测量系统分析(MSA).

测量系统分析(MeasurementSystemAnalysis)一、测量系统的基本概念二、测量系统误差的基本类型三、计量型测量系统研究四、计数型测量系统研究测量系统分析基本内容一、测量系统的基本概念什么是测量系统为什么要研究测量系统评定测量系统性能的指标测量：赋值给具体事物以表示它们之间关于特殊特性的关系测量过程：赋值过程测量系统:被测事物操作人员操作程序数据测量环境（测量结果）测量软件测量设备什么是测量系统活动测量系统的要素：测量方法测量环境仪器设备被测量对象的特征测量人员计量基准测量系统表征测量数据质量的指标偏倚变差为什么要研究测量系统?□偏倚--表示多次测量结果的平均值与基准值(真值)之差。偏倚也称准确度，反映测量过程的系统误差。基准值偏倚观测的平均值系统误差不能依靠重复测量而降低，但可以通过校准和修正而减小。□变差--表示在相同的条件下进行多次重复测量结果之间的符合程度，用标准差σ或过程变差PV表示。变差也称精密度，用以反映测量过程的随机误差大小。0.990.0050.005PV=5.15σ假如一次测量的随机误差（精密度）是σ，则：n次重复测量的随机误差（精密度）=但一个测量系统实际的随机误差的下限就是该测量系统的分辨率。随机误差可通过重复测量减小，但其下限是测量系统的分辨率理解偏倚和变差偏倚与变差示意图BiasandVariation既精又准Preciseandaccurate偏倚小偏倚大偏倚小偏倚大变差小变差小变差大变差大只精不准Precise,notaccurate不精但准Accurate,notprecise不精又不准NotPrecise,notaccurate过程波动的可能来源长期过程波动短期过程波动波动/样本实际的过程波动重复性校准稳定性线形测量仪器波动操作者波动测量波动过程波动为了识别实际的过程波动,必须首先识别由于测量系统造成的波动，并且从过程波动中除去SPCMSA评定测量系统性能的指标系统的分辨力偏倚(系统误差)稳定性线性重复性再现性(1)分辨率分辨力的概念（Discrimination）指示装置可以有效辨别所指示的紧密相邻量值能力的定量表示。——ISO10012/1:1992分辨力的概念（Discrimination）对标尺型的测量仪器,分辨率为最小分度值的一半。对数字型的测量仪器,其分辨率为末尾数字的刻度。分辨力的要求：1）最小测量单位/容差≤10%（用于计量型合格判定）2）最小测量单位/过程标准差≤10%（用于计量型过程控制）影响分辨力的因素：1）传感器的灵敏度2）读出装置的最小显示单位分辨力举例序号xR序号xR序号xR136.21036.00.11936.00.1236.40.21136.002036.20.2335.80.61235.80.22136.20436.30.51335.90.12235.80.4536.301435.80.12336.30.5635.80.51536.20.42435.90.4736.50.71635.70.52536.50.6836.60.11735.80.1平均36.10.296936.10.51836.10.3高分辨率体温数据ObservationIndividualValue25232119171513119753137.036.536.035.5_X=36.088UCL=36.875LCL=35.301ObservationMovingRange2523211917151311975311.000.750.500.250.00__MR=0.296UCL=0.967LCL=0I-MRChartof高分辨率低分辨率体温数据序号xR序号xR序号xR1361036019360236011360203603360123602136043601336022360536014360233606360153602436073711636025371837117360平均36.10.125936118360ObservationIndividualValue25232119171513119753137.036.536.0_X=36.12UCL=36.452LCL=35.788ObservationMovingRange2523211917151311975311.000.750.500.250.00__MR=0.125UCL=0.408LCL=0111111I-MRChartof低分辨率（2）偏倚（Bias）：测量值或估计量的分布中心（平均值）与真值（基准值）之差。偏倚属于系统性误差，直接影响测量系统的准确度。偏倚基准值偏倚观测的平均值□偏倚的计算一位评价人对一个样件测量10次，结果如下：0.75，0.75，0.80，0.80，0.65，0.80，0.75，0.75，0.75，0.7。由全尺寸检验设备确定的基准值为0.80mm，该零件的过程变差为0.7075.0101101iiXX偏倚==0.75-0.80=-0.05偏倚%=|偏倚|/过程变差=0.05/0.7=7.1%基准误差零件磨损仪器尺寸不对测量了错误的特性仪器校准不当仪器使用不当□偏倚较大的可能原因(3)稳定性定义：测量系统的均值和标准差随时间的变化保持稳定和可预测的状态。特征：没有漂移、没有突然的偏移和循环趋势等，采用控制图评价与监控。Time1Time1Time2稳定性是对测量系统的准确度和精密度随时间变化的评价。基准值基准值好的稳定性差的稳定性Time3Time3Time2保持稳定性的条件：注意满足所需要的外部条件定期对量测系统做校正或者维修使用控制图监测稳定性偏倚较小基准值偏倚较小基准值观测的平均值观测的平均值范围的较低部分范围的较商部分观测的平均值无偏倚基准值(4)线性□线性Linearity量具在量程范围内，偏倚应是基准值的线性函数。□线性度%Linearity在预期工作范围内线性误差的变化率。%Linearity=斜率×过程变差PV□要求:○要具有线性○线性要小案例:见书本P149页（5）重复性（Repeatability）相同的测量人员、使用同一设备、在同一次校准期间、同一实验室、采用相同的方法，在较短时间内，对同一另件的同一特性测量的结果，其相互接近的程度。——ISO5725-1用（EV）表示：EV=5.15重复性（Repeatability）均值均值好的重复性不好的重复性σe（6）再现性（Reproducibility）不同的测量人员、使用不同设备、在不同实验室、在不同时间，采用相同的方法对同一另件的同一特性测量的结果，其相互接近的程度。—ISO5725-1用（AV）表示：AV=5.15再现性（Repeatability）σ0操作者1操作者2操作者3再现性与重复性的异同：同：都是指对同一事物多次量测结果的一致性异：前提条件相异量测重复性的前提：量测条件不变量测再现性的前提：量测条件改变二、测量系统误差的基本类型测量系统误差的基本类型测量系统波动模型及评价消除测量误差的方法位置(Location)-偏倚(Bias)-线性(Linearity)-稳定性(Stability)波动（Variation）-重复性(Repeatability)-再现性(Reproducibility)测量系统误差的基本类型基准值偏倚观测的平均值准确度（Accuracy）属系统误差精密度（Precision）属随机误差5.15σ,99%6σ,99.73%or基准值随机误差与系统误差示意图随机误差大随机误差小系统误差大系统误差小(a)(b)(c)(d)反映测量数据均值的位置精密度准确度反映测量数据的波动过程波动的可能来源稳定性线性长期过程波动短期过程波动波动w/i样本实际的过程波动重复性校准测量仪器波动操作者波动测量波动过程波动我们将“重复性”和“再现性”作为测量误差的主要来源□测量系统波动模型及评价基本模型2SystemtMeasuremen2Product2Total总波动等于真正的产品波动加上测量系统的误差测量误差的影响均值波动totalproductmeasurement222totalproductmeasurement测量系统偏倚-通过校准确定测量系统波动-通过“R&R”确定准确度精密度22222σT=σP+σmσ0σe+=σP+2真值测量误差PVTV+TV2=PV2AV2EV2++=PV2R&R2R&R测量误差测量总变差的分解VectorAnalysis)/(&&%TVRRRR□测量系统波动的三种评价方式1.公差百分率%100]15.5[公差m2.过程变差百分率%100][)/(&&%tmTVRRRR%10&%RR%30&%%10RR%30&%RR3.数据分级数][41.1mP]&[41.1RRPV或1）小于2，用于过程控制没有任何意义2）2和4之间，数据可分为高、低两组，不敏感地过程控制3）大于5，测量系统用于过程分析可接受可以接受模糊区域不能使用量测值=真值+量测误差真值=量测值－量测误差量测误差=随机误差+系统误差采用重复量测降低随机误差采用校准与修正减小系统误差消除测量误差的方法校准与修正○消除或减小系统误差影响的两种方式：校准、修正校准：通过调整量测仪器而消除系统误差，是一种直接消除系统误差的方式。修正：用修正值对量测结果做补偿，是一种间接消除系统误差的方式。已修正结果=未修正结果+修正值=未修正结果－系统误差修正值=－系统误差校准与修正返回目录修正举例偏倚与测量值的大小成线性关系：bias=a=b×测量值如果测量仪器的零点是准确的（a=0)，偏倚与测量值的大小就成比例：bias=b×测量值三、计量型测量系统研究策划与准备两种方法的比较两种方法分别展开测量系统研究的策划与准备1.确定评价测量系统的方法2.评价人的数量、样品数量、重复次数尺寸关键性—关键尺寸需更多的零件或试验零件结构—大或重的零件选择少样品、多次数3.评价人从日常操作该仪器的人中挑选4.样品从过程中选取并代表其整个工作范围5.仪器分辨率应至少达到预期过程变差的十分之一。6.确保测量方法○测量应按随机顺序进行○读数应取至最小刻度的一半○研究工作应由认真的人员进行○每一评价采用相同方法测量系统研究时应注意的问题要素均值极差法方差分析法误差的构成重复性再现性—人零件变差重复性再现性—人—人*零件零件变差准确性不存在交互作用时准确准确难易程度简短在没有计算机时复杂测量系统研究的方法比较研究的实施步骤取10个零件，代表过程变差的实际或预期范围指定评价人A、B、C，并按1至10给零件编号，评价人不能看到编号对量具进行校准以随机的方式测量零件A1，A2，……，A10B1，B2，….…，B10C1，C2，…….，C10让观测者分别将数据填入表中重复以上过程。具体案例见书本155页○判断极差图是否受控—稳定性○检验平均值图—是否适于过程控制结果分析——图表分析结果分析——数据分析重复性比再现性大，可能原因是：○仪器需要维护○量具需要重新设计来提高刚度○夹具和检验点需要改进○存在过大的零件内变差结果分析——数据分析再现性比重复性大，可能原因是：○评价人需培训（量具的使用和读数）○量具刻度盘上的刻度不清晰○需要某种夹具帮助评价人提高使用夹具的一致性计量数据分析的Minitab实现测量趋势图测量线性和准确度研究测量重复性和再现性(交叉)测量重复性和再现性(嵌套)属性测量R&R研究(计数)精确性分析准确性分析嵌套式数据不同交叉式数据相同交叉和嵌套的比较部件编号操作者测量数据方差分析法，可以分析人与部件的交互作用测量系统分析(交叉)Crossed均值极差法，不考虑人与部件的交互作用定义研究变差值，Minitab14默认为6,意味着99.73%的置信区间，5.15就是99%被测过程的公差如果有历史数据可以参考不显示贡献百分比不显示研究变差百分比每一个图画一