoeffizienten Unsicherheit u(δθ) der Temperaturdifferenz der Maße Kombinierte Standardunsicherheit Kalibrierung eines Gewichtsstückes mit dem Nennwert 10 kg (S2) Messaufgabe Standardunsicherheiten Erweiterte Messunsicherheit und vollständiges Messergebnis Kalibrierung eines Messschiebers Messaufgabe Standardmessunsicherheit (S10.3 S10.9) Erweiterte Messunsicherheit und vollständiges Messergebnis Interpretation des GUM für Prüfprozesse in der Serienfertigung Erweiterte M essunsicherheit nach ISO bzw. VDA Ablaufschema Schematisierte Vorgehensweise Eignung des Messprozesses mit minimaler Toleranz Bestimmung der Standardunsicherheiten XIII

15 XIV Inhalt 8.2 Fallbeispiele Standardunsicherheit Standardunsicherheit ucal Standardunsicherheit der Auflösung ure Standardunsicherheit ubi Standardunsicherheit ums bei Standardmessmittel Standardunsicherheit durch Gerätestreuung am Referenzteil uevr Standardunsicherheit durch Gerätestreuung am Objekt uevo Standardunsicherheit durch den Bedienereinfluss uav Standardunsicherheit durch das Messobjekt uobj Standardunsicherheit durch Temperatureinfluss ut Standardunsicherheit durch Linearitätsabweichungen ulin Mehrfachberücksichtigung von Unsicherheitskomponenten Bestimmung der Erweiterten Messunsicherheit Berücksichtigung der erweiterten Messunsicherheit an den Spezifikationsgrenzen 8.6 Fallbeispiele Längenmessung mit einem Standardmessmittel Beurteilung des Messsystems Beurteilung und Nachweis der Messprozesseignung Längenmessung mit speziellem Messmittel Fallbeispiel aus VDA Messprozesseignung mit drei Bezugsnormalen Eignungsnachweis für einen attributiven Prüfprozess mit dem Bowker-Test Vergleich Firmenrichtlinien, MSA mit VDA 5 bzw. ISO Vereinfachte Bestimmung der Messunsicherheit AIO-Verfahren ( All-in-One -Verfahren) Nachweis der Prüfprozesseignung Bestimmung der erweiterten Messunsicherheit Bestimmung der einzelnen Standardunsicherheiten Fallbeispiele zum Verfahren All-in-One Messprozess mit linearer Maßverkörperung Messprozess ohne lineare Maßverkörperung Sonderfälle bei der Prüfprozesseignung Was ist ein Sonderfall? Typische Sonderfälle Umgang mit nicht geeigneten Messprozessen Vorgehensweise zur Verbesserung von Prüfprozessen Typische Fragen zur Prüfprozesseignung Fragestellung Antworten

16 Inhalt 14 Eignungsnachweis bei der Sichtprüfung Anforderungen an die Sichtprüfung Eignungstest für Sichtprüfer Beschaffung von Prüfmitteln Beispiel für Messaufgabenbeschreibung Beispiel für Lastenheft Eignungsnachweis für Prüfsoftware Allgemeine Betrachtung Das Märchen von der Excel Tabelle Testbeispiele zur Prüfmittelfähigkeit Anhang Tabellen d2*-tabelle zur Bestimmung der K-Faktoren u. Freiheitsgrade für t Werte Eignungsgrenzen gemäß VDA k-faktoren Auswirkung des Messprozesses auf die Prozessfähigkeit Modelle der Varianzanalyse Messsystemanalyse Verfahren Messsystemanalyse Verfahren Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen Formeln Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Leitfaden zum Fähigkeitsnachweis von Messsystemen Musterdokumentation GM Powertrain Bosch DaimlerChrysler Index XV