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测量系统分析 MSA MEASUREMENTSYSTEMANALYSIS 一 引言二 测量系统的组成三 变差的来源四 变差的类型五 测量系统分析之准备六 如何进行测量系统分析七 计量型测量系统分析 示范八 计数型测量系统分析 示范九 复杂的或非重复的测量系统的实践 目录 测量数据的质量 测量数据质量由在稳定条件下运行的某一测量系统得到的多次测量结果的统计特性确定 例如 假定用在稳定条件下运行的某测量系统 得到某一特性的多次测量数据 如果这些测量数据与这一特性的材料值都很 接近 那么可以说这些测量数据的质量 高 类似地 如果一些或全部测量数据 远离 标准值 那么可以说这些数据的质量 低 低质量数据最通常的原因之一是数据变差太大 一组测量变差大多是由于测量系统和它的环境之间的交互作用造成的 例如 测量某容器内流体的容积 使用的测量系统可能对它周围的环境温度敏感 在这种情况下 数据的变差可能由于其体积的变化或周围温度的变化 使得解释这些数据很困难 因此这一测量系统是不理想的 术语 测量 定义为赋值 或数 给具体事物以表示它们之间关于特定性的关系 这个定义由 Eisenhart 1963 首次提出 赋值过程定义为测量过程 而赋予的值定义为测量值 量具 任何用来获得测量结果的装置 经常用来特指用在车间的装置 包括通过 不通过装置 测量系统 是用来对被测特性定量测量或定性评价的仪器或量具 标准 操作 方法 夹具 软件 人员 环境和假设的集合 用来获得测量结果的整个过程 根据定义 一个测量过程可以看成是一个制造过程 它产生数值 数据 作为输出 这样看待测量系统是有用的 因为这可以使用权我们运用那些早已在统计过程控制领域证明了有效性的所有概念 原理和工具 标准用于比较的可接受的基准用于接受的准则已知数值 在表明的不确定度界限内 作为真值被接受基准值一个标准应该是一个可操作的定义 由供应商或顾客应用时 在昨天 今天和明天都具有同样的含义 产生同样的结果 术语 分辨力 可读性 分辨率 别名 最小的读数的单位 测量分辨率 刻度限度或探测度 由设计决定的固有特性 测量或仪器输出的最小刻度单位 总是以测量单位报告 1 10经验法则 有效分辨率 对于一个特定的应用 测量系统对过程变差的灵敏性 产生有用的测量输出信号的最小输入值 总是以一个测量单位报告 术语 基准值 人为规定的可接受值 需要一个可操作的定义 作为真值的替代 真值 物品的实际值 未知的和不可知的 术语 二 测量系统的组成 标准 零件 仪器 人 程序 环境 SWIPE 测量 数值 分析 输入 输出 可接受可能可接受须改善 测量系统 三 变差的来源 一 仪器 量具 工作件 零件 扩大 测量系统变异 变异性 敏感性 接触几何 变形效应 一致性 单一性 重复性 再现性 使用假设 稳健设计 偏移 线性 稳定性 校准 预防性维护 维护 创建公差 发展的变异 发展 设计变异 夹持 位置 测量站 测量探测器 相互关连的特性 清洁 适合的数据 工作的定义 弹性变形 质量 弹性特性 支撑特性 隐藏的几何 可追溯性 校准 热扩散系数 弹性特性 人员 程序 环境 教育 身体的 限制 程序 目视标准 工作规定 工作态度 经验 培训 经验 培训 理解 技能 人因工程 照明 压力 振动 空气污染 几何的兼容性 阳光 人工光阳 光阳 温度 人员 空气流程 热的系统 平等化 系统构成要素 周期 标准与环境的关系 标准 三 变差的来源 二 五 变差的类型 一 位置变差 LocationVariation 二 宽度变差 WidthVariation 三 测量系统变差 MeasurementSystemVariation 位置 Location 宽度 Width 一 位置变异 准确度 Accuracy 指一个或多个量测结果的平均数与参考值之间一致的接近程度 偏倚 Bias 偏倚 Bias 通常被称为 准确度 但 准确度 有多种解释 建议不要用准确度来代表偏倚 偏倚是指对相同零件上同一特性观测平均值与真值 参考值 的差异 偏倚 Bias VA VT VT 真值 可由较高等级量具多次测量的平均值 VA 测量平均值 稳定性 Stability 稳定性 Stability 又称漂移 Drift 指经过一段长期时间下 用相同的测量系统标准 对同一基准或零件的同一特性进行测量所得到的总变差 时间 线性 Linearity 线性 Linearity 线性是在测量设备预期工作 测量 量程内 偏倚值的差异 可视为偏倚对量程大小不同所发生的变化 数值A 偏倚 数值B 偏倚 二 宽度变异 精确度 Precision 测量系统整个作业量程范围内 尺寸 范围和时间 的解析度 分辨力 敏感度和重复性的最终影响 重复性 Repeatability 重复性 Repeatability 又称设备变差 EquipmentVariation EV 是用一个评价人使用相同的测量仪器 对同一个零件上的同一特性进行多次测量所得到的变差 它是设备本身的固有变差 重复性 参考值 再现性 Reproducibility 再现性 Reproducibility 又称评价人之间的变差 AppraiserVariation AV 用不同评价人使用相同的测量仪器 对同一产品上的同一特性 进行测量所得到的平均值的变差 再现性 评价者A 评价者C 评价者B 流程表現 準確度 均值的位置精密度 分布寬度的程度 變差或SD 理解分辨率 测量一个硬币的厚度 哪个测量系统对这三个硬币提供更好的变差信息 分辨力 系统检测并如实显示的参考值的变化量 也可称为可读性或分辨率 过程控制图 分辨率不足 当极差图出现以下情况时 表示测量系统的分辨率不足 只有一 二或三个极差值可读四分之一以上极差为零选择分辨力按比例小于规范或过程变差 以获得足够的分辨率 分辨率的决定原则 推荐分辨力最大为过程分布6 的十分之一 而不是公差 规范 的十分之一在APQP和测试期间进行量具分辨力的研究研究制造过程或相似过程的极差图 根据前页和范例从不断改进的角度看 公差值的十分之一可能不够 基准值 为了比较的一个一致认可的值 有时也称为 可接受的值 常规值 指定值 最佳估算值 标准测量 测量的标准 基准件 具有非常精确制定的一个或更多特性的一种材料或物质 用于仪器的校准 测量方法的评估或给材料赋值 国家 国际测量标准 一个材料测量 测量仪器 基准件或系统准备去定义 实现 保存或复制一个零件 一个或更多的数量值 为了将它们去和其他测量仪器比较这些标准被一些国家专业机构或国际一致认可的国际性服务机构所承认 作为确定其他所有与数量有关的标准件的值的依据一些例子 1Kg质量标准 氦 氖激光长度标准 标准量块 铯原子频率标准 100 标准电阻 JosephsonArray电压标准 国家 国际测量标准 使用一个可追溯的标准以提供 比较的共同点 测量系统有效性 测量系统准确性评价 解决零件间的冲突 最直接的验证指导 可追溯标准的局限 在破坏性测试中很难使用有些产品特性和过程结果无确定行业或国家标准有些测试没有行业或国家标准在设计和开发 合同评审和APQP期间讨论这些局限性 选择 为了校准可能需要使用非常精密的基准件 其他在实验室内验证的零件和 或相互认同的标准件 这些都是通过最高级别的测量设备评定的最好的产品 比较分析产生精确的数据 将决定为校准而需要的调整数量 内部实验室比较 组织 性能和2个或更多的实验室按照预定的条件对设备的相同或相似的部件的评估 测量不确定度 用于描述测量值的质量的术语测量不确定度是给组成测量系统的变量赋值的所有可能性的总和 总的可能性应衡量并且要与在进行的测量的重要性和关键性相一致 测量不确定度和校准 测量系统的不确定度第一次是通过校准过程而产生 校准允许对测量仪器 测量系统 或标在尺上的刻度值等的指示的误差的评价 测量不确定度和校准 基准件本身 校准和环境以及个人的活动的表现都对测量不确定度有影响 这就是要经鉴定合格的和 或有资格的实验室以及你应接受对你的测量 检验和实验设备要做或已做校准的数据的益处的原因 五 测量系统分析之准备 1 人员和产品 零件 准备确定测量系统中人员 如一个人使用 或几个人共用一个测量仪器 确定测量系统中所检测的产品特性 并选取相应的样本 样本的选取与选择的分析方法有关 测量系统分析之准备 续 2 基本设备条件 BasicEquipment 分辨力 Discrimination 分辨率 Resolution 1 最小可读单位 2 10 1的比例法则参考值 ReferenceValue 1 某一对象可接受的数值 2 常被用来替代真值 真值 TrueValue 1 某一对象的真实数值 2 不可知且无法知道 六 如何进行测量系统分析 1 确定测量系统的组成 标准 零件 仪器 人 程序 环境 2 确定该测量系统是否处于统计稳定状态 测量仪器已经过校准 并分析该测量系统的变差来源 定性分析 3 选择适用的测量系统分析方法 如计量值的偏倚 线性 稳定性 重复性 再现性 计数值的风险分析法 解析法 破坏性测量系统的控制图法 变差分析法等 5 选择样本零件 按照 盲测 的方法收集数据 按照相关软件进行计算 6 与接收准则相比较 如不能接收 则采取相应措施 措施采取后应再次进行测量系统分析 七 计量型测量系统分析 示范 1 偏倚示范 一个制造工程师对量测设备系统进行分析 证明该量测系统应该没有线性误差的考量 所以该工程师只对偏倚进行评价 他在这量测系统范围内选定了一个零件 并对该零件进行量测15次来确定它的参考值 偏倚数据 续 偏倚数值分析 1 计算n个读值的平均数2 计算重复性标准差 式中d2 可查表得知 g 1 且m n 最大值 Xi 最小值 Xi d2 偏倚数值分析 3 确定偏倚的t统计量 t statistic 偏倚 观测到的平均测量值一参考值tt 4 如果0落在偏倚值附近95 自信度界限内 则偏倚在95 的水平上是可接受的 偏倚 偏倚式中 d2及d2 及v可从附录中查到 令g 1 且m n tv 1 2可以利用标准t分配查到 偏倚 偏倚直方图 续 4 3 2 1 0 量测值 次数 15 6 15 7 15 8 15 9 16 0 16 1 16 2 16 3 16 4 偏倚分析表 续 2 稳定性示范 某工厂为了确定某一新量测仪器的稳定性是否为可接受 评价人员选定了接近中间值的一个零件 该零件被送到了量测实验室 经量测其参考值确定为6 01 评价人员量测该零件5次 共量测了一个月 20个小组 收集到所有数据后 画出了 R图 稳定性示范 续 UCL 1 010 LCL 0 0 4779 1 00 50 0 样本全距 6 36 26 16 05 95 85 7 UCL 6 267 LCL 5 746 6 021 0 10 20 样本平均 子组 1 计算零件每次量测的偏倚 以及平均数 偏倚i j Xi j 参考值 2 在线性图上划出相对参考值的每个偏倚及偏倚平均数 3 计算并划出最适当的线及该线的自信度区间 3 线性分析 图示法 偏倚i j m 偏倚i Yi aXi b式中Xi 参考值 yi 偏倚平均数 而对一个已知X0 自信度区间为 线性分析 图示法 斜率 Slope 中心 上限 b aX0下限 b aX04 划出 偏倚 0 的线 并对图进行审查 以观察是否存在特殊原因 以及线性是否可接受 线性分析 图示法 5 如果 偏倚 0 的整个直线都位于自信度区间以内 则该量测系统的线性是可接受 6 若图标法表示线性是可接受的 则以下假设应该为真 H0 a 0斜率 0如果下式成立 则不能被否定 线性分析 图示法 7 若以上假设为真 则量测系统对所有参考值具有相同的偏倚 这个偏倚必为0 该线性才可被接受 H0 b 0中心 偏倚 0 线性分析 图示法 线性示范 MINITAB软件示例 线性示范 Minitab 线性示范 续 线性示范 续 线性示范 续 7 重复性再现性测量系统分析 准备 1 计量器具确定选择一个产品的特性 计量值特性 计量器具的精度 分辨率 应该是该特性值公差带的1 10 如公差带宽度为0 20mm 则计量器具的精度 分辨率 应为0 02mm 2 评价人和分析人评价人是指检验人员 对于重复性和再现性分析来讲 评价人应在两人以上 四人以内为好 分析人是指对检验员进行分析的人员 可由相关技术质量管理人员担任 人数为1 2人 3 样品选择样品可选择10个 但所有样品应的值 应随机分布在公差带内 即从公差上限到公差下限具有零件覆盖 搜集GRR的数据采用盲测的方式进行 示范 重复性再现性测量系统分析 示范 GRR 量具再现性及再生性数据表 页数 1 2 零件件名 瓶嘴封口 量具名称 作成日期 零件件号 量具编号 001 作成单位 特性 内径尺寸 量具精度 作成者 规格 32 5 33 5mm 量具范围 审查者 x R R R x 零件件名 瓶嘴封口零件件号 特性 重量规格 32 5 33 5mm由数据表得 R0 04Xdiff 0 060Rp 0 89 公式 AV 100 AV TV AV 10 79 n 零件数r 量测次数 再现性 作业者 变异 AV 公式 AV n 10r 2AV 0 0304 公式 EV 100 EV TV EV 12 59 重复性 设备变异 EV 公式 EV R K1EV 0 0355 制程变异 量测单元分析 量测次数 K1 23 0 88620 5908 作业者人数 2 3 K2 0 7071 0 5231 量具重复性及再现性报告 量具名称 量具编号 001量具精度 量具范围 作成日期 作成单位 作成者 审查 全变异 TV 公式 TV TV 0 2839 公式 PV 100 PV TV PV 98 62 公式 ndc 1 41 PV GRR ndc 8 3978 零件变异 PV 公式 PV Rp K3PV 0 2800 公式 R R 100 GRR TV R R 16 58 重复性 再现性 GRR 公式 GRR GRR 0 04668 制程变异 量测单元分析 0 70710 52310 44670 40300 37420 35340 33750 32490 3146 2345678910 K3 零件数 全部的计算是基于5 15标准差 的预侧 在常态分配曲线下99 的面积 5 15 d2 是由量测次数 m 及零件数乘以作业者人数 g 而决定 此处假设 g 大于15AV 如果在开平方根符号下 其计算值为负值 则做业者变异设置为0 0 5 15 d2 是由作业者人数 m 及 g 而决定 因只计算一个全距故 g 1 5 15 d2 是由零件数 m 及 g 而决定 因只计算一个全距故 g 1 取自A J Duncan所着 QualityControlandIndustridStatistics 之表3 量具重复性及再现性报告 量具重复性与再现性之比较 1 重复性 再现性 1 量测仪器需加以保养 2 产品之变异出现异常 3 量具之夹紧或定位 OFFSET 不一致 2 再现性 重复性 1 量具之校正未落实 2 作业者对量具使用不熟 3 可能需要