msa量测系统分析报告

MSA量測系統分析Measurement Systems AnalysisMSA第三版中國汽車研究中心譯2002.10印刷目 錄第一章 量測系統介紹一、 量測 - 1二、 量測系統 - 1三、 量測系統分析 - 1四、 量測系統應具備的特性 - 1五、 評估量測系統的三項基本的問題 - 2六、 常用的名詞定義 - 2第二章 量測系統變異之類型一、 量測系統誤差種類 - 4二、 量測系統研究之應用 - 10第三章 量測系統(GAGE R&R)應用與判讀一、 量測系統研究的準備 - 11二、 計量植值量測系統研究 - 12三、 判讀 - 18四、 變異數分析法 - 19五、 計數值量具研究 - 20第四章 附件附件一：量測設備的可接受性 - 24附件二：MSA變異計算式一覽表- 25附件三：量具再現性和再生性數據表 - 26 附件四：量具再現性和再生性報告表 - 27附件五：計數值GO/NO-GO量規數據 - 28第五章 演練一、 計量值、全距法二、 計量值、平均值與全距法第一章 量測系統介紹一、量測 藉由與預先設定的標準相比較，以確定使用多少個單位(英吋、公克等) 來描述一個零組件的過程。 量測結果由一個數字和一個標準的量測單位構成。 量測結果是量測過程的輸出。二、量測系統 指操作、準則、量具和其他設備、軟體及被指定之一群待量測特性等之 集合，經由一完整程序而取得量測值。三、量測系統分析 實施適當的統計研究，藉以分析各種型式之量測和試驗設備系統所得出 的結果的變異，這類研究應留有證據。此項要求適用於經顧客核准的管制計 劃中所有的量測系統。分析方法和允收標準應符合量測系統分析參考手冊內 的規定(例如：量規量測再現性和再生性gage R&R研究)。其他的分析方 法和允收標準則需經顧客核准後方可使用。四、量測系統應具備的特性 4-1 所有的量測系統應具備的特性 1.量測系統必須處於統計管制狀態(可預見的)；這表示量測系統內的變 異只是由於共通原因產生，而不是特殊原因。 2.量測系統的變異性要小於製造過程的變異性。 3.變異性要小於規格極限值和或允許公差。 4.當被量測項目改變時，量測系統的統計特性也可能會改變。果真如此， 量測系統的最大(最糟)的變異必須相對小於製程變異或規格極限值中的較小者。 4-2 其他需要考慮的因素 1.量測系統的管理涉及對變異的管制和監測。 2.要對量測系統如何與環境相互作用有所理解。五、評估量測系統的三項基本的問題 評估一量測系統時有三項基本的問題需加以定位(澄清) 1.本量測系統是否具備適當的鑑別能力？ 2.是否具有全時之穩定統計性？ 3.量測誤差(變異)是否微小？六、常用名詞定義 1.量具(Gage)：任一可用以量測之設備，通常是用以特別稱呼使用在生產現場者，包含GO/NO-GO設備。 2.鑑別力：鑑別力是指一個量測裝置檢測出被量測的變異的能力。假定一個量測者要量測10個零組件的寬度。如果每個零組件的量測結果全部相同，則該量測裝置不具備指示零組件之間變化量的鑑別力。 3.公差：是指一個零組件某一特性允許的變異。公差通常以一個公稱值所允許的相對於公稱值的變異數來表示。一個零組件的寬度可以15.500.02英吋(一個介於15.48到15.52英吋的範圍)來表示。 4.管制狀態：當一個製程顯示出本身固有的，且可預見的變異時則稱為管 制狀態。例如：下面的管制圖即描述一個從剪切線上切上切下的零組件的預期垂直度變異。例如製程處於管制狀態。則無造成變異的特殊原因，我們便可以認定零組件在99.73%的狀況下也都能隨機地落在管制極限值之內。上管制極限值1SD = 68 %2SD = 95%3SD = 99.7%總平均值下管制極限值 5.非管制狀態：描述一個造成變異的所有特殊原因均未消除的過程。這種狀態在管制圖上呈現出點落在管制極限值以外或在極限值內呈非隨機的型態。第二章 量測系統變異之類型一、 量測系統誤差種類 量測系統誤差可分為五種：偏性、穩定性、線性、再現性、再生性 1-1 偏性(ACCURACY) 準確度是指觀測平均值與真值之差，真值可藉各種可得之最準確的量測設備之數次量測值之平均而得。 真值 準確度 觀測平均值 量具準確度 如果量具準確度相對的大，則可能的原因是： 1.主量測值錯誤 2.量具磨損了 3.量具之製造尺寸錯誤 4.量具量測錯誤之特性 5.量具未經適當校正 6.作業者不適當的使用量具 1-2 穩定性 穩定性(或偏差drift)是指一量具在量測相同樣件(master)時所得之全變異，或指相同條件在量測一單一特性時經過延伸時期所得之全變異。時間 2時間 1穩定性 量具穩定性 1-3 線性 線性是指量具在預期作業範圍內準確值之差異。觀測平均值 真值 (好) 準確度值低 觀測平均值 真值 (壞) 準確度值高 量具線性 如果量具具有非直線性(non-linearity)，其可能原因如下： 1.在作業範圍的高及低二端，量具校正不適當。 2.最大或最小的標準值錯誤。 3.量具磨損。 4.可能須檢討量具內部之設計特性。 1-4 再現性(REPEATABILITY) 再現性是指一種量具、一位作業者，當多次量測相同零件之指定特性時所得之變異。再現性 量具再現性 再現性作業單 用一把遊標卡尺和標有1到5號的一套樣本，量測這5個樣本的厚度，並記錄量測結果。然後，再重複量測兩次。零組件編號量測次數12345198976298976389867平均值X8.678.338.676.676.33全距11111 平均值X = 同一樣本三組量測值之和3 全距 = 每一樣本量測值中最大值最小值 X = 平均值之和5 = 7.734 R = 全距之和5 = 1 再現性演練 再現性作業單 分別計算全距的上、下管制極限值，UCLR和LCLR UCLR = RD4 = 1 2.575= 2.575 LCLR = RD3 = 1 0 = 0 (D3和D4是用於計算全距管制極限值的常數。) 分組量測次數 計算LCL所用的D3 計算UCL所用的D4 2 0 3.267 3 0 2.575 4 0 2.282 5 0 2.115 6 0 2.004 7 0.076 1.924 8 0.136 1.864 9 0.184 1.816 10 0.223 1.777 11 0.256 1.744 12 0.268 1.716 13 0.308 1.692 14 0.329 1.671 15 0.348 1.652 再現性作業單 再現性的計算 估計的再現性標準差或量規變異= R / d2 =0.575 再現性 = 5.15(R / d2) = 5.15( / 1.74) = 2.96 d2取決於量測次數，(m=3)，以及零組件數和量測者的乘積，(g=51=5)。 (公式中，5.15是代表信賴度的一個常數，它表示由這些量測者、零組件和設備所獲得的再現性結果落在計算的變異性全距內的信賴度為99%。)m2345678910111213141511.411.912.242.482.672.832.963.083.183.273.353.423.493.5521.281.812.152.402.602.772.913.023.133.223.303.383.453.5131.231.772.122.382.582.752.893.013.113.213.293.373.433.5041.211.752.112.372.572.742.883.003.103.203.283.363.433.4951.191.742.102.362.562.732.872.993.103.193.283.353.423.4961.181.732.092.352.562.732.872.993.103.193.273.353.423.49g71.171.732.092.352.552.722.872.993.103.193.273.353.423.4881.171.722.082.352.552.722.872.983.093.193.273.353.423.4891.161.722.082.342.552.722.862.983.093.183.273.353.423.48101.161.722.082.342.552.722.862.983.093.183.273.343.423.48111.161.712.082.342.552.722.862.983.093.183.273.343.413.48121.151.712.072.342.552.722.852.983.093.183.273.343.413.48131.151.712.072.342.552.712.852.983.093.183.273.343.413.48141.151.712.072.342.542.712.852.983.083.183.273.343.413.48151.151.712.072.342.542.712.852.983.083.183.263.343.413.48151.1282.0592.5342.8473.0783.2583.4071.6932.3262.7042.9703.1733.3363.472d2表 1-5 再生性(REPRODUCIBILITY) 再生性是指不同作業者使用相同量具，當量測相同產品之特性時， 量測平均值之變異。作業者B作業者C作業者A 再生性 量具再生性 1.再生性作業單 1)再生性的計算 將第8頁表中你的X數據和你同伴的X數據抄入下表：零組件編號12345量測者1的平均值X量測者2的平均值X 估計的量測者標準差是藉由確定每位量測者的量測平均值，然後算出平均值的全距(R = X 最大X 最小 )，再除以d2而估算出來的。 估計的量測者標準差=R/ d2 = (X 最大X最小) / d2 當採用全距1(g)和量測者數(m)為2時，d2 = 1.41 因此，再生性= 5.15(R / d2) = ( ) /1.41= (公式中，5.15是代表信賴度的一個常數，它表示由這些量測者、零 組件和設備所獲得的再現性結果落在計算的變異性全距內的信賴度為99%。)m2345678910111213141511.411.912.242.482.672.832.963.083.183.273.353.423.493.5521.281.812.152.402.602.772.913.023.133.223.303.383.453.5131.231.772.122.382.582.752.893.013.113.213.293.373.433.5041.211.752.112.372.572.742.883.003.103.203.283.363.433.4951.191.742.102.362.562.732.872.993.103.193.283.353.423.4961.181.732.092.352.562.732.872.993.103.193.273.353.423.49g71.171.732.092.352.552.722.872.993.103.193.273.353.423.4881.171.722.082.352.552.722.872.983.093.193.273.353.423.4891.161.722.082.342.552.722.862.983.093.183.273.353.423.48101.161.722.082.342.552.722.862.983.093.183.273.343.423.48111.161.712.082.342.552.722.862.983.093.183.273.343.413.48121.151.712.072.342.552.722.852.983.093.183.273.343.413.48131.151.712.072.342.552.712.852.983.093.183.273.343.413.48141.151.712.072.342.542.712.852.983.083.183.273.343.413.48151.151.712.072.342.542.712.852.983.083.183.263.343.413.48151.1282.0592.5342.8473.0783.2583.4071.6932.3262.7042.9703.1733.3363.472d2表二、量測系統研究之應用 1.提供新量測設備是否可接受之準則。 2.提供二項量測設備之比較。 3.提供對被認為將有缺陷量具之評價標準。 4.提供量測設備維修前後之比較。 5.對生產製程是否在計算製程變異時需將此列入，且可否為可接受之水準？ 6.提供必要之資訊以發展(Gage Performance Curve 量具績效曲線)，此一曲線指出含合格產品被接受之機率多少。第三章 量測系統(GAGE R&R)應用與判讀一、量測系統研究的準備 1-1 量測系統研究的準備步驟 量測系統研究必須是有計畫的，以達到瞭解你的量測系統能力的目 的。典型的準備工作包括： 1.根據研究目的，計畫要採用的方法。 2.規定量測者人數、樣本數，以及重複的量測結果次數。這可能取決於 尺寸的臨界性或零組件的物理特性。 3.選擇經常使用這種儀器的量測者。 4.在幾天生產的產品中取樣，以保證所抽取的樣本代表整個作業範圍。 對每個零組件進行編號以便於識別。 5.要保證所用之量測儀器的分辨力為所要量測的特性預期的製程變異的 十分之一。(如果特性的變異是0.001，儀器應能讀到0.0001的變化量。) 在量測系統的研究中，將誤解資訊的風險降到最低十分重要。需要注意下列以下四件事： 1.由瞭解在執行一項可靠的研究中，謹慎從事的重要性的人來完成這 項研究。 2.要保證每位量測者使用相同的程序，包括獲取數據的步驟。 3.量測必須以隨機的方式進行。 4.謮數必須盡可能估計到最精確的值。如果可能，讀數要精確到最小刻 度的一半。(例如：如果最小刻度是0.0001，每個讀數要估計到0.00005。)二、計量值量測系統研究 2-1計量值量測系統研究 2-1-1 偏性之準則：(1) 建立可追溯標準真值之樣本。(2) 使用經評價過之量具，使一位作業者量測同一零件至少在10次以上。(3) 計算平均值，雙者之差即為準確度。% 偏差標準確度=偏差/製程變異(公差)2-1-2 穩定性之準則：(1) 選擇一樣本建立可追溯標準之真值。(2) 定時對標準件或樣本量測至少35次，並製X-R CHART。(3) 計算管制界限及標準差，並與製程標準差相比較，以評估量測系統之穩定性。2-1-3線性之準則：(1) 藉著選擇零件在量具整個作業的範圍方式，可用來決定線性。(2) 如同偏性研究，此零件之標準值是由工具室或精密檢驗設備求得的，在全操作範圍內的零件，經由一個或數個作業者量測而得每一個零件之觀測平均值。(3) 再依每一個零件之標準量測值與觀測平均值之差來決定量具標準度平均值。(4) 以準確度平均值與全作業範圍內之標準量測值來繪製線性圖。2-1-4再現性與再生性之準則：(1) 全距法。(註)(2) 平均值與全距法。(註)(3) 變異數分析(ANOVA)法。(註)註全距法：是一種修正的計量值量具研究，可快速的提供量測變異性近似值，本法只提供量測系統之全貌，而不將變異性區分為再現性與再生性。研究方法：(參考附件一表格)(a) 以二位之作業者與5件零件來作研究，每位作業者均量測每零件一次，每個零件之全距為二位作業者量測值之差，再計算得全距總和及平均全距。(b) 全量測變異值班室(GR&R)為平均全距乘以4.33(5.15/1.19)。(c) % GR&R為GRR5100除以製程差異(或公差)。(d) 量測系統之 GR&R若大於等於20%，則此量測系統須加以改善。建議使用時機：製程安定即零件變異小時，宜採用全距法作量測系統分析。註平均值與全距法（XR）：是一種數學的方法，可用來分析量測系統的再現性與再生性。其與全距法不同處為允許量測系統分解為不同項目-再現性與再生性，但不含他們的交互作用，同時可提供量測系統或量具誤差問題之有關資訊。研究方法：雖然作業者人數、量測次數及零件數可能改變，但執行研究最適合條件及作法-如下所述並參考附錄3.4之量具R&R的數據表，逐一完成之。建議使用時機：製程較不安定、零件變異較大時，較宜採用平均值與全距法(X&R)去執行量測系統分析。註變異數(ANOVA)分析法：是一種標準的統計技巧能用來分析量測誤差及在量具研究數據中其他變異數分析中變異性的來源，在變異數將被區分為4種：零件、作業者、零件與作業者的交互作用及量具生產複製誤差。優點：能處理任何的實驗設定，更精確的估計變異數，能自實驗數據中得到更多的資訊。（如：零件與作業影響之間的交互作用）缺點：須以電腦配合專用軟體來作數字運算及使用者需經一定的訓練以解釋結果。 2-2 平均值與全距法 1.數據收集的計算方法 數據收集的計算方法如下： 1)將第1、2及3行的最大數值減最小數值，將結果記錄在第5行、第6、7、8行及第11、12、13行的作法相同，而將其結果分別記入第10及15行(表7)。 2)第5、10行及15行之記錄應為正值(表7)。 3)將第5行加總並除以量測零件數，則得第一位作業者的平均全距Ra， 以相同方法從第10行及第15行求得Rb、Rc (表7)。 4)將第5、10及15行的平均值(Ra、Rb、Re)載記到第17行，將其加總後除以作業者人數而得的數值記入R (所有全距的平均值) (表7)。 5)將R (平均值)記入第19、20行並乘以D3及D4求下及上的管制界限 (D3及D4可由表3查得)，如為二次量測則D3=0，D4=3.27。將個別 全距的上管制界限(UCLR)的值記入第19行。下管制界限(LCLR)的值 ，如量測次數少於7則為零(表7)。 6)如有全距超過計算的UCLR，則依原來方法請相同的作業者將相同的 零件重測一次。或將其值刪除，再依修正過的樣本數量重新計算平 均值R及管制界限值UCLR。將導致失去管制的特殊原因改正。如 果使用先前討論的管制圖法，則此情況已改正且不會在此發生。 7)將各行加總(第1.2.3.6.7.8.11.12及13行)，將各行的總和除以取樣零 件數，將此值記錄在最右邊一列標示為”平均值”處。(表7) 8)將1.2.3行的平均值加總，並除以量測次數，將其值記錄在第4行Xa 方格處，以相同方式處理6.7.8行及11.12.13行，而將其值分別記入 第9.14行的Xb、Xc處。 9)將第4.9.14行的最大及最小平均值記錄在第18行的適當位置並計算 其差記錄在第18行標示為X Diff處。(表7) 10)將每個零件的各次量測值加總，除以量測值總數(量測次數乘以作 業者數)，將其結果記入第16行之零件平均值處。(表7) 11)將零件平均值的最大減最小的差記入第16行標示Rp處，Rp是零 件平均值的全距。(表7) 12)將R、X Diff 及Rp的計算值轉記在報告表的預留位置。(表8) 13)執行報告表左邊標示為”量測單元分析”的各項計算。 14)執行報告表右邊標示為”%製程變異”的各項計算。 15)檢查結果，確認沒有錯誤。相關之計算公式可參考”附件二之MSA變異計算式一覽表”。評價人試驗次數零 件平均值12345678910 1. A 10.651.000.850.850.551.000.950.851.000.600.83 2. 20.601.000.800.950.451.000.950.801.000.700.825 3. 3 4. 平均值0.6251.0000.8250.9000.5001.0000.9500.8251.0000.650Xa=0.8275 5. 全距0.050.000.050.100.100.000.000.050.000.10Ra=0.045 6. B 10.551.050.800.800.401.000.950.751.000.550.785 7. 20.550.950.750.750.401.050.900.700.950.500.75 8. 3 9. 平均值0.5501.0000.7750.7750.4001.0250.9250.7250.9750.525Xb=0.7675 10. 全距0.000.100.050.050.000.050.050.050.050.05Rb=0.045 11. C 10.501.050.800.800.451.000.950.801.050.850.825 12. 20.551.000.800.800.501.050.950.801.050.800.83 13. 3 14. 平均值0.5251.0250.8000.8000.4751.0250.9500.8001.0500.825Xc=0.8275 15. 全距0.050.050.000.000.050.050.000.000.000.05Rc=0.030X03 16. 零件 平均值(XP)0.5671.0080.8000.8250.4581.0170.9420.7831.0080.667X=0.8075Rp=0.559 17.Ra=0.045+Rb=0.045+Rc=0.03/#評價人數=3R-0.04 18.MaxX=0.8275MinX=0.7675=XDIFF0.06 19.R=0.04D4*=3.27= UCLR0.13 20.R=0.04D3*=0.00= LCLR0.00 2次試驗時D4=3.27，3次試驗時D4=2.58。7次試驗以內D3=0； UCLR代 表單個R的極限。圈出那些超出極限的值。查明原因並糾正。同一評價人採用最 初的儀器重複這些謮數或剔除這些值並由其餘觀測值再次平均並計算R和極限 值。 註：表7 量具再現性和再生性數據表 零件編號和名稱：墊片 量具名稱： 厚薄規 日期：4/12/88 測量參數 厚度 量具編號： X-2934 執行人： 尺寸規格：0.6-1.0mm 量具類型： 0.0-10.1 來自數據表：R=0.044 XDIFF=0.06 RP=0.559測量系統分析%變差(TV) 再現性設備變異差(EV)EV = RK1 試驗次數 K1 = 0.0444.56 2 4.56 = 0.18 3 3.05 %EV=100EV/TV =1000.18/0.93 =18.7%評價人數量 2 3 K2 3.65 2.70 再生性評價人變差(AV) AV = (XDIFFK2)2(EV2nr) = (0.062.70)2(0.182102) ) =0.16 %AV = 100AV/TV = 1000.16/0.93 = 16.8% n = 零件數量 r = 試驗次數 2 3.65 3 2.70 4 2.30 5 2.08 6 1.93 7 1.82 8 1.74 9 1.67 10 1.62零件數量 K3 再現性和再生性(R&R) R&R= (EV2+AV2) = (0.182+0.162) =0.24 %R&R= 100R&R/TV = 1000.24/0.93 = 25.2% 零件變差(PV) PV = RPK3 = 0.561.62 = 0.90 %PV = 100PV/TV = 1000.90/0.93 = 96.8% 變差(TV) TV = (R&R2+PV2) = (0.242+0.902) = 0.93 所有計算都基於預期5.15(在正 分佈曲線之下99.0%的面積)。 K1為5.15/d2，d2取決於試驗次數(m)和零件數與評價人數的乘積(g)，並假設該值大於 15d2數值來自表2。 AV如果計算中根號下出現負值，評價人變差缺省為0。 K2為5.15d2*，式中d2*取決於評價人數量(m)和(g)，g為1，因為只有單極差計算。 K2為5.15d2*，式中d2*取決於零件數(m)和(g)，g為1，因為只有單極差計算。 d2*來自表D3，質量控制和工業統計A.J.Duncan(見附錄，幾考文獻4)。表8 量具再現性和再生性報告三、判讀 3-1 如果再現性大於再生性，其理由可能是 1.量測儀器需加以保養。 2.量具需重新設計以提高剛性。 3.量具之夾緊或定位方式須加以改善。 4.產品內變異有極值(excessive)。 3-2 再生性大於再現性，則可能的原因是 1.作業者對量測儀的使用及讀取需良好之訓練。 2.量度刻度盤之校正未完整(clear)。 3.可能須某些夾具以協助作業者更堅實使用量具。 3-3 量具再現性及再生性(%RAR)是否可接受的指引為：誤 差 值結 果誤差10%以下量具系統可以接受誤差在10%30%之間量具可能被接受但須依其應用的重要性，量具費用、修理費用而定。誤差超過30%量具系統須加以改進，健一切努力去確認問題，並改正問題。四、計數值量具研究 4-1 短期法 1.選擇20個零件，其中一些可能稍大或稍小於技術規格的極限值，將這 些零組件黏貼編號以便於識別。 2.安排兩位量測者將所有的零組件量測兩次，所用的方法要能避免量測 者偏差值的出現(即隨機選取零組件)。 3.記錄量測結果，每個零組件應有4個讀數。 4.如果量測結果不一致，則量測系統需加以改善和重新評估。如果量測系統無法改善，應尋找其他替代的量測系統。 工作單：計數值量規(短期方法)GO/NO-GO 量規數據零組件量測者1量測者21234567891011121314151617181920 計數值量規範例(短期方法)橡膠軟管直徑GO/NO-GO 量規零組件量測者1量測者21GGGG2GGGG3NGGGG4NGNGNGNG5GGGG6NGNGNGNG7NGNGGG8NGNGGG9GGGG10GGGG11GGGG12GGGG13GNGGG14GGGG15GGGG16GGGG17GGGG18GGGG19GGGG20GGGG 4-2 計數值量規長期研究 1.計數值量規的長期研究是用來瞭解一個量規接收或拒收一個零組件的能力。