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测量系统分析MeasurementSystemsAnalysis 2 前言在质量管理中 数据被广泛的使用 由于质量管理中采用的统计方法都是以数据为基础的 因此数据的质量决定了质量管理的成败 为获取高质量数据 就必须对产生数据的测量系统要有充分的理解和深入的分析 同时 测量系统分析作为五种核心工具之一 在QS9000以及ISO TS16949等汽车行业的质量管理体系中 对其均有强制性要求 MSA 3 目录 1 测量系统分析的意义P042 测量系统分析的目的P053 测量系统的相关知识P063 1 与测量有关的术语P063 2 测量系统的统计特性P143 3 测量系统变差的类型P203 4 测量系统变差的影响P223 5 理想测量系统的特征P283 6 可靠测量系统的特征P294 测量系统分析常用方法P304 1 准确性 偏倚 独立样件法P314 2 稳定性 漂移 控制图法P344 3 准确性 偏倚 独立样件法P364 4 重复性和再现性 均值极差法P404 5 计数型测量系统 假设检验分析法P45测量系统分析的实施P485 1 测量系统分析前的准备P495 2 测量系统分析实施要点P515 2 测量系统分析结果分析P52 MSA 4 如果测量过程出现问题 那么好的结果可能被测为坏的结果 坏的结果也可能被测为好的结果 此时便不能得到真正的产品或过程特性 因此 通过对测量系统进行分析以保证结果的准确性和可信度 一 测量系统分析的意义 测量系统 MeasurementSystems 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 是用来获得测量结果的整个过程 MSA的意义 测量系统 5 二 测量系统分析的目的 确保所使用的数据是否可靠 也就是确定并解决测量系统的变差问题 1 每个 测量 过程都会有变差 2 变差 产品变差 测量变差 还可用于 评估新的测量系统 仪器 不同测量方法之间的比较 MSA的目的 6 MSA的相关知识 三 MSA的相关知识3 1 与测量有关的术语 测量 赋值 或数 给具体事物以表示它们之间关于特定性的关系 赋值过程定义为测量过程 而赋予的值定义为测量值 测量过程可看成是个制造过程 它产生数值 数据 作为输出 量具 Gage 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 大部分的量具可分成两种 计量型和计数型 1 计量型 测量结果是一连串连续值 2 计数型 测量结果是一种有限的分级数 常见的是有两个结果的 也有两个以上的分级 7 3 1 与测量有关的术语 量具 分辨力 量具输出的最小刻度单位 也被叫做最小读数单位 分辨 刻度限度或探测度等 它是由量具设计决定的固有特性 部件A 部件B MSA的相关知识 8 3 1 与测量有关的术语 准确度 表示真值与 多次 测量值之间的偏差 真值存在却不可知 因此通常用基准值来代替真值 基准值是预先认可的参考标准 可用高一级测量系统来确定 且可溯源到国际标准 准确度是定性概念 可以说准确度高低 准确度为0 25级 3等及符合某某标准 但不能使用如下表示 准确度为0 25 16mg及士50mm等 MSA的相关知识 9 3 1 与测量有关的术语 精密度 在相同条件下进行重复试验 其结果间的一致程度 表示测定结果中随机误差大小的程度 通常用测量的标准差来表示 标准差越大 精密度越低 MSA的相关知识 10 3 1 与测量有关的术语 测量不确定度 表征合理地赋予被测量之值的分散性 与测量结果相联系的参数 引自 JJF1059 1999测量不确定度评定与表示 代替 JJG1027 1991测量误差及数据处理 中的测量误差部分 测量不确定度代表对测量结果正确性的可疑程度 标准不确定度用标准差表示 使用A类和B类两种方法评定 A类评定使用对观测列进行统计分析的方法 B类评定使用不同于对观测列进行统计分析的方法 合成标准不确定度 当测量结果是由若干个其他量的值求得时 按它们的方差和协方差算出标准不确定度 它是测量结果标准差的估计值 MSA的相关知识 11 3 1 与测量有关的术语 测量不确定度 续 扩展不确定度 确定测量结果区间的量 合理赋予被测量之值分布的大部分可望含于此期间 Up KxUc K一般取2 3 正态分布下 置信水平P 95 45 时 K 2 P 99 73 时 K 3 答 1 如使用同一台秤 95 的置信水平下不能同乘 2 如使用不同的两台秤 95 的置信水平下能同乘 99 的置信水平下不能同乘 MSA的相关知识 12 3 1 与测量有关的术语 测量误差 Error 测量值减去被测量的真值 由于真值无法获得 所以测量误差也无法准确得到 通常用多次测量的平均值减去基准值来估计测量误差 误差之值带方向 非正即负 按性质 可分为随机误差和系统误差 1 随机误差 测量结果与重复条件下对同一量进行无限多次测量所得结果的平均值之差 随机误差 测量结果 基准值 2 系统误差 在重复性条件下 对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量真值之差 系统误差 基准值 真值 随机误差 系统误差 测量结果 真值 测量误差 MSA的相关知识 13 对同一被测量 相同测量结果的测量误差相同 重复性条件下 不同结果可有相同的不确定度 3 1 与测量有关的术语 测量不确定度和测量误差区别 MSA的相关知识 14 准确性Accuracy 偏倚Bias 稳定性Stability线性Linearity重复性Repeatability再现性Reproducibility 3 2 测量系统的统计特性 MSA的相关知识 15 3 2 1 测量系统的统计特性 准确性Accuracy 偏倚Bias a 定义 对同一零件的同一特性的观测平均值与真值 参考值 的差异 b 造成过分偏倚的可能原因 仪器校准不当或需要校准仪器 设备或夹紧装置变形或磨损基准磨损或损坏 调整基准不当使用了错误的量具或是量具质量差 设计或符合性不好 不同的测量方法 设置 安装 夹紧 技术测量错误的特性温度 湿度 振动 清洁等环境的影响违背假定 在应用常量上出错应用 零件尺寸 位置 操作者技能 疲劳 观察错误 易读性 视差 16 3 2 2 测量系统的统计特性 稳定性Stability 或漂移 a 定义 是测量系统在某一阶段时间内 测量同一基准或零件的单一特性时获得的测量总变差 是偏倚随时间的变化 b 不稳定的可能原因 仪器需要校准或需要减少校准间隔仪器 设备或夹紧装置变形或磨损正常功能的老化或退化缺乏维护 通风 动力 液压 腐蚀 锈蚀 清洁基准磨损或损坏 调整基准不当量具质量差 设计或符合性不好 不同的测量方法 设置 安装 夹紧 技术温度 湿度 振动 清洁等环境的影响 违背假定 在应用常量上出错应用 零件尺寸 位置 操作者技能 疲劳 观察错误 易读性 视差 17 3 2 3 测量系统的统计特性 线性Linearitya 定义 在设备的预期操作 测量 范围内偏倚的不同被称为线性 线性可以被认为是关于偏倚大小的变化 b 产生线性不佳的可能原因 仪器需要校准或需要减少校准间隔仪器 设备或夹紧装置变形或磨损缺乏维护 通风 动力 液压 腐蚀 锈蚀 清洁基准磨损或损坏 调整基准不当量具质量差 设计或符合性不好 不同的测量方法 设置 安装 夹紧 技术温度 湿度 振动 清洁等环境的影响违背假定 在应用常量上出错应用 零件尺寸 位置 操作者技能 疲劳 观察错误 易读性 视差 18 3 2 4 测量系统的统计特性 重复性Repeatabilitya 定义 由一个评价人 采用同一种测量仪器 多次测量同一零件的同一特性时获得的测量变差 b 造成重复性差的可能原因 零件 样品 内部 形状 位置 表面加工 锥度 样品一致性仪器内部 修理 磨损 设备或夹紧装置故障 质量差或维护不当基准内部 质量 级别 磨损方法内部 在设置 技术 零位调整 夹持 夹紧 点密度的变差评价人内部 技术 职位 缺乏经验 操作技能或培训 感觉 疲劳环境内部 温度 湿度 振动 亮度 清洁度的短期起伏变化违背假定 在应用常量上出错 仪器设计或方法缺乏稳健性 一致性不好应用错误的量具 量具或零件 变形 硬度不足应用 零件尺寸 位置 操作者技能 疲劳 观察错误 易读性 视差 19 3 2 5 测量系统的统计特性 再现性Reproducibilitya 定义 由不同的评价人 采用相同的测量仪器 测量同一零件的同一特性时测量平均值的变差 b 造成再现重复性差的可能原因 零件 样品 之间 使用同样的仪器 同样的操作者和方法时 当测量零件的类型为A B C时的均值差 仪器之间 同样的零件 操作者 和环境 使用仪器A B C等的均值差 标准之间 测量过程中不同的设定标准的平均影响 方法之间 改变点密度 手动与自动系统相比 零点调整 夹持或夹紧方法等导致的均值差 评价人 操作者 之间 评价人A B C等的训练 技术 技能和经验不同导致的均值差 环境之间 在第1 2 3等时间段内测量 由环境循环引起的均值差 违背研究中的假定仪器设计或方法缺乏稳健性操作者训练效果应用 零件尺寸 位置 观察误差 易读性 视差 20 3 3 测量系统变差类型3 3 1 测量过程变差来源 21 3 3 2 测量系统变差类型 a 按时间周期划分 短期变差 它只包括普通原因波动 始终作用于过程 长期变差 它包括含普通和特殊原因波动 其中特殊原因波动不是始终作用于过程的 会随时间的推移而变化 b 变差随机出现 不易测量 所以无法预测单个变差 但如果观测到一定数量 就会得到某种 形式 的输出 它是多个数据值的集合体 而且这个集合体的 形式 通常是可以预测的 一般符合正态分布规律 因此可以 按集合体中心位置来划分 准确性 稳定性 线性 按照集合体宽度来划分 重复性 再现性 22 3 4 测量系统变差的影响及后果 23 3 4 测量系统变差的影响及后果 测量零件后 1 确定零件是否可接受 在公差内 或不可接受 在公差外 2 按一定的规则对零件进行划分 过程控制中 分清零件变差是由过程中的普通原因还是特殊原因造成的 24 3 4 1 测量系统变差对产品决策的影响 测量系统变差与产品公差限重叠时 可能会作出错误的判定 影响产品制造成本以及产品的符合性 25 3 4 2 测量系统变差对过程决策的影响 对于过程控制 需要确定以下要求 1 统计受控2 对准目标3 可接受的变异性 对过程决策的影响如下 1 普通原因报告为特殊原因2 特殊原因报告为普通原因 测量系统变差的变异可能影响过程的稳定性 目标以及变差 26 3 4 3 测量系统变差对过程接受的影响 GRR与Cp的关系 MSA参考手册 附录B 27 3 4 3 测量系统变差对过程接受的影响 GRR与过程接受的关系 如果用于过程监测的测量系统不具备足够能力却被使用 同时过程能力指数的观测值偏低时 可能会误导改进的方向 寻找制造过程的原因 那样就会浪费宝贵的资源 28 3 5 理想测量系统的特征 每次使用时 只会产生 正确 的测量结果 每次测量结果总应该与一个标准值相符 具有零变差 零偏倚 对所测产品错误评判的概率为零 29 3 6 可靠测量系统的特征 测量系统必须处于受控状态 确保测量系统内的变差只是由于普通原因产生 而不是特殊原因造成 具有足够的分辨率和灵敏度 一般 1 量具的分辨率至少达到过程变差或公差范围中要求较高者的十分之一 2 系统要有足够的解析度 一般要求分级数ndc 1 41 零件标准偏差 总的量具偏差 至少达到5 测量系统的统计特性要一直保持在期望的范围 并且足以满足测量和分析的目的 产品控制和过程控制 1 测量系统变差要小于制造过程的变差 产品控制 2 测量系统变差要小于允许公差的范围 过程控制 30 针对不同特征的测量对象建议采用的MSA方法 测量系统 计数型 假设检验法 准确性分析 稳定性分析 计量型 稳定性分析 稳定性分析 位置分析 离散分析 准确性分析 线性分析 重复性分析 再现性分析 非破坏型 破坏型 4 测量系统分析常用方法 MSA常用方法 31 4 1 准确性 偏倚 方法 独立样件法1 取一个样件 建立可溯源的基准值 若得不到 则选择一个合格的零件 指定其为偏倚分析的标准样本 在计量实验室测量这个零件至少10次 把均值作为 基准值 2 选取一评价人 以通常方法测量样本10次以上 相对于 基准值 将数据画出直方图 确定是否存在异常 如没有 继续分析 3 计算测量结果的均值4 计算重复性标准偏差 r MAXx MINx d 2 其中d 2可以从d 2表查到 g 1 m n 5 计算偏倚 B 观测测量平均值 基准值6 计算均值标准差 b r n 0 57 确定偏倚的t统计量 t B b8 确定1 的置信区间 一般取95 0 05 9 判断 如果0落在环绕偏倚的1 置信区间内 则偏倚在 水平下是可接受的 即 B d2 b d 2 t v 1 2 0 B d2 b d 2 t v 1 2 其中 V d2 d 2可以从d 2表查到 g 1 m n tv 1 2可从标准t分布表中查得 MSA常用方法 4 测量系统分析常用方法 32 4 1 测量系统分析常用方法 独立样件法 独立样件法实例 测量系统偏倚研究数据表 零件参考值6 0 测量系统偏倚研究直方图 MSA常用方法 33 测量系统偏倚研究结果 接受 MSA常用方法 4 1 测量系统分析常用方法 独立样件法 独立样件法实例 34 MSA常用方法 1 取一个样件 建立可溯源的基准值 若得不到 则选择一个合格的零件 指定其为稳定性分析的标准样本 对于追踪测量系统稳定性 不需要一个已知基准值 但希望位于预期测量结果的上中下限的三个基准件 要求对每个标准样本单独地测量与画控制图 2 定期 天 周 测量标准样本3 5次 样本容量和频率应考虑的因素有 重新校准的频次 要求的修理 测量系统的使用频率 作业条件的好坏 应在不同的时间读数以代表测量系统的实际使用情况 以便说明在一天中预热 周围环境和其他因素发生的变化 3 将数据按时间顺序画在Xbar R控制图上 4 计算建立控制限并用标准化控制图分析评价失控或不稳定状态 是否出现超出控制限的点 是否连续7点位于均值同一侧 是否连续7点上升 或下降 是否存在明显的非随机图形 依正态分布来判定图形 应有2 3的点落在中间1 3区域 如果测量过程是稳定的 那么上述数据可以用于确定测量系统的偏倚 4 2 稳定性 漂移 方法 控制图分析法 对稳定性没有特别的数据分析或指数 35 MSA常用方法 4 2 稳定性 或漂移 控制图分析法实例 36 4 3 线性 方法 图标法1 选择至少5个零件 由于过程变差 这些零件测量值覆盖量具的操作范围 在计量实验室对每个零件进行至少10次的测量来确定其基准值 并确认覆盖量具的操作范围 2 选取一评价人采用盲测法测量每个零件10次以上 3 计算每次测量的零件偏倚及零件偏倚均值 4 在线性图上画出单值偏倚和相关基准值的偏倚均值 5 计算并画出最佳拟合线 偏倚平均值 a基准值 b 式中 MSA常用方法 37 4 3 线性 方法 图标法6 同时计算线性拟合优度R2 8 采用图标法 画出 偏倚 0 的线 观察是否存在特殊原因 并评定线性的可接受性 如 偏倚 0 的整个直线都位于置信度的区间内 则线性可接受 7 对于给定的x0 置信度的区间是 MSA常用方法 38 计算每次测量的零件偏倚及零件偏倚均值 MSA常用方法 4 3 线性 图标法实例 线性数据研究 39 线性图 Y 0 736667 0 131667X线性拟合优度R2 0 714 置信水平95 0 05 MSA常用方法 4 3 线性 图标法实例 40 4 4 重复性和再现性 方法 均值极差法 41 4 4 重复性和再现性 方法 均值极差法 42 GRR 低于10 通常认为测量系统是可接受的 GRR 在10 到30 之间 基于应用的重要性 测量装置的成本 维修的成本等方面的考虑 可能是可接受的 GRR 超过30 不可接受的 应该作出各种努力来改进测量系统 分级数 ndc 应该大或等于5 4 4 重复性和再现性 均值极差法结果评判准则 43 4 4 重复性和再现性 均值极差法实例 44 4 4 重复性和再现性 均值极差法实例 45 1 计数型测量系统的能力取决于操作者判断的有效性 即将 合格 判断为合格 将 不合格 判断成不合格的程度 2 在假设检验分析中采用Kappa技术 Kappa技术是评估计数型测量系统的一种简单方法 Kappa值用来衡量不同评价人对同一物体评定结果的一致性 Kappa值是内部一致性的衡量 而不考虑不一致量有多大 3 经验法则 Kappa值大于0 75时 表示评价人之间有很好的一致性 Kappa值小于0 40 则表示一致性不好 4 5 计数型测量系统 方法 假设检验分析法 46 MSA常用方法 4 5 计数型测量系统 假设检验分析法实例 47 4 5 计数型测量系统 假设检验分析法实例 48 5 测量系统分析的实施 测量系统分析的两个阶段 MSA的实施 1 第一阶段 确定测量系统是否具有所需的统计特性 此项必须在使用前进行 确认对测量系统有显著的影响的环境因素 如温度 湿度等 以决定其使用之空间及环境 2 第二阶段 确保测量系统一旦被认为是可行时 其应持续具有恰当的统计特性 使用稳定性分析 偏倚分析 GRR分析等方法进行评定 49 5 测量系统分析的实施5 1 测量系统分析前的准备 MSA的实施 5 1 1 确定将要使用的评定方法5 2 2 评价人的数量 样品数量及重复读数次数应预先确定 在此选择中应考虑的因素如下 为增加置信度 关键尺寸需要较多的零件和试验 大或重的零件可规定较少样品和较多试验 评价人的选择应从日常操作该仪