测量系统分析(MSA)

1测量系统分析MeasurementSystemsAnalysis培训教材中国汽车技术研究中心培训中心天津佩美克管理科学研究中心2目录1.引言1.1数据的用途1.2数据的类型1.3测量过程1.3.1测量系统的统计特性1.3.2测量过程的变差1.4数据的质量1.5检定或校准能不能替代测量系统分析？2.术语3.测量过程变差及其对策的影响3.1对产品控制决策的影响3.2对过程控制决策的影响4.测量系统分析的基础4.1进行测量系统分析时应具备的条件4.2测量系统变差的类型4.3测量系统分析的时机4.4测量系统分析的作用4.5测量系统分析的准备4.6接收准则5.简单测量系统分析的实践5.1计量型测量系统的分析5.1.1偏倚的分析5.1.2稳定性的分析5.1.3线性的分析5.1.4重复性、再现性和GR&R（双性）的分析5.2计数型测量系统的分析5.2.1风险分析法5.2.2短期研究——小样法5.2.3长期研究——大样法6.复杂测量系统的分析31引言1.1数据的用途按照质量管理的八项原则，应按“基于事实的决策方法”进行决策，因此用数据说话就成为必然，所以数据的使用比以前更加频繁。在产品的制造生产过程中，测量数据主要有三个用途，一、用于判断产品合格与否，二、用于分析生产过程，判断生产过程是否统计稳定，三、用于确定两个或多个变量之间是否有显著关系，如：线性回归分析、方差分析。用测量数据进行决策的关键就是：这些数据反映的是否是“事实”，即数据的质量是否高。1.2数据的类型——计量型数据：无限可分的数据，通常用计量型量具测得。——计数型数据：有限可分的数据，通常用计数型量具测得。1.3测量过程测量：赋值给具体事务以表示它们之间关于特定特性的关系。41引言赋值过程定义为测量过程，而赋予的值定义为测量值。应将测量看成一个制造过程，它产生数据作为输出。输入输出人、设备、材料方法、环境测量过程数据51引言1.3.1测量系统的统计特性理想的测量系统在每次使用时，应只产生“正确”的测量结果，每次测量结果总应该与一个标准相一致。一个能产生理想测量结果的测量系统，应具有零方差、零偏倚和对所测的任何产品错误分类为零概率的统计特性。遗憾的是，具有这样理想统计特性的测量系统几乎不存在，因此过程管理者必须采用具有不太理想统计特性的测量系统。一个测量系统的质量经常用其多次测量数据的统计特性来确定。对于一个产品或生产过程来说，测量系统并非分辨率越高越好，因为分辨率越高，对环境的要求越苛刻。再如，如果表面粗糙度达不到要求，高分辨率也没有意义。61引言期望的统计特性应包括：⑴足够的分辨率和灵敏度。为了测量的目的，相对于过程变差或公差，测量的增量应该很小。通常按1∶10经验法则，表明仪器的分辨率应把过程变差（公差）分为十份或更多。这个法则是选择量具期望的实际最低起点。⑵测量系统应该是统计受控制的。这意味着在可重复条件下，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。这可称为统计稳定性且最好用控制图法评价。⑶对于产品控制，测量系统的变异性与公差相比必须很小。依据产品特性的公差来评价测量系统。⑷对于过程控制，测量系统的变异性应该显示有效分辨率并且与制造过程变差相比要很小。根据6σ制造过程总变差和/或来自MSA研究的总变差来评价测量系统。71引言1.3.2测量过程的变差源测量过程的变差源主要有六个方面，即S：标准，W：工件，I：仪器，P：人/程序，E：环境。这可以认为是全部测量系统的误差模型。1.4数据的质量人们往往习惯于相信测量数据，认为测量的结果就是客观事实，其实不然，因为测量过程如同制造过程一样，也是随机现象，即有规律的不确定现象。因此，评价测量数据的质量，即评价随机现象的结果，应以在统计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来确定，这些测量结果越接近真值，其质量越高。81引言•计量型数据的质量——均值与真值（基准值）之差——方差的大小•计数型数据——对产品产生错误分级的概率1.5检定或校准能不能替代测量系统分析？也许有人认为，量具定期进行检定或校准就够了，不必进行麻烦的测量系统分析。此观点是不正确的，检定或校准解决的是某量具是否合格的问题，而测量系统分析解决的是某测量系统能否用于判断产品合格或判断生产过程是否稳定。两者作用各不相同，谁也取代不了谁。MSA手册的目的是为评价测量系统的质量提供指南，主要关注的是能对零件进行重复测量的测量系统。92术语2.1测量系统（MeasurementSystem）：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。根据此定义，我们可以把测量过程看成制造过程，这个过程输出的不是产品而是数据，仅此差别而已，这样我们就可以利用在SPC中学到的研究制造过程的方法来研究分析测量过程。2.2分辨力（Discrimination）：又称最小可读单位，分辨力是测量分辨率、刻度限值或测量装置和标准的最小可探测单位。它是量具设计的一个固有特性，并作为测量或分级的单位被报告。数据分级数通常成为“分辨力比率”，因为它描述了给定的观察过程变差能可靠地划分为多少级。102术语2.3分辨率（Resolution）：可用作测量分辨率或有效分辨率。测量系统探测并如实显示被测特性微小变化的能力。（参见分辨力）2.4有效分辨率（EffectiveResolution）：考虑整个测量系统变差时的数据分级大小叫有效分辨率。基于测量系统变差的置信区间长度来确定该等级的大小。通过把该数据大小划分为预期的过程分布范围能确定数据分级数（ndc）。对于有效分辨率，该ndc的标准（在97%置信水平）估计值为1.41[PV/GRR]。112术语2.5基准值（ReferenceValue）：被承认的一个被测体的数值，作为一致同意的用于进行比较的基准或标准样本：•一个基于科学原理的理论值或确定值；•一个基于某国家或国际组织的指定值；•一个基于某科学或工程组织主持的合作试验工作产生的一致同意值；•对于具体用途，采用接受的参考方法获得的一个同意值。该值包含特定数量的定义，并为其它已知目的自然被接受，有时是按惯例被接受。122术语2.6真值（TrueValue）：物品的实际值，是未知的和不可知的。位置变差（Locationvariation）2.7偏倚（偏移，Bias）测量的观测平均值（在可重复条件下的一组试验）和基准值之间的差值，传统上称为准确度。偏倚是在测量系统操作范围内对一个点的评估和表达。基准偏倚观测平均值132术语2.8稳定性（Stability）：是偏倚随时间变化的统计受控，又称漂移。2.9线性（Linearity）：测量系统预期操作范围内偏倚误差值的差别。换句话说，线性表示操作范围内多个和独立的偏倚误差值的相关性。宽度变差（Widthvariation）时间基准值基准值偏倚观测平均值范围较低的部分基准值偏倚观测平均值范围较高的部分142术语2.10重复性（Repeatability）在确定的测量条件下，来源于连续试验的普通原因随机变差。通常指设备变差（EV），尽管这是一个误导。当测量条件固定和已定义时，即确定零件、仪器标准、方法、操作者、环境和假设条件时，适合重复性的最佳术语为系统内变差。除了设备内变差，重复性也包括在特定测量误差模型条件下的所有内部变差。设备变差，另一种定义：由一位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。影响设备变差的两种因素：①量具②零件在量具中的位置重复性152术语2.11再现性（Reproducibility）测量过程中由于正常条件改变所产生的测量均值的变差。一般来说，它被定义为在一个稳定环境下，应用相同的测量仪器和方法，相同零件（被测体）不同评价人（操作者）之间测量值均值的变差。这种情况对受操作者技能影响的手动仪器常常是正确的，然而，对于操作者不是主要变差源的测量过程（如自动系统）则是不正确的。由于这个原因，再现性指的是测量系统之间和测量条件之间的均值变差。另一种定义：由不同的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。操作者B操作者C操作者A再现性162.12GRR或量具R&R(GageRepeatability&Reproducibility)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。忽略了环境和零件的因素，只考虑了人、量具、测量方法对MS的影响。3测量过程变差对决策的影响即使是用同一个量具多次测量同一个零件的同一特性，其结果也会不同，这说明测量系统存在变差。生产过程中的测量结果通常有两个用途：1、产品控制：判断产品合格与否，2、过程控制：判断生产过程是否稳定。若稳定，其过程能力/过程能力指数是多少？是否可接受？下面分别看一下测量变差对决策的影响。173测量过程变差对决策的影响3.1对产品控制决策的影响在产品控制中，如果测量系统不能满足要求，其影响是导致做出错误的判断，即：将合格品判为不合格品（一类错误，见图1），或者将不合格品判为合格品（二类错误，见图2）LSL测量过程的分布USL产品公差上限ORLSLUSLOR图1图2183测量过程变差对决策的影响将测量判断划分为三个区间，如图3：公差下限公差上限图3按图中所示，Ⅰ区：坏零件总是判为坏的，Ⅱ区：可能做出潜在错误的判断，Ⅲ区：好零件总是判为好的。为了最大限度地做出正确的判断，可以有两个选择：一是改进生产过程：减少生产过程的变差，没有零件落在Ⅱ区。二是改进测量系统：减少测量系统变差从而减小Ⅱ区，因此生产的所有零件将在Ⅲ区，这样就可使做出错误决定的风险降至最低。ⅠⅡⅡⅢⅠ目标值193测量过程变差对决策的影响3.2对过程控制决策的影响对于过程控制，希望能知道：过程是否受控、过程均值是否对准目标值、过程能力是否可接受。如果测量系统变差过大，会导致做出错误决策：一是将普通原因（偶因）判为特殊原因（异因），二是将特殊原因（异因）判为普通原因（偶因），三是过低估算过程能力指数。前两者在SPC中已有叙述，下面看一下第三种情况：σ2obs=σ2actual+σ2msa此处，σ2obs=观测过程方差，σ2actual=实际生产过程方差，σ2msa=测量系统方差，而计算CPK用的是σobs，因此会过低估算过程能力指数，图4说明了测量系统变差将使CP的观测值降低多少。203测量过程变差对决策的影响3.53.02.52.01.51.00.50.0观测的CP值实际的CP值0.51.01.52.02.53.010%30%70%50%90%例如：在采购生产设备时使用的（高等级）测量系统的GRR为10%且实际过程CP为2.0的情况下，在采购时观测过程CP将为1.96。这一过程是在生产中用生产量具研究时，如果生产量具的GRR为30%且实际过程CP仍是2.0，那么观测的过程CP为1.71。214测量系统分析的基础4.1进行测量系统分析时应具备的条件⑴测量系统必须有足够的分辨率可接受的分辨率应小于公差或制造过程变差（6σ）的十分之一（究竟按哪个来确定分辨率，根据数据是用来进行产品控制还是进行过程控制），否则会做出很多错误的判断。图5显示的是用两个不同分辨率的测量系统测量同一过程的控制图。左面的控制图没有超限的点，而右图严重失控，这是因为对数据4舍5入而对数据进行错误分级的结果。如果不能测量出过程的变差，这样的分辨率用于过程分析是不可接受的，如果不能测量出特殊原因导致的变差，这个测量系统用于过程控制也是不可接受的。如图5中，右图显示，很多子组的极差为零，使得平均极差很小，算出的过程变差过窄，导致过程能力指数看起来很大。如某企业的过程能力指数竟然为12。224测量系统分析的基础•插图5234测量系统分析的基础⑵测量过程必须统计稳定如同计算制造过程的过程能力之前必须判稳一样，计算测量系统变差也要求统计稳定，判稳可用控制图法。4.2测量系统变差的类型测量数据的质量用偏倚（位置变差）和方差（宽度变差）来评价，但考虑变差的来源和特点，又可细分为位置变差