MSA и GR&R для систем оптических измерений: что меняется по сравнению с традиционными измерительными приборами

Анализ измерительных систем (MSA) столь же обязателен для оптических измерительных систем, как и для механических приборов. Но источники вариативности, которые он должен выявить, иные. При работе с ручными приборами оператор оказывает наибольшее влияние на воспроизводимость за счет измерительного усилия, снятия показаний и обращения с прибором. В автоматизированной оптической системе это влияние уменьшается. На первый план выходят базирование и укладка детали, освещение и внешняя засветка, состояние поверхности детали и программирование алгоритма оценки.

Именно поэтому механическое применение классического исследования GR&R к оптической системе часто не позволяет выявить проблему. Такое исследование может подтвердить отличную повторяемость и при этом упустить источники вариативности, которые реально проявятся в серийном производстве. В этой статье рассматривается, что именно меняется для MSA и GR&R в оптических системах в рамках стандартов AIAG MSA и IATF 16949.

Основные выводы

• Проведение MSA для оптических систем так же обязательно, как и для механических приборов (в частности, согласно IATF 16949).
• Влияние оператора снижается. Основными источниками вариативности становятся базирование, освещение, поверхность и программирование.
• В исследовании GR&R понятие «оператор» заменяется на реальные изменяющиеся условия, а каждый повтор должен включать полный цикл измерения.
• Для систем годности/брака классический GR&R заменяется атрибутивным анализом MSA.
• Руководство AIAG: показатель %GRR менее 10% является приемлемым, а от 10% до 30% — условно приемлемым.

Почему автоматизированным оптическим системам тоже нужен MSA?

Подтверждение пригодности измерительной системы требуется независимо от используемой технологии. Стандарт IATF 16949 требует проведения анализа измерительных систем для приборов, используемых в производственном контролю, а автомобильные заказчики ожидают подтверждения соответствия требованиям AIAG MSA независимо от того, является ли измерение механическим, оптическим или лазерным. Причина проста. Любая наблюдаемая вариативность процесса включает в себя вариативность измерения, а каждое решение о годности или браке на пределе допуска надежно ровно настолько, насколько надежна измерительная система.

Автоматизированная система также создает определенный риск. Она всегда выдает значение с одинаково уверенным видом — независимо от того, было измерение стабильным или нет. Без MSA нет никаких доказательств того, что полученные значения описывают детали, а не зависят от «настроения» машины в этот день.

Основные термины можно найти на странице KEYENCE о точности и повторяемости измерений.

Какие источники вариативности заменяют влияние оператора?

В оптической системе вариативность никуда не исчезает. Она смещается от человека к условиям настройки. Данное сравнение показывает, на что должен быть направлен MSA для оптических систем.

Оператор (воспроизводимость)

Ручной механический прибор

Доминирует: измерительное усилие, считывание показаний, место измерения

Автоматизированная оптическая система

Невелико, но отлично от нуля: установка детали, очистка, выбор программы

Базирование и укладка детали

Ручной механический прибор

Деталь позиционируется вручную или в приспособлении

Автоматизированная оптическая система

Ключевой фактор: опорные точки, загрязненные приспособления, остаточные зазоры

Освещение и внешняя засветка

Ручной механический прибор

Практически не имеет значения

Автоматизированная оптическая система

Ключевой фактор: внешнее освещение, старение ламп, отражения

Состояние поверхности детали

Ручной механический прибор

Низкое (механический контакт)

Автоматизированная оптическая система

Ключевой фактор: степень блеска, масляная пленка, цвета побежалости, различия от партии к партии

Температура

Ручной механический прибор

Деталь и прибор

Автоматизированная оптическая система

Деталь, оптика и механика (поведение при прогреве)

Программирование и оценка

Ручной механический прибор

Отсутствует

Автоматизированная оптическая система

Ключевой фактор: определение границ, параметры фильтров, допуски логики оценки

Стабильность во времени

Ручной механический прибор

Износ измерительных поверхностей

Автоматизированная оптическая система

Дрейф оптики и подсветки, загрязнение

Следствие для планирования исследования заключается в следующем. Проведение GR&R, которое охватывает лишь схему «три оператора измеряют десять деталей по три раза», в основном проверяет лишь повторяемость камеры оптической системы. В любом случае это наименьший источник вариативности. Исследование становится значимым только тогда, когда реальные влияющие факторы учитываются при проектировании эксперимента. Это означает повторную установку детали вместо измерения ее в неизменном положении, учет разных смен и времени суток вместо одной лабораторной сессии, а также использование деталей с серийной поверхностью вместо очищенных образцов.

Как структурировать исследование GR&R для автоматизированной оптической системы?

Основная идея заключается в том, что «оператор» заменяется на реальные изменяющиеся условия, а каждый повтор должен охватывать весь цикл измерения целиком, а не только захват изображения. Проверенная методика состоит из пяти шагов.

• 1. Определите характеристику и допуск. Исследование оценивается по отдельным характеристикам, за точку отсчета принимается допуск (а при оценке процесса — также и вариативность процесса).

Определите характеристику и допуск. Исследование оценивается по отдельным характеристикам, за точку отсчета принимается допуск (а при оценке процесса — также и вариативность процесса).

• 2. Выберите детали из всего диапазона реальной вариативности. Используйте десять деталей из серийного производства, которые отражают фактическую вариативность процесса и разброс поверхностей, включая детали на пределе допусков, а не только «идеальные» образцы.

Выберите детали из всего диапазона реальной вариативности. Используйте десять деталей из серийного производства, которые отражают фактическую вариативность процесса и разброс поверхностей, включая детали на пределе допусков, а не только «идеальные» образцы.

• 3. Повторяйте полный цикл. Извлекайте каждую деталь и загружайте или подавайте ее заново для каждого повтора, чтобы базирование и укладка влияли на повторяемость. Измерения в неизменном положении систематически занижают реальную вариативность.

Повторяйте полный цикл. Извлекайте каждую деталь и загружайте или подавайте ее заново для каждого повтора, чтобы базирование и укладка влияли на повторяемость. Измерения в неизменном положении систематически занижают реальную вариативность.

• 4. Замените «оператора» факторами реальных условий. В зависимости от системы используйте разные загрузчики или смены, разное время суток (внешнее освещение, температура), а также, по возможности, холодный и горячий запуск. При полностью автоматической подаче стабильность во времени заменяет воспроизводимость, и вы фиксируете ее с помощью измерений, распределенных во времени.

Замените «оператора» факторами реальных условий. В зависимости от системы используйте разные загрузчики или смены, разное время суток (внешнее освещение, температура), а также, по возможности, холодный и горячий запуск. При полностью автоматической подаче стабильность во времени заменяет воспроизводимость, и вы фиксируете ее с помощью измерений, распределенных во времени.

• 5. Оцените и задокументируйте результаты. Рассчитайте показатель %GRR относительно допуска, добавьте карту стабильности для контрольной детали и занесите результат в паспорт прибора как подтверждение пригодности для аудитов.

Оцените и задокументируйте результаты. Рассчитайте показатель %GRR относительно допуска, добавьте карту стабильности для контрольной детали и занесите результат в паспорт прибора как подтверждение пригодности для аудитов.

К оценке применяются общепринятые рекомендации AIAG. Показатель %GRR менее 10% считается приемлемым. Значение от 10% до 30% является условно приемлемым — в зависимости от важности характеристики, затрат и одобрения со стороны заказчика. Значение выше 30% считается неприемлемым.

Некоторые клиенты вместо этого или в дополнение к нему запрашивают подход, основанный на неопределенности. В этом случае вы рассчитываете расширенную неопределенность измерения и сравниваете ее с допуском. Какой именно вид подтверждения требуется, определяется вашим клиентом или системой менеджмента качества. Когда запрашивается бюджет неопределенности, он обычно опирается на эталоны, прослеживаемые до NIST, а для внешней калибровки — на лаборатории, аккредитованные по стандарту ISO/IEC 17025.

Что делать для систем технического зрения с результатом годности/негодности?

Если система выдает не измеренные значения, а качественные решения (признаки), вместо GR&R проводится анализ систем измерения по качественным признакам (attribute MSA), например, исследование согласия по признакам согласно методологии AIAG. Вы собираете набор образцов, состоящий из заведомо годных, заведомо бракованных и специально отобранных пограничных деталей, и проверяете его несколько раз в случайном порядке. Исследование оценивает, насколько результаты системы согласуются с эталонным решением и с самой собой.

Здесь важны два практических момента. Во-первых, успех исследования полностью зависит от граничных образцов. Набор образцов без пограничных деталей подтвердит идеальные результаты для любой системы. Во-вторых, проверьте, нельзя ли решить задачу контроля с помощью измерений. Непрерывное измеренное значение с заданным пределом методологически лучше качественного решения, поскольку оно позволяет проводить стандартный анализ GR&R, мониторинг тенденций и статистическое управление процессами (SPC).

Где стандартные методы MSA достигают своих пределов на оптических системах

Устоявшиеся методы MSA остаются действенными, но вы должны знать о трех ограничениях, прежде чем делать преждевременные выводы из результатов.

Во-первых, переносимость результатов ограничена. Значение %GRR применимо к исследованной комбинации признака, диапазона деталей и настройки. Если поверхность изменяется (новый поставщик, другой разделительный состав при литье под давлением) или меняется программа контроля, повторите подтверждение. Для оптических систем это происходит чаще, чем для контактных, поскольку они более чувствительны к качеству поверхности.

Во-вторых, формально успешный анализ GR&R может скрывать систематическую ошибку. Исследование оценивает вариативность. Линейность и смещение в пределах диапазона измерения требуют проведения отдельных исследований с прослеживаемыми эталонами.

В-третьих, классические показатели пришли из сферы выборочных измерений. В случае 100% потоковых (inline) систем вы также сталкиваетесь с вопросами долгосрочной стабильности, стратегии рекалибровки и обработки сигналов о дрейфе, на которые разовое исследование не дает ответа. Обычным дополнением стала регулярная экспресс-проверка с использованием стабильного образца и контрольной карты.

Часто задаваемые вопросы

Согласно общепринятой практике AIAG, показатель %GRR менее 10% является приемлемым, от 10% до 30% — условно приемлемым (в зависимости от важности признака, стоимости и одобрения клиента), а более 30% — неприемлемым. Всегда решающим является требование, согласованное с вашим клиентом. Некоторые клиенты добавляют или заменяют его подтверждением на основе неопределенности.

Классическая воспроизводимость оператора в значительной степени исчезает, но она замещается, а не отменяется. Ее место занимают изменяющиеся условия, такие как подача деталей, смены, окружающее освещение, температура и прогрев машины. Поэтому содержательное исследование распределяет измерения по разному времени и условиям, вместо того чтобы собирать все повторы за один сеанс.

AIAG MSA оценивает измерительные системы с помощью таких показателей, как %GRR, полученных в ходе стандартизированных исследований, и является эталоном в североамериканской автомобильной цепочке поставок. Подход, основанный на неопределенности, определяет отдельные компоненты неопределенности, объединяет их в расширенную неопределенность измерения и сравнивает ее с допуском. В международных цепочках поставок часто актуальны оба вида подтверждения, и ваш клиент или система качества определяют, какой именно вам необходим.

Да, когда условия, влияющие на пригодность, меняются. Примерами являются новая программа контроля или измененные параметры оценки, измененная оснастка, явно отличающаяся поверхность детали (поставщик, материал, покрытие) или перенос машины на другую площадку. Для оптических систем зависимость от поверхности является наиболее частой причиной. Обычной практикой является сокращенное повторное подтверждение с использованием стабильного образца и выборочного GR&R.

Следующие шаги

Достигает ли оптическая измерительная система требуемой пригодности измерительного прибора на ваших деталях, решается на реальной детали с ее производственной поверхностью, а не по техническому паспорту. Чтобы обсудить это, проконсультируйтесь со специалистом или запросите демонстрацию и тестирование на ваших оригинальных деталях. KEYENCE предлагает лазерные профилометры, оптические измерительные системы и системы технического зрения для оценки.

• Системы измерения размеров изображений серии IM-X1000

Система измерения размеров изображений

Серия IM-X1000

• 2D/3D лазерные профилометры серии LJ-X8000

2D/3D лазерный профилометр

Серия LJ-X8000