Análisis de Sistemasde Medición – MSA

Ing. Victor Reyes - TRAINixASQ Ambos Nogales

Agenda

Sistemas de Medición¿Qué son?Uso de los datos de la mediciónCalidad de los datos

El MSA y las normas de gestión de la calidad¿Porqué analizar los sistemas de medición?Terminología y conceptos básicosEl proceso de la medición

Propiedades de los sistemas de mediciónFuentes de variación

La variabilidad y sus efectosEfectos sobre el productoEfectos sobre el proceso

GR&RLinealidad y Sesgo (Bias)Conclusiones

Sistemas de Medición

EL PROCESO COMPLETO PARA OBTENER MEDIDAS

Colección de instrumentos, indicadores, normas, operaciones, métodos, herramental, software, personal, ambiente y suposicionesusadas para cuantificar las unidadesde medición o evaluación de la característica que se mide

¿Para qué queremos losdatos de medición?

Datos de medición se usanAceptar / rechazar productoAjustar o no procesosCalcular estadísticos para verificar el estadode control del proceso

• Promedio, desviación estándar, rango, etc.

Determinar si hay una relación significativaentre dos variablesMejorar procesos

Calidad de los Datos de MediciónLos datos deben tener cierta calidad

PROPIEDADES ESTADÍSTICAS DE LOS DATOS

Sesgo (Bias)• ¿Qué tan cercano está el promedio de

muchos valores al valor patrón?Variación (Varianza)

• ¿Qué tanto se dispersan entre sí losvalores repetidos de la misma medición?

La variación excesiva de los datos los hace de mala calidad

¿Porqué la Calibración no basta?

Se hace sobre los instrumentos de medición en condiciones muy controladas

No representan las condiciones que hay en lasmediciones de producto/proceso

Calibración – Patrones, estándares o constantesfísicasMedición – Partes, procesos con características quepueden variar ampliamente

Partes deformablesLugares inaccesiblesInteracción del ambientePersonal sin entrenamiento en metrologíaEtc.

ISO 9000 y MSA

7.6 Control de los dispositivos de seguimiento y de medición

…La organización debe establecer procesos para asegurarse de que el seguimiento y medición pueden realizarse y se realizan de una manera coherente con los requisitos de seguimiento y medición.Cuando sea necesario asegurarse de la validez de los resultados, el equipo de medición debea) calibrarse o verificarse a intervalos especificados o

antes de su utilización, comparado con patrones de medición trazables a patrones de medición nacionales o internacionales; cuando no existan tales patrones debe registrarse la base utilizada para la calibración o la verificación;

ISO 9001:2000

ISO/TS 16949 y MSAISO/TS 16949:2002QS 9000

(además de ISO 9000:2000)

7.6.1 Análisis de Sistemas de MediciónSe deben conducir estudios estadísticos para analizar la variación presente en los resultados de cada tipo de sistema de equipo de medición y prueba. Este requisito debe aplicar a los sistemas de medición referidos en el plan de control. Los métodos analíticos y los criterios de aceptación usados deben estar conforme a los manuales de referencia del cliente sobre análisis de sistemas de medición. Otros métodos analíticos y criterios de aceptación pueden usarse si son aprobados por el cliente.

Propósito de Analizar losSistemas de Medición

Monitorear y controlar la variaciónUn sistema de medición con muchavariación puede no ser adecuadopara un proceso de manufacturaLa variación del sistema de mediciónpuede enmascarar la variación del proceso

Aprender cómo interactúa el sistemade medición con su ambiente

Terminología

MediciónLa asignación de números (o valores) a las cosas materiales pararepresenta la relación de ellas con respecto a propiedades particulares

Terminología 2

Patrón [Estándar]Base aceptada para comparaciónValor conocido, dentro de ciertos límites de incertidumbre, aceptado como el valor verdaderoValor de referenciaDefinición operacional

• Debe dar el mismo resultado si lo hace el cliente o el proveedor

• El mismo significado ayer, hoy y mañana

Conceptos básicos

Discriminación, lectura mínima, resoluciónSinónimos: la unidad más pequeña que se puede leer, resolución de la medición, límitede la escala, límite de detecciónPropiedad inherente – por diseñoLa unidad más pequeña de la escala de medición o resultado de un instrumentoSiempre se reporta como unidad de mediciónRegla de 10 a 1

Discriminación

0 10 20 30 40 50 90 100 15060 70 110 12080 130 140mm

0 pulgadas 1 2 3 4 5 6

MedioIntervalo

IntervaloCompleto

Categorías de datosNúmero de Categorías Control Análisis

1 Categoría

Pueden usarse para control, sólo si:La variación del proceso es pequeñacomparada contra las especificacionesLa función de pérdida es plana en la variación esperada del procesoLa principal fuente de variación causaun corrimiento en la media

Inaceptable para estimarparámetros e índices del procesoSolo indica si el proceso estáproduciendo partes conformes o no conformes

2 – 4 Categorías

Pueden usarse con técnicas de control para semi-variables basadas sobre la distribucióndel procesoPueden producir gráficas no sensibles, de control de variables

Generalmente inaceptable paraestimar parámetros e índices del proceso – solo proporcianaestimados burdos

5 ó más Categorías

Pueden usarse con gráficas de control de variables Recomendados

Conceptos básicos

Resolución efectivaSensibilidad de un sistema de medición para procesar la variaciónde una aplicación particularLa más pequeña entrada da unaseñal de salida útil en la mediciónSiempre se reporta como unidad de medición

Conceptos básicos 2

Valor de referenciaValor aceptado de un dispositivoRequiere una definición operacionalUsada en vez del valor verdadero

Valor verdaderoValor real de un dispositivoDesconocido y no se puede conocer

Variación de Localización

ExactitudCercanía al valor verdadero (o valor de referenciaASTM incluye el efectode la localización y la amplitud de los errores

Sesgo (Bias)Diferencia entre el valor promedio observado y el valor de referenciaError sistemático de lossistemas de medición

Variación de Localización (2)

EstabilidadCambio en el sesgo en el tiempoUn proceso de mediciónestable está en control estadístico con respecto a la localizaciónSinónimo: Corrimiento

LinealidadCambio en el sesgo a lo largo del rango de operación normalLa correlación de erroresde sesgo múltiples e independientes en el rangonormal de operaciónError sistemático en lossistemas de operación

Amplitud de la variación

Precisión*Cercanía de repetidas lecturasentre síError aleatorio del sistema de medición

RepetibilidadVariación en las medicionesobtenidas con un instrumentocuando se usa varias veces porun operador midiendo unacaracterística idéntica en la misma parteVariación en ensayossucesivos bajo condiciones de medición fijas y definidasVariación del equipo – E.V (Equipment Variation)Habilidad o potencial del instrumentoVariación dentro del sistema

*ASTM no usa la palabra precisión – la precisión no puede representarse por un número

Amplitud de la variación (2)

ReproducibilidadVariación en el promedio de lasmediciones al medir unacaracterística en una parte

• diferentes operadores• mismo instrumento

Para calificación del proceso o producto

• Error – del operador, ambiente o método

• Variación del operador – A.V. (Appraiser Variation)

Variación entre el sistema(condiciones)

• ASTM E456-96 incluye efectos de la repetibilidad, laboratorio y ambiente, así como los del operador

GGR ó Gage R&RRepetibilidad y reproducibilidad del instrumento – estimado de la repetibilidad y reproducibilidad del sistema de medición combinadasHabilidad del sistema de mediciónDependiendo el método usadopuede (o no) incluir los efectos del tiempo

Variación del Sistema

HabilidadVariación de las lecturastomadas en un períodocorto de tiempo

DesempeñoVariabilidad de laslecturas tomadas en un período largo de tiempoBasada en la variacióntotal

IncertidumbreRango estimado de valores del valor medidoen el cual se cree estáel valor real

El sistema de medición debe ser establey consistente

UNIFORMIDAD

CONSISTENCIA

Otros términos relevantes

Patrones y rastreabilidadEU - El NIST (National Institute of Standards and Technology)México – CENAM (Centro Nacional de Metrología)

• Dan servicio de mediciones y mantienen los patrones de medición para apoyar a la industria

Institutos Nacionales de MediciónLos países tiene comparaciones interlaboratorios a travésdel MRA (Mutual Recognition Arrangenments

RastreabilidadPropiedad de una medición o el valor de un patrón de relacionarse con las referencias establecidas, nacionales o internacionales mediante una cadena ininterrumpida de comparaciones, cada una con incertidumebres establecidas

Rastreabilidad de unamedición de longitud

Patrón de longitudde onda

Comparador de interferencia

InterferómetroLaser

Bloque/Comparadorde Referencia

CMM Bloques

Fixture Gage Micrómetro

PatrónNacional

Patrón deReferencia

Patrón deTrabajo

Instrumento paraProducción

Valor Verdadero

Es la meta del proceso de mediciónDeseable que una lectura individual se acerque a este valor tanto como sea posible

Nunca puede ser conocido con certezaLa incertidumbre puede ser minimizadausando un valor de referencia

El valor de referencia se usa en vez del valor verdadero, pero no lo es

El Proceso de Medición

¿Qué es lo que el proceso debe hacer?Especificaciones y requisitos de ingeniería

¿Qué puede salir mal?Análisis de Modos de Falla y Efectos(FMEA)

¿Qué es lo que hace el proceso?Evaluando los parámetros o resultados del proceso

El Proceso de Medición (2)

Tener bien claras lasdefiniciones y patronesEntrenamientoSupervisar y controlar el proceso

Asegurar estabilidad y resultados correctosEstudio del gage, procedimiento, usuario, ambiente ENTRADA OPERACIÓN SALIDA

PROCESO (en general)

EquipoSolo una parte del proceso de mediciónUso correcto, analizar e interpretar resultados

ProcesoAdministrado DecisiónMedición Análisis

Valor

Ha sido el enfoque principal ($$)

Propiedades de losSistemas de Medición

Propiedades fundamentalesDiscriminación y sensibilidad adecuada

• Regla de 10 a 1Estar en control estadístico

• La variación debe ser solo por causas comunes, no especiales

Para control del producto• Variación pequeña relativa a las especificaciones

Para control del proceso• Suficiente resolución y variación pequeña con respecto

a la variación del proceso

Si las cosas que se miden cambian, la peor variacióndebe ser pequeña con respecto a las

especificaciones o variación del proceso

Fuentes de Variación

Para controlar el procesoIdentificar las fuentes potenciales de variaciónEliminar (siempre que sea posible) o supervisar las fuentes de variación

Desarrollar un análisis de causa y efecto

FMEAs

Proceso de Medición –Causas y Efectos

Variabilidad y Efectos

El Sistema de Medición es afectado porcausas comunes y especialesHabilidad del sistema de medición

Error del sistema en un estudio a corto plazo• Combinación de linealidad, uniformidad,

repetibilidad y reproducibilidadDesempeño del sistema

Efecto de todas las fuentes de variaciónsobre el tiempo

• Proceso en control estadístico, sin sesgo, y GRR aceptable en el rango de operación

Error del Sistema de Medición o ErrorEfecto acumulativo de todas las fuentes de variación

Efecto en las Decisiones –Producto o Proceso

Determinar el status de una parte

Aceptable o noCategoría de productoProducto recuperable

Control del ProcesoVariación debido a causas comunes o especiales

Filosofía Interés

Control del Producto

¿La parteestá en unacategoríaespecífica?

Control del Proceso

¿La variacióndel procesoes estable y aceptable?

Decisiones sobre el Producto

Error tipo ISe rechaza el producto estandoaceptableRiesgo del productor

Error tipo IISe acepta el producto siendoéste rechazableRiesgo del consumidor

EJEMPLO – Toda la variabilidad debida solo a GRR [ BIAS = 0]

Decisión potencialmenteincorrectaI. Partes malas

Siempre malasII. Decisión

potencialmenteincorrecta

III. Partes buenasSiempre buenas

Maximizar decisionescorrectas

Mejorar el proceso de producción

• Reducir variabilidad– No partes en lasáreas II

Mejorar sistema de medición

• Reducir el error parareducir el tamaño de las áreas II y el riesgo de unadecisión incorrecta

Suposición: Sistema de medición sobre la meta y en control estadístico

Decisión sobre el proceso

Un proceso en controlControl estadísticoCentrado sobre la metaVariabilidad aceptable

Impacto de un error de mediciónConfundir una causa común con una causaespecialConfundir una causa especial con unacausa común

Variabilidad en el proceso

Relación entre la variación del proceso real y la observada

= varianza observada del proceso

= varianza real del proceso

= varianza del sistema de medición

222smrealobs σσσ +=

2realσ

2obsσ

2smσ

σobs

σsm

σreal

Índice de Habilidad Cp

Se define

Se supone el sistema de medicióncentrado y en control

σ6 TolerancialadeRangoCp =

( ) ( ) ( ) 222 −−− += smrealobs CpCpCp

Si Cpsm = 2, Cpreal sería ≥ 1.79 para que Cpobs sea igual a 1.33Si Cpsm = 1.33, debería NO haber variación en el proceso para que Cpobs = 1.33

GR & R

Evalúa la variación conjunta debida al equipo y al operadorCRITERIOS

GR&R < 10% – AceptableGR&R ≥ 10% y GR&R ≤ 30% –Podría ser aceptable

• Importancia de la aplicación, costos, dificultad de medición, etc.

GR&R > 30% - Inaceptable

GR&R – Variación del Proceso / Datos

GR&R -Repetibilidad y Reproducibilidad de Instrumentos

GR&R – Variación del Proceso / Resultados

GR&R -Repetibilidad y Reproducibilidad de Instrumentos

RepetibilidadEV

ReproducibilidadAV

GR y R

Variación de la parte

Variación TotalTV

EV/TV

AV/TV

GRR/TV

???

GR&R – Variación vs Tolerancia / Datos

GR&R -Repetibilidad y Reproducibilidad de Instrumentos

GR&R – Variación vs Tolerancia / Resultados

GR&R -Repetibilidad y Reproducibilidad de Instrumentos

RepetibilidadEV

ReproducibilidadAV

GR y R

Variación de la parte

Variación TotalTV

EV/TV

AV/TV

GRR/TV

¡¡¡

Sesgo y Linealidad

Conclusiones

El MSA evalúa si las mediciones son adecuadas y consistentes con los requisitosLa mala calidad de las mediciones –sesgo y variación, pueden llevar a decisiones erróneas y aún a conflictosPara demostrar que una mejora es significativa la variación de las mediciones debe ser pequeña con respecto a la variación del procesoPara control de proceso la variación de las medicionesdebe ser pequeña con respecto a la toleranciaConocer el desempeño del sistema de medición ayudaa conocer mejor el proceso