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测量系统分析MeasurementSystemsAnalysisMSAMSA第三版本快速指南测量系统类型MSA方法章基本计量型极差，均值和极差，方差分析（ANOVS），偏倚，线性，控制图三基本计量型信号控测，假设试验分析四不可重复（如：破坏试验）控制图三、四复杂计量型极差、均值和极差、ANOVE、偏倚、线性、控制图三、四多重系统、量具或试验台控制图、ANOVE、回归分析三、四连续过程控制图三其他情况替代法五第一章通用测量系统指南第一章第一节引言、目的和术语引言测量数据的使用比以前更频繁、更广泛。其作用主要有：（1）如现在普遍依据测量数据来决定是否调整制造过程，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；（2）确定两个或更多变量之间是否存在重要关系。这种可能的关系可以通过采用回归分析的统计方法来研究。测量数据的质量：测量数据质量由在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确定。如果测量数据与这一特性的标准值都很“接近”，则测量数据质量“高”，否则就“低”。表征数据质量最通用的统计特性是测量系统的偏倚和方差。偏倚：指数据相对基准（标准）值的位置；方差：是指数据的分布（宽度）。低质量数据的最通常的原因是数据变差太大。一个具有大量变差的测量系统，在分析制造过程中使用是不适合的，因为测量系统变差可能会掩盖制造过程的变差。目的：本手册的目的是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。对于更复杂或不常见的情况在此没有讨论，本手册没有覆盖。术语：测量：赋值（或数）给具体事物以表示它们关于特定特性的关系。赋值过程定义为测量过程，而赋予的值定义为测量值。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，包括通过/不通过的装置。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、操作、方法、夹具、软件、人员、环境和假设的集合，用来获得结果的整个过程。根据定义，一个测量过程可以看成是一个制造过程，它产生数值（数据）作为输出。这样可以运用在统计过程控制领域证明有效性的所有概念、原理和工具。术语总结标准：用于比较的可接受的基准用于接受的准则已知数值，在表明的不确定度界限内，作为真值被接受基准值基本的设备：分辨力、可读性、分辨率•别名：最小的读数的单位、测量分辨率、刻度分辨率、刻度限度或探测限度•由设计决定的固有特性•测量或仪器输出的最小刻度单位•总是以测量单位报告•1：10经验法则有效分辨率•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基准值•人为规定的可接收值•需要一个可操作的定义•作为真值的替代真值•物品的实际值•未知的和不可知的位置变差准确度•“接近”真值或可接受的基准值•ASTM包括位置和宽度误差的影响偏倚•测量的观测平均值和基准值之间的差异•测量系统的系统误差分量稳定性•偏倚随时间的变化•一个稳定的测量过程是关于位置的统计受控•别名：漂移线性•整个正常操作范围的偏倚改变•整个操作范围人多个并且独立的偏倚误差的相互关系•测量系统的系统误差分量宽度变差精密度•重复读数彼此之间的“接近度”•测量系统的随机误差分量重复性•由一位评价人多次使用一种测量仪器，测量同一零件的同一特性时获得的测量变差•在固定和规定的测量系统下连续（短期）试验变差•通常指E.V-设备变差•仪器（量具）的能力或潜能•系统内变差再现性•由不同的评价人使用同一个量具，测量一个零件的一个特性产生的测量平均值的变差•对于产品和过程条件，可能是评价人、环境（时间）或方法的误差•通常是指A.V-评价变差•系统间（条件）变差•ASTME456-96包括重复性、实验室、环境及评价人影响GRR或量具R&R•量具重复性和再现性：测量系统重复性和再现性合成的评估•测量系统能力：依据使用的方法，可能包括或不包括时间影响测量系统能力•测量系统变差的短期评估（例如“GRR”包括图形）测量系统性能•测量系统变差的长期评估（长期控制图法）灵敏度•最小的输入产生可控测的输出信号•在测量特性变化时测量系统的响应•由量具设计（分辨率）、固有质量（OEM）、使用中的维修及仪器和标准的标准条件确定•总是以一个测量单位报告一致性•重复性随时间的变化程度•一个一致的测量过程是考虑到宽度（变异性）下的统计受控均一性•整个正常操作范围重复性的变化•重复性的一致性系统变差测量系统变差可以具有如下特征能力•长期获取读数的变异性性能•长期获取读的变异性•以总变差为基础不确定度•关于测量值的数值估计范围，相信真值包括在此范围内测量系统必须稳定和一致测量系统总变差的所有特性均假设系统是稳定和一致的。标准和溯源性国家标准和技术研究院（NIST）是美国的主要国家测量研究（NMI）NIST的主要责任是提供测量服务和负责测量标准，帮助美国工业进行可溯源的测量。国家测量研究院世界范围内大多数工业化国家都拥有自己的NMI和与NIST相近的机构，他们为各自国家提供高水平的计量标准或测量服务。通过多边认可协议（MRAs），在NMI之间进行国际实验室比对完成确保在一个国家的测量与其它国家相同。溯源性测量的特性或标准值，此标准是规定的基础，通过是国家或国际标准，通过全部规定了不确定度的不间断的比较链相联系。典型的测量溯源性是通过可返回到NMI的比较链建立的。但在工业中的许多情况下，测量的溯源性可能与返回到一致同意的基准或顾客与供应商之间“认同的标准”有联系。与这些“认同的标准”相关的返回到NMI溯源性可能不总是理解得很清楚，因此最终测量可溯源到满足顾客需求是很关键的。随着测量技术的发展和工业中精密测量系统的使用，在哪里溯源以及怎样溯源的定义是一个不断发展的概念。真值测量过程的目标是零件的“真”值，希望任何单独读数都尽可能地接近这一数值（经济地），遗憾的是真值永远也不可能知道是肯定的。然而，通过使用一个基于被很好地规定了特性操作定义的“基准”值，使用较高级别分辨率的测量系统的结果，且可溯源到NIST，可以使不确定度减小。因为使用基准作为真值的替代，这些术语通常互换使用。第一章第二节测量过程为了有效地控制任何过程变差，需要了解：过程应该做什么什么能导致错误过程在做什么规范和工程要求过程应该做什么。PFMEA是用来确定与潜在过程失效相关的风险，并在这些失效出现前提出纠正措施。PFMEA的结果移至控制计划。通过评价过程结果或参数，可以获得过程正在做什么的知识。这种活动通常称为“检验”。是用适当的标准和测量装置，检查过程参数、过程中零件、已装配的子系统。或者是已完成的成品的活动这种能使观测者确定或否认过程是以稳定的方式操作并具有对顾客规定的目标而言可接受的变差这一前提。这种检查行为本身就是过程。通用过程输入输出需要控制的过程测量和分析活动是一个过程-一个测量过程。所有的过程控制管理，统计或逻辑技术均能应用。必须首先确定顾客和他们的需要，希望用最小的努力做出正确的决定。必须提供对于测量过程来说是充分且必要的设备。是采购最好的或最新的测量技术未必能保证做出正确的生产过程控制决定。设备仅是测量过程的一部分，必须知道如何正确使用设备及如何分析和解释结果。因此也必须提供清楚的操作定义和标准以及培训和支持。须监控和控制测量过程，以确保稳定和正确的义务，包括全部的测量系统分析观点-量具的研究、程序、使用者及环境，例如，正常操作条件。操作测量过程测量值测量分析测量系统的统计特性一个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。确定一个测量系统质量的正是其产生数据的统计特性。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。如使用一台CMM机的测量系统可能不能够用于在好的或坏的产品中的分辨接收工作，由于测量系统中其他要素带来了其他变差。测量系统应包括：1）足够的分辨率及灵敏度：仪器的分辨率应把公差（过程变差）分为十分或更多；此规则是选择量具期望的实际最低起点；2）测量系统应该是“受控”：即在可重复多次的情况下，只有普通原因而无特殊原因；3）对于产品控制，测量系统的变异性与公差相比必须小，依据特性的公差评价测量系统；4）对于过程控制，测量系统的变异性应该显示有效的分辨率，并与制造过程变差相比要小，根据6σ过程总变差和/或来自MSA研究的总变差评价测量系统。变差源测量系统受随机和系统变差影响，这些变差源由普通原因和特殊原因造成，为了控制测量系统变差：1）识别潜在的变差源；2）排除（可能时）或监控这些变差源。可以采用如因果图、故障树等技术来分析测量系统的变差源。测量系统变异性的影响由于测量系统可以受多种变差源的影响，因此相同的零件的重复读数也不产生相同或同样的结果。不同的变差源对测量系统的影响应经过短期和长期评估。测量系统的能力是短期间的测量系统（随机）误差。由线性、一致性、重复性和再现性误差合成定量的。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，且在预期结果的范围有可接受的变差（量具重复性和再现性）来完成的。这为测量系统能力增加变差稳定性和一致性。由于测量系统的输出用于做出关于产品和过程的决定，所有变差源的累积影响通常称为测量系统误差，或有时称为“误差”。对决策的影响测量了一个零件后可采取的活动之一是确定零件的状态，它应该确定零件是否可接受（在公差内）或不可接受（在公差外）。另外一种通常作法是把零件进行规定的分类（如：活塞尺寸）。进一步的分类可能是可返工的、可挽救的或报废的。在产品控制原理下，这样的分类是测量零件的主要原因。但是，在过程控制原理下，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。表1：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之内2过程控制过程是否稳定和可接受对产品决策的影响为了更好地理解测量系统误差对产品决策的影响，要考虑单个零件重复读数所有变差由量具的重复性和再现性性影响。那就是测量过程是统计受控的并且是零偏倚。不论上面测量的零件分布与规范控制限是否有交叉，有时也会做出错误的决定，如：一个好的零件有时会被判为“坏”的（Ⅰ型错误，生产者风险或误发警报）；一个坏的零件有时会被判为“好”（Ⅱ型错误，消费者风险或漏发警报）。相对于公差，对零件做出错误决定的潜在因素只在测量系统误差与公差交叉时存在。下面给出三个区分的区域下限上限ⅠⅢⅠⅡⅡ此处：Ⅰ坏零件总是称为坏的Ⅱ可能做出潜在的错误决定Ⅲ好零件总是称为好的对于产品状态况，目标是最大限度地做出正确决定，有两种选择：1）改进生产过程：减少过程的变差，没有零件产生在Ⅱ区。2）改进测量系统：减少测量系统误差从而减小Ⅱ区的面积，因此生产的所有零件将在Ⅲ区域，这样就可最小限度地降低做出错误决定的风险。上面讨论假定测量过程是统计受控并且是对准目标。如果有一种假定被违反，那么通过任何测量做出正确决策的把握就不大。对过程决策的影响对于过程控制，需要确定以下要求：统计控制对准目标可接受的变异性对过程决策的影响如下：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、目标及变差的决定。实际和观测的过程变差之间的基本关系是：σ2obs=σ2actual+σ2msa此处σ2obs=观测过程方差σ2actual=实际过程方差σ2msa=测量系统方差能力指数Cp定义为Cp=容差/6σ可用上面的等式替代而得到观测过程和实际过程指数之间的关系：（Cp）2obs=（Cp）2actual+（Cp）2msa注：此处讨论使用Cp，结果也支持性能指数Pp。因此，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。为了达到规定的过程能力目标需要测量变差因子分解。新过程的接受如果任何一方使用的测量系统与在正常情况下使用的测量系统不一致，那么就会发生混乱。在采购过程使用的（高等级）测量系统的GRR为10%且在实际过程Cp为2.0的情况下，在采购时观测过程Cp将为1.96。这一过程是