Wo liegen die Unterschiede?

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1 0 VERGLEICH VON MSA UND VDA BAND 5 Wo liegen die Unterschiede? MSA steht für Mesurement System Anlysis. Dieses Dokument wurde erstmls 1990 von der Automotive Industry Action Group (AIAG) veröffentlicht. Ein Vergleich der Originl-MSA mit dem jüngst vorgelegten VDA Bnd 5 zur Prüfprozesseignung zeigt: Die Unterschiede liegen im Detil. Bsierend uf der MSA, die mittlerweile in der 4. Ausgbe vorliegt, sind im Lufe der Jhre uch viele Firmenrichtlinien entstnden. Häufig werden diese umgngssprchlich ebenflls ls MSA bezeichnet, weichen ber vom Originl b. Relevnte Firmenrichtlinien im Umfeld der Automobilindustrie stmmen von Ford, GM, Mercedes, Bosch usw. und hben in diesen Konzernen weltweite Gültigkeit. Diese unterscheiden sich von der MSA der AIAG in einigen Punkten wesentlich. Alle gennnten Firmenrichtlinien bewerten zunächst ds Messsystem nhnd der sogennnten C g - und C gk - Werte, die in der Regel größer ls 1, sein müssen. Dzu wird ein klibriertes Referenzteil mit beknntem Nennwert x m etw 20 bis 25 Ml gemessen. Anhnd der sich ergebenden Stndrdbweichung s g und der Differenz zwischen dem Mittelwert x g und dem Nennwert des Referenzteils x m werden C g und C gk berechnet.als Bezugsgröße wird in den Firmenrichtlinien immer die Tolernz des zu messenden Merkmls herngezogen. Die MSA kennt keine C g - bzw. C gk -Werte und präferiert ls Bezugsgröße die Streuung der für die Untersuchung herngezogenen Teile. Die Tolernz ist ls Bezugsgröße uch gennnt, ber neben der Prozessstreuung und der vorläufigen Prozessfähigkeit P p nur eine von vier Möglichkeiten. Bei dem Vergleich des VDA Bnd 5 mit der MSA werden dher uch die Kennwerte der Firmenrichtlinien mit betrchtet. Der VDA Bnd 5 bsiert uf der ISO- Norm Mesurement Process Cpbility, die noch 2011 veröffentlicht wird. Von dher ist dvon uszugehen, dss künftig uch bei Audits nch DIN EN ISO 9001 die Eignung von Messprozessen uf dieser Bsis, uch ußerhlb der Automobilindustrie, nchgewiesen werden muss. Am Anfng wr die Begriffsbestimmung Auch bezüglich der Begriffe und Definitionen ht die MSA mngels interntionler Normierung Stndrds gesetzt. So wr ds erste interntionle Wörterbuch der Metrologie (VIM) bereits 1989 erschienen, ber erst in der Ausgbe von 1994 wurden die Begriffe wie Messsystem, Messprozess und Messunsicherheit definiert. Auch der Leitfden zur Angbe der Unsicherheit beim Messen (GUM) ist erst 1995 veröffentlicht worden. Die MSA ht sich zwr im Luf der vier Ausgben den Begriffen der interntionlen Normie-

2 1 rung ngenähert, ber grundlegende Begriffe beibehlten, ws ufgrund des hohen Verbreitungsgrds mehr ls verständlich ist. Typisches Beispiel ist der Begriff Messsystem selbst. Wie Bild 1 zeigt, steht der Begriff Messsystem im Sinne der MSA nicht im Kontext mit der Begriffsdefinition des VIM. Ds Messsystem im Sinne der MSA entspricht dem Messprozess im Sinne der interntionlen Normierung. Ds VIM kennt zwr uch den Begriff Messsystem. Dieses ist ber ein Unterelement des Messprozesses, ds die typischen Einflusskomponenten zusmmenfsst, die primär von den Herstellern des Messgeräts beeinflusst werden können. Genu diese seprte Betrchtung erreicht mn bei Firmenrichtlinien durch die Bestimmung der C g - und C gk -Werte. Denn unterschreiten diese Kennwerte bereits den geforderten Grenzwert von 1,, dnn ist mit hoher Whrscheinlichkeit dvon uszugehen, dss ds Messgerät unter Einbeziehung der Einflusskomponenten, die im relen Einstz (z. B. in der Fertigung) hinzukommen, nicht geeignet sein wird. Diese Unterscheidung ht sich in der Prxis ls äußerst sinnvoll erwiesen. Vorgehensweise Im Prinzip ist die Vorgehensweise zur Beurteilung des verwendeten Messsystems bzw. Messprozesses bei MSA, den Firmenrichtlinien und VDA Bnd 5 sehr ähnlich: Es werden unter relen Gegebenheiten Untersuchungen durchgeführt, die Messwerte grfisch und numerisch nlysiert, Kennwerte bestimmt und diese mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen. Anhnd dieser Bewertung wird über die Fähigkeit bzw. Eignung entschieden. Der große Unterschied zwischen MSA und VDA Bnd 5 liegt in der Berechnung der Kennwerte und der Anzhl der betrchteten Einflussgrößen, die beim Messen wirken (können). Bewertung nch MSA Bei der MSA wird die Fähigkeit durch Vergleich des ermittelten Gge-Repetbility-nd-Reproducibility-Werts (%GR&R, Bild 2) mit den vorgegebenen Grenzwerten bewertet.vor dessen Berechnung wird nur noch untersucht, ob die systemtische Messbweichung (bzw. die Linerität, soweit vorhnden) usreichend klein ist. Weiter wird die Anzhl der Dtenktegorien nhnd der Number of Dt Ctegories ndc bewertet. Dieser Wert muss größer ls 5 sein. Diese Betrchtung ist bei den Firmenrichtlinien und bei VDA Bnd 5 von der Zielsetzung her vergleichbr mit der Forderung, dss die Auflösung kleiner 5 % der Tolernz sein muss (s.auflösung). Flls der %GR&R-Wert die vorgegebenen Grenzen überschreitet, knn ufgrund des Werts selbst nicht beurteilt werden, wieso es zu dieser Überschreitung kommt. Dzu müssen Zwischenergebnisse herngezogen und ggf. weitere Untersuchungen vorgenommen werden. Dies ist sicherlich ein großer Nchteil der MSA. Bewertung gemäß VDA Bnd 5 Beim VDA Bnd 5 wird jede Komponente des Messprozesses, die Einfluss uf die Messunsicherheit ht, einzeln bewertet. Dzu wird für jede Einflusskomponen die sogennnte Stndrdunsicherheit u i QZ Jhrgng 56 (2011) 6

3 2 berechnet und drus für Messsystem und -prozess die erweiterte Messunsicherheit sowie ein Eignungskennwert bestimmt. Dbei knn, in Anlogie zu den in den Firmenrichtlinien verwendeten Kennwerten C g und C gk, ds Messsystem seprt bewertet werden. Die Einflusskomponenten im Einzelnen (Bild 1): Auflösung Sowohl gemäß Firmenrichtlinie ls uch bei der Vorgehensweise nch VDA Bnd 5 wird zunächst bewertet, ob die Auflösung kleiner ls 5 % der Tolernz des zu prüfenden Merkmls ist. Ist diese Forderung nicht erfüllt, erfolgt keine weitere Untersuchung, d ds Messgerät die Relität nicht usreichend widerspiegeln würde. Trotz Einhltung der 5 %-Forderung knn es ber vorkommen, dss bei Wiederholungsmessungen immer der gleiche Wert ngezeigt wird. In diesem Fll wird beim VDA Bnd 5 die Stndrdunsicherheit ufgrund der Auflösung u RE verwendet. Unsicherheit Referenzteile Die MSA sgt zu dieser Problemtik sehr wenig. In Firmenrichtlinien findet mn Hinweise, dss die Unsicherheit des Referenzteils (Norml, klibrierter Einstellmeister etc.) kleiner ls 5 % der Tolernz sein muss. Gemäß VDA Bnd 5 wird diese Unsicherheit bei der Bestimmung der erweiterten Messunsicherheit explizit berücksichtigt. Dies ist insbesondere bei der Abnhme von Messsystemen sinnvoll, d sehr häufig Einstellmeister mit großer Unsicherheit verwendet werden. Trifft mn bei Wiederholungsmessungen nicht immer die gleiche Messposition, dnn erhöht sich die Streuung. Diese Erhöhung ist ber nicht dem Messgerät nzulsten. Ohne die Einbeziehung der Unsicherheit des Normls führt dies bei Abnhmen immer wieder zu erheblichen Diskussionen zwischen Kunde und Hersteller des Messgeräts, die durch die seprte Betrchtung der Unsicherheit des Referenzteils vermieden werden. Wiederholbrkeit und systemtische Messbweichung Um diese Unsicherheitseinflüsse zu bewerten, werden n einem klibrierten Referenzteil mit beknntem Nennmß Wiederholungsmessungen durchgeführt und die Messwerte usgewertet: Die MSA fordert, dss die Streuung (sprich Stndrdbweichung) klein sein muss. Wie klein? Drüber gibt es keine konkrete Angbe. Bezüglich der systemtischen Messbweichung wird ein t-test durchgeführt. Liegt die Null ußerhlb des errechneten Vertruens- Einflussprmeter MSA 4 Firmenrichtlinien VDA 5 oder ISO/CD Informtionsquelle Auflösung/ Dtenktegorie ndc 5 %RE 5% RE %RE 5% und u = RE 2 Anzeige Messgerät Unsicherheit Referenzteil *) U 5% u CAL UCAL = Klibrierschein 2 Wiederholbrkeit m Referenzteil Systemtische Messbweichung Messsystem klein sein C g 1, u = EVR s t-test C gk 1, u BI = x x m Verfhren 1 (V1) Verfhren 1 (V1) Linerität t-test %LIN 5% ulin mx ubi i Wiederholbrkeit m Prüfobjekt Reproduzierbrkeit m Prüfobjekt Messsystem Messprozess = { } V1 n Normlen EV (ANOVA) u = EV( ANOVA) Verfhren 2 bzw. EVO AV (ANOVA) u = AV( ANOVA) Verfhren 2 bzw. AV Unsicherheit Prüfobjekt Wiederholungsmessungen n gleicher Position u = OBJ Tempertur πππππππππππππππππππππππππππ *) u = T Stbilität Qulitätsregelkrte ustab = / Qulitätsregelkrte oder Mit us: Zeichnungen Erfhrungswerten Abschätzungen Versuchen ähnlichen Messprozessen Lngzeitbeobchtungen usw. Andere πππππππππππππππππππππππππππ *) u REST *) Keine konkreten Angben bzw. wird bei %GRR nicht berücksichtigt Bild 1. Die in VDA Bnd 5 betrchteten Einflusskomponenten und die Berechnung der jeweiligen Stndrdunsicherheit im Vergleich mit den Bewertungselementen der MSA und der Firmenrichtlinien

4 bereichs von 95 %, wird die systemtische Messbweichung ls zu groß bewertet. In Firmenrichtlinien wird us den Messwerten der C g und C gk (s. oben) berechnet. Sind beide Werte größer ls 1,, wird ds Messsystem bzgl. Streuung und systemtischer Messbweichung ls geeignet ngesehen. Gemäß VDA Bnd 5 werden für beide Einflusskomponenten seprt die jeweiligen Stndrdunsicherheiten u EVR und u BI bestimmt. Zusmmen mit den nderen Einflusskomponenten (Auflösung und Unsicherheit Referenzteil) knn die erweiterte Messunsicherheit des Messsystems U MS und der Eignungskennwert Q MS berechnet (Bild 2) und mit dem empfohlenen Grenzwert von 15 % verglichen werden. Ist diese Forderung eingehlten, wird ds Messsystem ls geeignet bewertet. Wiederhol- und Reproduzierbrkeit m Prüfobjekt Zu deren Bewertung werden beispielsweise n zehn Prüfobjekten, die über die gesmte Tolernz verteilt sein sollten, von drei Prüfern jeweils zwei Wiederholungsmessungen durchgeführt (ndere Kombintionen sind ebenflls möglich) und die Messwerte usgewertet. Sowohl die MSA ls uch die meisten Firmenrichtlinien und der VDA Bnd 5 verwenden dzu die Anov-Methode (Anlysis of Vrince), um die Streuungskomponenten EV (Equipment Vrition) und AV (Appriser Vrition) zu bestimmen. Gemäß MSA und Firmenrichtlinien wird drus der %GR&R-Wert bestimmt. Im VDA Bnd 5 werden die beiden Komponenten seprt ls Stndrdunsicherheiten u EVO und u AV usgewiesen. Formbweichung des Prüfobjekts In Anlogie zur Unsicherheit des Referenzteils (Norml bzw. Einstellmeister) knn die Formbweichung des Prüfobjekts erheblichen Einfluss uf die Unsicherheit des Messprozesses hben. Dher drf diese bei der Bewertung nicht ußer Acht gelssen werden. Während in den ersten beiden MSA- Ausgben noch empfohlen wird, jedes Prüfobjekt n drei verschiedenen Stellen zu messen, um diese Einflüsse zu ermitteln, wird in den letzten beiden Ausgben druf kein Bezug mehr genommen. Der Aufwnd ist ntürlich immens. Um dieses Them zu umgehen, wird in der MSA und in Firmenrichtlinien druf verwiesen, die Wiederholungsmessung immer n der gleichen Messposition durchzuführen. Dies ist in der Prxis oftmls nicht möglich (typisches Beispiel: utomtisierte Messprozesse). Gemäß VDA Bnd 5 wird zur Bewertung der Formbweichung die Stndrdunsicherheitskomponente u OBJ bestimmt. Dzu werden mehrere Berechnungsmethoden vorgeschlgen. Tempertur Weder die MSA noch Firmenrichtlinien betrchten ds Them Tempertur usreichend. Mn setzt qusi konstnte Temperturverhältnisse von Prüfobjekt, Messgerät und Umgebung vorus. Im VDA Bnd 5 werden die Tempertureinflüsse nhnd der Stndrdunsicherheit u TEMP bewertet. Dzu werden mehrere Berechnungsmöglichkeiten vorgeschlgen. Stbilität Die Bewertung des Messsystems bzw. Messprozesses zu einem bestimmten Zeitpunkt ist die Grundlge für dessen Verwendungsentscheid. Es stellt sich ber die Frge: Bleibt der einml ls geeignet befundene Zustnd über die Einstzduer erhlten oder verändert sich ds Messsystem bzw. der MSA 4 / Firmenrichtlinien VDA 5 oder ISO/CD Eignungskennwert 2 2 EV + AV % GRR = 100% RF mit RF = Gesmtsteuerung TV, Prozessteuerung s, P p, P pk oder Tolernz ; letztere wird insbesondere bei Firmenrichtlinien verwendet 2 UMS 2 UMP QMS = 100% QMP = 100% mit = Tolernz n 2 U MS U u bzw. MP = 2 i i = 1, 2,,... i= 1 u i Stndrdunsicherheit der i-ten Einflusskomponenten für Messsystem bzw. Messprozess Grenzwerte %GRR 10% geeignet 10% < %GRR < 0% bedingt geeignet 0% %GRR nicht geeignet Messergebnis y = x ± U MP Q MS 15% geeignet Q MP 0% geeignet Grfische Bewertung GRR -U MP +U MP Gerätestreuung x Messwert L RF = U L U Hinweise: Bei Messwerten n den Spezifiktionsgrenzen (U bzw. L) knn es zu Fehlentscheidungen kommen. Messergebnis y muss innerhlb der Tolernz liegen (siehe DIN EN ISO 1425). Bild 2. Typische Kennwerte in MSA, Firmenrichtlinien und VDA Bnd 5 QZ Jhrgng 56 (2011) 6

5 4 Quellen A.I.A.G. Chrysler Corp., Ford Motor Co., Generl Motors Corp.: Mesurement Systems Anlysis, Reference Mnul. 4. Auflge, Michign (USA) 2010 DIN ISO/IEC Guide 99:2007: Interntionles Wörterbuch der Metrologie (VIM). Beuth Verlg, Berlin 2010 ISO/CD : Cpbility nd performnce Prt 7: Cpbility of Mesurement Processes. Genf 2011 VDA Bnd 5 Prüfprozesseignung. 2. Auflge, VDA, Berlin 2010 DIN Deutsches Institut für Normung: ISO/TS 16949: Vornorm: Qulitätsmngementsysteme Besondere Anforderungen bei Anwendungen von ISO 9001:2008 für die Serien- und Erstzteilproduktion in der Automobilindustrie. Beuth Verlg, Berlin 2009 DIN Deutsches Institut für Normung: ISO/IEC Guide 98- (2008): Guide to the expression of uncertinty in mesurement (GUM: 1995). Beuth Verlg, Berlin 1999 Neukirch, C.; Dietrich, E.: Messsystem und Messprozess sind zweierlei. QZ 4 (2011) 56, S Dietrich, E.: MSA Wht s new? QZ 1 (2011) 56, S Autor Dr.-Ing. Edgr Dietrich, geb. 1951, ist Autor zhlreicher Fchbücher zu den Themen Sttistik und Prüfverfhren. Seit 199 ist er Geschäftsführer der Q-DAS GmbH & Co. KG, Weinheim. Kontkt Edgr Dietrich T edgr.dietrich@q-ds.de Diesen Beitrg finden Sie online unter der Dokumentennummer: QZ11096 Messprozess signifiknt? Um diesen Zustnd zu überwchen, sind in regelmäßigen Abständen Wiederholungsmessungen n einem klibrierten Referenzteil durchzuführen und die Ergebnisse in einer Qulitätsregelkrte zu dokumentieren. Werden die vorher festgelegten Eingriffsgrenzen verletzt, ist die Fähigkeit bzw. Eignung von Messsystemen bzw. -prozessen neu zu bewerten. Diese Vorgehensweise wird in llen Dokumenten in gleicher Form empfohlen. Erweiterte Messunsicherheit und Eignungskennwert Diese Kennwerte werden nur im VDA Bnd 5 verwendet. Sowohl die erweiterte Messunsicherheit des Messprozesses U MP ls uch der Eignungskennwert Q MP können einfch us llen vorher bestimmten Stndrdunsicherheitskomponenten u i berechnet MSA & CO. werden (Bild 2). Beim Messprozess muss der Eignungskennwert kleiner ls 0 % sein. Ist diese Forderung erfüllt, wird der Messprozess ls geeignet bezeichnet. Welches System ist ds bessere? Die Vorteile der MSA liegen eindeutig in deren weltweit hohem Beknntheitsgrd und der vielfältigen Nutzung der drin beschriebenen Verfhren. Die detillierte Betrchtung der Einflusskomponenten beim Messprozess und deren Auswirkung uf die erweiterte Messunsicherheit spricht indes für den VDA Bnd 5. Weiter bsiert dieser uf einer ISO-Norm, die künftig für einen höheren Beknntheitsgrd der Betrchtungsweise beitrgen dürfte. Die Zeit wird zeigen, welchem Verfhren in Zukunft eine höhere Bedeutung zukommt. Geschichte der Beurteilung von Messverfhren Die erste Ausgbe der MSA stmmt von Erst 1 Jhre später erschien der VDA Bnd 5. Nhezu zeitgleich wurden 2010 die 4. Ausgbe der MSA und die 2. Ausgbe des VDA Bnd 5 veröffentlicht. Allein durch die Ttsche, dss die MSA schon über 20 Jhre existiert und zu diesem Themenbereich erst jetzt interntionle Normen entstehen, ist die MSA seit Jhrzehnten ds Mß der Dinge. Ihr Beknntheitsgrd stieg in den Neunzigerjhren, ls uf Druck der Automobilindustrie die Zulieferer sich b 1995 nch der QS (heute ISO/TS 16949) zertifizieren lssen mussten. Dbei werden Fähigkeitsuntersuchungen für die verwendeten Messsysteme gefordert. Wie diese Bewertungen vorzunehmen sind und welche Grenzwerte gelten, zeigt die MSA. Sowohl die QS-9000 ls uch die ISO/TS verweisen in Detilfrgen uf sie. Die deutschen Automobilkonzerne forderten in der Vergngenheit von ihren Zulieferern die Zertifizierung nch VDA 6.x (heute ISO/TS 16949). Dieser Bnd verweist druf, dss geeignete Verfhren zur Beurteilung der verwendeten Messverfhren hernzuziehen sind. D vor 200 der VDA Bnd 5 fehlte, wurden uch für diese Untersuchung Firmenrichtlinien, bsierend uf der MSA, herngezogen. Nch 200 stnden viele Zulieferer vor der Aufgbe, Eignungsnchweise nch MSA wie uch nch VDA Bnd 5 durchzuführen, d die deutschen Automobilkonzerne VDA Bnd 5 ls mitgeltende Unterlge in ihre Kunden-Lieferntenbewertungen ufgenommen hben.