1、第四部分第四部分 测量系统分析测量系统分析(MSA)6 培训之四1第1页，共58页。1、测量（Measurement)v 以确定实体或系统的量值大小为目标的一整套作业。v 包括过程、产品、服务的输入、输出及性能/绩效的定量化信息。术语及其定义2第2页，共58页。2、Gage任何用以获得测量结果的装置，特别 指基层使用的量具，包括用来测量合格/不合格的装置。3、测量系统（Measurement System)v 用以对被测特性赋值的作业、方法、步骤、量具、设备、软件、人员的集合。v 为获得测量结果的完整过程。术语及其定义3第3页，共58页。测量方法测量环境仪器设备被测量对象的特征测量人员计量基准
2、测量系统测量系统的要素4第4页，共58页。测量系统的组成v 传感器：传感器：感受被测物理量/特征量的变化（长度、温度、重量、磁场、均匀性、舒适度等）v 转换器：转换器：物理量/特征量的转换/放大（磁-电、光-电、热-电等）v 读读 出：出：模拟显示、数字显示、磁记录、观测记录等（显示器、记录器、观测人员等）v 阻尼器：阻尼器：减少测量系统的高频振荡，有助于测量结果的平稳输出（滤波、磨擦、阻抗等）v 校校 准：准：系统验收、周期校验/使用前校验、溯源5第5页，共58页。数据的真实性系统的稳定性结果的精确性 测量系统的基本要求6第6页，共58页。观测值=真值？观测值测量误差真值观测值测量误差真值数
3、据的真实性7第7页，共58页。系统的稳定性v不同的时间、环境、人员、仪器设备对测量结果影响如何？v系统是否处于统计控制状态？8第8页，共58页。v反映被测实体/系统微小变化的能力。v测量误差与被测量的变化范围（总变差）相比，是否可以接受？测量结果的精确性9第9页，共58页。分辨力（Discrimination)v 概念：指示装置可以有效辨别所指示的紧密相邻量值能力的定量表示。v 分辨力的要求：1、最小测量单位/容差10%（用于计量型合格判定）2、最小测量单位/过程变差10%（用于计量型过程控制）v 影响分辨力的因素：1、传感器的灵敏度2、读出装置的最小显示单位10第10页，共58页。控 制只有
4、下列条件下才可用于控制：1、与规范相比过程变差较小2、预期过程变差上的损失函数很平缓3、过程变差的主要原因导致均值偏移分 析1、对过程参数及指数估计不可接受。2、只能表明过程是否正在产生合格零件1、依据过程分布可用半计量控制技术2、可产生不敏感的计量控制图1、一般来讲对过程参数及指数的估计不可接受2、只提供粗劣的估计1个数据分级1个数据分级1、可用于计量控制图1、建议使用5个或更多个数据分级不重叠的过程分布的数据分级对控制与分析活动的影响分辨力11第11页，共58页。讨 论试举一种实际使用的测量仪器，分析其分辨力12第12页，共58页。准确度（Accuracy)v 表示测量结果（单值或平均值）
5、与真值的接近程度。v 数量上，准确度可以用相对误差数表示：准确度=基准值多次测量平均值13第13页，共58页。精密度（Precision)v在相同条件下进行重复测量或试验，其结果相互间的一致程度。v表示测定结果中随机误差大小的程度。v精密度常用测量的标准差来表示，标准差越大，精密度越低。14第14页，共58页。Reference Value=.010.015 xxx.014 xxxxxxx.013 xxxxxx.012 xx.011.014 x.013 xx.012 xxx.011 xxx.010 xxxxx.009 xxxx.008 xx.007 x.011 xxx.010 xxxxxxx.
6、009 xxxxxx.008 xx准确度与精密度15第15页，共58页。观测值=真值？总变差测量误差过程变差观测值测量误差真值数据的真实性16第16页，共58页。v不合格产品被接收v合格产品被拒收v难以识别过程中发生的变化v控制图失真，不能提供正确信息测量误差可能导致17第17页，共58页。随机误差随机误差-突然发生、不可预测、可通过重复测量避免；可能源于：可能源于：v环境因素的波动v测量位置的不同v人员作业的偶然性v仪器、设备的重复特性随机误差和系统误差18第18页，共58页。系统误差系统误差：不可能通过重复测量避免：可能源于：可能源于：v不同的时间 v不同的环境因素v不同的测量方法（程序）
7、v人员素质的差异v校准错误v仪器设备内在偏差随机误差和系统误差19第19页，共58页。测量系统误差的类型1）偏倚（Bias):v 测量值或估计量的分布中心（平均值）与真值（基准值）之差。v 偏倚属于系统性误差，直接影响测量系统的准确度。观测的平均值基准值偏倚20第20页，共58页。2）重复性（Repeatability)相同的测量人员、使用同一设备、在同一次校准期间、同一实验室、采用相同的方法，在较短时间内，对同一零件的同一特性测量的结果，其相互接近的程度。测量系统误差的类型RepeatabilityTrue Average同一测量人员同一量具同一零件的同一特性21第21页，共58页。3）再现
8、性（Reproducibility)不同的测量人员、使用不同设备、在不同实验室、在不同时间，采用相同的方法对同一零件的同一特性测量的结果，其相互接近的程度。测量系统误差的类型RepeatabilityTrue Average不同的测量人员不同/相同一量具同一零件的同一特性Operator BOperator COperator A22第22页，共58页。4）稳定性Stability 测量系统在某持续时间内测量单一零件单一特性时，测量值的总变差。稳定性稳定性时间时间2时间时间1测量系统误差的类型23第23页，共58页。5）线性 Linearity量具在预期工作范围内，偏倚值的差值。6）线性度%L
9、inearity在预期工作范围内线性误差的变化率。测量系统误差的类型偏倚较小偏倚较小基准值基准值观测的平均值基准值基准值观测的平均值范围的较低部分范围的较高部分有偏倚基准值观测的平均值无偏倚偏倚较小偏倚较小24第24页，共58页。重复性与再现性GR&R Gage Repeatability&Reproducibility-对测量系统随机误差的综合评定，目前已成为测量系统分析的主要指标。25第25页，共58页。系统性误差：系统性误差：偏倚、线性、稳定性随机性误差：随机性误差：重复性、再现性、GR&R测量系统误差的类型26第26页，共58页。计量型测量系统误差的估计27第27页，共58页。v选定基
10、准值v重复测量并记录v观测平均值v偏倚量=v偏倚百分比：偏倚量/过程变差100%X0).,(1021xxx10Xixxx0确定偏倚Bias28第28页，共58页。产生偏倚的原因v校准环境不符合规定的要求v不合理地延长了校准的周期v测量人员变动、测量程序未形成文件v测量时间规定不严、条件变动v疏忽与失误29第29页，共58页。v 测量前仪器/量具未校零v 忽略了多次测量取平均值的要求v 测量位置不正确常见的疏忽与失误30第30页，共58页。(1)小样法 Short Method(2)大样法 Long Method(3)图 法 Graphical AnalysisGR&R的研究方法31第31页，共
11、58页。GR&R研究中的主要因素因 素在同一实验室中的测量条件相 同不 同时 间同一时间测量在不同时间测量校 准各次测量之间未再校准各次测量之间重新校准测量人员同一测量人不同测量人员设 备同一设备、同次校准不同设备 应根据测量系统不同的实际使用情况，确定GR&R研究相应的测量条件。32第32页，共58页。GR&R研究的准备v确定（方法、人员、被测零件数、重复测量次数）。v被测零件应为生产线上的产品，变差范围能代表允差范围，最好由不同日期的产品中每天选一件，并予以编号标识。v由日常从事该测量活动的人员进行并事先进行培训。33第33页，共58页。测量注意事项v 盲测随机抽取v 估读最小刻度的1/2
12、v 记录防止混淆34第34页，共58页。小样法实例零件号人员A人员B极差R14222341367145725981总极差735第35页，共58页。计算平均极差:零件数总极差/R=1.4量具综合误差（GRR）=1.633.4)(Rd25.15/4.33注：d2查表容差百分率（设容差为20）%GR&R=GR&R/容差容差=6.1/20100=30.5%小样法实例36第36页，共58页。大样法v至少2名测量人员v至少10个零件v每人对每个零件至少重复测2遍37第37页，共58页。步骤：v10个零件逐一编号v量具校准v人员A对零件进行测量（随机顺序），记录员记录读数v人员B、C对零件进行测量（随机顺序
13、），记录员记录读数。v上述循环重复3遍，测量顺序打乱。大样法38第38页，共58页。确定重复性 Repeatabilityv选取样件（n)和评价人（r)v确定测量次数（m）v重复测量并记录（xijk)I=1,r j=1,n k=1,m39第39页，共58页。v 子组极差：v 平均极差：v 标准差：v 重复性变差：（概率99%）重复性计算xxxxRijmijijmijij,.,min,.,max11njijriRnr111Rd2e/R查表d2e5.1540第40页，共58页。确定再现性 Reproducibilityv选取样件（n）和评价人（r）v确定测量次数（m）v重复测量并记录（xijk）I
14、=1,r j=1,n k=1,m41第41页，共58页。再现性计算xxxxRRxxrrmkijknjinm,.,min,.,max1110011i=1,r再现性变差：dR20/5.15（概率（概率99%）校正后的再现性：校正后的再现性：15.515.515.502220nmedR42第42页，共58页。评价人标准差：dR200测量系统标准偏差：202em测量系统（重复性与再现性）变差：GR&R=5.15m(概率概率99%）GR&R43第43页，共58页。容差百分率过程变差百分率%GR&R判断测量系统可否接受的量度 在MINITAB统计工具软件处理结果中以（%SV）表示。44第44页，共58页。
15、测量系统可接受条件v容差百分率10%v过程变差百分率10%45第45页，共58页。v容差百分率30%或v过程变差百分率30%测量系统拒绝条件46第46页，共58页。需考虑:v 被测特性的重要程度v 测量系统的复杂程度v 成本因素10%30%容差百分率 或过程变差百分率测量系统有条件接受47第47页，共58页。小样法小样法:简单、快捷、综合反映测量系统重复性与再现性（GR&R）误差大样法：大样法：数据量大、更具可信性、可区分重复性与再现性误差（GR&R）的比重，有助于寻找原因，制订改进措施。两种方法比较48第48页，共58页。当重复性误差比重较大时，可能表明：当重复性误差比重较大时，可能表明：v
16、测量设备需要保养v测量设备刚性不足v测量过程中零件的定位方式有待改进v零件内变差影响过大当再现性误差比重较大时，可能表明：当再现性误差比重较大时，可能表明：v需对测量人员进行操作培训v应更明确规定校准测量的方法和要求经验分析49第49页，共58页。（1）小样法 Short Method（2）重复性与再现性 GR&R 计数型测量系统分析50第50页，共58页。小样法研究v确定基准零件（n=20)v确定评价人rv确定重复测量次数m=2v判定准则：所有测量结果一致接受 否则 不接受51第51页，共58页。v 设计试验：30个零件事先经权威判断作出结论 选择3个检验员，每人对每个零件检查2次（顺序打乱
17、）并给出接收/据收判断结果v计算：3人判断结果的一致率（R&R）3人判断结果一致且正确率（总体有效性）计数型测量系统R&R研究实例52第52页，共58页。产品：缓冲器质量特性：喷漆表面质量检验员：检验员两次测量结果一致率检验员两次测量结果一致且为正确率检验员1检验员2检验员3检验员1检验员2检验员3检验次数303030303030匹配数202920152817拒收错误（应接收判拒收）402接收错误（应拒收判接收）111测量结果不一致数1011095%得置信上限83.5%100.0%83.5%67.9%100.0%74.4%结果一致率66.7%96.7%66.7%50.0%93.3%56.7%9
18、5%得置信下限49.8%90.3%49.8%32.1%84.4%38.9%三个检验员对零件的六次测量结果一致率三个检验员对零件的六次测量结果一致且为正确率检验次数3030结果一致次数121195%得置信上限57.5%53.9%结果一致率40.0%36.7%95%得置信下限22.5%19.4%计数型测量系统R&R研究实例53第53页，共58页。案例：胶印机零件测量系统分析Gage R&R%ContributionSource VarComp (of VarComp)Total Gage R&R 4.87E-06 44.31 Repeatability 1.07E-06 9.74 Reproduc
19、ibility 3.80E-06 34.57 C1 3.54E-06 32.25 C1*C2 2.54E-07 2.32 Part-To-Part 6.12E-06 55.69 Total Variation 1.10E-05 100.00 54第54页，共58页。StdDev Study Var%Study VarSource (SD)(5.15*SD)(%SV)Total Gage R&R 2.21E-03 1.14E-02 66.57 Repeatability 1.03E-03 5.33E-03 31.21 Reproducibility 1.95E-03 1.00E-02 58.80
20、 C1 1.88E-03 9.69E-03 56.79 C1*C2 5.04E-04 2.60E-03 15.22 Part-To-Part 2.47E-03 1.27E-02 74.63 Total Variation 3.31E-03 1.71E-02 100.00 案例：胶印机零件测量系统分析55第55页，共58页。Gage name:Date of study:Reported by:Tolerance:Misc:019.99419.99920.00420.009ABCDEXbar Chart by C1Sample MeanMean=20.00UCL=20.00LCL=20.0000
21、.0000.0010.0020.0030.0040.005ABCDER Chart by C1Sample RangeR=0.00082UCL=0.002679LCL=0 1 2 3 4 5 6 7 8 91019.99520.00020.005C2C1C1*C2 InteractionAverageA B C D E ABCDE19.99520.00020.005OperResponse By C1 1 2 3 4 5 6 7 8 91019.99520.00020.005C2Response By C2%Contribution%Study Var Gage R&RRepeatReprod
22、Part-to-Part050100Components of VariationPercentGage R&R(ANOVA)for C3案例：胶印机零件测量系统分析56第56页，共58页。应 用 产品质量改进时，可以进行MSA分析；对测量系统有所怀疑时，可以进行MSA分析；对检验人员进行评价时，可以进行MSA分析；57第57页，共58页。小 结测量系统的基本要素；计量型测量系统分析中，常用的三种方法；计数型测量系统分析中，常用的两种方法；测量系统中的系统误差和随机误差及其可能的原因；GR&R主要研究的对象；计量型测量系统接受、拒绝和有条件接受的条件；进行测量系统分析时，三个测量注意事项；用于计量型合格判定和用于计量型过程控制时对仪器分辨力的要求；测量系统的几个基本概念；计数型测量系统的两个判断依据；对胶印机零件测量系统进行分析；计量型测量系统分析中，当再现性和重复性误差比较大时，分别可能由那些原因引起？58第58页，共58页。
