Messmittelfähigkeit optischer Messsysteme am Beispiel einer Münzvermessung

Als Messsystemanalyse bzw. Messmittel-Fähigkeitsanalyse oder Prüfmittel-Fähigkeitsanalyse, kurz MSA (Measurement System Analysis) bezeichnet man die Analyse der Fähigkeit von Messmitteln und kompletten Messsystemen im Qualitätsmanagement.

Im Bereich der optischen Vermessung ist das Wichtigste, die MSA (Messmittelfähigkeit) des Systems ohne die Einflüsse des Objektes zu validieren. Damit können Abweichungen wie ein Knick am Rand einer Münze, die nicht überall identisch rund ist und unterschiedlich reflektiert, entfernt werden.

Münzinspektion im Auflicht und Durchlicht

In diesem Fall ersetzen wir die Münze mit einem geeigneten Messmittel, das extrem flach und eben ist, einen geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist, dh.h sich auch bei stark schwankenden Temperaturen nicht in der Größe verändert, und auf dem hochgenaue, bekannte Merkmale mit hohem Kontrast aufgedruckt sind. Im Fall von kleinen Messbereichen sind diese Messmittel üblicherweise aus Glas oder Keramik und auf +/- 150 nm genau. Bei größeren Messbereichen sind sie dagegen meist geschichtet aus Aluminium und Kunststoff und auf +/- 1 µm genau.

Das Messmittel wird mehrmals an verschiedenen Positionen im Messfeld aufgenommen und die bekannten Merkmale werden extrahiert. Üblicherweise sind dies viele einzelne Merkmale, z.B. Punkte, deren Positionen zueinander bekannt sind. Damit können die Distanzen der einzelnen Punkte über das gesamte Bidlfeld gemessen und mit der Realität verglichen werden.

Prozessfähigkeitsuntersuchung

Um nun die Brücke zur Prozessfähigkeitsuntersuchung zu schlagen, welche in der Industrie für die MSA üblicherweise verwendet wird, ist bei unserem Messmittel eine Distanz zwischen zwei Punkten unser "Normal". Das Normal sollte eine Präzision von Faktor 10 (besser Faktor 20) gegenüber der gewünschten Messgenauigkeit aufweisen. Das übliche Verfahren untersucht die Genauigkeit und Wiederholpräzision eines Messsystems, indem das Normal fünfzigmal (mindestens 25-mal) gemessen wird. Üblicherweise wird das Normal dabei nach jeder Messung wieder zurückgesetzt. Wir verwenden als Normal die Distanzen von Punkten über das ganze Bildfeld und bleiben im gleichen Bild. Um die Positionsänderungen der Messnormale zu ersetzen, nehmen wir zusätzlich mehrere Messbilder auf, eine Vorgehensweise, die von Auditoren üblicherweise akzeptiert wird.

Basierend auf der Standardabweichung der Messwerte und der systematischen Messabweichung werden dann die sogenannten Indizes Cg und Cgk berechnet. Letztere beschreiben das Verhältnis von Standardabweichung zu Messtoleranz. Dabei sollte ein Wert von 1,33 und größer herauskommen, welcher vier Standardabweichungen entspricht. Sehr anspruchsvolle Messtechnikfirmen fordern "Six Sigma" also "6 Standardabweichungen", was einem Wert von 2,0 und mehr entspricht.

Diese Begriffe sollten bekannt sein, da die entsprechenden Werte üblicherweise von einem Auditor im Messmittelbereich, zusätzlich zum Nachweis der verwendeten Messmittel, und gegebenenfalls dem Messprotokoll, abgefragt werden.

Wir bieten diese Nachweise auf Wunsch für unsere Kunden an bzw. unterstützen sie dabei. Auch Wartungen, welche neben der Überprüfung der optischen Komponenten auch die Prüfung der Kalibration und eine MSA mit Dokumentation beinhalten, können angeboten werden.

Wenn wir nun wissen, wie genau das Messsystem überhaupt messen kann, und ob es die MSA bestanden hat, muss überprüft werden, wie gut das eigentliche Objekt vermessen werden kann. Da man, wie schon beschrieben, nicht genau weiß, wo der Knick unserer Münze genau die höchste Reflexion aufweist, ist es üblich, die Münze erst mit einem geeigneten mechanischen Verfahren zu vermessen und sie dann mehrfach mit derm optischen System zu vermessen. Die gemittelte Differenz wird dann als "Offset" hinterlegt und korrigiert die Abweichung zwischen mechanischer und optischer Vermessung.

Sind die Objekte in ihrer Fertigung ausreichend präzise und das System ist hinsichtlich Position und Beleuchtung wiederholgenau genug, funktioniert dieser "Trick" über den Offset und ist weitestgehend akzeptiert. Wird dieser Vorgang für alle Messungen/Mesobjekte wiederholt, sollte das optische Messsystem identische Ergebnisse liefern.

MSA

Sehr schwierig ist es allerdings, ein komplettes "Münzmesssystem" zu validieren. Hier muss die MSA mit mehreren Exemplaren des vermessenen Zielobjekts wiederholt werden und das alles mit unterschiedlichen Bedienern, zu unterschiedlichen Zeiten und an verschiedenen Orten. Am Ende muss der Cg-Wert bei der gewünschten Messtoleranz größer 1,33 oder 2,0 sein.

Münzen im Auflicht

Die größte Schwierigkeit in unserem Münzbeispiel ist jedoch die Oberflächenbeschaffenheit der zu vermessenden Münze, da diese wahrscheinlich nicht an jeder Stelle die gewünschte Präzision aufweist. Möchte man z.B. ein Münzmesssystem auf 50 µm Genauigkeit validieren, muss die Maßhaltigkeit und Oberflächenbeschaffenheit (Oberfläche, Radius des Knicks, etc.) der Münze an jeder Stelle < 5 µm, besser 2,5 µm sein. Ein solches Objekt würde dann selbst zum Messmittel / Messnormal.

Nicht zu vergessen ist, dass diese Eigenschaften über Zeiträume und bei unterschiedlichen Temperaturen Bestand haben müssen. Häufig werden dafür spezifische Messmittel in der Form des Messobjekts hergestellt, welche diese Messmitteleigenschaften aufweisen, die mit dem realen Objekt nicht möglich sind. Bei diesem Ansatz muss jedoch aufgrund des anderen Materials besonders auf die Reflexionseigenschaften geachtet werden und es muss geprüft werden, ob das eigens hergestellte Messmittel im optischen Messsystem überhaupt vermessen werden kann und die Messungen vergleichbar mit denen der Münze sind.

Auditoren akzeptieren normalerweise den Nachweis der rein optischen Messmittelfähigkeit mit einem Messmittel und dem mittleren Offset zum Objekt, welches mit Messmitteln im Haus wiederholt vermessen und entsprechend protokolliert wird.

Ergebnisse MSA

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