MSA中国质量俱乐部讲义

测量系统分析姜恒祥MeasurementSystemAnalysis目录一、课程目的二、为什么引入MSA？三、基本概念四、MSA目的五、MSA五性、变异之间关系六、测量系统分析评价方法6.1分辨力和稳定性6.2偏倚和线性6.3重复性和再现性6.4破坏性测量系统分析6.5计数型测量系统分析七、MSA运作过程中常见问题一、课程目的阐述测量系统的基本概念、波动的主要来源、分析方法、评价方式以及特殊的MSA分析（包括破坏性试验的MSA分析、计数型测量系统分析）二、为什么引入MSA？QMS中八项原则之一“基于事实的决策”，要求“以事实和数据驱动管理”，而数据是测量得来的，所以应强调数据本身质量和相应的测量系统分析。试想，收集的数据都不能很好地代表过程，数据都不准确，然后依据此数据做重大决策，后果可怕不可怕。比如用来交易的不准的秤、不合格的过秤人员等。当然我们今天讲的MSA只涉及到制造过程中的数据，其他如行政管理、服务中的测量系统分析请参照其他课程。三、基本概念测量：对直径赋值的过程测量系统：上过程中人员、量具、测量对象、测量方法、环境构成的整体。测量系统分析：用统计学的方法对测量系统进行评估，了解影响测量结果波动来源及分布并确认测量系统是否符合工程要求（目的）。测量数据分类：计量和属性数据波动：对一个过程而言，最后得到过程本身的波动和测量系统的波动得出了观测到的总波动。σ总2=σ过程2+σ测量系统2在我们MSA分析中，过程本身的波动不是我们关心的重点，我们只关注σ测量系统波动。偏倚：理论上的平均值μ与其参考值Vr之间的差异（位置的度量）精度：分布的范围（多次测量的结果），一般用6σms表示。四、MSA的目的得出测量系统是否合格的结论，如果可以认定测量系统合格，测量系统分析可以结束，如果认定测量系统不合格则要进一步分析，是哪方面出了问题五、测量系统分辨力、稳定性、偏倚、线性、重复性和再现性关系、变异间关系稳定性、分辨力偏倚偏倚线性位置的度量重复性和再现性------散步宽度（精度）变异间关系总体变异测量观测变异过程本身的变异（部件变异）普通原因引起的变异特殊原因引起的变异测量设备本身的波动测量人员、方法、环境等引起的波动再现性前提：稳定性、分辨力、偏倚、线性重复性六、测量系统评价方法6．1分辨力和稳定性6.1-1分辨力：定义:仪器仪表上最小刻度来反映（测量结果的最小间隔）。分辨力不高，就无法识别过程的波动。因此具有足够的分辨力是合格测量系统的首要条件之一。一般分辨力不够，只能更换量具。（以螺丝为例）对于连续型数据，测量系统分辨力最起码要求应当使最小间隔UNIT同时不大于过程总波动PV（用6倍过程标准差表示）的1/10和容差（USL-LSL）的1/10。UNIT≤MIN（6σ/10、USL-LSL/10）另外还可以用可区分组数（numberofdistinctcategories,NDC）作为分辨力够否的另一个标准。它的公式为：NDC=INT（1.41*σp/σms）σp为实际过程波动的标准差;σms为测量系统波动的标准差.INT表示下取整函数.分辨力对过程控制与分析的影响可区分组数控制分析1多数情况下不能用于控制图只能指出过程的输出是否合格,不能用于过程参数及指数的估计2-4能够用于不太敏感的计量型控制图只能用过程参数及指数的粗略估计≥5能够用于各种类型的控制图表明测量系统的分辨力合格,能够用于过程参数及指标的估计,当其≥10时,表明分辨力优良6.1-2稳定性定义:(偏倚和精度)在时间范围内保持恒定的能力.合格测量测量基本条件之一是测量系统要有稳定性通常使用控制图来判断测量系统的稳定性(成本高、时间长，一般量具厂家实施)6.2偏倚和线性6.2-1偏倚定义:理论上的平均值μ与其参考值Vr之间的差异Vr来源:更高精度测出\法定的标准器Xbar≠μ实际工作中,对指定参考值只能进行有限几次测量,我们只能得出样本Xbar，因为测量中总会存在随机误差，每次测量结果总会有波动，所以Xbar也会有波动。研究偏倚首先要明确到底是否存在偏倚，也就是估算理论上平均值μ与其参考值Vr是否相等，而不能单比较样本Xbar与Vr是否一致。如何进行偏倚检验呢？均值检验（1-sample-t）案例例：抽查精细面粉的装包重量，其每包重量在正常生产下均值为20（单位公斤），某日在生产的产品中抽查16包，其观测值见数据文件：BS面粉重量.MTW)现发现平均重量稍有变化,试问生产是否正常?取α=0.051)建立假设:HO:μ=20H1:μ≠202)由于σ未知,故选用单样本T检验.3)根据显著性水平及P-VALUE确定.P=0.020＜0.05则拒绝原假设,即认为面粉平均重量已有显著变化，生产不正常。偏倚研究结论:1、在此点处测量系统有没有偏倚.2、在此点处测量系统确实存在偏倚,用Xbar-Vr作为此点的偏倚估计注意:各量程中偏倚并不相等,偏倚可正可负.P-Value解释首先是小概率事件不会发生,一但发生我们认为不可信.原假设H0成立,出现目前状况的概率,当这个概率很小时(比如小于0.05)这个结果在”原假设成立的情况下一次不应该出现”因而拒绝原假设,选择备择假设.6.2-2线性----对偏倚进行线性分析、纠偏原则上应当任何量程内任何一处都不存在偏倚,这才是最好的测量系统.首先要检验有无线性,再检验是否成方程.定义:测量系统预期的量程范围内,各点处的偏倚与参考值呈线性关系.常表达为Y=a+bX案例例:一家公司质检部门新购买一台测厚仪,在正式使用之前,需要对此测量系统进行评估,根据实际需要的量程范围,挑选了5个具有代表性的标准部件,然后由检验员以随机方式对每个部件测量了6次,假设已知过程总波动PV(即6倍的过程标准差为12)试分析其偏倚及线性.(数据文件:QT-MSA偏倚和线性.MTW)从图中能得到什么样的信息呢?6.3重复性和再现性对于分辨力、稳定性、偏倚、线性的问题,前两节已做分析.测量系统不满足要求更容易出问题的地方在于精度方面.σms2=σRPT2+σRPD26.3-1重复性同一个操作者使用同一套测量设备对同一测量部件的同一特性在较短时间间隔内进行多次测量,所得结果的一致性.(此时误差的产生全部是测量设备本身的固有波动造成)如果重复性误差过大,则测量系统无法改进,只能彻底更换.有时候也选用设备波动与过程固有波动(TV)的比值作为其相对量的度量指标.GageRPT=EV/TV6.3-2再现性可能改变的测量条件包括操作者、操作方法、测量设备、测量地点、使用条件、测量时间等.相当普遍的情况是:误差主要由不同的操作人员而引起.又称为人员波动AV.再现性:研究具有多个波动源的测量系统波动的度量.GageRPD=AV/TV注意例外情况:在测量系统中不存在人员波动(例如数字式测量仪器)或人员波动小到可以忽略不计,我们可以根据测量系统的真实运行情况分析哪些是最主要的再现性误差原因,并以此代替人员波动作为再现性误差的主体.EVAV分析当重复性方差σRPT2以及再现性方差σRPD2都求出后,可以将二者求和,然后求其平方根,即为测量结果波动的标准差.σms2=σRPT2+σRPD2求出σms后,可以进一步求出评价测量系统精确度的两项重要指标:%GageR&R和%P/T数学公式%GageR&R=R&R/TV另一个评估指标:%P/T指测量系统精度占公差百分比.测量系统的合格标志评估测量系统针对相关产品规格的测量效果,强调测量系统对公差界限的分析性能(判断产品合格与否).一个好的测量系统,必须同时使这两项指标都足够小.%GageR&R或%P/T测量系统能力小于10%良好10%-30%勉强可以接受大于30%不合格传统的分析方法:在过程实际变化范围内选择若干部件(大约100件),再随机选择若干操作员(大约3人),让每个操作员按随机顺序对所有部件重复测量几遍,收集并整理好所有的测量记录后,可以有三种计算方法:极差法、均值极差法、ANOVA法.其中ANOVA最准确(多了人员与部件的交互作用)案例某食品厂生产袋装糖果,用秤测量其重量(单位千克),已知公差要求为45±0.5为进行测量系统分析,在总装线终端有代表性地抽取10包成品糖果编好号,随机挑选3位检验员用各自的秤测量每包重量,将糖果包顺序打乱后再测一次.再打乱后测第三次,试做测量系统的精确度分析(数据文件:QT-MSA重复性和再现性)到此:两点强调再现性:传统的分析中常常将再现性的便宜来源默认为”测量人员”,现在很多生产环境中使用的都是数字式测量仪器.测量人员之间几乎没有差别,我们千万不能认为不需要考虑再现性了或生搬硬套地执行重复性与再现性实验,那再现性一定要从实际出发.测量系统中的变异源分析:传统方法只分析了人员和部件两个变异因素,在实际工作中影响测量系统的因素可能很多,没有足够的把握之前不能轻易排除任何一个,比较成熟的是先进行变异源分析.6.4破坏性试验的测量系统分析定义:测取数据的同时,部件遭到破坏,如强度试验或使用寿命实验,这时对部件多次测量是不可能的。破坏性实验下的测量系统分析就没有”重复性”误差分量中”再现性”误差的含义也有相应地变化，实际工作中最常使用的分析方法:认为同批次内部件间的差异可以忽略不计，采用同一批次中多个部件来当做单个部件来用。6.4-1交叉和嵌套的区别人员A人员B人员C部件1部件2嵌套结构人员A人员B人员C部件2部件3部件4部件5部件6交叉结构部件1案例某军工单位生产新型射弹孔，需要进行射孔试验。考虑到产品无法重复使用，从15批产品中各抽取2个射弹孔，安排3名操作员每人对5批射弹孔各测取2次射孔深度的数据（假设同一个人在同一批次内的2次测量是重复测量）已知公差要求是16。试分析该测量系统。（数据文件：QT-MSA破坏型量具）6.5计数型测量系统分析计数型测量系统最大特征是一组有限的分类数，如合格、不合格、优良中差等，这类测量系统分析方法一般可以从一致性比率和卡帕值两方面考虑6.5-1一致性比率一致性比率=一致的次数/测量的总次数一致性比例的四个一致性考虑的四个一致性：1）A测不见1多次，应一致类似重复性----每个操作者内部的一致性比率2）A测量部件1多次Xbar应该与Vr一致。类似与偏倚分析既每个人的测量值与标准值比较的一致性。3）A测量部件1与B测量部件一应一致。类似于再现性操作者之间的一致性4）ABC测量部件1应一致，而且与该部件标准值一致。通常使用第四种一致性比率来衡量计数型测量系统的一致性。一般来说，一致性比率至少要大于80%，最好达到90%以上。当其值小于80%时，应采取纠正措施。ABC部件1部件2案例某巧克力公司为检验新员工感官评估的培训效果，特取6块不同等级的巧克力请3位受训练员工品尝并评分，试对此测量系统进行分析（数据列表QT-MSA计数型量具）结果:QT_MSA计数型量具.MTW评定值的属性一致性分析检验员自身评估一致性#检#相检验员验数符数百分比95%置信区间钱6350.00(11.81,88.19)孙6466.67(22.28,95.67)赵66100.00(60.70,100.00)#相符数:检验员在多个试验之间，他/她自身标准一致。每个检验员与标准评估一致性#检#相检验员验数符数百分比95%置信区间钱6233.33(4.33,77.72)孙6466.67(22.28,95.67)赵66100.00(60.70,100.00)#相符数:检验员在多次试验中的评估与已知标准一致。检验员之间评估一致性#检#相95%置信区验数符数百分比间6116.67(0.42,64.12)#相符数:所有检验员的评估一致。所有检验员与标准评估一致性#检#相95%置信区验数符数百分比间6116.67(0.42,64.12)#相符数:所有检验员的评估与已知的标准一致。6.5-2卡帕值K（希腊字母KAPPA中文字母卡帕）：只用于两个变量具有相同的分级数的情况。K=