测量系统分析实战应用

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1、第一部分:分辨力的选择在介绍测量系统分析具体应用之前,先介绍一下测量系统的应用范围:1. 用于产品控制:目的是希望通过测量系统有效的区分产品的特性是否在公差范围内。也就是区分这个零件是合格还是不合格。2. 用于过程控制:目的是评价过程是否稳定和可接受,也就是说能够有效的区分过程的波动以上两个分类非常重要,后续会根据这两个理念,引出“过程比”和“公差比”的概念。理想的测量系统是不存在的,因此在实际应用时,相对公差,对零件做出错误决定的潜在因素只在测量系统误差与公差交叉时存在。下面给出了三个区域的划分:I. 坏零件无论如何测量,总是称为坏的II.可能会做潜在的错误决定III. 好零件无论如何测量,

2、总是称为好的 上面的图形表示了这样一个事实:无论采用何种测量系统,总有判断错误的情况发现(除非 II 区是 0,但是这种理想的状态并不存在) 所以,测量系统分析的本质并不是判断测量系统是否有误差,而是判断测量系统的误差是否足够小从而能够满足实际的使用要求。下面的图形,展示了测量系统对产品变异的影响,由于测量系统存在波动,因此实际上,我们用测量系统测量得到的数据,实际包含了两部分的波动:“产品本身的波动”“测量系统的波动”。 测量系统的波动是无法消除的,所以,测量系统分析的任务是两个:1. 寻找一个合适的测量系统2.(定期)评价这个测量系统是否能满足我们的使用要求。 一般的,对于测量系统,我们主

3、要评价以下指标:1. 分辨力2. 稳定性3. 偏倚(性)4. 线性5. 重复性6. 再现性其中,指标 25 常常被称为测量系统的“五性”。我们这里不讨论具体的选择处理方法,而是针对在实际中的一些应用难点加以分析,给出大家一些应对难点问题的方法。首先,我们来看看“分辨力”。分辨力是仪器可以探测到并如实显示的参考值的变化量。这种能力的度量是看仪器的最小刻度值。如果测量系统的分辨力不高,就无法正确识别,从而导致不正确的结果。对于分辨力的选择原则,教科书式的描述是: 测量仪器分辨力的最低要求是最小刻度同时小于产品规格(规格上限 USL 减去规格下限 LSL)或过程总波动(用 6 倍的过程标准差 6表示

4、)的十分之一。也就是有两个分支,十分之一公差(带宽)和十分之一过程总波动,测量系统的分辨力应该小于两个分支中较小的一个。 然而,问题来了,对于一个全新的过程,测量系统是先于制造设备的,在没有制造设备的前提下,如何预知过程总波动?如果无法预知过程总波动,如何选择测量系统? 我们把分辨力选择原则的两个分支进行相除: 看看,我们现在得到了什么,等式右侧的表达式是不是很眼熟,这不是过程能力指数 C_p 的表达式吗?好了,有了这个条件,我们现在可以有应对的方法了。 通常而言,尽管制造过程还没有到位,但是我们对整体的制造过程是有相应的(期望)要求的,也就是说,我们是要求过程能力C_p 满足一定的要求以后(

5、通常的最低要求是 C_p1),才可以投入正式生产的。有了这个前提,我们就可以反推测量系统的基本要求了。由于:因此:我们来看一个案例:某个全新的制造过程的特性(尺寸)指标,公差带宽USL-LSL=0.15mm,要求特性的过程能力C_p1.67,那么测量系统的分辨力应该满足: 换句话说,通过这样的方法选择的测量系统分辨力能够有效识别C_p=1.67 的情况。绝大部分情况下,这样的选择足够使用者的需求了。如果运气爆棚,实际的过程能力指数C_p 达到 2.0 以上,那么也需要评估是否有必要(值得)进一步提高分辨力。因为随着分辨力的改变,相对应的测量设备价格也会相应变化。第二部分:重复性和再现性、公差比

6、和过程比上一期分享了测量系统选择分辨力的经验,这一期我们讨论一下测量系统的“重复性和再现性”指标的实战经验。下面两个方程是测量系统分析的基本模型。 说明:上面的表达式揭示了一个现实问题,我们用测量系统测量实际产品后得到的数据的变异(波动),要比实际的制造过程变异(波动)要大一些,因为里面包含了测量系统的变异(波动)。 说明:测量系统的变异可以进一步分解为,重复性变异和再现性变异。 分析重复性和再现性的指标之前,先了解一些两者的定义。A. 重复性:是由同一个评价人,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异。它是设备本身固有的变异或性能。重复性一般指仪器的变异(EV)。B.

7、再现性:通常定义为由不同的评价人,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异。 说明:传统上把再现性看作“评价人之间”的变异,因为手动仪器会受操作者技术影响。但是在全自动测量过程(操作者只负责启动测量按钮)中操作者就不是主要的变异源了。为此,再现性被看作是系统之间的或测量条件之间的平均值的变异。说明:简单的说,如果只有一台全自动的测量系统,则只评价重复性,如果有多台全自动的测量系统,“多台测量系统” 视为“多个评价人”。介绍了重复性和再现性的定义之后,我们来看一下评价的评价方法。通常把“重复性”和“再现性”合并成一个指标, 称为测量系统的变异。接下来我们引入“过程流”和“公差

8、流”的概念。 1. 过程流的“重复性和再现性指标”指标,过程比 %R&R,就是用测量系统变异(标准差)除以总变异(标准差)。 根据测量系统分析的基本模型,上面的表达式可以进一步分解: 说明:过程流的指标%R&R 的表达式里包含了制造过程的变异,而实际分析时,过程的变异由取样的产品(零件)之间的波动来体现。因此,过程流的指标%R&R 对取样非常敏感。 2. 公差流的“重复性和再现性指标”,公差比 P/T,就是用 6 倍的测量系统变异(标准差)除以公差带宽T=USL-LSL。 说明:公差流的指标P/T 的表达式里包含公差带宽 T,不包含制造过程的变异,因此公差流的指标P/T 对取样的方法不敏感。

9、3. 在 MSA 手册中,还有一个 ndc 的指标,称为可区分区组数,公式如下: 说明:ndc 的指标和%R&R 是一个概念的两种不同表达形式,%R&R 满足要求,则 ndc 也满足要求。因此不必特别给予关注两种流派的“重复性和再现性指标”,它们的要求是相同的,见下表注 1:关键/重要/一般特性,按照设计要求的定义来进行分类。注 2:对于一般特性,当大于 10%且小于等于 30%时,应综合成本和实际应用条件的评估,如果更换测量系统无法实现,则此测量系统也可以使用。对于“重复性和再现性指标”,具体的计算通常借助于软件实现,这里不做深入介绍,我们要探讨一下实战应用中遇 到的最大问题。MSA 手册要

10、求,为了能够有效的区分过程变异,选取的 10 个零件要能够代表过程变异(过程的波动) 情况。而对于一个全新的过程,当制造设备还没有达到现场的时候,我们通常只能从设备供应商那里获得少量的试制件。这些少量的试制件是无法代表过程变异的。那么问题来了,遇到这类情况(新产品试制阶段经常会发生),我们如何才能合理的评价测量系统的重复性和再现性指标呢?针对这个问题,可以给出三种建议: 1. 制造设备到位后先找第三方检定机构委托测量,获得制造过程变异的数据后再选择 10 件能够代表制造过程变异的零件来验收测量系统,这个建议的实际操作性很差。 2. 采用少量的试制件进行测量系统分析,但是由于这些试制件不能代表制

11、造过程的变异,那就放弃对过程比%R&R 的评价,只评价公差比 P/T 是否满足指标的要求。这个建议可操作性强,但是放弃了过程比,只考核公差比。后续如果希望测量系统能对制造过程的变异进行有效的检测,会遇到问题。 3. 采用少量的试制件进行测量系统分析,但是对公差比进行“反推压缩”,以满足过程比的要求。这个方法兼顾了可操作性和后续过程控制的要求。下面给出方法 3 的推导方法。过程比%R&R 和公差比 P/T 的公式如下: 用“过程比”除以“公差比”,可得:等式右侧的表达式是的,过程能力 Cp 又出现了。有了这个前提,我们就可以反推压缩测量系统的公差比,从而在给定的过程能力需求的情况下同时满足过程比

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