Messsystemanalyse (MSA)

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1 Messsystemanalyse (MSA) Inhaltsverzeichnis Ursachen & Auswirkungen von Messabweichungen Qualifikations- und Fähigkeitsnachweise Vorteile einer Fähigkeitsuntersuchung Anforderungen an das Messsystem Genauigkeit Wiederholbarkeit Reproduzierbarkeit Linearität Stabilität Diskriminierung Methoden der Messsystemanalyse Auflösung Verfahren 1 Verfahren 2 Verfahren 3 Übersicht Analyseverfahren Vorgehensweise der Messsystemanalyse Vorbereitung Durchführung Analyse und Verbesserung Gage R&R für diskrete (binäre) Daten Ziel Vorgehensweise Messsystemanalyse Typ I Ziel Vorgehensweise Messsystemanalyse Typ II

2 Ziel Vorgehensweise Vorteile

3 Ursachen und Auswirkungen von Messabweichungen Qualifikations- und Fähigkeitsnachweis

4 Vorteile einer Fähigkeitsuntersuchung Die Messsystemanalyse (engl. Measurement System Analysis, kurz MSA), auch als Messmittel- Fähigkeitsanalyse oder Prüfmittel-Fähigkeitsanalyse bekannt, bezeichnet die Analyse der Fähigkeit von Messmitteln sowie kompletten Messsystemen. Ziele: Quellen für Variation, die das Messergebnis beeinflussen können (Mensch, Material/Messobjekt, Methode, Maschine/Messgerät, Umwelt), erkennen, verstehen und minimieren Sicherstellen einer hohen Messqualität. Anforderungen an das Messsystem Genauigkeit Die Genauigkeit (engl. Accuracy) beschreibt die Nähe eines gemessenen Wertes zu einem akzeptierten Referenzwert. Sie wird durch wiederholtes Messen ein und desselben Prüflings ermittelt. Man vergleicht den Mittelwert der erfassten Messwerte mit dem wahren Merkmalswert des Prüflings. Sofern eine Differenz zwischen dem Mittelwert und dem wahren Wert auftritt, wird diese als systematische Messabweichung (engl. Bias) bezeichnet. In Abhängigkeit von der Differenz wird im Anschluss eine Aussage über die Genauigkeit bzw. Richtigkeit des Messmittels getroffen.

5 Wiederholbarkeit Die Wiederholbarkeit (bzw. Wiederholpräzision, engl. Repeatability/Precision) bezieht sich darauf, wie eng einzelne Messwerte (bei Erfassung der Einzelmesswerte unter wiederholbaren Bedingungen) beieinander liegen. [5] Um die Wiederholpräzision zu ermitteln, wird derselbe Prüfling vom selben Bediener mit demselben Messmittel am selben Ort mehrmals in schneller Folge gemessen, jedoch wird der Prüfling immer wieder zurückgelegt. Als Maß für die Wiederholpräzision wird die Standardabweichung der Messwerte herangezogen. Reproduzierbarkeit Die Reproduzierbarkeit (bzw. Nachvollziehbarkeit/Vergleichspräzision, engl. Reproducibility) beschreibt den Einfluss verschiedener Prüfer auf das Messergebnis. Unter identischen Bedingungen messen mehrere Prüfer dasselbe Teil mehrmals. Im Regelfall messen zwei oder drei Bediener das gleiche Teil, oder ein und derselbe Bediener wiederholt denselben Messvorgang an verschiedenen Orten oder mit verschiedenen Geräten. Innerhalb einer Messung ist zu beachten, dass nur eine der drei Variablen (Bediener, Ort, Gerät) verändert werden darf.

6 Die Unterschiede zwischen den von jedem Bediener (bzw. an jedem Ort oder mit jedem Gerät) beobachteten Mittelwerten werden dann als Maß für die Vergleichspräzision verwendet. Linearität Als linear gilt, wenn bei einem guten Messsystem die Variation über den gesamten Messbereich hinreichend klein und konstant ist. Um die Linearität zu untersuchen, werden vom selben Bediener, mit demselben Messmittel, am selben Ort und nach einem festgelegten Verfahren Messungen an mehreren Prüflingen durchgeführt. Deren Merkmalswerte sollen den gesamten, in der Praxis zu erwartenden, Wertebereich abdecken. Da jeder Prüfling mehrmals gemessen wird, müssen für jeden Prüfling die jeweiligen Mittelwerte der beobachteten Messwerte berechnet werden. Anschließend wird für jeden Prüfling die Differenz zwischen dem wahren Wert und dem in der Messung festgestellten Mittelwert ermittelt. Falls die Differenzen so groß sind, dass sie nicht als Zufallsstreuung erklärbar sind, so ist das Verhalten des Messmittels nicht linear.

7 Stabilität Gute Messsysteme produzieren stabile Messergebnisse im Zeitverlauf, d.h. ihre Variation über die Zeit ist minimal. Um die Stabilität (bzw. Messbeständigkeit, engl. Repeatability) zu untersuchen werden gemäß einem festgelegten Messverfahren mit derselben Geräteausrüstung am selben Ort und vom selben Bediener in festgelegten Zeitabständen mehrere Messungen ein und desselben Prüflings vorgenommen. Der Mittelwert der Messwerte wird dann nach jeder Messserie berechnet. Abhängig von den Differenzen zwischen den zu verschiedenen Zeitpunkten beobachteten Mittelwerten wird das Maß der Stabilität festgelegt. Diskriminierung Diskriminierung (Auflösung, engl. Discrimination/Repeatability) bedeutet, dass das Messsystem fähig ist, vorhandene Ausprägungsunterschiede zwischen unterschiedlichen Teilen aufzudecken. Methoden der Messsystemanalyse Jeder Messsystemanalyse geht eine Analyse der Auflösung des verwendeten Messmittels voraus. In der Praxis werden üblicherweise zwei Untersuchungsmethoden verwendet: das Verfahren 1 sowie das Verfahren 2. Die Analyse der erfassten Daten wird oft mit Statistiksoftware-Paketen durchgeführt. Auflösung Bei diesem Verfahren wird untersucht, ob die Messwertanzeige im Verhältnis zur Toleranz genau genug aufgelöst dargestellt wird. Im Allgemeinen werden 5% der Toleranz als Grenze herangezogen. Verfahren 1 Das Verfahren 1 (engl. type-1 study) soll die Genauigkeit und Wiederholpräzision eines Messsystems feststellen. Für die Untersuchung verwendet man ein Normal (Vergleichsgegenstand/-material) mit bekanntem Merkmalswert. Das Normal wird im Regelfall 50 mal, mindestens allerdings 25 mal, gemessen und dabei nach jeder Messung wieder zurückgelegt. Die Indizes C g und C gk werden auf Basis der Standardabweichung der Messwerte und der systematischen Messabweichung berechnet. Als Toleranzbereich für die Berechnung wird ein festgelegter Prozentsatz der Merkmalstoleranz oder Merkmalsstreuung verwendet.

8 Verfahren 2 Das Verfahren 2 (engl. type-2 study, Gauge R&R study) untersucht die Wiederhol- und Vergleichspräzision eines Messmittels (engl. Repeatability and Reproducibility, daher Gauge R&R). Das Verfahren wird erst angewendet, wenn das Messmittel entsprechend dem Verfahren 1 als fähig einstuft wurde. Üblicherweise werden zehn Teile, die nach Möglichkeit den gesamten Streubereich des gemessenen Merkmals abdecken sollten, zwei- oder dreimal von drei verschiedenen Bedienern (oder an drei verschiedenen Orten bzw. mit drei verschiedenen Geräten desselben Typs) gemessen. Zu beachten ist hierbei, dass keiner der Bediener Einsicht in die Ergebnisse der anderen Bediener hat. Zudem sollten die Teile bei jedem Durchgang in zufälliger Reihenfolge gemessen werden, sodass sich die Bediener nicht an Messergebnisse aus vorangegangenen Messungen erinnern können. Nach Abschluss der Messungen werden für jeden Bediener ein Gesamtmittelwert sowie ein durchschnittlicher Spannweitenwert, welcher auf den Differenzen zwischen dem größten und kleinsten ermittelten Messwert basiert, berechnet. Die Differenz zwischen dem größten und kleinsten Bedienermittelwert besitzt eine Aussagekraft über die Vergleichspräzision. Auf Basis der Wiederhol- und Vergleichspräzision wird dann die Gesamtstreuung des Messmittels berechnet und in Beziehung zur Merkmalsstreuung bzw. Toleranz gesetzt.

9 Verfahren 3 Bei dem 3. Verfahren (engl. type-3 study, R&R study) handelt es sich um einen Sonderfall des Verfahrens 2. Dieses nimmt an, dass der Bediener die Messeinrichtung nicht beeinflussen kann bzw. dass der Einfluss vernachlässigbar ist. Als typisches Anwendungsfeld wären automatisierte Messsysteme zu erwähnen. Übersicht Analyseverfahren

10 Vorgehensweise der Messsystemanalyse Vorbereitung Die Vorbereitung beinhaltet die Planung der Methoden in Abhängigkeit des Prüfverfahrens (subjektiv/objektiv), die Art des Messergebnisses (stetig oder diskret) sowie die zu prüfenden Anforderungen. MSA 1: Prüfung auf Genauigkeit und Wiederholpräzision MSA 2: Prüfung der Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit, genügende Diskriminierung Linearität und Bias Study: Prüfung der Linearität und Stabilitätsprüfung Anzahl der Prüflinge (Teile) Bei diskreten Messergebnissen werden am besten Grenzteile gewählt (gerade noch gut, gerade schon schlecht) Bei stetigen Messergebnissen soll das gesamte Produktionsspektrum geprüft werden Festlegen der Anzahl der Datenerfasser und der Wiederholungen Analyse vorbereiten, d.h. operationale Definition festlegen, Teil durchnummerieren und ausstellen etc. Durchführung Die Durchführung beinhaltet die Erfassung der Daten. Analyse und Verbesserung Im letzten Schritt sollen die Ergebnisse analysiert und interpretiert werden, um Maßnahmen ableiten zu können, die in der Folge durchgeführt werden.

11 Gage R&R für diskrete (binäre) Daten Ziel Mit dieser Methode sollen operationale Definitionen geprüft werden. Darüber hinaus dient sie der Sicherstellung, dass die Datenerhebung reproduzierbar und wiederholbar ist. Vorgehensweise Das Verfahren beginnt mit der Festlegung eines Experten. Dieser soll die Standards setzen. Die Datenerfasser haben die Aufgabe der Bereitstellung und Benennung der zu untersuchenden Teile. Im Regelfall bedeutet das, dass mindestens zwei Personen sowie 30 Stichproben erforderlich sind. Die zu prüfenden Teile bzw. Grenzteile sollen ausgewählt und durchgehend nummeriert werden. Anschließend legt der Experte mittels Sichtprüfung die Standards fest und hält die Ergebnisse (in Ordnung/nicht in Ordnung) im Messformular fest. Die erste Sichtprüfung wird nun vom ersten Datenerfasser durchgeführt; hiernach widmet sich der zweite Datenerfasser der zweiten Sichtprüfung. Der Vorgang wird wiederholt, ohne die eigenen erfassten Ergebnisse oder die Ergebnisse des anderen Datenerfassers sowie des Experten zu sehen. Zusätzlich sollte man die Reihenfolge der Teile in den Sichtprüfungen zufällig ändern. Abschließend wird die Übereinstimmung geprüft; bei einem guten Messsystem liegt diese bei 100%, als akzeptabel gilt ein Wert ab 90%. Die Gründe für das Verfehlen dieses Ziels sollten nun untersucht werden. Bei Ergebnissen, die unter der Marke von 90% liegen, gelten folgende Vorschriften: Operationale Definition überprüfen und ggf. neu definieren Intensivere Schulung der Datenerfasser durchführen Störeinflüsse gezielt untersuchen und eliminieren. Messsystemanalyse Typ I Ziel Die Messsystemanalyse des ersten Typs zielt auf die Prüfung der Genauigkeit und Wiederholpräzision des Messsystems ab. Des Weiteren dient sie der Gewinnung von Erkenntnissen über die Fähigkeit und Auflösung des Messsystems. Vorgehensweise Ein und dasselbe Referenzteil, dessen Ausprägungen bekannt sind (Referenzwert), wird unter identischen Bedingungen (gleicher Messaufbau am gleichen Ort, identische Umgebungsbedingungen, ein Prüfer) 30 (bis 50) mal unter jeweiligem Zurücklegen des Prüflings gemessen. Messsystemanalyse Typ II Ziel Das Verfahren prüft die Wiederholpräzision und Vergleichspräzision des Messsystems. Außerdem soll die Auflösung des Messsystems geprüft werden. Vorgehensweise Bei der Durchführung einer Gauge R&R für stetige Merkmale gilt die Regel, dass das folgende Produkt größer als 30 sein sollte: Anzahl Prüflinge x Anzahl Prüfer x Anzahl Wiederholungsmessungen.

12 Nach dem klassischen Ansatz wählt man mindestens 10 Prüflinge, die allerdings das gesamte zu erwartende Produktionsspektrum widerspiegeln sollten. Diese Teile könnten auch außerhalb der Spezifikationsgrenzen liegen. Mindestens 2 Prüfer in mindestens 2 Durchläufen je Teil und Prüfer untersuchen die Objekte dann. Die Ergebnisse werden wie folgt interpretiert: Vorteile Gibt Aufschluss darüber, ob das Messsystem zur Steuerung und Kontrolle erreichter Ergebnisse sensibel genug und gut kalibriert ist Verbesserung eines bestehenden Messsystems sowie Entwicklung eines neuen Messsystems Schafft Vertrauen zu Daten Entscheidungen werden auf Basis von Fakten und der Realität gefällt Dokumentation der tatsächlichen Abläufe innerhalb eines Prozesses Erkennen des Verbesserungspotentials.