品质管理资料TS16949 MSA training materialsRev31精品版.docx

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测量系统分析

MeasurementSystemsAnalysis

MSA

ThirdEdition

TrainingMaterial

0.ISO/TS16949与MSA

第一章测量系统总指南

1.1引言、目的和术语

1.1.1引言

1.1.2测量数据的质量

1.1.3目的

1.1.4术语

1.1.5标准的传递

1.2测量过程

1.2.1测量过程

1.2.2测量系统的统计特性

1.2.3变差的来源

1.2.4测量系统变差的影响

1.3测量问题

第二章用于评估测量系统的基本概念

2.1测量系统评定的两个阶段

2.2测量系统研究的准备

2.3结果分析

第三章对简单测量系统的推荐实施办法

3.1计量型测量系统研究—指南

3.2计数型测量系统的研究

附录1变差源矩阵

附录2测量系统分析时机

附录A

表

0.ISO/TS16949与MSA

要求条文

ISO/TS16949技术规范7.6.1

∙为分析当前的各种测量和试验设备系统测量结果的变差，应进行适当的统计研究。

此要求应用于控制计划中提及的测量系统。

∙所有的分析方法及接受准则应与测量系统分析参考手册一致。

（如：

偏倚、线性、稳定性、重复性、再现性研究）。

如经顾客批准，也可采用其它分析方法及接受准则。

条文解释

∙对控制计划中列入的测量系统要进行测量系统分析。

∙分析变差为偏倚、线性、稳定性、重复性、再现性研究；

∙测量分析方法及接受准则应与测量系统分析参考手册一致。

∙经顾客批准，可以采用其它方法及接受准则。

为什么要做MSA

∙PPAP手册中规定：

1）I.2.2.9初始过程研究：

为了了解测量误差是如何影响被研究的测量值，供方必须进行测量系统分析。

2）新的或改进的量具、测量和试验设备应参考MSA手册进行变差研究。

∙APQP手册中，MSA为“产品/过程确认”阶段的输出之一。

∙SPC手册指出MSA是控制图必需的准备工作。

第一章测量系统总指南

1.1引言、目的和术语

1.1.1引言

1）测量数据的应用比以前更多、更广泛。

例如:

现在,是否对制造过程进行调整的决定通常以测量数据为基础。

2）测量数据的另一个用途是确定两个或多个变量之间是否存在某种显著关系。

3）应用以数据为基础的方法，很大程度上决定于所用数据的质量，必须把注意力集中在数据的质量上。

4）本手册的方法适用于可重复测量。

1.1.2测量数据的质量

1）数据质量的评价

∙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。

测量结果与“真”值的差越小越好。

∙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）及变差（variance）。

2）计量型数据的质量

∙均值与真值（基准值）之差。

∙变差大小。

3）计数型数据的质量

∙对产品特性产生错误分级的概率。

4）可以用精密度和准确度来表示数据的质量。

∙精密度：

指多次重复测量同一个特性时各测量值之间彼此相符合的程度，它表示测量过程中随机误差的大小，常用标准差表示。

∙准确度：

指多次测量的平均值与直值相符合的程度，它表征测量系统中系统误差的大小，常用绝对误差表示，即就是偏倚。

∙精密度与准确度分别对应着变差与偏倚。

1.1.3目的

1）本手册MSA的方法，主要用于工业界的测量系统。

2）不作为所有测量系统分析的概念，主要的焦点是对每个零件能重复读数的测量系统。

1.1.4术语

1）测量（Measurement）：

赋值给具体事物,以表示它们之间关于特定特性的关系。

2）量具（Gage）：

任何用来获得测量结果的装置；经常用来特指用在工厂现场的装置；包括通/止规（go/nodevice）。

3）测量过程（Measurementprocess）：

赋值过程定义为测量过程。

人　　→

设备　→

材料　→

测量系统

→数据

方法　→

环境　→

输入

输出

图1－1

4）测量系统（Measurementsystem）：

用来对被测特性赋值的操作、程序、量具、设备、软件及操作人员的集合，用来获得测量结果的整个过程。

测量系统应具备的特性：

∙处于统计控制状态，即只存在变差的普通原因。

∙测量系统的变异性（Variability）小于过程变异性。

∙测量系统的变异性小于技术规范界限。

∙测量增量（increments）小于过程变异性和技术规范宽度的1/10。

∙当被测项目变化时，测量系统统计特性的最大变差小于过程变差和规范宽度较小者。

5）标准（Standard）

∙用于比较的可接受偏倚

∙接收的准则

∙一已知的值,在不确定度（uncertainty）的指定范围内,被接受而为一真值（truevalue）

∙参考值（referencevalue）

6）分辨力（Discrimination）、解析度（Resolution）

∙别名:

最小可读单位、测量分辨率、最小刻度极限

∙由设计所确定的固有特征

∙一个仪器测量的最小刻度单位

∙通常被显示为测量单位

7）参考值（referencevalue）

∙某一个物品的可接受数的值

∙常被用来替代真值使用

8）位置变差（Locationvariation）

类型

定义

图示

准确度（Accurace）

∙与真值或可接受的参考值“接近”的程度。

偏倚

Bias

∙是测量结果的观测平均值与参考值的差值。

∙是测量系统的系统误差所构成。

∙其中基准值可以通过更高级别的测量设备进行多次测量，取其平均值来确认。

稳定性

Stability

∙随时间变化的偏倚值。

∙一个稳定的测量过程在位置方面是处于统计受控状态。

∙别名:

漂移（drift）。

线性

Linearity

∙在量具正常工作量程内的偏倚值的差值。

∙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所构成。

9）宽度变差（Widthvariation）

类型

定义

图示

精确度（Precision）

∙每个重复读数之间的“接近”程度。

∙是测量系统的随机误差所构成。

重复性

Repeatability

∙同一评价人，使用一种测量仪器，多次测量同一零件的同一特性时获得测量值变差。

∙是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。

∙通常被称为EV—设备变差（EquipmentVariation）

∙设备（量具）能力或潜能。

∙系统内部变差。

再现性

Reproducibility

∙不同评价人使用相同的测量仪器，测量同一零件的同一特性时测量平均值的变差。

∙在对产品和过程进行鉴定时,误差可能是评价人、环境（时间）、或方法。

∙通常被称为AV—评价人变差（AppraiserVariation）。

∙系统之间（条件）的变差

GRR（或量具的重复性和再现性）（GageR&R）

∙量具的重复性和再现性:

测量系统重复性和再现性联合估计值

∙测量系统的能力:

取决于所用的方法,可能包括或不包括时间的影响

测量系统能力（MeasurementSystem

Capability）

∙测量系统变差的短期估计值（例:

“GRR”,包括图表法）

测量系统性能（MeasurementSystem

Performence）

∙测量系统变差的长期估计值（例:

长期控制图法）

10）测量系统变差（SystemVariation）

测量系统的变差可分类为:

∙能力（Capability）:

短期内读数的变化量。

∙性能（Performance）:

长期读数的变化量,以总变差（Totalvariation）为基础。

1.1.5标准的传递

1）标准传递等级系统

国际标准

国家标准

地方标准

公司标准

测量结果

图1－2标准的传递

2）追溯性：

通过应用连接标准等级体系的适当标准程序，使单个测量结果与国家标准或国家接受的测量系统相联系。

3）校准程序：

用来传递测量的程序。

1.2测量过程

1.2.1测量过程

1）一般过程

2）测量过程

∙测量和分析活动是一个过程——测量过程

∙测量：

通过与预先设定的标准相比较来确定用多少单位（英寸、克等）来描述一个零件的过程。

–测量结果由一个数字和一个标准的测量单位构成。

–测量结果是测量过程的输出。

∙应将测量看成一个制造过程，它产生数据作为输出。

1.2.2测量系统的统计特性

1）一个理想的测量系统是每次使用时均能产生“正确的”测量结果,每个测量都会遵循某个标准。

能够产生这样的测量结果的测量系统被称为具有如下的统计特性:

零变差、零偏倚,及对其所测量的产品被错误分析的可能性为零。

2）尽管每个测量系统可能被要求具有不同的统计特性,有一些基本的特性来定义一个“好”的测量系统,包括:

∙具有足够的分辨力和敏感度。

测量的增量（increment）应该小于相应的过程变差或规范限值（specificationlimit）的较小者。

通常被称为10比1规则,也就是说仪器的分辨力应该能将公差（或过程变差）划分为10等份或者更多。

∙测量系统应处于统计受控状态。

这意味着在重复测量条件下,测量系统中的变差只能由普通原因（commoncause）造成,而不能由特殊原因（specialcause）造成。

这种情况下可称之为具有统计的稳定性,并且可以通过控制图法进行评价。

∙为了产品控制,测量系统的变差必须小于规范限值。

∙为了过程控制测量系统的变差应该能证明具有有效的分辨率（解析度）,并且小于制造过程的变差。

∙测量系统的统计特性随着被测量的项目不同可能会发生变化时,测量系统最大（最坏）的变差必须小于过程变差或规范限值的较小者。

1.2.3变差的来源

1）与所有过程类似,测量系统受到变差的随机原因和系统原因的影响,这些变差的来源是由于普通原因和特殊原因造成的,为了控制测量系统的变差:

∙识别潜在的变差来源。

∙消除（如有可能）或监控这些变差的来源。

2）S.W.I.P.E分别代表标准、工作件、仪器、人和程序、环境的影响因素,作为整个测量系统的误差模型

1.2.4测量系统变差的影响

1）由于测量系统会被不同的变差来源影响,相同零件的重复读数不会有相同的结果,每个读值之间不同是因为普通和特殊原因变差造成的。

2）对测量系统变差的不同变差来源影响应该进行短期和长期的评价。

3）由于我们是用测量系统的输出来对某产品和过程作出决策,这所有变差来源的累积后果通常被称为测量系统误差。

4）对决策的影响:

∙测量一个零件后,一般来说,可以用来确定该零件是否可接受（在规范内）或不可接受（超出规范）。

5）对产品决策的影响:

∙为了更好的理解测量系统误差对产品决策的影响,考虑的案例是假设对某一个单一零件的多次读数的所有变差是由于量具的重复性和再现性引起的。

也就是说,测量过程处于统计受控状态,并且零偏倚量。

∙任何零件的测量分布区域与规范限值重迭时,可能做出错误的决定。

例如,如果出现以下情况,一个好的零件有时会被称为“坏”的（第Ⅰ类误差）：

如果出现以下情况,一个坏的零件有时会被称为“好”的（第Ⅱ类误差）：

∙,考虑到规范限值,只要当测量系统误差与规范限值相交时，可能发生潜在的错误决定。

以下提出三个明显的区域:

图中:

第Ⅰ类区:

坏零件永远被称为坏零件

第Ⅱ类区:

可能做出潜在的错误决定

第Ⅲ类区:

好零件永远是好零件

∙目标是尽可能地对产品状态做出正确的决定,有以下两个选择:

a）改进生产过程:

减少过程变差,不会生产出落在区域Ⅱ的产品。

b）改进测量系统:

减少测量系统误差,以减低区域Ⅱ的产品,这样,生产出的所有产品全部落在区域Ⅲ内,且就能减少做出错误决定的风险。

6）对过程决策的影响

∙如上所述测量误差可能造成对产品的错误决定。

同样测量误差对过程决定的影响如下:

a）将普通原因识别为特殊原因

b）将特殊原因识别为普通原因

∙测量系统变差能影响对于一个过程的稳定性的决定。

实际的与观测到的过程变差之间的基本相互关系为:

=

＋

其中:

—观测到的过程变差值

—实际的过程变差

—测量系统的变差

∙能力指数

由下式计算:

=

公差范围

6

将上述公式进行替换可以得出观察过程能力指数与实施过程能力指数之间的关系如下:

（Cp）-2观=（Cp）-2实+（Cp）-2测

观察到的过程能力结合了实际过程能力加上测量过程造成的误差。

所以要达到某一特定的过程能力目标,需要考虑测量变差中的因素。

7）新过程的接受

∙当（较高分辨力）测量系统被使用在验收期间,其GRR为10%,且实际过程Cp为2.0,那么在验收期间观察到的Cp值将为1.96。

当这过程是在生产场地使用生产用的量具来研究时,会观察到更大的变差（较小的Cp值）,例如,如果测量系统的GRR为30%,而实际过程Cp还是2.0,则观察到的过程能力Cp值将为1.71。

观察到的Cp值由1.96到1.71之间的区别就是由测量系统的不同所造成的。

1.3测量问题

1.3.1评估一个测量系统的三个基本问题

1）测量系统必须证明有足够的分辨力

∙是否有足够的分辨力？

选择测量系统的基本开始点是由设计所决定的分辨力（或等级）。

通常应用10:

1的原则,也就是说,仪器的的分辨力应该把公差（或过程变差）细分为十分之一或更多。

2）测量系统是否稳定？

∙在重复性状态下测量系统变差有普通原因而不是由特殊原因产生。

3）统计的特性（误差）要一直保持在期望的范围内,并且足以满足测量的目的（产品控制或过程控制。

1.3.2测量系统变差的类型

1）测量系统变差可分为五类:

偏倚、重复性、再现性、稳定性和线形。

2）测量系统研究可提供:

∙接受一新测量设备的准则。

∙一个测量装置与另一个测量装置的比较。

∙评价一个疑似不充分量具的依据。

∙测量设备维修前后的比较。

∙为计算过程变差以及生产过程可接受程度的必要构成元素。

∙描绘量具性能曲线（GagePerformanceCurve,GPC）必要的信息。

量具性能曲线是指接受某一零件真值的概率。

1.3.3分辨力和过程分布的区别分类数

1）分辨力（Discrimination）:

是指一测量仪器能够检测并真实地显示相对于参考值的变化量。

∙通常也被称为解析度。

∙测量的能力通常是某一测量仪器上最小刻度的值，如果仪器的刻度较“粗略”，则可以使用刻度值的一半作为解析度。

∙10:

1规则解释为:

测量设备要能分辩出过程变差或规范公差较小者的至少十分之一以上。

2）过程分布的数据分级对控制与分析活动的影响

∙如果测量系统的分辨力不能检测到过程的变差,则用于过程分析是不可接受的；

∙如果不能检测出特殊原因的变差,则用于过程控制是不可接受的（见图1-3）

分类数

控制

只有下列条件才可用于控制：

∙与规范相比过程变差较小

∙预期过程变差上的损失函数很平缓

∙过程变差的主要原因导致均值偏移

分析

∙对过程参数及指数估计不可接受

∙只能表明过程是否正在产生合格零件

∙依据过程分布可用半计量控制技术

∙可产生不敏感的计量控制图

∙一般来讲对过程参数及指数的估计不可接受

∙只提供粗劣的估计

∙可用于计量控制图

∙建议使用

图1－3过程分布的区别分类数对控制与分析活动的影响

3）不可接受的分辨力在控制图中的表现

∙不可接受的分辨力可能会在极差图上出现。

图1－4是包含了从相同数据中取得的两组控制图。

控制图（a）显示精确至千分之一英寸的原始测量值；控制图（b）显示精确至百分之一英寸的原始测量值是四舍五入的。

由于人为的紧缩限制,控制图（b）显示是失控的；这四舍五入的零极差超越了描述一产品的子组变差的象征。

∙不适合的分辨力可通过过程变差的SPC极差图显示出来。

尤其是当极差图中显示可能只有一、二或三个极差值在控制限值内时，这种测量正是分辨力不足情况下进行的结果。

∙另外,如果极差图显示可能4个极差值在控制限值内且超过四分之一以上的极差为零，则该测量也是在分辨力不足情况下进行的。

∙为了得到足够的分辨力，建议的可视解析度是总过程的6σ（标准偏差）的十分之一，即≤6σ/10，以取代传统上设定可视解析度最多为公差范围的十分之一的规则。

图1-4过程控制图

1.3.4测量过程变差的定义和潜在的影响原因

图1-5测量过程变差的特性

位置变差

1）准确度（Accuracy）

∙指一个或多个测量结果的平均值与一个参考值之间一致的接近程度。

∙准确度通常与偏倚互用。

2）偏倚（Bias）

∙偏倚是指对相同零件上同一特性的观测平均值与真值（参考值）的差异。

∙偏倚是测量系统的系统误差。

∙造成过大的偏倚的可能原因有：

a）仪器需要校准

b）仪器、设备或夹具磨损

c）基准的磨损或损坏

d）不适当的校准

e）仪器质量不良

f）线性误差

g）使用了错误的量具

h）不同的测量方法

i）测量的特性不对

j）量具或零件变形

k）环境—温度、湿度、震动等

l）应用—零件数量、位置、操作者技能、疲劳、观测误差

3）稳定性（Stability）

稳定性（或漂移）是指经过一段长期时间下,用相同的测量系统对同一基准或零件的同一特性进行测量所获得的总变差。

也就是说,稳定性是整个时间的偏倚变化。

造成稳定性的可能因素有：

∙仪器需要校准

∙仪器、设备或夹具的磨损

∙正常的老化或损坏

∙维护保养不好

∙基准的磨损或损坏

∙不适当的校准

∙仪器质量不好

∙仪器设计本身问题

∙不同的测量方法

∙量具或零件变形

∙环境—温度、湿度、震动等

∙应用—零件数量、位置、操作者技能、疲劳、观测误差

4）线性（Linearity）

线性是指在测量设备预期的工作（测量）量程内,偏倚值的差异。

线性可被视为偏倚对于量程大小不同所发生的变化。

造成线性误差的可能原因如下：

∙仪器需要校准

∙仪器、设备或夹具的磨损

∙维护保养不好

∙基准的磨损或损坏

∙不适当的校准

∙仪器质量不好

∙仪器设计本身问题

∙应用了错误的量具

∙不同的测量方法

∙随着测量尺寸不同,（量具或零件）变形量不同

∙应用—零件数量、位置、操作者技能、疲劳、观测误差

宽度变差

5）精确度（Precision）

∙传统上,将测量系统整个作业量程范围内（尺寸、范围和时间）的解析度、敏感度和重复性的最终影响定义为精确度。

∙事实上,精确度通常用来描述在测量范围内重复测量的预期变差。

∙精确度也是对重复性的线性偏倚量（虽然重复性是随机的,而偏倚是系统的误差）。

∙精确度包括由于不同读数、量具、人、试验或条件造成的变差。

6）重复性（Repeatability）

∙传统的重复性称为“评价人内部”的变差。

∙重复性是用一个评价人使用相同的测量仪器对同一零件上的同一特性,进行多次测量所得到的变差。

∙重复性是设备本身固有变差或能力。

∙重复性通常被称为设备变差（EquipmentVariation）,EV）,但这是一种误解,事实上,重复性是在指定的测量条件下连续测量的普通原因（随机误差）的变差。

参考值

重复性

∙造成重复性的可能原因包括：

a）零件内部（抽样样本）：

形状、位置、表面光度、样本的一致性

b）仪器内部：

维修、磨损、设备和夹具的失效、质量或保养不好

c）标准内部：

质量、等级、磨损

d）方法内部：

作业准备、技巧、归零、固定

e）评价人内部：

技巧、位置、经验、操作技能或培训

f）环境内部：

温度、湿度、震动

g）仪器设计本身问题

h）应用：

零件数量、位置、观测误差

7）再现性（Reproducibility）

∙传统上将再现性称为“评价人之间”的变差。

∙通常将再现性定义为用不同评价人使用相同的测量仪器对同一产品上的同一特性，进行测量所得的的平均值的变差。

∙造成再现性误差的潜在原因包括：

a）零件之间（抽样样本）：

使用相同的仪器、操作者和方法测量A、B、C零件类型时的平均差异。

b）仪器之间：

在相同的零件、操作者和环境下使用A、B、C仪器测量的平均值的差异。

c）标准之间

d）方法之间

e）评价人之间：

评价人A、B、C之间由于培训、技巧、技能、经验所造成的平均值差异。

f）环境之间：

在经过1、2、3等时段所进行的测量，由于环境周期所造成的平均值差异。

g）应用：

零件数量、位置、观测误差。

8）量具R&R或GRR

∙量具的R&R是结合了重复性和再现性变差的估计值。

换句话说,GRR值等于内部变差和系统之间变差的和。

=

＋

1.3.5测量系统变差的定义

1）能力（Capability）

∙一测量系统的能力是基于在短期评估中测量系统误差（随机的和系统的）的组合变差的估计值。

∙简单的能力包括:

a）不准确的偏倚和线性

b）重复性和再现性（GRR）,包括短期的一致性

=

＋

2）性能（Performance）

∙测量系统性能是组合了测量误差（随机的和系统的）的长期评估计算。

∙性能包含了以下长期误差要素:

a）能力（短期误差）

b）稳定性和一致性

∙测量性能为组合误差,当这些测量误差互不相关时（随机并且独立）,可由以下公式计算:

=

＋

＋

1.3.6评论

1）对于测量系统的准确度、精密度,大部分操作人员很容易混淆,对于偏倚和重复性也有同样的混淆,了解以下几点是很重要的:

∙偏倚和重复性是相互独立的（见图1-6）

图1-6偏倚和重复性

第二章用于评估测量系统的基本概念

2.1测量系统评定的两个阶段

━第一阶段（实际使用前）

∙确定测量系统是否具有所需要的统计特性。

∙确认操作环境因素是否对测量系统参数（例如,偏倚、线性、重复性和再现性）有影响？

∙从第一阶段试验中所得到的知识应被用为开发测量系统维护计划的输入,同时是第二阶段试验类型的输入。

━第二阶段（使用过程）

∙确定是否持续地具备恰当的统计特性？

∙对变差的主要原因提供持续的监控。

2.2测量系统研究的准备

2.2.1实施测量系统研究前的准备如下

1）计划将要使用的方法。

第二阶段的试验应每隔多久进行一次。

2）事先确定评价人的人数，抽样零件的数量及重复读数的次数。

应考虑的因素如下：

∙尺寸的