Misurare un sistema di misura. Cenni sulla Measurement System Analysis

Controllare un manufatto con strumenti di misura che sono stati precedentemente tarati e certificati non significa necessariamente che questi siano adatti per l’impiego per il quale prevediamo di usarli.
La taratura certifica che gli strumenti erano conformi nel momento e nel luogo in cui sono stati tarati, e non necessariamente che lo siano ancora e, soprattutto, che siano adatti per essere usati in un determinato contesto e per controllare le caratteristiche del prodotto che si desiderano verificare.

Ipotizziamo che tu sia un produttore di componenti meccanici. Quando il tuo cliente controllerà i prodotti che gli hai consegnato, lo farà con i suoi strumenti, probabilmente dello stesso tipo e della stessa marca dei tuoi, sicuramente tarati di recente, ma effettuerà i controlli in condizioni diverse dalle tue, e potrebbe rilevare misurazioni diverse.

Questo articolo si propone di dare una spiegazione semplice su come conoscere il comportamento dei nostri strumenti di misura nel contesto e nel processo di misurazione in cui vengono utilizzati.

La misurazione dei nostri prodotti avviene seguendo procedure e metodi prestabiliti, che sono a tutti gli effetti dei veri e propri processi e come tali possono essere “misurati”.

È ragionevole pensare che se misuriamo la stessa caratteristica sempre nello stesso modo, se questa ha delle variazioni, queste siano imputabili soltanto a lei.

Ma è proprio vero questo?
No, non sempre!

Le letture ottenute potrebbero essere o solamente sembrare giuste perché non conosciamo quanto il nostro strumento potrebbe influire sulle rilevazioni effettuate.

Se cambiamo l’operatore, il luogo, l’ora del giorno, oppure lo stato di conservazione, d’uso e manutenzione dello strumento, potremmo trovarci in presenza di misurazioni che sembrano corrette ma che corrette non sono, o viceversa.

Allora cosa dobbiamo fare?

Per rispondere a questa domanda e ad altre similari in altri campi di applicazione, nel 1982 Chrysler Group, Ford Motor Company e General Motor Corporation decisero di fondare un organismo coordinatore che venne chiamato Automotive Industry Action Group (AIAG).
AIAG è un'organizzazione no-profit che raccoglie le aziende del settore della mobilità ed i fornitori di componentistica per automotive, con lo scopo di lavorare in modo collaborativo alla ricerca di soluzioni e metodi comuni, volti ad aumentare l’efficienza e ridurre i costi; inoltre AIAG si prefigge di fornire indicazioni su come queste soluzioni e questi metodi possono essere applicati da chiunque.

Dall'attività di comitati e gruppi di studio sono scaturite alcune direttive, adeguatamente descritte in una serie di manuali editi dallo stesso organismo.

Diciamo subito che non si tratta di vere e proprie norme, ma di manuali che contengono indicazioni chiare e dettagliate su cosa e come fare nel contesto di una serie di specifici argomenti; tra questi, gli strumenti di misura.

Il manuale relativo all'analisi dei sistemi di misurazione è stato chiamato MSA Measurement System Analysis. La prima edizione è dell’ottobre 1990, la seconda di giugno 1998, la terza di marzo del 2002, la quarta del giugno 2010, seguita da altri aggiornamenti ed ampliamenti negli anni a seguire.

MSA suggerisce i metodi e le regole da seguire per tipizzare gli strumenti di misura nel contesto in cui vengono impiegati. Gli operatori, le modalità di utilizzo, l’ambiente, il contesto possono influire, anche molto, sulle misurazioni che andiamo a rilevare.
Molti metodi sono stati suggeriti ed applicati dai vari produttori e/o utilizzatori; ognuno con una sua soluzione.

Per avere certezze sull'affidabilità di quello che stiamo misurando, AIAG suggerisce di compiere un'analisi statistica del processo di misurazione, coinvolgendo tutti gli elementi che lo compongono; le parti, gli operatori, le procedure, oltre che, ovviamente, gli strumenti.

Le variabili che intervengono durante un processo di misurazione sono simili a quelle di un processo di produzione e come tali vanno trattate; i numeri gestiti in maniera strutturata e statistica ci forniranno degli indicatori che saranno gli identificativi dello strumento e del metodo di misurazione.

Per prima cosa viene fatta chiarezza sulla terminologia adottata.
Cosa si intende per:

• Misurazione: il termine “misurazione” venne definito nel 1963 dall’Ing. C. Eisenhart come “l’assegnazione di numeri ad entità materiali, allo scopo di rappresentare le relazioni fra queste entità in rapporto a particolari proprietà”.
• Strumento (in inglese gauge o gage): ogni entità usata per ottenere misurazioni; frequentemente usato come riferimento specifico per i dispositivi impiegati in produzione, compresi gli strumenti passa-non passa.
• Sistema di misurazione: l’insieme di operazioni, procedure, strumenti ed altre attrezzature, software e personale utilizzato per assegnare un numero (valore) alle caratteristiche misurate; il processo completo per ottenere le misurazioni.
Quali sono le caratteristiche che tipizzano uno strumento:

 • Risoluzione dello strumento: è la più piccola entità di misura che lo strumento è in grado di rilevare.
• Valore di riferimento: è il valore accettabile della misurazione di un manufatto. È tipicamente usato come succedaneo del valore reale;
• Valore reale: è il valore reale della grandezza al netto di qualsiasi errore di misura. È per definizione sconosciuto e non misurabile;
• Accuratezza: la vicinanza tra la media dei valori rilevati e quello di riferimento.
• Bias: è la differenza tra la media dei valori misurati e il valore di riferimento.
• Stabilità: la variazione del bias nel tempo.
• Linearità: la variazione del bias lungo il normale campo operativo dello strumento.
• Precisione: è l'effetto netto di discriminazione, sensibilità e ripetibilità sull'intervallo operativo (dimensione, intervallo e tempo) del sistema di misurazione.
• Ripetibilità: la variazione di una misurazione della stessa caratteristica effettuata dallo stesso operatore sullo stesso manufatto con lo stesso strumento.
• Riproducibilità: è la variazione della media delle misurazioni della stessa caratteristica effettuata sullo stesso manufatto ma da differenti operatori.
• GRR (Gauge, R&R): è la stima combinata della variazione combinata di ripetibilità e riproducibilità e rappresenta la capacità di uno strumento di ripetere e riprodurre le misurazioni sullo stesso manufatto.
• Capability del sistema di misura: identifica la capacità di variazione del sistema di misura entro un breve periodo di tempo.
• Performance del sistema di misura: è l'effetto della variazione a lungo termine del sistema di misurazione.
• Sensibilità: è il più piccolo input che può generare una rilevazione dello strumento.
• Consistenza: il grado di variazione della ripetibilità dello strumento nel tempo.
• Uniformità: l’entità della variazione della ripetibilità dello strumento durante la normale operatività.
• Capability: stima della variazione combinata degli errori di misurazione (casuale e sistematica) basata su una valutazione a breve termine.
• Performance: la variabilità delle rilevazioni durante un lungo periodo di rilevazione.
• Incertezza: intervallo di valori stimato circa il valore misurato in cui si ritiene sia contenuto il valore reale.
• Tracciabilità: la possibilità di trovare i dati identificativi ed i risultati degli studi effettuati e poterli ripetere nelle stesse condizioni.
Tutti questi dati sono misurabili e concorrono a dare una chiara e completa identificazione del processo di misurazione.

Nel 1986 Deming affermò che un sistema di misurazione “ideale” produrrebbe solo misure corrette ogni volta che si effettua una misurazione. Ogni misura sarebbe conforme ad un master standard di riferimento; ma un sistema di misurazione in grado di produrre questi risultati avrebbe come proprietà statistiche zero varianza, zero bias, zero probabilità di errore.

Appare chiaro che solo controllando il 100% della produzione si garantirebbe la condizione di zero difetti, ma nel mondo industriale il controllo totale è realizzabile soltanto in casi di particolare necessità.
Nel normale contesto produttivo è un obiettivo pressoché irraggiungibile; il tempo necessario per effettuare i controlli influirebbe pesantemente sul costo del prodotto e per questo motivo si ricorre al controllo del manufatto mediante campionature, ripetuto più volte durante il processo e trattando i valori rilevati statisticamente.

Il controllo statistico di processo secondo criteri prestabiliti permette di ottenere degli indicatori rappresentativi della stabilità della produzione che si sta misurando e di prevedere quante parti per milione potrebbero essere non conformi alle specifiche continuando a produrre nelle medesime modalità.

Nello stesso modo è possibile misurare l'affidabilità del processo di misurazione ed ottenere lo stesso tipo di indicatori.

Lo studio del processo di misurazione può essere effettuato su caratteristiche di tipo:

- Variabile, ossia tutte quelle caratteristiche che si possono misurare.
- Attributivo, tutte quelle caratteristiche che si possono contare.

In questo articolo parleremo solo della misurazione di caratteristiche di tipo variabile. Gli elementi che intervengono nel processo di misurazione devono essere chiari, definiti e replicabili, vale a dire:

‣ Identificazione chiara e completa del particolare e della caratteristica da misurare e a fronte di quale processo
‣ Identificazione dello strumento e stato della data taratura
‣ Elenco delle caratteristiche che si vogliono misurare
‣ Scelta del tipo di studio che si vuole effettuare (corto - lungo)
‣ Data, ora e condizioni ambientali
‣ Nome e numero del/gli operatore/i che effettuerà/anno lo studio
‣ Numero delle misurazioni da effettuare
‣ Piano di controllo.

Per effettuare l’analisi del sistema di misurazione si dovranno effettuare misurazioni o campionamenti di dimensione stabilita per un numero di volte, da un numero di operatori e con una frequenza indicate nella raccomandazione del manuale AIAG.

Da questa analisi avremo ottenuto gli indicatori che ci consentiranno di sapere quanto l’uso dello strumento in esame potrà influenzare i valori misurati sul nostro manufatto.
Chiaramente, qualora lo stesso particolare venisse misurato in altro luogo con altro strumento da altro operatore, anche in questo caso sarà utile conoscere quanto lo strumento potrà influire sui valori rilevati nel contesto in cui viene utilizzato.

In estremo i manufatti potrebbero “sembrare” sbagliati ma non necessariamente esserlo, perché le differenze rilevate potrebbero essere imputabili agli strumenti o ai metodi usati per misurare.

Infine non è da sottovalutare che lo stato di conservazione, la gestione e la manutenzione dello strumento di misura, nonché le condizioni in cui si trova nel momento in cui viene utilizzato, possono influire pesantemente sulla qualità delle misurazioni.

Misurare un prodotto con degli strumenti o con delle procedure “non affidabili” equivale a non conoscere cosa stiamo producendo.

Come sempre, la trattazione dell’argomento è piuttosto articolata e corposa e richiederebbe molto spazio; per cui in questo articolo sono state date solo alcune informazioni fondamentali. In ogni caso, gli approfondimenti sono sempre disponibili.


Giovanni Stagni
Consulente nel settore fasteners
NdR: Per commenti e riscontri sull’articolo, vi invitiamo a scrivere a [email protected]