MSA-通用测量系统指南

第Ⅰ章通用测量系统指南第一节引言、目的和术语引言测量数据的使用比以前更频繁、更广泛。例如，是否调整制造过程现在普遍依据测量数据来决定。把测量数据或由它们计算出的一些统计量，与这一过程的统计控制限值相比较，如果比较结果表明这一过程在统计控制之外，那么要做某种调整，否则，这一过程就允许运行而勿须调整。测量数据的另外一个用途是确定两个或多个变量之间是否存在某种显著关系。例如，人们可以推测一模制塑料件的关键尺寸与浇注材料温度有关系。这种可能的关系可通过采用所谓回归分析的统计方法进行研究。即比较关键尺寸的测量结果与浇注材料温度的测量结果。探索象这类关系的研究，是戴明博士称为以分析的方法研究的一些实例。通常，分析研究是增加对于有关影响过程的各种原因的系统的知识。各种分析研究是测量数据的最重要应用之一，因为这些分析研究最终导致更好地理解各种过程。应用以数据为基础的方法的益处，很大程度上决定于所用测量数据的质量。如果测量数据质量低，则这种方法的益处很可能低，类似地，如果测量数据质量高，这一方法的益处也很可能高。为了确保应用测量数据所得到的益处大于获得它们所花的费用，就必须把注意力集中在数据的质量上。测量数据的质量测量数据质量与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有关。例如，假定用在稳定条件下运行的某测量系统，得到某一特性的多次测量结果。如果这些测量数据与这一特性的标准值都很“接近”，那么可以说这些测量数据的质量“高”，类似地，如果一些或全部测量结果“远离”标准值，那么可以说这些数据的质量“低”。表征数据质量最通用的统计特性是偏倚和方差。所谓偏倚的特性，是指数据相对标准值的位置，而所谓方差的特性，是指数据的分布，但是，其它的统计特性如错误分类率在某些情况下也是恰当的。低质量数据最普通的原因之一是数据变差太大。例如，测量某容器内的流体的容积，使用的测量系统可能对它周围的环境温度敏感，在这种情况下，数据的变差可能由于其体积的变化或周围温度的变化，使得解释这些数据更困难。因此这一测量系统是不太合乎需要的。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，在这些事情中应着重于环境对测量系统的影响，以获得高质量的数据。绝大部分变差是不希望有的，但也有一些重要的例外。例如这一变差是由于被测量特性的小变化而引起的，一般情况下这一变差被认为是有用的。一个测量系统对这种变化越灵敏，这个系统越是良好。因为这一系统是一个较敏感的测量系统。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。测量过程在本手册中，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”。这个定义由C.Eisenhart（1963）首次给出。赋值过程定义为测量过程，而赋予的值定义为测量值。从这些定义得出，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。这样看待测量系统是有用的。因为它允许我们接受那些早已表明它们在统计过程控制领域用途的所有概念、原理和工具。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。本手册不打算作为所有测量系统分析的概要，它主要的焦点是对每个零件能重复读数的测量系统。许多分析对于其它形式的测量系统也是很有用的，并且该手册的确包含了参考意见和建议。尽管如此，如果你有这样的系统，还是建议你从适宜的统计资源中寻求帮助。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的装置；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。第二节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值（见戴明，1986，281页）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不存在，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。一个测量系统的质量经常仅仅用其测量数据的统计特性来确定。其它特性，如成本、使用的容易程度等对一个测量系统总体理想性的贡献也很重要。但是，确定一个系统质量的正是其测得的数据的统计特性。应认识到，在某一用途中最重要的统计特性在另一种用途中不一定是最重要的特性。例如，对一个座标测量机（CMM）的一些应用，最重要的统计特性是“小”的偏倚和方差。一个具有这些特性的CMM将产生与证明过的标准值“很近”的测量结果，该标准值能追溯到国家标准和技术局（NIST）。从这样一台仪器所得到的数据对分析一个制造过程可能是十分有用的。但是，不管其偏倚和方差可能如此“小”，在某些常用条件下，同一台CMM机由于其错误分类比率太高而不能在好产品和坏产品间做可接受的分辨工作。因此，在那些常用条件下，该CMM机对分析制造过程是可接受的，与此同时对做最后项目检查是不可接受的。管理阶层有责任识别对数据最终使用最重要的统计特性。管理阶层也有责任确保用那些特性作为选择一个测量系统的基础。为了完成这些，需要有关统计特性可操作的定义，以及测量它们的可接受的方法。尽管每一个测量系统可能需要有不同的统计特性，但有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。这可称为统计稳定性，在第二章的第1节和第2节进行更详细的讨论；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。第三节标准背景国家标准和技术局（NIST）在美国是主要的标准机构。作为美国商务部的一部分，NIST起着储备大多数国家理化测量标准的作用。以前称为国家标准局（NBS）的NIST协调与其它国家的测量标准，并编写和分发测量及标定程序。NIST的主要服务之一是把测量从它的标准传递到其它测量系统。用来传递测量的程序称为“校准”程序。其旨意是使其它测量系统与NIST产生的测量结果相一致。传递过程通常包括一个传递等级体系。其中的每一等级依赖于自己的标准系统。在整个等级制中最高级标准为国家标准，这个国家标准通常为NIST所拥有，但是在某些情况下，可能由象LosAlamos科学试验室这样的某些其它机构代表NIST掌握。测量结果从国家标准传递到下一级标准，称之为第一级标准。为使第一级标准是合法的，测量结果必须由NIST或一个经认可的替代机构仅用现行最佳的校准程序传递到第一级标准。一旦建立了第一级标准，任何机构如私人公司、科研机构或政府机构，无论什么目的都可从NIST得到它。第一级标准用来直接连接拥有第一级标准的机构和NIST的国家标准。在某些情况下，第一级标准常用来校准其它测量系统。但是通常第一级标准对日常使用来说太昂贵且易损坏。取而代之，测量结果从第一级标准传递到另一级标准，称之为第二级标准。这种传递可由任何能利用第一级标准的机构完成。但是，为使第二级标准可溯源，传递必须用恰当的校准程序进行。第一级标准和第二级标准经常为私人公司同时拥有，因此它们有时也被称为公司标准，公司标准通常只由公司的计量部门而不是公司的生产部门保持和使用。测量结果也可以从第二级标准传递到另一级称为工作标准的标准。工作标准通常用来校准在生产设备中建立的测量系统，工作标准也称为生产标准，并经常由生产人员而不是计量部门保持。通过应用连接标准等级体系的适当校准程序，可返回到NIST的测量标准，称为可溯源至NIST。追溯性的另外一个定义为国防部使用的“通过一个不间断的比较链把单个测量结果与国家标准或国家接受的测量系统相联系的能力”（美国国防部，军标45662）一般来说，越是远离国家标准的标准，该标准就越是耐其环境的变化，因此保持它也就越便宜和容易。但是，这些优点通常是以较低精度为代价得到的。一个机构没有自己的计量部门时就可以选择利用外面机构的设备，这种机构称为“校准试验室”。标准的使用一般地，不使用可溯源标准来确定一套测量系统的准确度是困难的。对于完成破坏性测量的测量系统尤其困难。对于许多非破坏性的测量系统也是困难的。幸运的是，对于某些系统，精度不象重复性那样重要。但是对于那些精度是重要的系统，使用可溯源标准经常是正确保证测量系统在它预期使用中有足够精度的唯一方法。可溯源标准的使用特别有助于减少有时生产者和顾客之间的测量结果不一致时而产生的矛盾。第四节通用指南评定一个测量系统的第一步是验证该系统一直在测量正确的变量。如果一直在测量错误的变量，那么无论该测量系统多么准确或精密，都将是徒劳无益的。评定一个测量系统的第二步是确定该测量系统必须具有什么样可接受的统计特性。为了作出上述确定，知道怎么使用数据是重要的。不了解这一点是不能够确定恰当的统计特性的，在已经确定统计特性之后，必须评定该测量系统实际上是否具有这一特性。测量系统的评定通常分为两个阶段，称为第一阶段和第二阶段。在第一阶段，我们要明白该测量过程并确定该测量系统能否满足我们的需要。第一阶段试验有两个目的，第一个目的是确定该测量系统是否具有所需要的统计特性。这类试验应在这个机构实际使用该测量系统之前进行。如果试验表明该测量系统具有合适的特性，那么该系统被称为在预期的使用中具有可接受的质量，并且该系统能够被这个机构所使用。另一方面，如果显示测量系统不具备正确的特性，则这个机构不应使用它。一般地，可能需要几个单独的试验来确定一个测量系统是否可接受。第一阶段试验的第二个目的是发现哪种环境因素对测量系统有显著影响。例如，一个第一阶段的试验可能包括几个不同水平的环境因素。环境温度是这些因素之一。如果第一阶段试验表明环境温度对测量的质量有显著影响，那么，该机构可选择在大气可控制的环境下操作该测量系统，另一方面，如果试验表明周围环境温度没有明显的影响，那么该测量系统可放心地在车间里使用。第二阶段试验的目的是验证一个测量系统一旦被认为是可行的，应持续具有恰当的统计特性。常见的被称为“量具R&R”的这种研究是第二阶段试验的一种形式。第二阶段试验通常作为该机构正常校准程序，维护程序和计量程序的一部分日常工作来完成，但是也可以相互独立地完成，试验通常在该机构中完成。试验程序应完全文件化。文件应包括：·示例；·选择待测项目和试验程序应用环境的规范。典型地，这些规范应是采用试验统计设计的形式；·如何收集、记录、分析数据的详细说明；·关键术语和概念可操作的定义；·如果程序需要使用特殊标准，例如从NIST得到的那些标准，那么该试验文件应包括这些标准的储存，维护和使用的说明。评定的时间，进行评定的机构职责，对评定结果反应的方式及责任应由该机构管理部门明确授权。第五节选择／制定试验程序“只要理解并遵守限制，则任何技术都可能是有用的。”评价的逻辑W.E.戴明评价研究手册，第一卷编者ElmerL，Struening和MarciaGuttentag。有许多适当的方法可用于评定测量系统。选择使用哪种方法取决于许多因素，其中许多因素必须针对被评定的每个测量系统一件一件地确定。在某些情况下，为确定一个方法对一个特殊的测量系统是否合适，需要预先试验。这种预先试验应是上节讨论的第一阶段试验的整个部分。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？如果是，什么等级的标准是合适的？标准经常是评定一个测量系统的准确度所