量测系统分析MS-量测系统分析MSA.ppt

測量系統分析(MSA),楊彥秀主任工程師電機電子環境發展協會(CED),目錄,第一章第A節引言.目的及朮語第B節測量過程第C節測量策略和規划第D節測量資源的開發第E節測量問題第F節測量不確定度第二章第A節背景第B節測量系統研究的備用第C節結果分析第D節量測系統變異分析,第一章-第A節引言目的的及朮語,引言測量數據的品質數據的品質取決於穩定條件下進行操作的測量系統中多次測量的統計特性。通常用來描述測量數據品質的統計特性是某測量系統的偏倚及變異。被稱為偏倚的統計特微指的是數據值相對於參考(基准)值的位置。而被稱為變異的特性指的是數據的分布寬度。如果交互作用產生有變異過大那么數據有品質會太低從而造成測量數據無法利用。,第一章-第A節引言,目的及朮語,目的本手冊的目的是為評估測量系統的品質提供指南。盡管這指南一般而言可用於任何測量系統但主要意圖是用於工業界的測量系統。本文件并不意圖成為對所有測量系統的一種分析縱覽而是主要用於那些對於每個零件的數據可以重復讀取的測量系統。許多分析對於其他形式的測量系統也是很有用的且本手冊的確包含了參考意見和建議。對於更復雜的或不常用的方法本手冊沒有討論建議使用者參考事宜的統計資源。本手冊也不涵蓋顧客對測量分析方法。,第一章-第A節引言.目的及朮語,朮語在本手冊中使用了以下朮語測量(Measurement)被定義為”對某具體事物附與數字(或數值)以表示它們對於特定特性之間的關系”。這定義由C.Eisenhart(1963)首次提出。賦予數字的過程被定義為測量過程而數值的指定被定義為測量值。量測(Gage):是指任何用來獲得測量結果的裝置。經常是特別用在工場現場的裝置包括go/nogo量規。測量系統(Measurementsystem):是對測量單元進行量化或對被測的特性進行評估其所使用的儀器或量具,標准操作.方法夾具軟體人員環境及假設的集合也就是說用來獲得測量結果的整個過程。,第一章-第A節引言目的及朮語,其它朮語匯總標准(Stansard)用於比較的可接受基准接受的准則一已知數值在不確定度的指定范圍內被接受而唯一真值參考值,第一章-第A節引言目的及朮語,基本的設備(Basicequipment)分辨力(Discrimimation)可讀性(Readability)解析度(Resoiution)別名最小可讀單位測量解析度最小刻度極限或探測的最小極限由設計所確定的固有特微一個儀器測量或輸出的最小刻度單位通常被顯示為測量單位10比1的比例法則,第一章-第A節引言目的及朮語,有效解析度(Effectiveresolution)特定應用條件下一個測量系統對過程變異的敏感度可以導致測量有用的輸出信號的最小輸入通常被描述為一個測量單元基准值(Reference)人為規定的可接受值需要一個可操作的定義作為真值的替代真值(Truevalue)物品的實際值未知的和不可知的,第一章-第A節引言目的及朮語,位置變異(Locationvariation)准確度與真值或可接受的參考值”接近”的程度在ASTM包括位置和寬度誤差的影響,偏移(Bias)測量的觀測平均值和基准值之間的差異測量系統的系統誤差分量,偏倚,測量系統平均值,參考值,第一章-第A節引言目的及朮語,穩定性(Stability)隨時間變化的偏移值一個穩定的測量過程在位置方面是處于統計上受控制狀態別名漂移,線性(Linearity)在量具正常工作量程內的偏移變化量多個獨立的偏移誤差在量具工作量程內的關系是測量系統的系統誤差所構成,基准值,時間,偏倚,偏倚,尺寸1,尺寸2,第一章-第A節引言目的及朮語,寬度變異(Widthwariation)精密度(Precision)每個重復讀數之間的”接近”程度是測量系統的隨機誤差所構成重復性(Repeatability)一個評價者使用一件測量儀器對同上零件的某一特性進行多次測量下的變異是在固定的和已定義的測量條件下連續(短期內)多次測量中的變異通常被稱為E.V.設備變異設備(量具)能力或潛能系統內部變異,第一章-第A節引言目的及朮語,再現性(Reprouciblity)不同評價者使用相同的量具測量一個零件的一個特性的測量平均值的變異。在對產品和過程進行評監時誤差可能是評價者環境(時間)或方法通常被稱為A.V.-評價者變異系統之間(條件)的誤差在ASTME456-96包括重復性實驗室環境以及評價者影響,第一章-第A節引言目的及朮語,GRR或量具的重復性(再生性)和再現性(GageR&R)量具的重復性和再現性測量系統重復性和再現性合成的聯合估計值測量系統能力取決於所用的方法可能包括或不包括時間的影響,測量系統能力(MeasurementSystemCapability)測量系統變異的短期估計值(例”GRR”,包括圖表法)測量系統性能(MeasurementSystemperformance)測量系統變異的長期估計值(例長期控制圖發),第一章-第A節引言目的及朮語,第一章-第A節引言目的及朮語,靈敏度(Sensitivity)能導致可探測到的輸出信號的最小輸入測量系統被測特性變化的感應度取決於量具設計(分辯力)固有品質(OEM)使用其間的維修以及測量儀器與標准的操作情況通常被描述為一種測量單位報告一致性(Consistency)隨時間重復性變化的程度一致的測量過程是在寬度(變異)方面處於統計上受控制狀態均一性(Uniformity)在正常工作范圍內重復性的變化重復性的同意詞,第一章-第A節引言目的及朮語,系統變異(Systemvariation)測量系統變異可以具有如下特征能力(Capability)短期內讀數的變化量性能(Performance)長期讀數的變異性以總變異為基礎不確定度(Uncertinty)有關被測值的數值估計范圍相信真值都被包括在該范圍內,第一章-第A節引言目的及朮語,可追溯性(Traceadility)可溯源性在ISO國際基本和通用的度量衡朮語辭匯中的定義為“透過一個完整的比較鏈追溯到規定的參考標准(通常是國家或國際標准)的測量特性或標准值都具有一定的不確定度”。,第一章-第A節引言目的及朮語,國家標准,參考標准,工作標准,生產用量具,波長的標准,相互標准的比較測定儀,鐳射光測量一標准塊規/比較測定儀,三次元測量儀,塊規,量具裝置分厘卡尺,第一章-第A節引言目的及朮語,為了有效地管理任何過程變異需要以下知識過程應該做什么會出什么錯過程正在做什么,測量過程,被管理的過程,測量,數值,分析,決定,第一章-第A節引言目的及朮語,定義系統的統計特性定義一個”好”的測量系統。包括1)具有足夠的分辨力和敏感度2)測量系統應處於統計上受控狀態3)為了產品控制測量系統的變異必須小於規格限值。以特性的公差來評估測量系統4)為了過程控制測量系統的變異應該能証明具有效有分辨力并且小於制造過程的變異,第一章-第B節測量過程,第一章-第B節測量過程,測試系統變異的影響由於測量系統會被不同的變異來源影響相同零件的重復讀值不會有相同的產出與結果每個讀值之間不相同是因為普通和特殊原因變異造成的。由於我們是用測量系統的輸出來對某產品和過程做出決策這所有變異來源的累積效應通常被稱為測量系統誤差或有時簡單地稱為“誤差”.,第一章-第B節測量過程,對過程決策的影響,生產用量具的變異,實際的過程變異,觀察至的過程變異,第一章-第C節測量的策略和規划,在設計和采購測量設備或系統前進行規划是相當關鍵的。在規划階段所做的許多決定會影響測量設備的傾向和選擇。測量的目的是什么?如何來使用測量的結果?規划階段將解決這些問題并且對測量過程的操作產生顯著的影響同時可以減少可能出現的問題以及以后的測量誤差.,第一章-第C節測量的策略和規划,與測量規划有關的几個需考慮的其他問題誰應加入“需要”分析中?流程圖和最初的討論將有利於關鍵項目的識別。為什么要采取量測?及如何被使用?數據是否用來控制分類資格驗証等?測量的應用方式會改變測量系統的敏感度等級。需要什么級別的敏感度?產品規格是什么?預期的過程變異是什么?需要用量具檢測的零件之間差別有多少?,第一章-第C節測量的策略和規划,與測量規划有關的几個需考慮的其他問題需要對量具提供那些資訊(例如使用手冊-操作維護等)?需要操作者具備哪些基本技能?誰來實施這培訓?如何進行量測?是否可以進行人工測量?在移動的輸送帶上?離線測量?自動測量?零件的位置和固定是否是可能的變異來源?接觸或非接觸測量?測量在何時何地進行?零件是否被清潔涂油加熱等?,第一章-第D節測量資源的開發,引言開發一測量過程報價方案的過程獲得對報價方案的回復裁定專案完成最終設計開發測量過程并在最后將已建立的測量過程與生產過程互相結合。應該將它納入先期產品品質規划(APQP)小組的整體果架構下管理。測量過程已經被概略的設計完成之后便可以開始量測過程/系統的相關采購活動。,第一章-第D節測量資源的開發,評估報價單得到報價單后小組成員要聚集在一起對它們進行審查和評價。要注意以下項目是否符合基本的要求?是否有任何明顯的顧慮?是否有任何的供應商提出了異常的情況為什么?(異常情況可能中對價格或交付方面的重大偏離-沒有必要把這個看成一各負面因素一個供應商可能已經發現了其他供應商所忽視的地方)概念是否提升了簡單易懂且可維修性?,概念,報價,核准,第一章-第D節測量資源的開發,在供應商處的鑒定適用情況下在測量系統供應商交付之前應付量具或測量系統進行全尺寸的檢驗和功能試驗。因此明顯的被選擇的供應商必須在生產現場具有合格的測量設備和人員以便完成以上工作如果無法進行必須實先安排一個合格的外部獨立實驗室來完成這些工作。這種全尺寸所執行和/或實驗應該是基於顧客的設計和制造標准要求下所執行結果并且應完全記錄下來以供顧客審查.,初始MSA研究目的量具重復性(GR16)與量具重復性和再現性(GRR)的比較偏移和/或線性的評估顧客對測量目的的評估研究中的零件數測量次數和操作者的數量接受准則利用供應商人員和顧客人員有比較人員所需要的培訓他們有資格嗎?他們理解意圖嗎?可能需要使用什么軟體?,第一章-第D節測量資源的開發,第一章-第D節測量資源的開發,文件交付使用者手冊維護/服務手冊備用零件清單問題診斷指南校准說明書其他特別需要考慮的事項,第一章-第D節測量資源的開發,引言當評估一個測量系統時必須討論三個基本問題1)測量系統必須証明有足夠的敏感度2)這測量系統必須穩定3)統計的特性(誤差)要一直保持在期望的范圍內并且足以滿足測量的目的(產品控制或過程控制),第一章-第D節測量資源的開發,變異的定義和潛在的來源位置變異准確度通用的正確說法它是指一個或多個測量結果的平值與一個參考值之間一致的接近程度。測量過程必須於統計控狀態否則談過程的准確度就沒有意義。,第一章-第D節測量資源的開發,偏倚偏倚通常被稱作“准確度”。由於“准確度”有多種意思建議不要用准確度來代替偏倚。偏倚是指對相同零件上同一特性的觀測平均值(參考值)的差異。偏倚是測量系統的系統誤差的測量。它是由所有已知或未知的變異來源所共同影響的總偏差所造成這些促使在某一測量時期內重復的應用相同測量過程時所有結果恆定的且可預測的呈現偏置的總便差趨向。,偏倚,測量系統平均值,參考值,造成過大的偏倚的可能原因有儀器需要校准儀器設備或夾具磨損基准的磨損或損壞基准偏差不適當的校准或使用基准設定儀器品質不良?設計或符合性線性誤差使用了錯誤的量具不同的測量方法?作業准備載入夾緊技巧測量的特性不對變形(量具或零件)環境?溫度濕度振動清潔錯誤的假設應用的常數不對應用?零件數量位置。操作者技能疲勞觀察誤差(易讀性視差),第一章-第D節測量資源的開發,第一章-第E節測量問題,穩定性穩定性(或漂移)是指經過一段長期間下用相同的測量系統對同一基准或零件的同一特性進行測量所獲得的總變異。也就是說穩定性是整個時間的偏倚變化。,基准值,時間,第一章-第E節測量問題,造成穩定性的可能原因有儀器需要校准縮短校准周期儀器設備或夾具的磨具正常的老化或損壞維護保養不好?空氣動力液體過濾器腐蝕塵土清潔基准的磨損或損壞基准的誤差不適當的校准或使用基准設定儀器品質不好?設計或符合性儀器缺少穩健的設計或方法不同的測量方法?作業准備載入夾緊技巧變形(量具或零件)環境變化?溫度濕度振動清潔錯誤的假設應用常數不對應用?零件數量位置操作者技能疲勞觀察誤差(易讀性視差),第一章-第E節測量問題,線性線性是在測量設備預期的工作(測量)量程內偏倚值的差異。線性可被視為偏倚於量程大小不同所發生的變化。,一致的偏倚,零點偏倚,線性不一樣致的偏倚,一致的偏倚,線性不一樣致的偏倚,觀測值,觀測值參考值,參考值,正偏倚,零偏倚,第一章-第E節測量問題,造成線性誤差的可能原因如下儀器需要是校准縮短校准周期儀器設備或夾具的磨損維護保養不好?空氣動力液體過濾器腐蝕塵土清潔基准的磨損或損壞基准的誤差-最小/最大不適當的校准(沒有涵蓋操作范圍)或使用基准設定儀器品質不好?設計或符合性缺乏穩健的儀器設計或方法應用了錯誤的量具不同的測量方法?作業准備。載入夾緊技巧隨著測量尺寸不同(量具或零件)變形量不同環境?溫度濕度振動清潔錯誤的假設應用的常數不對應用?零件數量位置操作者技能疲勞觀察誤差(易讀性視差),第一章-第E節測量問題,寬度變異精確度傳統上將測量系統整個作業量程范圍內(尺寸范圍和時間)的分辯力敏感度和重復性的最終影響定義為精確度。有些組織將精確度與重復性互用。事實上精密度通常用來描述在測量范圍內重復測量的預期變異這范圍可能是尺寸或時間(例如“某測量設備在高量程和低量程一樣精確”或者“今天和昨天一樣精確”)。精密度也是對重復性的線性篇以量(雖然重復性是隨機的而偏倚是系統的誤差)。ASTM定義的精確度的范圍更廣包括由於不同讀數。量具人試驗或條件造成的偏異差。,第一章-第E節測量問題,重復性(再生性)傳統上將重復性稱為“評價者內部”的變異。重復性是用一個評價者使用相同的測量儀器對同一零件上的同一特性進行多次測量所得到的測量變異它是設備本身的固有變異或能力。重復行通常被稱為設備變異(EV)但這是一種誤解。事實上重復性是在指定的測量條件下連續測量的普通原因(隨機誤差)的變異。重復性有最佳措辭為當測量條件已被確定和定義一以的零件儀器標准方法操作者環境和假設量對於重復性最好的朮語是系統內部變差。除了設備內部變差以外重復性將包括所有來自處於誤差模式的任何情況下內部變差(見下文),參考值,重重性,第一章-第E節測量問題,造成重復性的可能原因包括零件內部(抽樣樣本)形狀位置表面光度錐度樣本的一致性儀器內部維修磨損設備或夾具的失敗品質或保養不好標准內部品質等級磨損方法內部作業准備技巧歸零固定夾持點密度變異評價者內部技巧位置缺乏經驗操作技能或培訓意識疲勞環境內部對溫度濕度振動清潔的小幅度波動錯誤的假設一穩定適當的操作缺乏穩健的儀器設計或方法一致性不好量具誤用失真(量具或零件)缺乏固定性應用?零件數量位置觀測誤差(易讀性視差),再現性傳統上再現性稱為“評價者之間”的變異。通常將再現性定義用不同評價者使用相同的測量儀器對同一產品上的同一特性進行測量所得的平均值的變異。手動儀器通常的確受操作者技能的影響但是對於操作者不是變異主要原因有測量過程(例如自動的系統)上述說法是不正確的。因為這原因再現性是指測量的系統之間或測量條件之間的平均值變異。,第一章-第E節測量問題,評價者A,C,B,再現性,第一章-第E節測量問題,造成再現性誤差的潛在原因包括:零件之間(抽樣樣本):使用同樣的儀器操作者和方法測量ABC零件類型時的平均差異。儀器之間在相同零件操作者和環境下使用ABC儀器測量的平均值差異。注意在這種情況下再現性誤差通常還混有方法和/或操作者的誤差。標准之間在測量過程中不同的設定標准的平均影響方法之間由於改變測量點密度手動系統歸零固定或夾緊方法等所造成的平均值差異。評價者(操作者)之間評價者ABC之間由於培訓技巧技能和經驗所遭成的平均值差異。推荐在這產品和過程鑒定和使用手動測量儀器時使用這種研究方法.環境之間在經過123等時段所進行的測量由於環境周期所造成的平均值差異。這種研究常用在使用高度自動化系統對產品和過程的鑒定。研究中的假設有誤。缺乏穩健的儀器設計或方法。操作者培訓的有效性。應用?零件數量位置觀察誤差(易度性視差),量具R&R或GRR量具的R&R是結合了重復性和再現性變異的估計值。換句話說GRR值等於系統內部變異和系統之間變異的和。,第一章-第E節測量問題,A,C,B,參考值,GRP,2GRP=2再現性+2重復性,第一章-第E節測量問題,敏感度敏感度是指技能產生一個可檢測到(有用的)輸出信號的最小的輸入。它是測量系統被測特性變化的回應。敏感度由量具設計(分辨力)固有品質(OEM)/使用中保養以及儀器操作條件和標准來確定。它通常被表示為一測量單位影響敏感度的因素包括一個儀器的衰減能力操作者的技能測量裝置的重復性對於電子或氣動量具提供無漂移操作能力儀器使用所處的條件例如大氣條件塵土濕度,第一章-第E節測量問題,測量系統變異能力一測量系統的能力是基於在短期評估中測量系統誤差(隨機的和系統的)的組合變異的估計值。簡單的能力包括以下列組成要素不正確的偏倚或線性重復性和宰相性(GRR)包括短期一致性,2能力=2偏倚(線性)+2GRP,第一章-第E節測量問題,性能像過程性能一樣測量系統性能能是所有重大的和決定性的變異來源的長期總影響。性能是組合了測量誤差(隨機的主系統的)的長期評估計算。因此性能包含了以下長期誤差要素能力(短期誤差)穩定性和一致性,2性能=2能力+2穩定性+2一致性,第一章-第F節測量不確定度,總則量測不確定度是國際上用來描述一測量值品質的朮語。這朮語傳統上為許多度量衡或量具實驗室所進行的高准確定度測量使用如QS-9000或ISO/TS16949之類的品質系統標准要求“要了解不確定度并與其他任何檢驗能量或實驗設備所需的測量能力相一致.”,第一章-第F節測量不確定度,本質上不確定度是對依指定的測量結果范圍的描述在特定的自信度水准內預期的包含了實際的測量結果的范圍。不確定度是測量可靠性的一種量化的表達。這個概念的一個簡單的表達為測量實際值=測量的觀測值(結果)+U,U這朮語即是這被測量結果的“擴充不確定度”。擴充不確定度是組合的標准誤差(US)或這組合誤差(隨機的和系統的)的標准差在測量過程中乘以一個涵蓋常數(K)這是對一期自信度水准的常態分部曲線面積的表示記住應用了對測量過程呈常態分布的原則假設。ISO/IEC測量不確定度指南定義這涵蓋常數是常態分布下95%面積來充分的呈現不確定度。這通常被詮釋為K=2,U=KUC,第一章-第F節測量不確定度,第一章-第F節測量不確定度,有些不確定度建立於長期測量系統誤差另一些是基於短期測量系統誤差。然而可以透過以下簡單公式來計算U2c=2能力+2其它測量不確定僅僅是用來估計在某測量時間下測量可能的變化有多大記住這一點很重要.,第一章-第F節測量不確定度,測量不確定度和MSA不確定度和MSA的主要不同點在於MSA專注於理解測量過程確定這過程中誤差的大小并評估這測量系統是否使用於產品和過程的控制MSA提升理解和改進(減小變異)。不確定度是測量值的范圍透過一個自信度區間的定義與測量結果相關并預期包括測量的真值,第一章-第F節測量不確定度,引言理解測量變異及它整個變異的貢獻是需要一個問題解決的基本步驟。步驟1識別問題步驟2識別小組步驟3測量系統和過程的流程圖步驟4因果圖步驟5計划-實施-研究-行動(PDSA)27步驟6可能的解決方法及矯正的証明步驟7將變化耕制度化,第二章用於評估測量系統的基本分析,第二章-第A節背景,引言需要對兩個重要領域進行評估1)驗証在適合的特性位置上測量了正確的變數。若適用驗証夾具和固定裝置同時識別與測量相互依賴的任何關鍵環境因素。2)確定該測量系統需要具備哪些可被接受的統計特微。為了作成這確定知道將使用什么詎的數據是很重要因為如果不了解這一點就不能確定適當的統計特性。,第二章-第B節測量系統研究的准備,進行測量系統研究的准備一般包括1)應該規划所使用的方法例如如果在校准或使用儀器時有評價者影響使用工程判斷目視觀察或量具研究來確定。2)應該事先確定評價者的人數抽樣零件的數量及重復讀數的數量等。選擇以上內容時考慮以下因素a)關鍵性尺寸-關鍵尺寸需要更多的零件和/或測量次數原因是量具研究估計用的自信度要求b)零件的形態-大型或重型零件可能意味著樣本數較少但測量次數多,第二章-第B節測量系統研究的備用,進行測量系統研究的備用一般包括3)由於目的是評價全部的測量系統評價者應該從那些正常操作儀器的人員中選擇。4)樣件的選擇對適當的分析是很關鍵的其完全的取決於MSA研究的設計系統的目的及代表該生產過程的零件樣本的可獲得性.5)儀器應該有足夠的分辨力特性直接被讀出的值至少是預期過程變異的十分之一。例如如果特性的變異為0.001則設備能被“讀出”0.0001的變化量。6)確保測量方法(如評價者和儀器)是測量特性的尺寸并遵循已定義的測量程序。,第二章-第C節結果分析,位置誤差接受性准則位置誤差位置誤差通常被定義為偏倚和線性分析。通常如果一測量系統的偏倚或線性誤差明顯的異於零或超過該量具校准程序中所建立的最大容許誤差則該測量系統未何不可接受。在這種情況下應該對這測量進行重新校准或進行一個補償修正來減少這誤差,第二章-第C節結果分析,寬度誤差接受性准則寬度誤差對於目的是用來分析過程的測量系統對測量系統可接受性的通用比例原則如下低於10%的誤差通常被認為是一個接受的測量系統.10%到30%的誤差根據應用的重要性測量裝置的成本維修費用等可能是可接受的大於30%誤差考慮為不可接受應該盡各種力量以改進這測量系統,第D節量測系統變異分析,量測系統之變異主要有六種偏差(Bias)穩定性(Stability)線性(Linearity)再現性(Repeatability)再生性(Reproducibility)零件變異(Partbariation),量測系統變異分析,(一)偏移(Bias)偏移又稱為准確度(Accuracy)是指量測平均值與真值之差值。,VT,VA,VT=真值VA=量測平均值,偏移准確度),量測試系統變異分析,(例3)1位作業者量測1個零件10次量測值如下所示X1=0.75X2=0.75X3=0.75X4=0.75X5=0.75X6=0.80X7=0.75X8=0.75X9=0.75X10=0.70則量測平均值VA0.75已知該零件之直值VT為0.80mm,零件之制程容許變異為0.10mm,則Bias=VA-VT=0.75-0.80=-0.05%Bias=100(Bias/制程變異管制)=100(0.05/0.70)=7.1%,量測系統變異分析,(二)穩定性(Stabilty)穩定性又稱為漂移(Drift)是指不同時間測值之64變異此量測之方式可有兩種1.以相同標准件在不同時間量測同一量具所得之變異2.以相同量具在不同時間量測同一零件所得之變異,時間1,時間2,穩定性,量測系統變異分析,(三)線性(Linearity)線性是指量具在使用范圍內偏移(准確度)差異之分布狀況。(例4)作業者量測5個不同零件其真值分別為2.00mm,4.00mm,6.00mm,8.00mm