四、测量系统分析(MSA)“第三版

1四\测量系统分析(MSA)”第三版”(一)手册概貌1．MSA含义MSA是英文名称MeasurementSystemsAnelysis的缩写，中译名为测量系统分析。有时为了简略，常用MSA来代之。2．本手册性质和目的本手册性质属指南性的，故对测量系统所述及的术语和评定测量系统质量的方法均作了介绍，特别是适用于工业界的评定测量系统质量多种方法作了详情介绍。其目的为评定测量系统(主要是关注对每个零件能重复读数的)质量提供指南，是为工业界正确使用测量系统提供方法。3．本手册的版本说明▲本手册是由北美三大汽车公司联合编写而成，原是供执行QS9000质量标准的供货商使用，现应用范围已扩展到执行ISO/TS16949技术规范的供应商也可使用。▲当然其内容也随着时间的推演而不断扩充，因此其版本也不断更新，现已从1990年10月第一版经过1995年2月的第二版演变为2002年3月第三版。▲随着版本的变换，对使用者的知识要求和使用工具也有变化。初版时很明确说明“本手册是应用了统计学方法来阐述测量系统的分析，但非统计学领域的人同样可以使用。”但第三版对测量系统分析方法的叙述，使不具备一些统计学方法的基本知识者很难理解，同时强调了计算机软件的使用。4．本手册的主要内容：1）详情的术语解释2）强调了测量系统变异性对决策（产品、过程、新过程接受、过程设定/控制）的影响3）提出了对测量过程要进行策划和量具来源选择的流程4）明确提出了测量系统分析方法的分类：▲简单测量系统分析方法▲复杂测量系统分析方法▲其它测量系统分析方法5．为了便于使用，对简单测量系统分析的多种方法作了详细介绍。（二）测量系统分析的起因1．由测量系统对被测特性赋值而得到的测量数据，过去一直用于产品控制，近来已用于过程控制，用来确定二个或多个变量之间是否存在重要关系的研究。随着应用范围的扩大和次数的增加，发现从同一测量系统获得的测量数据，其使用范围2不能无限扩大，也就是说，不同的使用范围对提供测量数据的测量系统的质量有一定要求。到底怎样的测量系统的质量才能满足使用要求呢？此要通过测量系统分析才能知晓。此就是测量系统分析的起因。2．同时，在探究测量数据质量时，感到习惯叫法例误差、精度等等，有时有些词不达意，感到用测量数据的统计特性来描述测量数据有时更确切、方便。故在进行测量系统分析时采用了数据统计的术语和方法。（三）测量系统的特性1．何谓测量系统定义：测量系统是用来对被测特性进行定量测量或定性评价时所涉及的仪器或量具、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。2．测量系统质量如何度量从测量系统的定义可知，测量系统是一个集合体，测量系统的变差受到集合体内各组成成员变差的影响，因此出现相同零件的重复读数会产生不相同的结果。因此测量系统质量的度量也用统计特性来表达，其定义如下：一个测量系统的质量经常仅用其在稳定条件下多次测量数据的统计特性来度量。3．测量系统的统计特性从上述定义可知，测量系统质量的度量可用多次测量数据的统计特性来表示。统计特性有：①位置变差a．偏倚是对同一零件上的同一特性测量结果的观测平均值与基准值的差值，如图1所示：获得方法（计算式）偏倚=观察平均值－基准值式中：基准值可以通过更高级别的测量设备进行多次测量，取其平均值来获得。偏倚测量系统平均值基准值图13b．稳定性稳定性（或漂移）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。换句话说，稳定性是偏倚随时间的变化，如图2所示。获得方法：定期（天、周）测量标准样本3~5次，应在不同时间读数，其目的代表测量系统实际使用情况，然后按时间顺序画在X-R控制图上。时间参考值图2c.线性在设备的预期操作（设备量程）范围内偏倚的不同被称为线性。线性可以被认为是偏倚大小的变化。如图3所示。偏倚偏倚值1值N图3说明：▲值1、值N是基准值▲值1值N获得方法：在测量仪器的工作范围内选择一些零件；这些被选零件的偏倚由基准值与测量观察平均值之间的差值确定；然后把基准值（X）和偏倚（Y）对应点画在X-Y直角坐标图上，形成散点图；4最后用最小二乘法的直线方程来拟合，并检验假设的正确性。②宽度变差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的变差，如图4所示。事实上，在规定的测量条件下连续试验得到的是普通原因的变差。它是设备本身固有的变差或性能，一般是指仪器的变差（EV）。重复性图4获得方法：在规定的测量条件下，连续测量得到的测量值的分布宽度即为其重复性。即极差=最大值－最小值。也可用极差图来反映其一致性。b.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。如图5所示。一般认为是评价人之间的差异（AE）。当采用自动测量时，其再现性为“零”或系统间、测量条件间的平均变差。再现性评价人ACB图5获得方法：确定每一评价人所有平均值，然后从评价人最大平均值减去最小的平均值即:XDIFF=Xmax－Xmin来估计；也可从评价人的均值控制图来估计。5c.量具的重复性和再现性（量具R&R/GRR）量具R&R是重复性和再现性合成变差的一个估计，如图6所示。获得方法：可把GRR表作系统内部和系统之间的方差的总和，表达式为：222бGRR=б再现性+б重复性ABCGRR图6③变差模式变差模式即数据集合的状态，一般均假设为正态分布。若不是正态分布也可通过变换或正态分布来处理，但此时会过高评估测量系统的误差，累积变差源的影响通常称为测量系统误差。4．测量系统部分基本特性测量系统除了统计特性之外，还有一些基本特性，特别是下列三项基本特性务请关注。a.分辨率（力）分辨率是仪器可以探测到并如实显示参考值（基准值）的变化量。此是测量系统的设计时确定的。获得方法：典型方法是看仪器的最小刻度值。如果仪器刻度“粗”，那么就可以使用它的半刻度（如图7所示）。6整个区间mm10203040506070809010011012013012345图7半区间b.测量系统的统计稳定性（统计受控）统计稳定性（统计受控）是指一个测量过程在重复测量时，观测值分散性不随时间而变化，也无突然的数据变化。即测量系统的变差只能是由于普通原因而不是特殊原因造成的，如图8所示。此是采用数理分析的基础，所有统计特性都建筑在此基础上，否则无法进行预测。间时稳定(普通原因存在)偏倚不稳定（特殊原因存在）图8获得方法：用控制图c.溯源性溯源性是指通过一个不间断的比较链（校准程序）把单个测量结果与国家标准（或接受国家标准）相联系的能力。也就是说用具有溯源性的测量系统所得到的测量值，在其允许的误差范围内，并可以追溯到国家标准，从而保证了量值的准确性、可信性和可比性。7获得方法：按检定周期把所用量具或仪器送国家规定的法定单位校准或检定。（四）测量系统的分析和评价1．那些事项需要进行分析和评价由于测量数据已广泛应用于各个方面，如生产改进、监控、实验室研究、过程审核、装运检查、试验设计的反馈等。但是否达到了使用的目的，满足了使用的要求，此要通过对测量系统进行分析和评价才能作出判断。因此，测量系统的输出用作某用途时就需进行分析和评价。一般下列用途需要进行测量系统分析和评价。①测量数据用作接收、评价和比较测量装置（设备）；②测量数据用来判断重要的质量特性/过程特性是否符合规范；③测量数据用来判断具有很严公差的特定尺寸是否符合；④测量数据用来判断自动调控生产过程或用于统计过程的调控；⑤需要提供测量系统变差大小和变差类型时。2．何时进行分析和评价进行测量系统分析通常分为二个阶段：第一阶段：在测量系统投入使用前或将投入使用时进行，目的是判断测量系统是否具有可接受的统计特性，一般可能需要几个单独的试验来确定；第二阶段：在使用中进行，目的是判断测量系统的统计特性是否持续满足要求。一般通过正常的校准程序、维护程序和计量程序的一部分日常工作来完成。如常用的GRR研究。两个阶段要视量具固有特性及使用的频繁程度而定。3．分析和评价时的着眼点①测量系统必须显示具有足够的分辨率●首先仪器具有足够的分辨率。注意分辨率在仪器设计时就确定的，此是选择一个测量系统时作为基本出发点，一般按10：1原则，它规定了仪器的分辨率应能将公差（或过程变差）分成十份或者更多份。●其次，测量系统要对产品变差或过程变差的变化具有灵敏性（即有效分辨率）。②测量系统必须是稳定的（统计受控）即在重复性条件下，测量系统变差只归因于普通原因而不是特殊原因③测量系统中涉及的量仪具有可溯源性④统计特性在预期的范围内是一致的（重复性随时间变化的程度），并足以满足测量的目的（产品控制或过程控制）。84．采用何种方法来进行分析和评价①测量系统分类和使用的分析方法见下表类别简单测量系统分析复杂的（非重复的）测量系统分析其它测量概念特征1.只研究二个因素（或称测量条件）如评价人和零件，加上所研究的测量系统重复性2.每个零件内的变异性的影响可忽略,例:零件的园度等3.不存在统计上的评价人和零件之间的交互作用即相互独立4.在研究中零件的尺寸不发生变化1破坏性测量系统2零件随使用/试验而变化的系统，例发动机/变速器测量机试验3其它同简单测量系统1考虑了零件内变异性例园度对测量结果的影响,如塑料分模面处的尺寸2其它同简单测量系统使用的分析方法1．计量型(测量所得数值具有连续性,分布一般为正态分布)：·稳定性—用X—R控制图法·偏倚—独立样本法、控制图法·线性—线性回归法·重复性、再现性——极差法、均值极差法、方差分析法2．计数型（测量所得数值具有间断性）分布一般为二项式分布：风险分析法、解析法△稳定性研究△变异性研究△均值极差法—附加处理△量具性能曲线△通过多次读数减少变差△GRR的合併标准偏差法②本讲授只涉及简单测量分析方法③评价准则a.位置误差的接受准则位置变差通常是通过分析偏倚和线性来确定。一般认为一个测量系统的偏倚或线性的误差，若是与零误差差别较明显或是超出量具校准程序确立的最大允许误差，那么它是不可接受的。在这种情况下应对测量系统重新进行校准或偏差校正，应尽可能地减少该误差。9b.宽度误差的接受准则测量系统变异性是否令人满意的准则取决于被测量系统变差所掩盖掉的生产制造过程变异性的百分比或零件公差百分比，对特定的测量系统最终的接受准则取决于测量系统的环境和目的，而且要征得顾客同意。对于产品控制，测量系统具有足够的分辨率，其变异性与公差相比必须小，依据特性的公差来评价测量系统对于过程控制、测量系统应具有足够的有效的分辨率，其变异性与制造过程变差相比要小，根据6б过程变差和来自MSA研究的总变差来评价测量系统。另外，具有足够的分辨率（力），足够的含义是指：测量系统波动必须比制造过程波动小，最多为后者的1/10或测量系统波动应小于容差限，最多为后者的1/10。对于以分析过程为目的的测量系统，根据经验，其可接受准则如下：误差低于10%——可接受误差在10%—30%——可能可接受（要视应用重要性、测量装置的购置成本、维修成本等）误差大于30%——不能接受c.测量系统应能将过程变差的数值分成若干个数组，其分组数又称分级数（ndc），它应该大于或等于5。计算式为ndc=1.4[PV/R&R],详见P.11图示（过程分布的分组数量对控制和分析活动的影响）。5．实施的步骤①前期准备a.确定分析目的和分析时使用的方法b.确定评价人数量、样品数量及重复读数次数应预先确立在确立时要考虑下列因素：零件所需的尺寸——是否是关键的，若是，即需要更多的零件或试验，目的是为了确保置信度。零件结构——是否大而重。若是，可规定较少的样品，应在其上做较多的试验。c.评价人应来自日常操作仪器的人中挑选。d.样品的选择对正确的分析至关重要。它完全决定于进行测量系统分析的目的，以及能否代表生产过程的样品。例：产品控制——不需要覆盖整个过程范围；过程控制——要获得整个操作范围的样本变得非常重要。e.仪器的分辨率应允许至少直接读取特性的预期过程变差的1/10。例：特性变差为0.