Prüfmittelfähigkeit (MSA): ein Überblick
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Kurz erklärt
Ein kalibriertes Messgerät ist nicht automatisch für jede Messaufgabe geeignet. Die Prüfmittelfähigkeit prüft, ob ein Messmittel für eine bestimmte Toleranz genau genug ist, und zwar nicht nur das Gerät allein, sondern das ganze Messsystem: Gerät, Prüfer, Werkstück, Umgebung. Die Methoden dafür heißen Messsystemanalyse (MSA). Sie werden vor allem in der Automobilindustrie verlangt.
Warum ist das wichtig?
Ein Messschieber mit 0,02 mm Auflösung ist kalibriert und in Ordnung. Trotzdem taugt er nicht, um ein Maß mit 0,05 mm Toleranz zu prüfen: Die Streuung zwischen zwei Messungen desselben Teils frisst bereits einen großen Teil der Toleranz. Das Ergebnis der Prüfung wäre Zufall.
Die Kalibrierung sagt: Das Gerät misst richtig. Die Fähigkeitsuntersuchung sagt: Das Gerät misst für diese Aufgabe genau genug. Beides wird gebraucht. In der Automobilzulieferkette ist die MSA nach IATF 16949 Pflicht (Abschnitt 7.1.5.1.1), in anderen Branchen ein Qualitätsmerkmal.
Im Detail
Kalibrierung und Fähigkeit nebeneinander
| Kalibrierung | Fähigkeitsuntersuchung | |
|---|---|---|
| Frage | Wie weit weicht das Gerät von einem Normal ab? | Ist das Messsystem für diese Toleranz genau genug? |
| Bezug | Normal | Toleranz des Merkmals |
| Umfasst | Gerät | Gerät, Prüfer, Teil, Umgebung, Verfahren |
| Wann | regelmäßig, nach Intervall | vor dem Einsatz, nach Änderungen |
| Ergebnis | Abweichung, Unsicherheit | Kennwerte wie Cg, Cgk, %GRR |
Die Nummerierung in Verfahren 1, 2 und 3 stammt aus dem Bosch-Heft 10 und wird so auch im VDA Band 5 verwendet. Das MSA-Handbuch der AIAG rechnet die Gage R&R nach der Mittelwert-Spannweiten-Methode oder per Varianzanalyse (ANOVA).
Verfahren 1: Wiederholpräzision am Normal (Cg, Cgk)
Ein Prüfer misst ein Normal oder ein Referenzteil mindestens 25-mal, unter gleichen Bedingungen. Aus der Streuung wird der Fähigkeitsindex Cg berechnet. Er setzt die Streuung des Messsystems ins Verhältnis zu einem festen Anteil der Toleranz, üblich sind 20 %. Cgk berücksichtigt zusätzlich die systematische Abweichung vom Referenzwert.
Die übliche Form der Formeln, mit T = Toleranzbreite, s = Standardabweichung der Messreihe, x̄ = Mittelwert und xm = Referenzwert:
- Cg = 0,2 · T / (6 · s)
- Cgk = (0,1 · T − |x̄ − xm|) / (3 · s)
Üblicher Grenzwert: Cg und Cgk größer oder gleich 1,33. Liegt das Gerät darunter, ist es für diese Toleranz nicht geeignet, egal wie gut sein Kalibrierschein aussieht. Werksnormen setzen den Toleranzanteil und den Grenzwert teils anders, deshalb gilt im Zweifel die Vorgabe des Kunden.
Zusätzlich gilt eine Regel für die Auflösung: Sie sollte höchstens 5 % der Toleranzbreite betragen.
Verfahren 2 und 3: Gage R&R
Hier kommen Mensch und Teil dazu. Mehrere Prüfer messen mehrere Teile mehrfach. Aus den Ergebnissen werden zwei Anteile getrennt:
- Wiederholbarkeit (Repeatability): Streuung, wenn derselbe Prüfer dasselbe Teil mehrfach misst. Das ist der Anteil des Geräts.
- Vergleichspräzision (Reproducibility): Unterschied zwischen den Prüfern. Das ist der Anteil des Menschen und der Methode.
Das Ergebnis heißt %GRR (Gage Repeatability and Reproducibility), bezogen auf die Toleranz oder die Prozessstreuung. Übliche Bewertung nach dem MSA-Handbuch der AIAG:
| %GRR | Bewertung |
|---|---|
| unter 10 % | Messsystem fähig |
| 10 bis 30 % | bedingt fähig, je nach Anwendung und Kosten akzeptabel |
| über 30 % | nicht fähig |
Der VDA Band 5 bewertet anders, über Eignungskennwerte für Messsystem und Messprozess (Q_MS, Q_MP) mit eigenen Grenzen.
Verfahren 3 ist die Variante für Messmittel, bei denen das Teil nicht vom Prüfer beeinflusst wird, etwa automatische Messstationen.
Attributive Prüfmittel
Lehren und Sichtprüfungen liefern kein Maß, nur „gut“ oder „schlecht“. Dafür gibt es eigene Verfahren, die prüfen, wie oft Prüfer bei Grenzteilen übereinstimmen und wie oft sie sich selbst widersprechen.
Woher die Methoden kommen
Die Referenzen sind das MSA-Handbuch der AIAG (Automotive Industry Action Group, 4. Ausgabe 2010) und in Deutschland der VDA Band 5 „Mess- und Prüfprozesse“ in der jeweils gültigen Ausgabe, der die Messunsicherheit nach GUM einbezieht. Beide fordern, dass die Eignung dokumentiert und bei Änderungen am Messprozess wiederholt wird.
Was das für das Prüfmittelmanagement heißt
Die Fähigkeit gehört an das Merkmal, nicht nur an das Gerät. Ein Messschieber kann für Toleranz A fähig sein und für Toleranz B nicht. Das Prüfmittelverzeichnis sollte deshalb festhalten, für welche Toleranzen ein Gerät freigegeben ist, und die Fähigkeitsnachweise am Gerät ablegen. Wird ein Gerät für eine neue Prüfaufgabe eingesetzt, wird die Untersuchung wiederholt.
Praxisbeispiel
Ein Zulieferer prüft eine Bohrung mit Toleranz ± 0,05 mm, also T = 0,1 mm, bisher mit einem Messschieber, Auflösung 0,01 mm. Die Kalibrierung ist unauffällig. Schon die Auflösung reicht nicht: 5 % von 0,1 mm wären 0,005 mm.
Im Verfahren 1 misst ein Prüfer einen Einstellring 25-mal, Standardabweichung 0,006 mm:
Cg = 0,2 · 0,1 mm / (6 · 0,006 mm) = 0,02 / 0,036 ≈ 0,56
Das liegt weit unter 1,33. Der Messschieber ist für diese Toleranz nicht fähig.
Das Werk stellt auf eine Innenmessschraube mit 0,001 mm Auflösung um. Neuer Versuch: Standardabweichung 0,002 mm, Mittelwert 0,001 mm über dem Referenzwert.
- Cg = 0,02 / (6 · 0,002) ≈ 1,67
- Cgk = (0,01 − 0,001) / (3 · 0,002) = 0,009 / 0,006 = 1,5
Beides liegt über 1,33. Dann folgt Gage R&R mit drei Prüfern und zehn Teilen: %GRR = 24 %. Bedingt fähig. Die Analyse zeigt, dass die Vergleichspräzision dominiert: Die Prüfer setzen das Gerät unterschiedlich an. Nach einer Schulung und einer Anschlaglehre liegt %GRR bei 8 %. Das Gerät hat sich nicht geändert, das Messsystem schon.
So unterstützt calServer
- Toleranz am Gerät und am Merkmal. Das Feld „Toleranz/Spezifikation“ am Gerät und die Prüfpläne mit Toleranzen je Messpunkt halten fest, wofür ein Gerät eingesetzt wird.
- Fähigkeitsnachweise am Gerät. Ab Professional werden Cg/Cgk- und Gage-R&R-Berichte als Dokument im DMS am Gerät abgelegt, mit Version und Datum, neben den Kalibrierscheinen.
- Freigabe für Merkmale. Über eigene Felder und Kategorien lässt sich hinterlegen, für welche Toleranzklassen oder Prüfaufgaben ein Gerät freigegeben ist.
- Wiederholmessungen im Prüfplan. In den Grundeinstellungen und je Messpunkt im Prüfplan lässt sich festlegen, wie viele Ablesungen erfasst werden. Die Streuung dieser Ablesungen ist eine erste Aussage zur Wiederholpräzision, ersetzt aber keine Fähigkeitsuntersuchung.
- Toleranzausnutzung und Verlauf. Das Toleranzdiagramm zeigt je Messpunkt, wie viel der Toleranz genutzt wird. Den Verlauf über die Jahre und die Drift zeigt das Modul „Messhistorie und Trend“. Beides ist eine Grundlage, um Fähigkeitsuntersuchungen gezielt zu planen.
Prüfpläne und Toleranzdiagramm gehören ab Basis zum Grundumfang, das DMS ab Professional, „Messhistorie und Trend“ ist ein eigenes Modul. Prüfpläne in calServer, Toleranz und Drift oder Demo anfragen.
Häufige Fragen
Brauche ich eine MSA, wenn ich nicht in der Automobilindustrie bin? Pflicht ist sie dort nicht. Sinnvoll ist sie überall, wo eine Messung eine Freigabe entscheidet und die Toleranz knapp ist. Ein Cg-Test dauert erfahrungsgemäß etwa eine halbe Stunde und beantwortet, ob ein Gerät zur Aufgabe passt.
Ersetzt die Messunsicherheit die MSA? Nein. Die Kalibrierunsicherheit beschreibt das Gerät. Die Unsicherheit des Prüfprozesses, wie sie der VDA Band 5 ermittelt, beschreibt den Einsatz, inklusive Prüfer, Teil und Umgebung. VDA 5 verbindet beides.
Wie oft muss eine MSA wiederholt werden? Nach Änderungen am Messsystem: neues Gerät, neuer Prüfer, neues Verfahren, anderes Merkmal. Ohne Änderung reicht eine regelmäßige Überprüfung, deren Rhythmus der Betrieb festlegt.
Was ist der Unterschied zwischen Cg und Cgk? Cg bewertet nur die Streuung. Cgk bezieht zusätzlich die Lage des Mittelwerts zum Referenzwert ein. Ein Gerät mit kleiner Streuung, aber systematischer Abweichung hat ein gutes Cg und ein schlechtes Cgk.