测量系统分析课件.ppt

测量系统分析,杨燕,课程大纲,测量系统分析的目的测量系统分析的术语与定义基本概念测量系统分析的步骤计量型的测量系统分析及实际应用计数型的测量系统分析及实际应用测量系统分析需要注意的事项,获得一个高质量的数据。运用统计分析方法，确定测量系统测量结果的变差（测量误差），寻找变差的来源。从而确定测量系统的质量，为测量系统的改进提供信息。保证所用统计分析方法及判定准则的一致性,测量系统分析的目的,1.测量系统：用来对被测量特性定量测量或定性评价的仪器或测量设备、标准、操作方法、夹具、软件、人员、程序、环境的集合；用来获得测量结果的整个过程2.测量设备：实现测量过程所必需的测量仪器、软件、测量标准、标准样品（标准物质）或辅助设备或它们的组合3.偏移：测量的观测平均值和基准值之间的差值4.线性：标识操作范围内多个和独立的偏移误差值的相关性5.重复性：同一评价人多次使用同一个测量仪器，测量同一零件的同一特性时获得的测量变差6.再现性：测量过程中由于正常条件改变所产生的测量均值的变差,术语与定义,术语与定义,精密度（Precision）指测量仪器所能够区分出的微量程度或最小距离，亦即代表测量仪器对同一待测工件，以相同测量过程作重复测量时，其各测量结果的差异程度（重复读数彼此之间的“接近度”MSA手册第三版）。以差异程度愈微小称为精密度佳，反之称为精密度差。一般由随机误差引起，包含仪器的（重复性）和人为的（再现性）因素。准确度（Accuracy,有时也称Bias偏倚）指测量仪器的实际测量值（或测量平均值）与待测值之真值（TrueValue）或可接受的基准值的接近程度，亦即实际测量值偏离真实值的程度。以偏差愈微小之程度称为准确度佳，反之称为准确度差。一般由系统误差引起。GRR或测量设备R&R：一个测量系统的重复性和再现性的合成变差的估计，GRR变差等于系统内和系统间变差之和盲测：在实际测量环境下，评价人（操作者）事先不知道正在对测量系统进行分析的情况下进行的测量,测量系统分析的基本概念,测量系统分析的项目1.偏倚（Bias）2.稳定性（Stability）3.线性（Linearity）4.重复性（Repeatability）5.再现性（Reproducibility）,偏倚（Bias）,偏倚：是测量结果的观测平均值与基准值的差值。基准值的取得可以通过采用更高级别的测量设备进行多次测量，取其平均值来确定。偏倚是测量系统的系统误差的衡量指标，它包含已知的和未知的得变差来源共同作用的总和。,稳定性(Stability),稳定性，又称为漂移（Drift），是指测量系统在某一段时间内，测量同一基准或零件的单一特性是获得的测量总变差。,线性(Linearity),线性是指量具在使用范围内偏倚（准确度）差异之分布状况。,重复性,重复性是由同一个评价人，采用同一个测量仪器，多次测量同一零件的同一特性时获得的测量值变差。,重复性（Repeatability）,事实上，重复性是从规定的测量条件下连续试验得到的普通原因（随机误差）变差，因此除了设备的内变差外，重复性还包括测量系统误差模型中任何条件的内部变差。严格的重复性定义为：当测量条件已被确定和定义的条件下，即已确定的零件、仪器、标准、方法、操作者、环境及假设之下，系统内部的变差。,重复性（Repeatability）,重复性：传统上把重复性看作“评价人内变异性”。是指由同一位作业者，用同一种量具，多次量测同一零件的同一特性时所得的测量变差，它是设备本身固有的变差或特性，一般指仪器的变差（EV），以公式表示如下：，EV%100（EVTV）公式说明：EV为重复性，TV为全变异（总变差）。R为所有作业者执行多次量测所得之变异平均值。K1为重复性之系数，与量测次数有关。TV为全变异，,再现性,再现性是由不同的评价人，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。,再现性（Reproducibility,传统上把再现性看作“作业者（评价人）变异”，通常是指不同作业者（评价人）以相同量具测量同一零件的同一特性时，测量平均值之变异，以公式表示如下：AV%100（AVTV）公式说明：AV为再现性，TV为全变异。为不同作业者所量测之平均值之最大值与最小值之差异。K2为再现性之系数，与作业者之人数有关。为被量测之零件数目r为每位作业者测量的次数注意：对于手动仪器受操作者的影响是客观存在的，然而对于现在越来越多的自动测量仪器，操作者的变差不是主要变差原因时，前面的定义就收到了挑战。严格的定义是：再现性是指测量的系统之间或条件之间的平均变差。,1.初次分析应在试生产且在正式提交PPAP（生产件批准程序）之前进行。2.一般每间隔一年要实施一次MSA。3.新生产的产品，PV有不同时，如试生产；4.新仪器，EV有不同时；5.新操作人员，AV有不同时；6.设计变更；7.工程变更；8.易損耗之仪器必須注意其分析频率；9.客户要求的频次。在出现以下情况时，应适当增加分析频次和重新分析：10.测量设备进行了较大的维修；11.顾客需要时；12.重新提交PPAP（生产件批准程序）时；13.测量系统发生变化时。,测量系统分析的步骤一:测量系统分析（MSA）的时机,测量系统分析的步骤二:测量系统分析（MSA）的准备要求,制订MSA计划，包括以下内容：1.确定需分析的测量系统；2.确定用于分析的待测参数/尺寸或质量特性；3.确定分析方法：对计量型测量系统，可采用极差法和均值极差法；对计数型测量系统，可采用交叉分析法（即分险分析法）；4.确定测试环境：应尽可能与测量系统实际使用的环境条件相一致；5.对于破坏性测量，由于不能进行重复测量，可采用模拟的方法并尽可能使其接近真实分析（如不可行，可不做MSA）；6.确定分析人员和测量人员；7.确定样品数量和重复读数次数,测量系统分析的步骤三如何进行测量系统分析？,1.建立必要之程序书、指导书文件，以管制所有测量系统维持在正常及最佳状态。2.制定计划：选择分析对象/分析项目/分析时间，确定抽样方法；3.须有合格之分析人员，待分析之量具，以及必要之环境。4.样品的选择至关重要；5.搜集足够之数据，再依据所使用之分析记录执行分析作业。6.数据分析7.结论判定此测量系统是处于可接受、有条件接受或不能接受。8.改进。,计量型测量系统评价,偏倚稳定性线性重复性和再现性（R&R）,确定偏倚指南独立样本法,1）获取一个样本并建立相对于可溯源标准的基准值。如果得不到，选择一个落在生产测量的中程数的生产零件，指定其为偏倚分析的标准样本。在工具室测量这个零件n10次，并计算这n个读数的均值。把均值作为“基准值”。可能需要具备预期测量值的最低值、最高值及中程数的标准样本是理想的。完成此步后，用线性研究分析数据。2）让一个评价人，以通常方法测量样本10次以上。结果分析作图法3）相对于基准值将数据画出直方图。评审直方图，用专业知识确定是否存在特殊原因或出现异常。如果没有，继续分析，对于n30时的解释或分析，应当特别谨慎。结果分析数据法4）计算n个读数的均值。X=xi/n,5）计算可重复性标准偏差（参考量具研究，极差法，如下）：r=max(xi)-min(xi)/d2*,这里d2*可以从附录C中查到，g=1,m=n如果GRR研究可用（且有效），重复性标准偏差计算应该以研究结果为基础。6）确定偏倚的t统计量：偏倚=观测测量平均值-基准值b=r（n）1/2t=偏倚/b7）计算偏倚的置信区间,置信水平取95%偏倚t1-a/2(v)bd2/d2*其中参数d2、d2*、v可查书上附录C或4t1-a/2(v)可从标准t表中查到8）判断置信区间是否包括0，如果0落置信区间内，偏倚在a水平是可接受的，如果0没有落在置信区间内，偏倚在a水平是不可接受的。注：如果a水平不是取0.05，必须取得顾客的同意。,偏倚举例,一个制造工程师在评价一个用来监控生产过程的新的测量系统。测装置分析表明没有线性问题，所以工程师只评价了测量系统偏倚。在已记录过程变差基础上从测量系统操作范围内选择一个零件。这个零件经全尺寸检验测量以确定其基准值。而后这个零件由领班测量15次。,偏倚研究数据,偏倚研究偏倚研究分析,因为0落在偏倚置信区间（-0.1185，0.1319)内,工程师可以假设测量偏倚是可以接受的,同时假定实际使用不会导致附加变差源。,偏倚研究的分析,如果偏倚从统计上非0，寻找以下可能的原因：基准件或参考值有误,检验确定标准件的程序.仪器磨损。这在稳定性分析可以表现出，建议按计划维护或修整.仪器产生错误的尺寸.仪器测量的特性有误.仪器没有经过适当的校准,对校准程序进行评审.评价者使用仪器的方法不正确,对测量指导书进行评审.仪器纠正的指令错误.,确定稳定性的指南,1）取一个样本并建立相对于可溯源标准的基准值。如果该样品不可获得，选择一个落在产品测量中程数据生产零件，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。具备预期测量的最低值，最高值和中程数的标准样本是较理想的。建议对每个标准样本分别做测量与控制图。2）定期(天,周)测量标准样本35次，样本容量和频率应该基于对测量系统的了解。因素可以包括重新校准的频次、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或Xbar&S控制图上。,结果分析作图法4）建立控制限并用标准控制图分析评价失控或不稳定状态。结果分析数据法除了正态控制图分析法，对稳定性没有特别的数据分析或指数。如果测量过程是稳定的，数据可以用于确定测量系统的偏倚。同样，测量的标准偏差可以用作测量系统重复性的近似值。这可以与（生产）过程的标准偏差进行比较以决定测量系统的重复性是否适于应用。可能需要实验设计或其他分析解决问题的技术以确定测量系统稳定性不足的主要原因。,稳定性举例,为了确定一个新的测量装置稳定性是否可以接受，工艺小组在生产工艺中程数附近选择了一个零件.这个零件被送到测量实验室，确定基准值为6.01。小组每班测量这个零件5次，共测量5周（25个子组）。收集所有数据以后，Xbar&R图就可以做出来了(见图示)。控制图分析显示，测量过程是稳定的，因为没有出现明显可见的特殊原因影响。,稳定性的均值-极差图,确定线性指南,线性按以下指南评价：1）选择g5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。2）用全尺寸检验测量每个零件，以确定其基准值并确认了包括量具的操作范围。3）通常用这个仪器的操作者中的一人测量每个零件m10次。随机的选择零件以使评价人对测量偏倚的“记忆”最小化。4）确定每一零件的观察平均值，基准值与观察平均值之间的差值为偏倚，要确定各个被选零件的偏倚。5）线性图就是在整个工作范围内的这些偏倚与基准值之间描绘的。如果线性图显示可用一根直线表示这些标绘点，则偏倚与基准值之间的最佳线性回归直线表示两个参数之间的线性。线性回归直线的拟合优度（R2）确定偏倚与基准值是否有良好的线性关系。计算偏倚:偏倚=观测平均值基准值过程变差=6线性方程式：y=b+axx=基准y=偏倚,截距、斜率、拟合度、线性、线性%公式,系统的线性及线性百分率由回归线斜率及零件过程变差(或公差)计算得出。如果回归线有很好的线性拟合，那么可以评价线性幅度及线性百分率来确定线性是否可接受。如果回归线没有很好的线性拟合，那么可能偏倚平均值与基准有非线性关系，这需要进一步分析以判定测量系统的系统是否可接受。,对测量特殊特性的测量系统，线性%5%接受，线性%5%时，不予接受。对测量非特殊特性的测量系统，线性%10%接受，线性%10%时，不予接受。如果测量系统为非线性，查找这些可能原因：在工作范围上限和下限内仪器没有正确校准；最小或最大值校准量具的误差；磨损的仪器；仪器固有的设计特性。,线性接受准则：,线性举例,基准值,偏倚,线性图,1名评价人12次试验5个零件，过程变差=6.00,偏倚=0.05拟合优度(R2)=0.98%线性=13.17%线性=0.79,确定重复性和再现性的指南,分析方法有：极差法；均值-极差法；方差分析ANOVA。,极差法,极差法是一种改良的计量型量具的研究，它可迅速提供一个测量变异的近似值，这种方法只能提供测量系统的整体概况而不能将变异分为重复性和再现性。它典型的用途是快速检查验证GRR是否发生了变化。典型的极差方法用2个评价人和5个零件进行研究。在研究中，两个评价人各将每个零件测量一次。,每个零件的极差是评价人A获得测量值和B获得测量值之间的绝对差值。计算极差的和与平均极差。,示例：,计算,平均极差(R)=R/n=0.35/5=0.07通过将平均极差均值乘以1/d2*可以得到总测量变差。这里d2*在附录C中可以找到，m=2，g=零件数。GRR=R/d2*=0.07/1.19=0.0588已知过程偏差为0.0777%GRR=100(GRR/过程偏差)=75.7%30%结论：是测量系统需要改进.,均值-极差法,均值极差法(Xbar&R)是一种可提供测量系统重复性和再现性两个特性作估计评价的方法。与极差法不同，这种方法可以将测量系统的变差分成两个部分重复性和再现性，而不是他们的交互作用。尽管评价人数量、试验次数和零件数是可变的，但我们下面的讨论反映了研究中条件的优化。参考GRR数据表。详细的程序是：1、获得一个样本零件数n大于5，应代表实际的或期望的过程变差范围；2、选择评价人为A，B，C等。零件的号码从1到n，评价人不能看到零件编号。,重复性示例：,第一步计算重复性,e,e：量具标准偏差,第二步计算再现性,计算操作人平均值的极差(RO)；估计的评价人标准差=RO/d2*；乘以5.15；减去由于重复性所造成0的部份；n零件数量；r=试验次数。,calibration,R0=XA-XB=216.9-216.3=0.6,重复性示例数据表,0：校正的评价人标准偏差n：零件数量；r：试验次数,第三步计算零件间的变异,每次的值都是同一零件测三次，所以只是侦测出仪器变异(Re)。二个测量者之间的差异代表了人员之间的差异(Ro)每个产品间的差距代表了产品的差异(Rp)。,0,*,*,零件间变差,m：测量系统标准偏差；e：量具标准偏差；0：评价人标准偏差p：零件标准偏差；t：总过程变差标准偏差,数据分级数,*,TV：总过程变差,平均极差分布的d2*值,控制图系数表,%R&R接受准则,1.a.%R&R30%不能接受，必须改进。2.ndc决定准则：ndc取整数，忽略小数，且应大于等于5。,结果分析:,当重复性(EV)大于再现性(AV)时，原因可能是：仪器需要保养；量具应重新设计来提高刚度增强；量具的夹紧或零件定位的方式需要改进；存在过大的零件变差。当再现性(AV)大于重复性(EV)时：评价人员需要更好的培训如何使用量具及数据读取方式；量具刻度盘上的刻度不清楚；需要某些夹具协助评价人员来提高使用量具的一致性。,计数型测量系统分析的方法,风险分析法假设检验分析信号探测法解析法,假设检验分析交叉表法,交叉表法用来分析测量人测量一致性下面是一个交叉表试验，由A，B，C三个人分别重复测量50个样品三次，结果如下：,举例说明,假设检验分析交叉表法,概率乘法当随机事件A与B相互独立时P(AB)=P(A)P(B)交叉表法假设每人的测量是相互独立的Kappa=(p0pe)/(1pe)观察的符合率：p0=观察一致数/观察总数期望的符合率：pe=期望一致数/观察总数,假设检验分析交叉表法,假设检验分析交叉表法,P0和pe的计算P(A0)=50/150，P(B0)=47/150P(A1)=100/150，P(B1)=103/150P(A0B0)=(5047)(150150)=0.104P(A0B1)=(50103)(150150)=0.229P(A1B0)=(10047)(150150)=0.209P(A1B1)=(100103)(150150)=0.458,假设检验分析交叉表法,期望值的计算A0B0的期望值=0.104150=15.7A0B1的期望值=0.229150=34.3A1B0的期望值=0.209150=31.3A1B1的期望值=0.458150=68.7Kappa统计量的计算p0=(4497)/150=0.94，pe=0.1040.458=0.562AB的Kappa=(p0pe)/(1pe)=(0.940.562)/(10.562)=0.86,假设检验分析交叉表法,Kappa统计量的计算结果如下：,假设检验分析交叉表法,Kappa值的参考评价准则（0.75，1：一致性极好（0.4，0.75：一致性好（0，0.4：一致性差注意：合格与不合格都应占一定比例，否则会使结果扭曲，即p0高而Kappa低。,测量系统分析的主要注意事项,具体的注意事项：1）测量设备准备2）测量人员和分析人员的选择3）分析用样品的选择,测量设备准备,1.应针对具体尺寸/特性选择有关作业指导书中指定的测量设备；2.确保要分析的测量设备是经检定/校准合格的（也就是说测量设备是经过计量确认有效的）；3.仪器的分辨力应是产品公差/过程变差的十分之一，若可能，读数时可读到分度的一半。,测量人员和分析人员的选择,1.在MSA分析时，测试操作人员和分析人员不能是同一个人，测试操作人员实施测量并读数，分析人员作记录并完成随后的分析工作；2.选择实际使用所选定的测量设备实施测量的操作者或检验员作为测试操作人员，以确保测试方法和测试结果与日后的正式生产或过程更改的实际情况相符；3.应选择熟悉测试和MSA分析方法的人员作为分析人员。,1.样品必须从实际生产或检验过程中选择，并考虑尽可能代表实际生产中存在的所有产品变差（可根据生产特点在一天或几天内生产出的产品中抽取）；2.如果一个测量设备适用于多个规格产品的尺寸/特性测量，在该测量设备的MSA分析时，应选择其中一个过程变差最小的规格产品作为样品以避免过大的零件变差造成分析结果的不正确；3.给每个样品编号并加上标签，但要避免测试操作人员事先知道编号以确保按随机顺序测量。,分析用样品的选择,采集数据过程中发现零件变差小的情况下,若测量数据的变差很小，且集中规格中心值，但GRR很大时，可用公差T代替。若需对测量系统采取改进措施时，一定要先分析EV和AV，找出真正原因后方可采取措施。,图表分析,X图与R图应先分析R图，受控，说明评价人的工作状态是相同的，重复性是一致的。不受控，说明他的方法与其它人不同，如果所有的评价人都不受控，则测量系统对评价人的技术很敏感，需要改善以获得有用的数据。X图，不受控（遵循50原则），说明测量系统能够检查出零件之间的变差，这是因为R测量造成的，测量系统越好，其应越小，而零件间的差异是制造系统造成的，因此R越小，出限的点越多，分辨率越高。,结果分析测量系统是否被接受:由GRR和分级数ndc判定,1.GRR判定准则:GRR是评价测量系统能否被接受的重要指数，GR