MSA: Co to jest Analiza Systemów Pomiarowych?

Wprowadzenie

MSA to akronim od Measurement Systems Analysis czyli Analiza Systemów Pomiarowych. Jest to metoda pozwalająca na oszacowanie zmienności w systemie pomiarowym za pomocą konkretnych narzędzi. W ramach analizy MSA wykonuje się specjalne badanie (taki mini eksperyment), aby oszacować tą zmienność.

Ten artykuł to wprowadzenie do Analizy Systemów Pomiarowych, w którym omawiamy koncepcję MSA, historię, główne pojęcia oraz stosowane standardy w przemyśle.

Zapraszam do lektury!

Historia MSA

Historia MSA jest młodsza niż historia FMEA lub SPC. Co ciekawe, spotkałem się z opinią, że początki MSA miały miejsce w starożytności, ponieważ wtedy stosowano już jednostki miary, ale dla mnie to mocno naciągana teoria. Równie dobrze w starożytności mogły mieć początki SPC (próbkowanie jakości towarów), FMEA (starożytni na pewno zastanawiali się jak coś zbudować, żeby niezawodnie działało..) itd. Więc odpuśćmy sobie teorie o starożytnym pochodzeniu MSA.

A teraz do konkretów:

• 1970+ W roku 1977 organizacja BIPM zainicjowała[1] pracę nad ustaleniem zasad określania niepewności pomiarowej (ang. Measurement Uncertainty). Ze względu na międzynarodowy zasięg oraz technicznie trudny temat, prace trwały przez całe lata 80-te.
• 1990+ Organizacja AIAG wydaje pierwszy podręcznik do MSA (1990) dla amerykańskiego przemysłu samochodowego. Ten dokument zostaje zaktualizowany w 1995 pod kątem wymagań systemu zarządzania QS-9000. Jednocześnie organizacja ISO wydaje dokument "Guide to the expression of uncertainty in measurement" (GUM) w 1995, co jest uwieńczeniem prac rozpoczętych w 1977.
• 2000+ Metoda MSA w branży samochodowej jest nadal rozwijana, AIAG publikuje trzecie wydanie MSA (2002). Organizacja VDA publikuje podręcznik VDA 5 "Measurement and Inspection Processes", który staje się standardem dla niemieckiej branży samochodowej. ISO publikuje "ISO/IEC Guide 98" który jest spójny z GUM.
• 2010+ Dalszy rozwój metody MSA. Aktualizacja AIAG MSA (2010) oraz VDA 5 (2010). Organizacja ISO wydaje standard ISO 22514-7 w 2012 roku.
• 2020+ Aktualizacja ISO 22514-7 (2021) oraz powiązanego z nim podręcznika VDA 5 (2021).

Warto pamiętać, że Analiza MSA w pewnym zakresie korzysta z narzędzi opracowanych przez Walter A. Shewhart-a w latach 20-tych XX wieku. Wtedy także powstały karty kontrolne SPC, które są częścią większej metody o nazwie: Statystyczne Sterowanie Procesem (SPC).

Do czego służy MSA?

Dokonując dowolnego pomiaru należy pamiętać, że uzyskany wynik nigdy nie jest idealny, możemy założyć, że zawsze jest obarczony pewnym błędem pomiaru. Ten błąd jest związany ze zmiennością spowodowaną przez system pomiarowy.

Cel analizy MSA został ciekawie opisany przez G. Larsena (2003): "The purpose of measurement system analysis (MSA) is to separate the variation among devices being measured from the error in the measurement system."[2]

W wolnym tłumaczeniu: "Celem analizy systemu pomiarowego (MSA) jest oddzielenie zmienności między mierzonymi urządzeniami (częściami) od błędu systemu pomiarowego."[2].

Podsumowując:

Analiza MSA potrafi oddzielić tak zwaną zmienność mierzonych części od zmienności samego systemu pomiarowego. Na podstawie otrzymanych wyników z badań, ocenia się czy system pomiarowy jest akceptowalny, czy zapewnia powtarzalne i precyzyjne wyniki. MSA wskazuje także obszary do doskonalenia.

System pomiarowy w MSA

System pomiarowy, to różne elementy związane z wykonywanym pomiarem, które jednocześnie są źródłem zmienności. Typowe czynniki to:

• Przyrząd pomiarowy. Suwmiarka, multimetr, mikrometr, manometr, przymiar itd.
• Operator. Osoba wykonująca pomiar.
• Metoda. Przyjęta procedura postępowania w czasie wykonywania pomiaru.
• Środowisko. Temperatura, wilgotność, drgania, oświetlenie itd.
• Część. Mierzone części (ich mierzone charakterystyki).
• Standard. Znana wartość referencyjna, wzorzec, kryteria oceny wizualnej itp.
• Założenia. Stałe fizyczne, zasady zaokrąglania wyników, itp.
• Inne. Np. oprogramowanie stosowane do analizy itd.

W kontekście MSA możemy spotkać dwa modele opisujące system pomiarowy: model S.W.I.P.E oraz model P.I.S.M.O.E.A.

Jeżeli wprowadzimy istotne zmiany w systemie pomiarowym, np. zmienimy przyrząd pomiarowy z suwmiarki na mikrometr to formalnie powinniśmy ponownie wykonać analizę MSA.

Zmienność w MSA

Zmienność w systemie pomiarowym może być podzielona na tą, która wpływa na błąd położenia wyników pomiaru oraz na tą, która wpływa na błąd rozrzutu pomiarów.

Metoda MSA określa, jak należy oszacować:

• Przesunięcie, liniowość oraz stabilność przyrządu pomiarowego.
• Powtarzalność. Wpływ przyrządu pomiarowego na pomiar danej cechy.
• Odtwarzalność. Wpływ operatorów na pomiar badanej cechy.

Badanie powtarzalności i odtwarzalności przyrządu w języku angielskim określa się jako Gauge Repeatability and Reproducibility, w skrócie GR&R lub GRR. Czasami używany jest również jeszcze krótszy akronim R&R.

Badanie MSA

Badanie MSA to taki "mini eksperyment", który ma na celu oszacowanie zmienności w systemie pomiarowym. W zależności od mierzonej cechy (charakterystyki) stosuje się różne rodzaje badań.

MSA dla cech mierzalnych

Cechy mierzalne, to charakterystyki, których wartości mają ciągły zakres wartości. To takie cechy jak: długość, kąt, temperatura, rezystancja, ciśnienie itd. Stosowane metody MSA:

• Przesunięcie, liniowość oraz stabilność przyrządu pomiarowego.
• Badanie typu I. Ocena przyrządu pomiarowego. Oszacowanie wskaźników Cg, Cgk.
• Badanie typu II. Badanie GR&R z wpływem operatorów
• Badanie typu III. Badanie GR&R bez wpływu operatora

Badania typu II oraz III stosuje różne metody obliczeniowe. Spotykane to Average and Range Method (ARM) oraz Analysis of Variance (ANOVA). Warto pamiętać, że metoda ANOVA jest zalecana i może być wymagana przez klientów.

MSA dla cech atrybutowych

Cechy atrybutowe, to charakterystyki, które mają wartości dyskretne, nie są ciągłe. Przykłady: ilość rys, ilość otworów, ilość wadliwych produktów, kolor produktu itd. Przykładowe metody MSA:

• Metoda Kappa (wymagana przez AIAG MSA).
• Metoda uproszczona
• Metoda z uproszczona z odniesieniem
• Metoda detekcji sygnału
• Metoda analityczna

Kryteria akceptacji MSA

Wyniki analizy MSA mają określone limity, które decydują o tym, czy system pomiarowy jest akceptowalny czy nie. Jeżeli klienci nie mają innych wymagań, typowo przyjmuje się wymagania ustanowione w wybranym podręczniku lub standardzie.

Przykładowo, w najczęściej stosowanym podejściu wg. AIAG MSA ustanowiono następujące limity dla GRR[3]:

• GRR ≤ 10%. System pomiarowy jest akceptowalny.
• 10% < GRR ≤ 30%. System pomiarowy jest warunkowo akceptowalny.
• GRR > 30%. System pomiarowy jest nieakceptowalny.

Dodatkowo, AIAG MSA określa drugi wskaźnik o nazwie NDC (Number of Distinct Categories). Jeżeli system pomiarowy ma być używany w SPC, NDC powinien wynosić 5 lub więcej[3].

Jeżeli klienci wymagają stosowania innych standardów lub mają własne kryteria, należy stosować się do ich oczekiwań.

Standardy MSA

• AIAG MSA „Measurement Systems Analysis”.
• VDA 5 „Capability of Measurement Processes”.
• SAE AS13003 „Measurement Systems Analysis Requirements for the Aero Engine Supply Chain”
• RM13003 Measurement Systems Analysis. Podręcznik wydany przez AESQ, wspierający standard SAE AS13100.
• ISO 22514-7. Statistical methods in process management - Capability and performance. Part 7: Capability of measurement processes.

Zalety MSA

• Doskonalenie systemu pomiarowego. MSA pozwala oszacować zmienność w systemie pomiarowym oraz pomaga w jego doskonaleniu. Jak wiadomo, co jest do poprawy, to wtedy można działać.
• Lepsza jakość produktów. Mniejsza zmienność w pomiarach przekłada się na lepszą kontrolę jakości i procesów produkcyjnych. Mniej strat to większe oszczędności.
• Spełnianie wymogów. Metoda bardzo przydatna w spełnianiu wymagań wielu systemów zarządzania. Przykładowo stosowanie MSA jest wymogiem w standardzie IATF-16949. Wszystkie pomiary ujęte w planie kontroli powinny mieć wykonaną analizę MSA.

Wady MSA

• Czasochłonność. Analiza MSA wymaga poświęcenia czasu na przygotowanie, wykonanie oraz analizę wyników badania.
• Wymaga szkolenia. Stosowanie metody MSA wymaga uprzedniego przeszkolenia osób.
• Trudność w zmiennym środowisku pracy. Analiza MSA powinna być przeprowadzona za każdym razem, kiedy następują znaczące zmiany w systemie. Jeżeli zamiany w systemie pomiarowym są wprowadzane bardzo często, to ponowne wykonywanie analizy MSA jest bardzo trudne.

Podsumowanie

Doskonalenie jakości czegokolwiek wymaga, żeby to coś najpierw dało się zmierzyć. Musimy przecież wiedzieć, co dokładnie trzeba poprawić. Po podjęciu działań też powinniśmy sprawdzić, czy rzeczywiście jest lepiej, czy tylko tak nam się wydaje. Dlatego pomiar jest ważnym aspektem doskonalenia jakości.

Dokonując pomiarów należy jednak pamiętać, że system pomiarowy jest źródłem błędów, czyli źródłem zmienności wyników pomiaru. Jeżeli ta zmienność będzie bardzo duża, to nasza analiza wyników może być błędna.

W takim przypadku MSA przychodzi z pomocą, sprawdzając, czy nasz system pomiarowy jest w stanie dostarczać w miarę wiarygodne wyniki. Dzięki analizie MSA możemy dowiedzieć się, czy to sam system pomiarowy wymaga doskonalenia, czy może jednak powinniśmy skupić się na poprawie procesu produkcji.

Podsumowując, analiza MSA pokazuje, jak bardzo możemy się mylić podczas dokonywania pomiarów. Warto wiedzieć, na ile można ufać wynikom pomiarów, zwłaszcza gdy dotyczą one czegoś istotnego.