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11测量系统分析MSA第三版12目录通用测量系统指南测量系统评定的通用概念简单测量系统推荐的实践计量型测量系统研究指南计数型测量系统研究指南13第一章：通用测量系统指南在SPC手册中已经涉及到测量系统，测量数据的质量是过程控制的基础。正确的选择与运用测量系统，能保证以较低的成本获得高质量的测量数据。MSA参考手册的目的为评定测量系统的质量提供指南；主要关注的是对每个零件能重复读数的测量系统；测量系统分析方法需要顾客批准，本手册没覆盖。141.1几个重要概念测量：赋值(或数)给具体事物以表示它们之间关于特性的关系。赋值过程为测量过程，而赋予的值为测量值。量具：任何用来获得测量结果的装置，经常指用在车间的装置，包括通过/不通过装置。测量系统：用来对被测特性定量测量或定性评价的仪器或量具、标准、操方法、夹具、软件、人员、环境和假设的集合，用来获得测量结果的整个过程。151.1几个重要概念测量数据用途：过程调整；确定在两个或更多变量之间是否存在重要关系。测量数据的质量由(在稳定条件下运行的)某一测量系统多次测量结果得到的统计特性确定。其测量数据与其标准值比较,而确定其质量“高”/“低”。测量数据的质量最常用偏倚和方差来表示。理想是零偏倚、零方差。“低”的通常原因之一是数据变差太大，这是由于测量系统和它的环境之间的交互作用造成的。管理一个测量系统是监视和控制变差，以使测量系统产生可接受的数据。真值：零件的“实际”测量值。未知的和不可知的，但它是测量过程的目的，一般使用“基准值”代替。161.1几个重要概念朔源性：测量的特性/标准值是规定的基准，通常是国家/国际标准，通过全部规定了不确定度的不间断的比较链相联系。不确定度：关于测量值估计范围，相信真值包括在其内。波长标准干涉比较器激光干涉仪引用量具量快/比例CMM量快量夹具千分尺图1.1-1长度测量溯源性链的示例国家标准引用标准工作标准生产标准171.2测量过程操作输入输出测量过程测量值分析测量决定测量过程可用下图表示：通用过程需要控制的过程图1.2-1测量过程示意181.2.1测量系统的统计特性一个能产生“理想”的测量结果的测量系统的统计特性：零方差；零偏倚；对所测的任何产品错误分类为零概率。这种理想统计特性的测量系统几乎不存在。现时中测量系统应具备的统计特性：足够的分辨率和灵敏性测量系统应该是统计受控。统计受控，即统计稳定性：在可重复条件下，测量系统的变差只能是由普通原因而不是特殊原因造成的。191.2.1测量系统的统计特性对于产品控制，测量系统的变异性小于公差；对于过程控制，测量系统的变异性应该显示有效分辨率并且小于制造过程变差。有效分辨率–对于一个特定的应用，测量系统对过程变差的灵敏性；–产生有用的测量输出信号的最小输入值；–总是以一个测量单位报告。测量系统的统计特性可能随被测的项目变化而改变，则测量系统的最大的（最坏）变差应小于过程变差和规范控制限两者中较小者。1101.2.2变差源测量系统受随机和系统变差源影响。这些变差源由普通原因和特殊原因造成，为此应：识别潜在的变差源；排除(可能时)或监控这些变差源。识别变差源的工具，如因果图、故障树图等。测量系统误差的主要要素：S(标准)、W(工件)、I(仪器)、P(人/程序)、E(环境)。实际的变差对一个特定的测量系统的影响是唯一的。图2为一张潜在的变差源因果图，可作为研究测量系统变差源思考的起点。111图1.2-2测量系统变异性—因果图标准测量系统变异性仪器+(量具)维护敏感性均匀性重复性再现性人员环境照明几何相容性照明阳光人工的人空气流热膨胀零件稳定-系统部件温度循环本位的和周围的压力人机工程空气污染振动教育的体力的可操作定义目视标准程序态度经验教训理解标准p.m设计确认-夹紧-定位-测量点-测量传感器制造变差制造公差制造稳定性标准热膨胀系数弹性性质朔源性工件(零件)弹性变形物质支持特性弹性性质可操作定义隐藏的几何尺寸内部相关特性清洁度充分的数据设计一致性放大接触几何尺寸变形影响线性稳定性坚定性假设使用1121.2.3测量系统变异性的影响测量系统误差：所有变差源的累积影响构成了测量系统的输出值，有时称为“误差”。测量系统的变异性影响被测对象的测量结果，因此相同零件的重复读数产生不同或相同的结果。读数之间不同是由于普通和特殊原因造成的。对不同变差源的影响应经过短期和长期评估：测量系统的能力是短期时间的测量系统（随机）误差。由线性、一致性、重复性和再现性误差合成的定量值；测量系统的性能是所有变差源随时间的影响。通过确定过程是否受控，对准目标(无偏倚)，且在预期结果的范围有可接受的变差(量具GRR)。1131.2.3.1对决策的影响测量零件后的活动之一是确定零件的状态：一种是确定零件可接受(在公差内)/不可接受(在公差外)；另一种是把零件进行规定的分类：合格品的分级；进一步分类可能是可返工的、可返修的或报废的。按产品控制原理，这样的分类是测量零件的主要原因-零件是否在明确的目录之内。按过程控制原理，焦点是零件变差，是由过程中的普通原因还是特殊原因造成的。控制原理和驱动兴趣点控制原理驱动兴趣点1产品控制零件是否在明确的目录内？2过程控制过程是否稳定和可接受？1141.2.3.2对产品决策的影响取决于测量系统误差：零件重复读数所有变差受量具的重复性和再现性影响。研究的前提：测量过程是统计受控且是零偏倚(对准目标)。无论测量的零件变差分布与规范控制限是否交叉，作出的决定会有风险：Ⅰ型错误，生产者风险或误发警报，既好的会被判为坏的Ⅱ型错误，消费者风险或漏发警报，既坏的会被判为好的。115相对公差，作出错误的决定的潜在因素是系统误差与公差交差注：Ⅰ坏零件总是称坏的；对于产品状况，目标是最大限度地作出正确决定，有两种选择：改变生产过程：减少过程变差，没有零件产生在Ⅱ区；改变测量系统：减少测量系统误差从而减少Ⅱ区面积，生产的零件将在Ⅲ区，可能最大限度降低作出错误决定的风险。Ⅰ目标ⅡⅡⅠⅢ上限下限Ⅱ可能作出潜在错误决定； Ⅲ好零件总是合格的。1161.2.3.3对过程决策的影响对于过程控制，需要确定以下要求：统计受控；对准目标(零偏倚)；可接受的变异性。测量误差对过程决策的影响：把普通原因报告为特殊原因；把特殊原因报告为普通原因。测量系统变异性可能影响过程的稳定性、目标和变差的决定。实际和观测的过程变差之间的基本关系是：σ2o=σ2a+σ2m式中：σ2o观测过程方差σ2a实际过程方差σ2m测量系统方差117根据能力指数CP定义为CP=公差/6σ,继而可得：(CP)2o=(CP)2a+(CP)2m为达到规定的过程能力目标需要对测量变差因子分解。如：当CPm(测量系统)=2,CPO(观测/计算)=1.33,则CPa(实际)≥1.79；当CPm=1.33,要求CPO(观测/计算)=1.33,则过程没有变化是不可能的。观测的过程能力是实际过程能力加上测量过程造成的变差的合成。假设测量系统受控且对准目标，实际过程CP与观测/计算CP可用图型法比较。观测（计算）的过程变差生产量具变差实际的过程变差1181.2.3.4新过程的接受一个新过程(如铸造、机加工等)，作为采购活动的一部分经常要完成一系列步骤，包括在供方处/顾客(组织)处对测量设备的研究：确保各方使用的测量系统与在正常情况使用的测量系统一致，否则将会出现混乱。如：采购时使用的测量系统GRR≤10%且实际过程CP=2时，在采购时观测过程CP=1.96；生产过程中使用的测量系统GRR=30%且实际过程CP=2，则观测过程CP=1.71；生产过程中使用的测量系统GRR=60%，则观测过程CP=1.20。观测过程CP在1.96与1.20之间的差异是由于不同的测量系统造成的。1191.2.3.5过程作业准备/控制(漏斗试验)首件检验目的是验证过程是否对准目标。如：测量的零件在目标外，就要调整过程；然后再测量另一个零件并且可能再次调整过程。戴明博士把这种类型的测量和所做的决策称为干预。示例：有一零件的涂层的重量控制目标为5.00±0.20克作业指导书要求:以一个样件为基础在作业准备时和每小时对重量进行验证，如超过5.00±0.10克，再次设定过程。作业准备时，假设过程运行为4.95克，由于测量误差操作者观测为4.85克，为对准目标,操作者上调0.15克。现在过程运行为5.10克。操作者检查时，观测到5.08克，因此允许过程运行。此例说明：过程的过度调整会增加变差并会持续影响，测量误差把这些问题复杂化了。120漏斗试验的四项规则规则1：除非过程不稳定，否则不做调整或不采取行动；规则2：在上次进行测量的相反方向以等量调整过程；规则3：对准目标重新设定过程，然后在目标的相反方向以等量调整过程；规则4：调整过程至上次测量点。上一示例与“规则”对照，可知作业指导书是规则3，规则2、3、4增加了更多的变差，规则1是产生最小变差的最佳选择。1211.3测量战略和策划在设计和采购测量仪器或测量系统之前策划是关键，其做出的决定将影响测量设备的方向和选择，为此应明确：测量过程的目的和如何进行测量。测量寿命周期测量寿命周期概念表达当一个人研究和改进过程时，测量方法会随着时间改变的信心。测量过程设计选择的准则在采购测量系统之前，应制定测量过程的详细工程概念。指南如下：小组应评价系统（总成）或零件的设计并识别重要特性；利用量具DFMEA和(测量能力)过程FMEA，制定维护和校准计划；用流程图表示零件总成或零件的制造关键过程步骤，确定每一步骤的输入和输出。以利于制定测量计划、测量类型清单；对于复杂的测量系统，流程图由测量过程组成。下一步：应是小组采用头脑风暴法，为每个测量制定要求的准则。1221.4量具来源选择过程-制定报价文件包详细的工程概念由组成小组对测量过程维护和持续改进负责，并直接负责研究详细的概念。并提出“测量系统开发检查表建议的要素”。上表包括：测量系统设计和开发问题21个、测量系统制造问题21个、测量系统实际问题7个问题等。见MSA手册。预防性维护的考虑预防性维护一般包括：润滑、振动分析、传感器的完整性、零件更换等；简单的量具可能只需要定期的检查，而复杂的测量系统需要持续进行详细的统计分析和工程师小组进行预见性的维护。规范在设计和制造过程中规范对顾客和供应商均可作为指南。这些指南起到交流可接受的标准作用。可接受的标准可以分为：设计标准——设计者向制造者详细交流的方法。对于复杂的测量系统还应包括性能标准。制造标准——包括测量系统制造所必需的公差。1231.4量具来源选择过程-制定报价文件包评估报价接到报价后，小组集合对报价进行评审、评价。固定的项目包括：符合基本要求吗？有超过标准的问题吗?供应商展示了一种例外情况？为什么？（例外情况可以是：价格或交付明显的不一致；没有必要作为消极因素而打折扣；一个供应商可能提出与其他供应商不同的内容）概念促进了简易性和可维修性？可交付的文件，一个完整的文件包可能包括：一套可复制的总成和详细的机械图（CAD或硬拷贝）（包括任何需要的标准）；一套可复制的电器配线、原理和软件；经常使用或易损项目/细节的建议备件清单。清单应包括需一定提前期才能获得的项目；1241.4量具来源选择过程-制定报价文件包带有机器图的维修手册，其中规定了正确装配和拆解机器零件的方法与步骤；手册规定的作业准备、操作和机器运输的要求；校准说明；诊断树和发现修理故障指南；认证报告（可追溯到国家标准）；校准指导书；技术支持人员、系统操作员和维护人员可以使用的用户手册。当提出报价文件包时，上述清单看作检查表使用。在供应商处的资格测量系统装运之前，在供应商处，应对量具或测量系统进行全面的尺寸检验和功能测试。上述结果应与顾客的设计和制造标准一致，全部形成文件并可供顾客评审。1