Messsystemanalyse (MSA): Verfahren und Beispiel

Die Messsystemanalyse (MSA) prüft, ob ein Messsystem ein bestimmtes Merkmal genau und gleichbleibend genug misst, um daraus Entscheidungen abzuleiten: Bauteil in Ordnung oder Ausschuss, Prozess stabil oder nicht. Zum Messsystem gehören das Messgerät, die Aufnahme des Bauteils, der Prüfer, die Messmethode und die Umgebung. Die MSA zerlegt die Streuung der Messwerte und zeigt, welcher Teil vom Messsystem stammt und welcher von den Bauteilen.

In der Automobilindustrie gehört sie zur Qualitätsplanung, und für die Bemusterung nach PPAP gehören ihre Ergebnisse zu den Unterlagen. Die Verfahren beschreiben das Referenzhandbuch MSA der AIAG und Richtlinien von Herstellern wie Heft 10 der Bosch-Schriftenreihe. VDA Band 5 (3. Auflage 2021) und ISO 22514-7 bewerten den Messprozess zusätzlich über die Messunsicherheit.

Fünf Eigenschaften eines Messsystems

Vor jeder Untersuchung steht die Auflösung des Messgeräts. Bosch Heft 10 prüft als Erstes, ob sie unter 5 % der Toleranz liegt. Die oft zitierte goldene Regel der Messtechnik verlangt als Erfahrungswert, dass das Messmittel mindestens zehnmal genauer ist als die Toleranz. Bosch prüft daran in einer zweiten Stufe, ob die Auflösung unter 10 % der Toleranz liegt.

Verfahren 1: Cg und Cgk am Normal

Ein Prüfer misst ein kalibriertes Normal unter Serienbedingungen wiederholt, üblich sind 50 Messungen, mindestens 25. Aus Mittelwert x̄ und Standardabweichung s der Messwerte, der Toleranz T und dem Referenzwert x_m des Normals folgen zwei Kennwerte:

Cg = 0,2 · T / (6 · s) und Cgk = (0,1 · T − |x̄ − x_m|) / (3 · s)

Cg bewertet nur die Streuung, Cgk zusätzlich die Abweichung vom richtigen Wert. Bosch Heft 10 (Ausgabe 11.2019) nennt für beide mindestens 1,33. Verfahren 1 gehört nicht zum AIAG-Handbuch, steht aber in abgewandelter Form in den Richtlinien vieler Automobilhersteller.

Die Zahlen sind ausgedacht und dienen nur der Anschauung. Eine Welle hat den Durchmesser 20 mm ± 0,05 mm, die Toleranz T beträgt also 0,10 mm. Das Normal ist auf 20,002 mm kalibriert. 50 Messungen ergeben x̄ = 20,004 mm und s = 0,0012 mm.

Das Messsystem ist für dieses Merkmal fähig. Für eine Passung mit 20 mm ± 0,01 mm wäre es dasselbe Gerät nicht mehr, Cg fiele auf 0,56. Die Fähigkeit gilt also immer für ein Merkmal mit seiner Toleranz.

Verfahren 2: Wiederhol- und Vergleichspräzision (%GRR)

Verfahren 2 bezieht den Prüfer ein. Üblich sind 10 Bauteile, die den Toleranzbereich abdecken, 3 Prüfer und 2 oder 3 Messungen je Bauteil und Prüfer, in zufälliger Reihenfolge. Ausgewertet wird bevorzugt mit der Varianzanalyse (ANOVA). Sie trennt die Streuung des Geräts (EV, Wiederholpräzision) von der Streuung zwischen den Prüfern (AV, Vergleichspräzision). Zusammen ergeben sie die GRR, kurz für Gauge Repeatability and Reproducibility. Das NIST-Handbuch beschreibt solche Studien als Grundlage, um die Messunsicherheit eines Messmittels in der Fertigung zu bestimmen (NIST/SEMATECH).

%GRR = 6 · σ_GRR / T · 100 % mit σ_GRR = √(σ_EV² + σ_AV²)

Im Beispiel der Welle ergibt die Untersuchung σ_EV = 0,0015 mm und σ_AV = 0,0010 mm. Daraus folgen σ_GRR = 0,0018 mm und %GRR = 6 × 0,0018 ÷ 0,10 = 10,8 %. Bezugsgröße ist hier die Toleranz, wie bei Bosch. Die AIAG empfiehlt drei Messungen je Bauteil und als Bezugsgröße die Gesamtstreuung der Messwerte, das Ergebnis fällt dann anders aus. Manche Kunden verlangen genau diese Auswertung.

Mit 10,8 % liegt das Beispiel knapp im bedingten Bereich, den größeren Anteil hat das Gerät. Bevor neue Messtechnik gekauft wird, lohnt der Blick auf die Aufnahme. Liegt die Welle bei jeder Messung gleich, kann σ_EV sinken. Ein großer AV-Anteil weist dagegen auf unterschiedliche Handhabung durch die Prüfer hin, etwa beim Anlegen oder Ablesen. Bosch nennt einen weiteren Grund für ein schlechtes Ergebnis, der nicht beim Messmittel liegt: ein Merkmal, das am Bauteil selbst ungleichmäßig ist. Nach AIAG soll das Messsystem außerdem mindestens fünf Klassen von Bauteilen unterscheiden können (ndc ≥ 5).

Verfahren 3: automatische Messung ohne Prüfer

Bei Messautomaten und Inline-Messung hat der Prüfer keinen Einfluss. Verfahren 3 misst mindestens 25 Bauteile je zweimal, ausgewertet wird nur die Wiederholpräzision, die Grenzen für %GRR sind dieselben. Ein Messsystem kann Verfahren 1 am Normal bestehen und Verfahren 3 an echten Bauteilen trotzdem nicht, weil Messverfahren und Bauteil zusammenwirken.

Für attributive Prüfungen mit Lehre oder Sichtprüfung beschreibt Bosch Heft 10 ein eigenes Verfahren 7. Mehrere Prüfer bewerten vorher eingestufte Referenzteile mehrfach, ausgewertet wird die Übereinstimmung mit der Kennzahl Kappa. Ab 0,9 gilt der Prüfprozess als fähig.

Messsystemanalyse und Maschinenfähigkeit

Die Maschinenfähigkeitsuntersuchung (MFU) fragt, ob die Maschine ein Merkmal sicher innerhalb der Toleranz fertigt, und liefert die Kennwerte Cm und Cmk. Dafür werden Bauteile gemessen, die unter gleichbleibenden Bedingungen kurz hintereinander gefertigt wurden. Die MSA fragt, ob man diesen Messwerten trauen kann. Deshalb kommt sie zuerst. Streut das Messsystem stark, steckt seine Streuung in jedem Cm-, Cmk-, Cp- und Cpk-Wert.

Cp und Cpk aus eigenen Messwerten rechnet der Cpk-Rechner. Wie Regelkarten und Stichproben zusammenspielen, erklärt der Beitrag zur statistischen Prozesslenkung (SPC).

Wann eine Messsystemanalyse fällig ist

• Ein neues Messmittel oder eine neue Aufnahme kommt in die Serie.
• Ein Merkmal wird in den Produktionslenkungsplan aufgenommen oder seine Toleranz ändert sich.
• Ein Messmittel war in Reparatur oder lag bei der Kalibrierung außerhalb der Grenzen.
• Messort oder Umgebung ändern sich, etwa beim Umzug vom Messraum an die Linie.
• Der Cpk eines Merkmals springt, ohne dass sich am Prozess etwas geändert hat.

Was SYMESTIC zur Messsystemanalyse beiträgt

SYMESTIC führt keine Messsystemanalyse durch, das bleibt Aufgabe der Messtechnik und ihrer Statistiksoftware. Qualitätsprüfungen werden an der Station erfasst, per Barcode, als OK oder NOK je Bauteil mit Seriennummer, mit Qualitätsdefekt-Katalog und Ausschussgründen. Für numerische Prozessparameter zeigt das Widget Prozessstabilität Eingriffsgrenzen sowie Cp und Cpk je Parameter und Zeitraum.

Mehr dazu auf den Seiten zur Qualitätskontrolle und zum Überwachen von Prozessdaten.

Quellen

• Robert Bosch GmbH: Heft 10, Fähigkeit von Mess- und Prüfprozessen, Ausgabe 11.2019
• AIAG: Measurement Systems Analysis (MSA-4), 4. Auflage
• VDA QMC: Whitepaper zu VDA Band 5, Mess- und Prüfprozesse, 3. Auflage 2021
• ISO: ISO 22514-7:2026, Fähigkeit von Messprozessen
• NIST/SEMATECH e-Handbook of Statistical Methods: Gauge R & R studies

Über den Autor:

Christian Fieg

Head of Sales bei SYMESTIC. Zuvor iTAC, Dürr, Visteon. Six Sigma Black Belt. Autor von "OEE: Eine Zahl, viele Lügen".
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Wie Qualitätsprüfungen je Bauteil erfasst und Cp und Cpk je Prozessparameter angezeigt werden, zeigt eine kostenlose Demo am eigenen Anwendungsfall.