MSA und GR&R für optische Messsysteme: Was sich gegenüber taktilen Prüfmitteln ändert

Warum brauchen auch automatisierte optische Systeme eine MSA?

Der Nachweis der Prüfmittelfähigkeit ist unabhängig von der Messtechnologie gefordert: IATF 16949 verlangt Messsystemanalysen für die in der Produktlenkung eingesetzten Prüfmittel, und Kunden im Automobilumfeld erwarten den Nachweis nach AIAG MSA oder VDA Band 5 unabhängig davon, ob taktil, optisch oder per Laser gemessen wird. Der Grund ist grundlegend: Jede beobachtete Prozessstreuung enthält die Messstreuung und jede Gut/Schlecht-Entscheidung an der Toleranzgrenze ist nur so verlässlich wie das Messsystem dahinter. Ein automatisiertes System erzeugt dabei sogar ein besonderes Risiko: Es liefert immer einen Wert, mit derselben souveränen Anmutung, ob die Messung stabil war oder nicht. Ohne MSA fehlt der Beleg, dass die Werte die Teile beschreiben und nicht die Tagesform der Anlage.

Die Grundbegriffe (systematische Abweichung, Wiederhol- und Vergleichspräzision) behandelt der Beitrag „Genauigkeit, Präzision, Wiederholpräzision, Auflösung: Was ist der Unterschied?”; die normseitigen Grundlagen zu Messabweichungen erläutert das Glossar Messfehler.

Welche Streuquellen ersetzen den Bedienereinfluss?

Beim optischen System verschwindet die Streuung nicht, sie wandert vom Menschen in den Aufbau. Die Gegenüberstellung zeigt, wo eine MSA für optische Systeme hinschauen muss:

Die Konsequenz für die Studienplanung: Eine GR&R, die nur „drei Bediener messen zehn Teile je dreimal" abbildet, prüft beim optischen System vor allem die Wiederholpräzision der Kamera, also die Streuquelle, die ohnehin am kleinsten ist. Aussagekräftig wird die Studie erst, wenn die tatsächlichen Einflussfaktoren als Faktoren im Studiendesign auftauchen: Neuaufnahme des Teils statt Messung in unveränderter Lage, verschiedene Schichten und Tageszeiten statt einer Laborsitzung, Teile in Serienoberfläche statt gereinigter Mustersätze.

Wie strukturiert man eine GR&R-Studie für ein automatisiertes optisches System?

Der Kerngedanke lautet: „Bediener" wird durch die realen Wechseleinflüsse ersetzt, und die Wiederholung muss den vollständigen Messzyklus umfassen, nicht nur die Bildaufnahme. Ein bewährter Aufbau in fünf Schritten:

• 1.
  Merkmal und Toleranz fixieren. Die Studie wird je Merkmal bewertet; Referenz ist die Toleranz (bei Prozessbewertung ergänzend die Prozessstreuung).
• 2.
  Teileauswahl über den realen Streubereich. Zehn Teile aus der Serienproduktion, die die tatsächliche Prozessstreuung und Oberflächenvarianz abdecken, einschließlich grenznaher Teile, nicht nur „schöner" Muster.
• 3.
  Wiederholung als kompletter Zyklus. Jedes Teil wird für jede Wiederholung entnommen und neu eingelegt bzw. neu zugeführt, damit Aufspannung und Teileanlage in die Wiederholpräzision eingehen. Messungen in unveränderter Lage führen zu einer systematischen Unterschätzung der realen Streuung.
• 4.
  „Bediener" durch reale Bedingungsfaktoren ersetzen. Je nach System: verschiedene Einleger/Schichten, verschiedene Tageszeiten (Fremdlicht, Temperatur), nach Möglichkeit ein Warm-/Kaltstart der Anlage. Bei vollautomatischer Zuführung tritt an die Stelle der Reproduzierbarkeit die zeitliche Stabilität, die über verteilte Messzeitpunkte erfasst wird.
• 5.
  Bewerten und dokumentieren. Auswertung als %GRR bezogen auf die Toleranz, ergänzt um Stabilitätskarte des Referenzteils; Ablage in der Prüfmittelakte als Fähigkeitsnachweis für Audits.

Für die Bewertung gelten die etablierten AIAG-Richtwerte: ein %GRR unter 10 % gilt als annehmbar, zwischen 10 % und 30 % als bedingt annehmbar (abhängig von der Bedeutung des Merkmals, den Kosten und der Freigabe durch den Kunden) und über 30 % als nicht annehmbar. VDA Band 5 verfolgt einen verwandten, aber stärker unsicherheitsbasierten Ansatz: Dort wird eine erweiterte Messunsicherheit ermittelt und der Toleranz gegenübergestellt; welcher Nachweis gefordert ist, legt der Kunde bzw. das QM-System fest.

Was ist bei Bildverarbeitungssystemen mit Gut/Schlecht-Ergebnis zu tun?

Liefert das System keine Messwerte, sondern attributive Entscheidungen, tritt an die Stelle der GR&R eine attributive MSA, etwa eine Signal-Erkennungs- bzw. Übereinstimmungsstudie nach AIAG. Dafür wird ein Mustersatz aus eindeutig guten, eindeutig schlechten und bewusst grenznahen Teilen zusammengestellt und mehrfach in zufälliger Reihenfolge geprüft; bewertet wird die Übereinstimmung des Systems mit der Referenzentscheidung und mit sich selbst. Zwei Praxispunkte sind entscheidend: Erstens steht und fällt die Studie mit den Grenzmustern: Ein Mustersatz ohne grenznahe Teile bescheinigt jedem System perfekte Ergebnisse. Zweitens lohnt es sich zu prüfen, ob die Prüfaufgabe nicht doch messend gelöst werden kann: Ein kontinuierlicher Messwert mit Grenzwert ist der attributiven Entscheidung methodisch überlegen, weil er eine reguläre GR&R, Trendüberwachung und SPC ermöglicht, siehe „SPC mit Prüf- und Messdaten: Welche Regelkarten und welche Reaktionen”.

Wo MSA-Standardrezepte bei optischen Systemen an Grenzen stoßen

Die etablierten MSA-Verfahren bleiben gültig, aber drei Einschränkungen sollte man kennen, bevor man Ergebnisse überinterpretiert. Erstens ist die Übertragbarkeit begrenzt: Ein %GRR gilt für die untersuchte Kombination aus Merkmal, Teilespektrum und Aufbau. Ändert sich die Oberfläche (neuer Lieferant, anderes Trennmittel im Spritzguss) oder das Prüfprogramm, ist der Nachweis zu wiederholen, bei optischen Systemen häufiger als bei taktilen, weil die Oberflächensensitivität höher ist. Zweitens kann eine formal bestandene GR&R eine systematische Abweichung verdecken: Die Studie bewertet Streuung; Linearität und systematische Abweichung über den Messbereich erfordern eigene Untersuchungen mit rückgeführten Referenzen. Drittens stammen die klassischen Kennzahlen aus der Welt der Stichprobenmessung; bei 100%-Inline-Systemen kommen Fragen der Langzeitstabilität, der Rekalibrierstrategie und des Umgangs mit Driftalarmen hinzu, die eine einmalige Studie nicht beantwortet. Hier hat sich ein wiederkehrender Kurznachweis (Stabilitätsteil mit Regelkarte) als Ergänzung etabliert. Diesen Zusammenhang beschreibt „Von der Stichprobenprüfung zur 100%-Inline-Messung”.

Häufig gestellte Fragen

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