质量管理体系五种核心工具MSA

MSA测量系统分析MeasurementSystemsAnalysis前言测量系统分析(MSA)是汽车行业在采用质量管理体系标准ISO/TS16949:2002时所涉及的五种核心工具之一。本教材简单阐述了五个问题:何谓测量系统?•为何要对测量系统进行分析?•对测量系统进行分析要分析什么?•如何分析测量系统的“五性”?•对测量系统进行研究分析了怎么办?一.何谓测量系统定义:是对测量单元进行量化或对被测的特性进行评估，其所使用的仪器或量具，标准，操作，方法，夹具，软件，人员，环境及假设的集合。也就是说，用来获得测量结果的整个过程。由这一定义可以将测量过程看作一个制造过程，其产生的输出就是数值(数据)。这样看待一个测量系统是很有用的，因为这样让我们明白己经说明的所有概念，原理，工具，这在统计过程控制中早已被证实它们的作用。检验本身就是一个过程。一般过程操作输出输入测量数值分析标准人员（评价人）仪器（量具）工作件（零件）程序环境决定测量过程二.为什么要对测量系统进行分析•测量数据的质量:数据的质量取决于多次测量的统计特征：偏倚及变差。高质量数据--对某一特定特性值进行多次测量的数值均于该特性的参考值“接近”。低质量数据--测量数据均与该特性的参考值相差“很远”。理想的测量系统--零偏倚，零变差。理想的测量系统不存在，为什么?由于测量系统变差源：标准，人员(评价人)。仪器(量具)，工作件(零件)，程序(方法)，环境的作用结果，使得观测到的过程变差值与实际的过程变差值不相等。Б2观=Б2实+Б2测由于变差源的作用结果,因此:Б2观Б2实生产用量具的变差式中:Б2观：观测到的过程标准差Б2实：实际的过程(零件)标准差Б2测:测量系统标准差实际过程的变差观测到的过程变差从另一角度能力指数CP看:∵CP=，将此式转换后得:(CP)-2观=(CP)-2实+(CP)-2测事实上,由于测量系统变差源的作用结果，∴CP观CP实例如:CP测为2,CP实必须大于或等于1.79时，才得到CP观为1.33只有在测量过程没有任何变差源作用时,CP观=CP测,这是不可能的。R/d2*USL-LSL6б再比如:当R&R为10%时，CP实为2,CP观为1.96R&R为30%时，CP实为2,CP观为1.71R&R为60%时，CP实为2,CP观为1.28可以看出，CP观由1.96到1.28之间的区别就是由于测量系统的不同所造成。为此，我们要对测量系统进行分析，要识别测量系统的普通原因和特殊原因，以便采取决策措施，使测量系统的变差减小到最小程度，使得测量系统观测到的过程变差值尽可能接近和真实地反映过程的变差值。这就要求，测量系统的最大(最坏)的变差必须小于过程变差或规范公差。三.对测量系统分析要分析什么前面我们谈到，数据的质量取决于处于稳定条件下进行操作的测量系统中，多次测量的统计特征:偏倚和变差。为此，我们引伸出如下一些术语。1.位置变差•偏倚:观测到的测量值的平均值与参考值之间的差值。•准确度:与真值(或参考值)“接近”的程度。•稳定性:别名:漂移随时间变化的偏倚值•线性:在量具正常工作量程内的偏倚变化量2.宽度变差•精确度:每个重复读数之间的“接近”程度。•重复性(设备变差):E,V一个评价人，同一种仪器，同一零件的某一特性，在固定的和已定义的测量条件下，连续(短期内)多次测量中的变差。•再现性(评价人变差):A,V不同评价人，同一种仪器，同一零件的某一特性的测量平均值的变差。•GRR或量具的重复性和再现性:是重复性和再现性的联合估计值。•测量系统能力:短期评估,是对测量误差合成变差的估计Б2能力=Б2偏倚(线性)+Б2R&R*短期的一致性和均匀性(重复性误差)被包含在能力评价中•测量系统性能:性能量化了合成测量误差的长期评估。Б2性能=Б2能力+Б2稳定性+Б2一致性*测量量程内长期的一致性和均匀性包含在性能评价之中。3.对测量系统的五性分析位置变差宽度变差·偏倚·重复性·稳定性·再现性·线性对测量系统研究分析可供:--接受新测量设备的标准--两个测量装置的比较--测量设备维修前后的比较,计算过程变差及生产过程可接受性的水平--绘制量具性能曲线四.如何分析测量系统的“五性”评价一个测量系统需考虑:•具有足够的分辨力和灵敏度。10比1规则:测量设备要能分辨出公差或过程变差的至少十分之一以上。•测量系统必须是稳定的,应处于受控状态,即测量系统中的变差只能由普通原因造成。•统计特性在预期的范围内一致,并满足测量目的:*为了产品控制,测量系统中的变差必须小于规范限值*为了过程控制,测量系统中的变差应该能小于制造过程变差,并能证明具有有效的解析度。计量型测量系统研究——指南1．确定偏倚的指南——独立样件法1).取得一个样件，并且建立其与可追溯到相关标准的参考值。如果不能得到这个参考值，选择一件落在生产测量范围中间的生产件，并将它指定为偏倚分析的基准件。在计量实验室里测量该零件n≥10次，并计算这n个读值的平均值作为“参考值”。2).让一个评价者以正常方式测量样件≥10次。3).结果分析——图示法画出这些数据相对于参考值的直方图并评审，用专业知识确定是否出现异常，分析特殊原因，找出异常点。如正常，可继续分析。当n30时，对任何的解释或分析，要特别注意。结果分析——数值法4）计算n个读值的平均值X5）计算重复性标准差（б重复性或称бr）式中：可从表中查到，此时，g=1,m=n6）计算偏倚偏倚=观测到的平均测量值（x）–参考值7）计算平均值的标准误差бb=ni=1XXi/nmax(xi)–min(xi)б重复性=d2*d2*d2*nбb=бr/8）确定偏倚的t统计值t=偏倚/бb9）确定置信度，一般要求为95%（即α=0.05）偏倚–d2[бb(tv,1–α/2)]/≤0≤偏倚+d2[бb(tv,1–α/2)]/如果0落在偏倚值附近的1—α置信度界限内，则偏倚在α水准上是可接受的。式中：v,d2,可以在表中查到。tv,1-α/2可以利用标准t分布表中查到。d2*d2*d2*d2*偏倚——范例一个新测量系统，在测量系统的操作范围内选取一个零件，通过对该零件在计量室里测量该零件n≥10次，计算这n个读数的平均值6.00作为参考值。然后由评价人测量该零件15次，测得数值如下：测量次数参考值6.00偏倚测量次数参考值6.00偏倚15.8-0.2126.3+0.325.7-0.3136.2+0.235.9-0.1145.6-0.445.9-0.1156.0056.0066.1+0.176.0086.1+0.196.4+0.4106.00116.1+0.1432105.65.75.85.96.06.16.26.36.4测量的数值偏倚研究值的直方图频率d*2n(m)平均值标准差бr平均值的标准误差бb测量值156.00670.225140.05813参考值=6.00,α=0.05，g=1，n(m)=15，d*2=3.55，d2=3.4719统计的t值df显著的t值（2-有尾数的）偏倚偏倚95%置信度区间下限上限测量值0.115310.82.2060.00670.12150.1319X2．确定稳定性的指南1)取得一样件并建立其可追溯到相关标准的参考值。如果无法取得这样件，则选择一件落在生产测量范围中间的生产零件，作为基准样件以进行稳定性分析。希望拥有位于预期测量结果的下限，上限和中限位置的三个基准件。要求对每种基准件单独的进行测量和画控制图。2)以一定的周期基础（每天/每周）测量基准件3~5次，抽样的数量和频率考虑因素包括重新校准或维修的频次，使用频率，操作条件等。3)将数据按时间顺序画在R控制图上。4)在画R控制图前，要进行如下计算：a.计算每个子组的均值和极差RXXXR=Xmax-Xminb.计算平均极差及过程均值c.计算控制限注：对于子组容量n7时，LCLR可能技术上为一个负值，所以没有极差R的下控制限。X1+X2+…+Xnn=X式中：X1+X2+…为子组内每个测量值；n为子组容量；Xmax与Xmin为子组内的最大值与最小值RR1+R2+…+RKK=RX1+2+…+KK=XXX式中：K为子组数量R1和1为第一个子组的极差和均值，以此类推XRRUCLR=D4•，LCLR=D3•RXXRXXUCL=+A2•，LCL=-A2•X式中：D4,D3,A2随子组容量不同而变化，可查表得到。5）分析控制图，如没有明显可见的特殊原因结果发生，则表明该测量过程处于稳定状态，可接受。结果分析—数值法通过分析R控制图，如果测量系统是稳定的，则以上数值可以用来进行偏倚的评价。评价步骤：a.从控制图上获取平均值。b.用平均值减去参考值得到偏倚。c.用极差的平均值来计算重复性标准差б重复性（即бr）б重复性=/，式中：根据m，g大小查表得到d.确定对偏倚的统计t值m:子组客量平均值的标准误差бb=бr/g:子组数量gXRXd2*d2*d2*Xt=偏倚/бbe.确定置信度，一般要求为95%（即α=0.05）。偏倚–d2〔бb(tv,1–α/2)〕/≤0≤偏倚+d2〔бb(tv,1–α/2)〕/式中：d2,,v可在表中查到。tv,1–α/2可在标准t分布表中查到。若0落在偏倚附近的1–α置信区间内，则偏倚在这α水准上是可接受的。d2*d2*d2*d2*稳定行－范例为了确定某一新测量仪器的稳定性是否可接收,过程小组选取了生产过程输出范围中接近中间值的一个零件.该零件在计量测试室经n≥10测量,并计算这n个读值的平均值为6.01为其参考值。小组每班测量该零件5次,共测了四周(20个子组)。数据收集,计算后,作－R控制图。如:右图X稳定性－R控制图XUCL6.6276.021LCL5.746010206.36.05.7UCL=1.0100.47791.00.50控制图分析表明,测量过程处于稳定状态n平均值标准差бr平均值的标准误差бb测量值1006.0210.20480.0458参考值=6.01,α=0.05,m=5,g=20,=2.334,d2=2.326统计的t值df显著的t值（2-有尾数的）偏倚偏倚95%置信度区间下限上限测量值0.240272.71.9930.0110.02990.0519分析结论：∵–0.029900.0519∴该新测量仪器是可接受的。d2*X3.确定线性的指南1)由于存在过程变差,选择g≥5个零件,使这测量涵盖这量具的整个工作量程。2)对每个零件进行n≥10次测量,从而确定其参考值,并确定涵盖了这量具的工作量程。3)让经常使用该量具的操作者测量每个零件m≥10次(盲测法)。结果分析—图示法4)计算每个零件每次测量的偏倚,以及每个零件的偏倚平均值。偏倚ij=Xij–Xi式中:Xi—第i个零件的参考值Xij—第i个零件的第j次测量值偏倚ijmmΣj=1偏倚i=5)在线性图上画出相对于参考值的每个偏倚值及偏倚平均值6)应用以下公式,计算并画出最适合的线及该线的置信度区间。对最适合的线,用公式:Yi=aXi+b式中:Xi—第i个零件的参考值Yi—第i个零件的偏倚平均值7)计算斜率a8)计算中心bb=Y-a=中心式中:Y=ΣYi/g=ΣXi/gg为零件数量Σxy-[ΣxΣy]1gmΣx2-(Σx)2gm1a=XX=9)对于已知的x0,α置信度区间为:下限:上限:式中:S=√∑Yi2-b∑Yi-a∑XiYigm-210)画出“偏倚=0”的线,并对图进行评审,以观察是否存在特殊原因,以及线性是否可接受。如果“偏倚=0”的整个直线都位于置信度区间以内,则称该测量系统的线行是可接受的。结果分析—数值法11)如果图示法分析表示该测量系统的线性是可接受的,则以下假设应该为真:HO:a=0,斜率=0如果下式成立,则不能被否定如果以上假设为真,则测量系统对所有的参考值具有相同的偏倚,这个偏倚必须为0,该线性才可被接受。HO:b=0,中心(偏倚)=021,22tgmitxXs21,22tgmitxXs•线性—范例•某企业对引进的一套新测量系统进行评价。在测量系