MSA测量系统概述

MSA–测量系统分析通用测量系统指南测量系统分析1通用测量系统指南——1.1

引言、目的和术语测量数据的用途依据测量数据调整制造过程确定两个或多个变量之间是否存在某种显著关系测量数据的质量如果测量数据与标准值很接近，则可以说这些测量数据的质量“高”；如果测量数据远离标准值，则可以说这些测量数据的质量“低”；低质量最普通的原因之一是数据变差太大。一组测量的变差大多是由于测量系统和它的环境之间的交互作用造成的（如温度变化对液体容积的影响）。如果这种交互作用产生太大的变差，那么数据的质量会很低，以致这些数据是无用的。例如，一个具有大量变差的测量系统，用来分析一个制造过程，可能是不恰当的，因为这一测量系统的变差，可能会掩盖制造过程中的变差。管理一个测量系统的许多工作是监视和控制变差。这就是说，应着重于环境对测量系统的影响，以获得高质量的数据。如果数据的质量是不可接受的，则必须改进，通常是通过改进测量系统来完成，而不是改进数据本身。1.1

引言、目的和术语测量过程

术语“测量”定义为“赋值给具体事物以表示它们之间关于特殊特性的关系”。赋值过程定义为测量过程，而赋予的值定义为测量值。应将一种测量过程看成一个制造过程，它产生数字（数据）作为输出。目的

本手册的目的是介绍选择各种方法来评定测量系统质量的指南。尽管这些指南足以通用于任何测量系统，但它们主要用于工业界的测量系统。术语

量具：任何用来获得测量结果的装置；经常用来特指用在车间装置；包括用来测量合格/不合格的装置。

测量系统：用来对被测特性赋值的操作、程序、量具、设备、软件以及操作人员的集合；用来获得测量结果的整个过程。1.2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。每次测量结果应该与一个标准值相符。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，具有这样理想的统计特性的测量系统几乎在存在的，因此过程管理者必须采用具有不太理想的统计特性的测量系统。一些特性是所有测量系统必须共有的，它们包括：…1）测量系统必须处于统计控制中，这意味着测量系统中的变差只能是由于普通原因而不是由于特殊原因造成的。…2）测量系统的变异必须比制造过程的变异小；…3）变异应小于公差带；…4）测量精度应高于过程变异和公差带两者中精度较高者，一般来说，测量精度是过程变异和公差带两者中精度较高者的十分之一；…5）测量系统统计特性可能随被测项目的改变而变化。若真的如此，则测量系统最大的（最坏）变差应小于过程变差和公差带两者中的较小者。

1.3选择/制定试验程序当选择或制定一个评定方法时，一般应考虑的问题包括：1）

试验中是否应使用诸如那些可溯源至NIST的标准？标准经常是评定一个测量系统的准确度所必须的。2）考虑使用盲测。盲测是指在实际测时环境下，在操作者事先不知正在对该测量系统进行评定的条件下，获得的测量结果。3）试验成本;4）试验所需的时间;5）任何其定义没有被普遍接受的术语应作出可操作的定义。这些术语如准确度、精度度、重复性和再现性等。1.3选择/制定试验程序6）是否由这个测量系统取得的测量结果要与另外一个测量系统得到的测量结果对比？如果对比，应考虑使用依赖诸如上面第一步讨论的标准试验方法。如果不用标准，仍有可能确定两个测量系统是否可经同时正常工作。然而，如果两个系统一起工作不正常，那么不用标准，就不可能确定哪个系统需要改进；7）应每隔多久进行一次？这个问题应由单个测量系统的统计特性及其对该设备影响和使用该设备进行生产的顾客来决定。2评定测量系统的程序——2.1引言

本章中介绍的程序广泛用于整个汽车工业，以评价用于生产环境中的测量系统，特别是这些程序用于评定下列统计特性；重复性、再现性、偏倚、稳定性及线性。测量有关的问题在评价一个测量系统时需要确定三个基本问题：1）这种测量系统有足够的分辨力吗？2）这种测量系统在一定时间内是否在统计上保持一致？3）这些统计性能在预期范围内是否一致，并且用于过程分析或控制是否可接受？测量系统变差的类型

测量系统误差可以分成五种类型：偏倚，重复性，再现性，稳定性以及线性。2评定测量系统的程序——2.1引言

定义偏倚

是测量结果的观测平均值与基准值的差值。基准值，也称为可接受的基准值或标准值，是充当测量值的一个偏倚一致认可的基准，一个基准值可以通过采用更高级别的测量设备（例如，计量实验室或全尺寸检验设备）进行多次测量，取其平均值来确定。基准值

观测的平均值偏倚重复性

重复性是由一个评价人，采用一种测量仪器，多次测量同一零件的同一特性时获得的测量值变差。2评定测量系统的程序——2.1引言

重复性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。2评定测量系统的程序——2.1引言

操作者B

操作者C

操作者A

再现性稳定性稳定性（或飘飘移），是测测量系统在某某持续时间内内测量同一基基准或零件的的单一特性时时获得的测量量值总变差。。2评定测量系统统的程序———2.1引言稳定性时间2时间1线性线性是在量具具预期的工作作范围内，偏偏倚值的差值值。2评定测量系统统的程序———2.1引言象每个过程一一样，对用来来描述测量系系统变差的分分布可以赋予予下列特性：：1）位置·稳定性性;·偏倚;·线性。2）宽度或范范围·重复性；；·再现性。。2.2测量系统的分分析稳定性使用控制图来来确定统计稳稳定性。控制制图可提供方方法来分离影影响所有测量量结果的原因因产生的变差差（普通原因因变差）和特特殊条件产生生的变差（特特殊原因变差差）。控制图图法可在质量量与统计过程程控制（SPC）一书中找到。。需要着重指指出的是，使使用控制图时时，我们不仅仅必须注意落落在控制限以以外的点，还还应注意其他他特殊原因信信号如趋势和和中心线附近近的点。这些些信号的出现现及控制限外外一点或多点点都表明“失失控”或不稳稳定状态。研究测测量系系统稳稳定性性的一一个方方法是是按常常规画画出基基准或或基准准件重重复读读数的的平均均值和和极差差(X-R控制图图)。。从这这种分分析中中可以以确定定，例例如，，失控控信号号是需需要校校准测测量系系统的的标志志。还还有可可能由由于基基准或或基准准件变变脏而而出现现失控控信号号。无无论哪哪种情情况，，包含含在控控制信信号内内的信信息的的解释释取决决于对对过程程的了了解。。用于测测量系系统控控制图图的样样本容容量及及抽样样频率率的确确定也也应依依赖于于对测测量系系统的的了解解。主主要考考虑的的还是是使用用过程程中测测量系系统所所有的的外部部条件件。例例如,如果果确信信使用用者在在使用用系统统之前前提供供足够够的预预热时时间,则应应预热热后才才进行行抽样样。2.2测量系系统的的分析析————稳定性性确定稳稳定性性用指指南确定稳稳定性性用指指南包包括以以下内内容：：1）获获取一一样本本并确确定其其相对对于可可追溯溯标准准的基基准值值。如如果不不能得得到，，则选选择一一个落落在产产品测测量中中程数数的产产品零零件，，并指指定它它作为为标准准样本本进行行稳定定性分分析。。对追追踪测测量系系统的的稳定定性不不需要要的一一个已已知基基准值值；可能需需要具具备预预期测测量的的最低低值、、最高高值及及中程程数的的标准准样本本。建建议对对各样样本单单独测测量并并作控控制图图。2））定定期期（（天天，，周周））测测量量基基准准样样品品3至至5次次。。样样本本容容量量和和频频率率应应基基于于对对测测量量系系统统的的了了解解。。因因素素包包括括要要求求多多长长时时间间重重新新校校准准或或维维修修，，测测量量系系统统使使用用的的频频率率，，以以及及操操作作条条件件如如何何重重要要。。读读数数应应在在不不同同时时间间读读取取以以代代表表测测量量系系统统实实际际使使用用的的情情况况。。这这些些还还包包括括预预热热，，环环境境或或其其它它在在一一天天内内可可能能变变化化的的因因素素；；3））在在X＆＆R或X＆s控制制图图中中标标绘绘数数据据；；4））确确定定每每个个曲曲线线的的控控制制限限并并按按标标准准曲曲线线图图判判断断失失控控或或不不稳稳定定状状态态；；5））计计算算测测量量结结果果的的标标准准偏偏差差并并与与测测量量过过程程偏偏差差相相比比较较，，确确定定测测量量系系统统的的重重复复性性是是否否适适于于应应用用。。2.2测量系统统的分析析———稳定性2.2测量系统统的分析析———偏倚偏倚如果偏倚倚相对比比较大，，查看这这些可能能的原因因：1）基准准的误差差；2）磨损损的零件件；3）制造造的仪器器尺寸不不对；4）仪器器测量非非代表性性的特性性；5）仪器器没有正正确校准准；6）评价价人员使使用仪器器不正确确。2.2测量系统统的分析析———偏倚偏倚示例例偏倚由基基准值与与测量观观测平均均值之间间的差值值确定。。为些，，一位评评价人对对一个样样件测量量10次次。10次测量量值如下下所示。。由全尺尺寸检验验设备确确定的基基准值为为0.80mm,该零件的的过程变变差为0.70mm。X1=0.75X6=0.80X2=0.75X7=0.75X3=0.80X8=0.75X4=0.80X9=0.75X5=0.65X10=0.70观测平均值为为测量结果总总和除以10X==0.752.2测量系统的分分析———偏倚ΣX10偏倚示例2.2测量系统的分分析———偏倚基准值X=0.750.80偏倚＝观察平平均值－基准准值偏倚＝0.75－0.80＝－0.05偏倚占过程变变差的百分比比计算如下：：偏倚％=100[0.05/0.70]=7.1％因此，在量具具R＆R研究中使用的的厚薄规的偏偏倚为－0.05mm。这意味着测量量观测值平均均比基准值小小0.05mm，是过程变差的的7.1％偏倚％＝100[偏偏倚/过过程变差]确定偏倚用指指南独立样本法1）获取一样样本并确定其其相对可追溯溯标准的基准准值。如果不不能得到，则则选择一个落落在产品测量量中程数的产产品零件，并并指定它作为为标准样本进进行偏倚分析析。在工具间间测量该零件件10次，并并计算这10次读数的平平均值。把这这个平均值作作为“基准值值”；可能需要具备备预测量的最最低值、最高高值及中程数数的标准样本本。每个样本本都要求单独独分析。2）让一位评评价人以通常常的方法测量量该零件10次；3）计算这10次读数的的平均值；4）通过该平平均值减去基基准值来计算算偏倚：偏倚＝观测平平均值－基准准值过程变差＝6σ偏倚％＝偏倚倚/过程程变差2.2测量系统的分分析———偏倚确定偏倚用指指南图表法如果用X＆R图表测量稳定定性，这些数数据也可用来来评价偏倚。。1）获取一样样本并确定其其相对可追溯溯标准的基准准值。如果不不能得到则选选择一个落在在产品测量中中程数的产品品零件，并指指定它作为标标准样本进行行偏倚分析；；在工具间测量量零件10次次，并计算这这10次读数数的平均值。。把这个平均均值作为“基准值”。2）从图表中中计算值值；3）通过X减去基准值来来计算偏倚：：偏倚＝X－基准值过程变差＝＝6σ极差偏倚百分比＝偏倚/过过程变差2.2测量系统的分分析———偏倚确定偏倚用指指南分析如果偏倚较大大，查找以下下可能的原因因：1）标准或基基准值误差，，检验校准程程序；2）仪器磨损损。主要表现现在稳定性分分析上，应制制定维护或重重新修理的计计划；3）制造的仪仪器尺寸不对对；4）仪器测量量了错误的特特性；5）仪器校准准不正确。复复查校准方法法；6）评价人操操作设备不当当。复查检验验说明书；7）仪器修正正计算不正确确。2.2测量系统的分分析———偏倚重复性仪器自身以及及零件在仪器器中位置变化化导致的测量量变差是重复复性误差的两两个一般原因因。由于子组组重复测量的的极差代表了了这两种变差差，极差图将将显示测量过过程的一致性性。如果极差差图失控，通通常测量过程程的一致性有有问题。应调调查识别为失失控的点的不不一致性原因因加以纠正。。如果极差图受受控，则仪器器变差及测量量过程在研究究期间是一致致的。重复性性标准偏差或或仪器变差（（σe）估计为R/d2，式中R为重复测量量的平均极极差。仪器器变差或重重复性将为为5.15R/d2，代表正态分分布测量结结果的99％。d2可从表2中中查出。重复性示例例从生产过程程中选取5件样品。。选择两名名经常进行行该测量的的评价人参参与研究。。每一位评评价人对每每个零件测测量三次，，测量结果果记录在数数据表格上上：2.2测量量系系统统的的分分析析————重复复性性重复复性性示示例例2.2测量量系系统统的的分分析析————重复复性性再现现性性测量量过过程程的的再再现现性性表表明明评评价价人人的的变变异异性性是是一一致致的的。。考考虑虑评评价价人人变变异异性性的的一一种种方方法法是是认认为为变变异异性性代代表表每每位位评评价价人人造造成成的的递递增增偏偏倚倚。。如如果果这这种种偏偏倚倚或或评评价价人人的的变变异异性性真真正正存存在在，，每每位位评评价价人人的的所所有有平平均均值值将将会会不不同同，，这这可可以以通通过过比比较较评评价价人人对对每每个个零零件件的的平平均均值值，，在在均均值值控控制制图图上上看看出出。。评价人的的变异性性或再现现性可通通过确定定每一评评价人所所有平均均值，然然后从评评价人最最大平均均值减去去最小的的得到极极差（R0）来估计。。再现性性的标准准偏差（（σ0）估计为为R0/d2。。再现性性为5.15R0/d2。代表正正态分分布测测量结结果的的99%，，d2见表2。再现性性示例例根据上上述重重复性性示例例中所所示数数据，，通过过平均均每位位评价价人获获得的的所有有样品品值来来计算算各位位评价价人平平均值值，确确定评评价人人平均均值极极差（（R0）由最大大值减减去最最小值值得出出。2.2测量系系统的的分析析————再现性性再现性性示例例2.2测量系系统的的分析析————再现性性零件间间变差差一旦测测量过过程一一致的的（极极差图图受控控），，而且且可检检测出出零件件间变变差（（均值值图的的大部部分点点在控控制限限值外外），，那么么可确确定测测量系系统占占过程程变差差的百百分比比。测测量系系统标标准偏偏差（（σm）估计为为σm=(σσe2+σo2)1/2=1.47式中σe为量具具标准准偏差差，σo为评价价人标标准偏偏差。。零件间间标准准偏差差可由由测量量系统统研究究的数数据或或独立立的过过程能能力研研究确确定。。如果果采用用测量量系统统研究究，则则零件件标准准偏差差（σp）的估计计是通通过确确定每每一零零件平平均值值，然然后找找出样样品平平均值值极差差（RP）。零件间间标准准偏差差（σp）估计为为RP/d2＊。零件间间变差差将为为5.15RP/d2＊，代表正正态分分布的的99％测测量结结果，，d2＊见表2。2.2测量系系统的的分析析————零件间间变差差零件间间变差差示例例2.2测量系系统的的分析析————零件间间变差差与测量量系统统的再再现性性与重重复性性相关关的过过程变变差百百分比比一般般称为为％R＆R，由σm/σt*100来估计计，式式中σt为总过过程变变差标标准偏偏差。。通过过测量量研究究计算算得出出的σt称为研研究变变差标标准偏偏差，，由σt＝(σp2＋σm2)1/2计算得得出。。总过程程变差差σt＝（（σp2＋σm2）＝[2.502＋1.472]1/2＝2.90研究得得出的的总过过程变变差＝＝TV＝＝5.15*2.90＝＝14.9％R＆＆R＝＝[σσm/σt]××100＝＝[R＆R/TV]*100＝[7.6/14.9]××100＝50.7％％2.2测量系系统的的分析析————重复性性和再再现性性重复性性和再再现性性的计计算运用MSA手册中中的表7《《量量具重重复性性和再再现性性数据据表》》表8《《量量具重重复性性和再再现性性报告告》2.2测量系系统的的分析析————重复性性和再再现性性2.2测量系系统的的分析析————重重复性性和再再现性性参考表表7的的量具具R＆R数据表表，详详细程程序如如下：：1）取取得包包含10个个零件件的一一个样样本，，代表表过程程变差差的实实际或或预预期范范围；；2）指指定评评价人人A，B和C，并按1至10给给零件件编号号，使使评价价人不不能看看到这这些数数字；；3）如如果校校准是是正常常程序序中的的一部部分，，则对对量具具进行行校准准。4）让让评价价人A以随机机的顺顺序测测量10个个零件件，并并让另另一个个观测测人将将结果果记录录在第第1行行。让让测试试人B和C测量这这10个零零件并并互相相不看看对方方的数数据。。然后后将结结果分分别填填入第第6行行和第第11行。。5）使用不不同的随机机测量顺序序重复上述述操作过程程。把数据据填入第2、7和12行。在在适当的列列记录数据据。例如，，第一个测测量的零件件是零件7，则将结结果记录在在标有第7号零件的的列内，如如果需要试试验3次，，重复上述述操作，将将数据记录录在第3、、8和13行；2.2测量系统的的分析———重重复性和再再现性2.2测量系统的的分析重重复性性和再现性性2.2测量系统的的分析———重重复性和再再现性量具重复性性和再现性性（R&R）的可接接受性的准准则是：·低于10％的误差差——测量系统可可接受；·10％至至30％的的误差——根据应用的的重要性，，量具成本本，维修的的费用等可可能是可接接受的；·大于30％的误差差－测量系系统需要改改进。进行行各种努力力发现问题题并改正。。2.2测量系统的的分析———重重复性和再再现性2.2测量系统的的分析———重重复性和再再现性2.2测量系统统的分析析———重重复性和和再现性性2.2测量系统统的分析析———重重复性和和再现性性当%R&R>30%时，应进进行改进进。如果重复复性比再再现性大大，原因因可能是是：1）仪器器需要维维护；2）量具具应重新新设计来来提高刚刚度；3）夹具具和检验验点需要要改进；；4）存在在过大的的零件内内变差。。如果再现现性比重重复性大大，那么么可能的的原因有有：1）评价价人需要要更好的的培训如如何使用用量具仪仪器和读读数；2）量具具刻度盘盘上的刻刻度不清清楚；3）需需要某种种夹具帮帮助评价价人提高高使用量量具的一一致性。。2.2测量系统统的分析析——线线性线性在测量仪仪器的工工作范围围内选择择一些零零件可确确定线性性。这些些被选零零件的偏偏倚由基基准值与与测量观观察平均均值之间间的差值值确定。。正如在偏偏倚研究究中一样样，零件件的基准准值可由由工具室室或全尺尺寸检验验设备确确定。在在操作范范围内选选取的那那些零件件由一个个或多个个评价人人测量，，确定每每一零件件的观察察平均值值，基准准值与观观察平均均值之间间的差值值为偏倚倚，要确确定各个个被选零零件的偏偏倚。线线性图就就是在整整个工作作范围内内的这些些偏倚与与基准值值之间描描绘的。。2.2测量系统的的分析——线性性线性示例某工厂领班班对确定某某测量系统统的线性感感兴趣。基基于该过程程变差，在在测量系统统工作范围围内选定五五个零件。。通过全尺尺寸检验设设备测量每每个零件以以确定它们们的基准值值。然后一一位评价人人对每个零零件测量12次。零零件随机抽抽取，每个个零件平均均值与偏倚倚平均值的的计算如下下表所示。。零件偏倚倚由零件平平均值减去去零件基准准值计算得得出。2.2测量系统的的分析——线性性示例2.3计数型量具研究——线性性示例计数型量具具研究（小样法））所谓计数型型量具就是是把各个零零件与某些些指定限值值相比较，，如果满足足限值则接接受该零件件，否则拒拒收。不象象计量型量量具，计数数型量具不不能指示一一个零件多多么好或多多么坏。它它只指示该该零件被接接受还是拒拒收。小样研究是是通过选取取20个零零件来进行行的。然后后两位评价价人以一种种能防止评评价人偏倚倚的方式两两次测量所所有零件。。在选取20个零件件中，一些些零件会稍稍许低于或或高于规范范限值。如果所有的的测量结果果（每个零零件四次））一致则接接受该量具具，否则应应改进或重重新评价该该量具。如如果不能改改进该量具具，则不能能被接受并并且应找到到一个可接接受的替代代测量系统统。2.3计数型量具研究——线性性示例一个典型的的用于计数数量具研究究小样法的的表格见表表17：橡胶软管内内径通通过／／不通过塞塞规

A评价人

B评价人

12121GGGG2GGGG3NGGGG4NGNGNGNG5GGGG6GGGG7NGNGNGNG8NGNGGG9GGGG10GGGG11GGGG12GGGG13GNGGG14GGGG15GGGG16GGGG2.4测量系统研研究的准备备实施研究之之前的典型型准备如下下：1)先先计划将要要使用的方方法。2)评价人的数数量，样品品数量及重重复读数次次数应预先先确定。在在此选择中中应考虑的的因素如下下：（a））尺寸寸的的关关键键性性———关键键尺尺寸寸需需要要更更多多的的零零件件和和／／或或试试验验。。原原因因是是量量具具研研究究评评价价所所需需的的置置信信度度；；（b））零件件结结构构———大或或重重的的零零件件可可规规定定较较少少样样品品和和较较多多试试验验。。3））由由于于其其目目的的是是评评