测量系统分析(MSA)-培训教材Word

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　　测量系统分析

　　测量系统分析Measurement System Analysis

　　误差及能力分析

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　　测量系统分析的目的 测量系统分析的目的是确定所使用的数 据是否可靠 测量系统分析还可以：– – – – 评估新的测量仪器 将两种不同的测量方法进行比较 对可能存在问题的测量方法进行评估 确定并解决测量系统误差问题2Edited by Mr. jose lee

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　　数据的质量 数据的质量取决于从处于稳定条件下进 行操作的测量系统中，多次测量的统计 特性，如：假设使用某一在稳定条件下 操作的测量系统对某一特定特性值进行 了几次测量，如果这些测量值均与该特 性的参考值(master value)“接近”), 那么，数据的质量被称为“高”;同样， 如果部份或所有的测量值与参考值相差 “很远”,则数据的质量很“低”3Edited by Mr. jose lee

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　　描述测量数据质量的统计特性 通常用来描述测量数据质量的统计特性 是某测量系统的偏倚(Bias)和变差 (variance)。 被称为偏倚的统计特性指的是数据值相 对于参考(基准)值的位置。 被称为变差的特性指的是数据的分布宽 度。4Edited by Mr. jose lee

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　　低质量数据的原因和影响 低质量数据的普遍原因之一是变差太大 一组数据中的变差多是由于测量系统及 其环境的相互作用造成的。 如果相互作用产生的变差过大，那么数 据的质量会太低，从而造成测量数据无 法利用。如：具有较大变差的测量系统 可能不适合用于分析制造过程，因为测 量系统的变差可能掩盖制造过程的变差。5Edited by Mr. jose lee

　　MSA 什么是测量？

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　　有关测量数据的常见问题– 将一个未知量与一个已知的或已经接受的参照值进行的比较

　　为什么我们需要测量数据？– 我们使用测量数据来判断产品是否合格，制定有关过程管理的决策。 我接受这件产品吗？ 过程是很好，还是需要进行调整？

　　我们对测量数据有什么期望？– 准确性：数据必须告诉我们真相！ – 重复性：重复测量必须产生同样的结果！ – 再现性：结果不应该受检验员的影响。

　　什么是测量仪器？– 用来进行测量的任何仪器。

　　什么是检验员(或者鉴定人)?– 使用测量仪器进行测量的个人或装置6Edited by Mr. jose lee

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　　有关测量数据的常见问题 测量系统：不仅指量具。– 测量系统包括：人(及其培训)、过程(测量程 序)、设备(量具或测量工具)、系统的控制点、 及所有这些因素的相互作用。 – 测量总偏差： 总的观察

　　偏差=过程偏差+测量系统偏差

　　测量是一个能影响所观察值的中心值和偏差的 过程。7Edited by Mr. jose lee

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　　有关测量数据的常见问题 Gage RR分析是用来分析测量系统的方 法，目的是确定测量某种东西时出现的 波动(误差)的大小和类型。 将“测量系统”看作是会给测量数据带 来额外误差的子过程，其目的就是使用 误差尽可能小的测量过程。 任何观测数据的误差，都是部件的实际 误差和测量系统误差的总和。8Edited by Mr. jose lee

　　MSA过程变差剖析过程变差观测值 实际过程变差

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　　测量误差

　　长期

　　短期

　　过程变差

　　过程变差重复性

　　抽样产生 的变差

　　量具变差

　　操作员造 成的变差

　　准确度

　　稳定性

　　线性

　　再现性

　　―重复性” 和 “再现性” 是测量误差的主要来源

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　　测量系统的规划(一) 由APQP小组根据被测量特性的重要程度确定 测量系统。同时考量：– 产品规范是什么？预期的过程变差是多少？需要什 么样的分辨率？ – 量具需要怎样的操作方式？需要操作者具备哪些技 能？怎样培训？ – 如何测量？是否人工测量？在哪里测量？零件的位 置和固定是否是可能的变差来源？接触测量还是非 接触测量？ – 测量如何被校准？校准频率？谁来校准？10Edited by Mr. jose lee

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　　测量系统规划(二) 测量生命周期的考量：随着时间的不同，对过 程了解及过程的改进，测量方法可能改变。– 如：为了建立稳定的和有能力的过程，可能开始对 一个产品特性测量，透过测量了解直接影响产品特 性的关键过程特性，这种了解意味着对产品特性的 信息依赖少了，可以减少抽样计划并简化测量方法。 最后，可能只监测极少数的零件，只要过程被维护 着或测量和监控这维护及工装，也就是必要的工作 了。

　　测量的程度是依赖着对过程理解的程度。11Edited by Mr. jose lee

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　　测量系统开发检查清单的建议要素

　　本清单应该根据测量系统的情况和类型 进行修改。最终检查清单的建立应该是 顾客和供方合作的结果。

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　　第1类要素：与测量系统设计和开发有关的问题 被测特性是什么？特性的类别是什么？是机械 上的特性吗？是动态的还是静态的？是一项电 的特性吗？其零件内部变差大吗？ 测量过程的结果(输出)将被应用的目的是什 么？生产改进、生产监控、实验室研究、过程 审核、出货检验、进货检验、对D.O.E的回应？ 谁将使用该过程？操作者、工程师、技术员、 检验员、审核员？

　　培训要求：操作者、维修人员、工程师；教室、 应用实习、在职训练、学徒期间。13Edited by Mr. jose lee

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　　第1类要素：与测量系统设计和开发有关的问题 变差的原因是否已被识别？透过小组、头脑风 暴法、渊博的过程知识、因果图或矩阵图等方 法建立一个误差模型(S.W.I.P.E或 P.I.S.M.O.E.A). 是否展开了测量系统的FMEA? 弹性的或专用的测量系统：测量系统可以是固 定的、专用的还是弹性的(flexible),是否有 测量不同类型零件的能力：例如爪型量具、夹 紧量具、三坐标座标测量仪等。弹性的量具价 格较贵，但从长远来看能节约成本。14Edited by Mr. jose lee

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　　第1类要素：与测量系统设计和开发有关的问题

　　接触式或非接触式：可靠性、特性的类 型、抽样计划、成本、维护保养、校准、 人员技能要求、兼容性、环境、速度、 探头的类型、零件的变形、影像处理， 以上内容可能由控制计划和测量的频率 来确定(全接触式量具在连续抽样时可 能会过度磨损)。整个表面接触的探头、 探头的类型、空气回流喷嘴、影像处理 CMM与光学比较仪等。15Edited by Mr. jose lee

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　　第1类要素：与测量系统设计和开发有关的问题 环境：灰尘、水分、湿度、温度、振动、噪音、 电磁干扰(electro-magnetic interference, EMI)、 大气流动、空气杂质等。实验室、工场、办公 室等。在小且严格的公差下以微米为单位的测 量系统中，以及在CMM、光学系统、超音波 仪器等环境中，环境成为一个关键的问题。对 线上自动反馈类型的测量也是一个影响因素。 切削油、切削碎屑及极端温度也会成为问题。 是否清洁环境的要求？16Edited by Mr. jose lee

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　　第1类要素：与测量系统设计和开发有关的问题 测量及固定点：使用几何尺寸与公差(GDT) 清晰地定义固定位置和夹紧点，以及在零件的 什么部位进行测量。 固定方法：不固定或夹紧零件。 零件方位：主体的位置或其它的位置。 零件准备：在测量之前，零件是否应该清洁、 储油、温度稳定等。 感测器的位置：从主定位器或定位系统的取向 角度与距离？17Edited by Mr. jose lee

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　　第1类要素：与测量系统设计和开发有关的问题 相关问题1—备份的量具：在工场内或不同工 场之间是否需要备份的(或多个)量具支持？ 制造的考虑、测量误差的考虑、维修的考虑、 标准是哪个的考虑？如何才能使每个考虑问题 均符合要求？ 相关问题2—方法差异：在可接受的实施和操 作极限内，由不同的测量系统设计对同一产品

　　/ 过程进行测量的测量误差结果(例如：CMM 对手工量具或开放式设定量具的测量结果)。18Edited by Mr. jose lee

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　　第1类要素：与测量系统设计和开发有关的问题 自动或手动：线上、线外、操作者依赖性。 破坏性和非破坏性(Nondestructive, NDT)测 量：例如，拉力试验、盐雾试验、电镀/涂装的 厚度、硬度、尺寸测量、影像处理、化学分析、 应力、耐久性、冲击、扭力、扭矩、焊接强度、 电特性等。 潜在的测量量程：可能的测量尺寸大小和期望 的量程。19Edited by Mr. jose lee

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　　第1类要素：与测量系统设计和开发有关的问题 有效的分辨率：对应用在一特殊的应用场的可 接受性，如测量对物理变化是否敏感(探测过 程或产品误差的能力)? 敏感度：最小输入量的信号能产生一个可探测 的输出(可辨别的)信号，测量装置对应用这 种情况的可接受性？敏感度是由量具的固有设 计和质量(OEM)、使用期间的维护和操作条 件所决定。20Edited by Mr. jose lee

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　　第2类要素：与测量系统制造有关的问题 (设备、标准、仪器) 是否已在系统设计中针对变差来源的识别？设计评审； 验证和确认。 校准和控制系统：推荐的校准计划和设备审核及其文 件。频率、内部或外部、参数、生产过程中的验证检 查。 输入要求：机械的、电子的、液压的、真空的、波动 抑制器、干燥器、滤清器、作业准备和操作问题、隔 离、解析度和灵敏度。 输出要求：类比或数位、文件和记录、档案、保存、 存取、备份。 成本：开发、采购、安装、操作和培训的预算要素。21Edited by Mr. jose lee

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　　第2类要素：与测量系统制造有关的问题 (设备、标准、仪器) 预防性维护：形式、计划、成本、人员、培训、文件。 可维修性：内部和外部、场所、支持程度、回应时间、 服务配件的可取得性、标准零件清单。 人机工程学(Ergonomics):在长时间的装载和操作 设备过程中，人员不被伤害的能力。测量装置的读者 讨论需要着重在测量系统与操作者之间的相互关系。 安全的考虑：人员、操作、环境、切断。 贮存及场所：建立对测量设备的贮存及场所的要求。 隔离、环境、安全、取得性(接近)有关的问题。 测量周期时间：测量一个零件或特性需要多长时间？ 测量周期要与过程和产品控制合并。22Edited by Mr. jose lee

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　　第2类要素：与测量系统制造有关的问题 (设备、标准、仪器) 是否有任何对过程流程、批次完整性、记录、测量和零件 回复的

　　干扰？ 材料搬运：是否需要特殊的支架、支撑夹具、搬运设备或 其它物料搬运设备来放置被测零件或对测量系统本身？ 环境问题：是否有特殊的环境要求、条件、限制等影响本 测量过程或临近的过程？是否要求特殊的排气？是否有必 要控制温度或湿度？湿度、振动、噪音、电磁干扰、清洁？ 是否有任何特别的可靠性要求或考虑？设备是否能够在任 何时间下维持其状况？在生产使用之前是否需要进行验证？ 备用配件：共享清单、适当的供应和订购系统、可取得性、 导入期的理解与说明。是否有足够的安全库存(轴承、软 管、皮带、开关、插座、阀等)?23Edited by Mr. jose lee

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　　第2类要素：与测量系统制造有关的问题 (设备、标准、仪器) 使用者说明书：夹紧顺序、清洁程度、数据解释、图 表、目视辅具、易于理解的。可取得性、适当的陈列。 文件：工程图面、诊断分析、使用者手册、语言等。 校准：与可接受的标准进行比较；可接受的标准的可 取得性和费用。建议的频率、培训要求、停机时间的 要求。 贮存：是否有与测量装置贮存有关的特别要求或考虑？ 隔离、环境、防止损坏/窃盗等。 防错：已知的测量程度错误是否容易由操作者更正 (非常容易？)数据输入、设备误用、防错。24Edited by Mr. jose lee

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　　第3类要素：与测量系统实施有关的问题(过程) 支持：由谁来支持测量过程？实验室技术人员、工程 师、生产、维护保养、与外部签订保养合同？ 培训：为了使用和维护本测量过程，需要为操作者/检 验人员/技术人员/工程师提供哪些培训？时间、资源和 费用。谁来培训？在哪时行培训？导入期要求？与测 量过程的实际使用相协调。 数据管理：如何管理从本测量过程输出的数据？人工、 电脑化、汇总法、汇总频率、评审方法、评审频率、 顾客的要求、内部的要求。可取得性、储存、存取、 备份、安全。数据的解释。25Edited by Mr. jose lee

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　　第3类要素：与测量系统实施有关的问题(过程) 人员：是否需要聘请人员以支持这测量系统？成本、 时间、可取得性有关的问题。目前的或新的。 改进方法：由谁来对测量过程进行经常性的改进？工 程师、生产人员、维护保养人员？使用什么评价方法？ 是否有一系统以识别需要的改进？ 长期稳定性：长期性研究的评估方法、形式、频率、 需求。漂移、磨损、污染、操作的完整性。长期误差 是否能够被测量、控制、理解、预测？ 特别的考虑：检验人员的特质、体能限制或健康问

　　题： 色盲、视力、身体强度、疲劳、耐力、人机工程。26Edited by Mr. jose lee

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　　连续变量测量系统分析OK 分辨率 偏移？“准确性” OK (居中性—均值) 线 性？

　　OK 稳定性？ 校准？

　　OK ―精确性”(RR) (离散性—偏差)

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　　测量仪器分辨率(测量仪器的分辨率必须小于或等于规范或过程误差的10%) 测量仪器分辨率可定义为测量仪器能够读取的最小测量单位。 看看下面的部件A和部件B,它们的长度非常相似。测量分辨率描 述了测量仪器分辨两个部件的测量值之间的差异的能力。

　　部件A部件B

　　A=2.0 B=2.0

　　部件A部件B

　　A=2.25 B=2.00

　　因为上面刻度的分辨率比两个部件之间 的差异要大，两个部件将出现相同的测 量结果。

　　第二个刻度的分辨率比两个部件之间的 差异要小，部件将产生不同的测量结果。

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　　测量系统的有效分辨率( discrimination)要求不低于过程变差或允许偏差( tolerance)的十分之一 零件之间的差异必须大于最小测量刻度 极差控制图可显示分辨率是否足够 – 看控制限内有多少个数据分级 不同数据分级(ndc)的计算为 零件的标准偏差/ 总的量具偏差* 1.41. 一般要求它大于5才可接受.28 .279 .2794 .28 .282 .2822

　　直尺 卡尺 千分尺

　　.28 .282 .2819

　　.28 .279 .2791

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　　分辨率不足的表现 在过程变差的SPC极差图上可看出：– 当极差图中只有一、二或三种可能的极差值 在控制界限内时。 – 如果及差图显示有四种可能的极差值在控制 界限内，且超过1/4以上的极差值为零。

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　　敏感度(Sensitivity) 敏感度是指能产生一个可检测到(有用的)输出信号 的最小输入。它是测量系统对被测特性变化的回应。 敏感度由量具设计(分辨力)、固有质量(OEM)、 使用中保养，以及仪器操作条件和标准来确定。它通 常被表示为一测量单位。 影响敏感度的因素包括：– – – – – 一个仪器的衰减能力 操作者的技能 测量装置的重复性 对于电子或气动量具，提供无漂移操作的能力 仪器使用所处的条件，例如：大气条件、尘土、湿度

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　　MSA 准确度(Accuracy)

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　　准确度(Accuracy) — 测量的平均值是否与真值吻合? 真值(True Value): – 理论上正确的值 – 国际度量衡标准 偏倚(Bias) – 测量值的均值与真值的距离 – 测量系统持续地偏离目标 – 系统错误

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　　MSA偏倚BIAS BIAS — 测量结果的平均值与参 考值的差异. 参考值( ref

　　erence-value)是一个预先认 定的参考标准. 该标准可用更高 一级测量系统测量的平均值来 确定(例如：高一级计量室)

　　测量系统分析

　　参考值

　　观测平均值

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　　MSA偏倚BIAS 实例:同一操作者对同一工件测量 10次

　　测量系统分析

　　X1=0.75mm X2=0.75mm X3=0.8mm X4=0.8mm X5=0.65mm

　　X6=0.8mm X7=0.75mm X8=0.75mm X9=0.75mm X10=0.7mm

　　如果参考标准是 0.80mm. 过程变差为0.70mm

　　X X = 100.7534

　　Bias = 0.75-0.8= -0.05 % Bias=100[0.05/0.70]=7.1% 表明 7.1% 的过程变差是偏倚 BIASEdited by Mr. jose lee

　　MSA 准确度的问题可以通过校准来探测. 偏倚也可以与过程的容差相比较测量平均值 – 参考值 容差宽度 x (100)

　　测量系统分析

　　判断准确度的简单标准为. – 小于过程变差或容差的 1%, 可认为是精确的. – 小于过程变差或容差的 1% 则需要研究和调整测量系统, 或者 临时用补偿值来修正以后的测量值 偏倚的研究还可以通过作图的方式来进行, 即作出直方图, 然后根 据经验判断是否可以接受. 偏倚的研究还可以通过计算置信区间来判断是否可以接受

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　　MSA作图分析

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　　5 4

　　Frequency

　　3 2 1 0 0.65 0.70 0.75 0.80

　　Width

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　　偏倚研究的分析 如果偏倚在统计上不等于0,检查是否存在以 下原因：– – – – – 基准件或参考值有误—检查确定标准件的程序 仪器磨损—维修 仪器所测量的特性有误 仪器没有经过适当的校准—对校准程序进行评审 评价者使用仪器的方法不正确—对测量指导书进行 评审37Edited by Mr. jose lee

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　　偏倚的调整 如果偏倚不等于零，应采用硬体修正法 和软体修正法对量具进行重新校准以达 到零偏倚；如果偏倚不能调整为零，通 过变更程序(每个读值根据偏倚进行修 正)还可继续使用该测量系统。由于存 在评价误差这一高度风险，因此这种方 法只能在取得顾客同意后方可使用。Edited by Mr. jose lee

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　　线性 在量具正常工作量程内的偏倚变化量 多个独立的偏倚误差在量具工作量程内 的关系 是测量系统的系统误差构成

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　　MSA 线性的探测可以在校准时进行 线性的好坏可以通过作图来显示

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　　线性的研究也可以通过数据分析来进行, 即用最小 二乘法来计算最佳的拟合直线, 再用假设检验来验证

　　其线性是否可以接受.

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　　MSA

　　测量系统分析

　　线性误差的原因 造成线性误差的可能原因如下：– 仪器需要校准，缩短校准周期 – 仪器、设备或夹具的磨损 – 维护保养不好—空气、动力、液体、过滤

　　器、 腐蚀、尘土、清洁 – 基准的磨损或损坏，基准的误差—最小/最 大41Edited by Mr. jose lee

　　MSA稳定性(Stability)

　　测量系统分析

　　在一段时间内，测量结果 的分布无论是均值还是标 准偏差都保持不变和可预 测的 通过较长时间内，用被监 视的量具对相同的标准或 标准件的同一特性进行测 量的总变异来监视 可用时间走势图进行分析

　　时间-2

　　量 值时间-1

　　稳定性

　　时间

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　　测量系统分析

　　稳定性的判定 确定参考值 长期抽样：例如每班5件抽20个班 做出稳定性的均值极差控制图 如测量过程处于稳定状态，没有明显的 特殊原因结果发生，则判定稳定性合格。

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　　MSA

　　测量系统分析

　　造成不稳定的可能因素(一) 仪器需要校准，缩短校准周期 仪器、设备或夹具的磨损 正常的老化或损坏 维护保养不好：空气、动力、液体、过 滤器、腐蚀、尘土、清洁 基准的磨损或损坏，基准的误差 不适当的校准或使用基准设定44Edited by Mr. jose lee