測量系統(tǒng)分析(MSA)培訓(xùn)教材-張中寶

測量系統(tǒng)分析(MSA)

2024/2/211課程大綱：測量系統(tǒng)分析的意義和目的；測量系統(tǒng)分析的定義：測量系統(tǒng)、量具、測量、測量過程；測量系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)知識：測量系統(tǒng)的統(tǒng)計特性：偏倚、重復(fù)性、再現(xiàn)性、穩(wěn)定性、線性、分辨力

計量型測量系統(tǒng)的分析方法1）、偏倚2）、穩(wěn)定性3）、重復(fù)性和再現(xiàn)性（量具R&R分析）極差法、均值-極差法、4）、線性計數(shù)型測量系統(tǒng)的分析方法1）、小樣法范例：MSA控制程序，常用MSA分析表單和分析軟件2024/2/212第一章測量系統(tǒng)分析的意義2024/2/213測量的重要性如果測量出現(xiàn)問題，那么合格的產(chǎn)品可能被判為不合格，不合格的產(chǎn)品可能被判為合格，此時便不能得到真正的產(chǎn)品或過程特性。

因此，要保證測量結(jié)果的準確性和可信度,即保證測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量。PROCESS原料人機法環(huán)測量測量結(jié)果合格不合格測量2024/2/214為什么要進行測量系統(tǒng)分析即使量具經(jīng)過檢定或校準，由于人、機、料、法、環(huán)、測等五方面的原因，會帶來測量誤差。檢測設(shè)備的檢定或校準不能滿足測量的需要。因此，還需要對測量系統(tǒng)進行評價，分析測量結(jié)果的變差，從而確定測量系統(tǒng)的質(zhì)量，以滿足測量的需要。2024/2/215測量系統(tǒng)分析的目的運用統(tǒng)計分析方法，確定測量系統(tǒng)測量結(jié)果的變差（測量誤差），了解變差的來源。從而確定一個測量系統(tǒng)的質(zhì)量，并且為測量系統(tǒng)的改進提供信息。保證所用統(tǒng)計分析方法及判定準則的一致性。2024/2/216第二章基本概念和知識2024/2/217測量系統(tǒng)的基本知識和概念測量系統(tǒng)及其統(tǒng)計特性分辨力、穩(wěn)定性、偏倚、重復(fù)性、再現(xiàn)性、線性術(shù)語理想的測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)的共同特性測量系統(tǒng)的評定步驟和準備2024/2/218術(shù)語測量：賦值給具體事物以表示他們之間的關(guān)系。而賦予的值定義為測量值。

量具：任何用來獲得測量結(jié)果的裝置，經(jīng)常用來特指用在車間的裝置，包括用來測量合格／不合格的裝置。測量系統(tǒng)：用來對被測量特性賦值的操作、程序、量具、設(shè)備、軟件以及操作人員的集合。

2024/2/219測量系統(tǒng)的組成

測量系統(tǒng)人機料法環(huán)操作人員量具/測量設(shè)備/工裝被測的材料/樣品/特性操作方法、操作程序測量的環(huán)境2024/2/2110測量系統(tǒng)的統(tǒng)計特性

通常，使用測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性來衡量測量系統(tǒng)的質(zhì)量nDiscrimination分辨力(abilitytotellthingsapart);nBias偏倚(Accuracy準確性);nRepeatability重復(fù)性(precision精密度);nReproducibility再現(xiàn)性;nLinearity線性;nStability穩(wěn)定性。2024/2/2111分辨力（率）：定義：指測量系統(tǒng)檢出并如實指示被測特性中極小變化的能力。2024/2/2112分辨率（力）的要求對于計量型的量具的分辨率，應(yīng)是公差（過程變差的(1/5~1/10)。對于特殊特性，建議的要求是總過程6σ(標準偏差)的十分之一。傳統(tǒng)是公差范圍的十分之一;2024/2/2113偏倚(Bias)：基準值觀測平均值

偏倚偏倚：是測量結(jié)果的觀測平均值與基準值的差值?；鶞手档娜〉每梢酝ㄟ^采用更高級別的測量設(shè)備進行多次測量，取其平均值來確定。

2024/2/2114重復(fù)性(Repeatability)重復(fù)性重復(fù)性是由一個評價人，采用一種測量儀器，多次測量同一零件的同一特性時獲得的測量值變差。

2024/2/2115再現(xiàn)性(Reproducibility)：再現(xiàn)性是由不同的評價人，采用相同的測量儀器，測量同一零件的同一特性時測量平均值的變差。

再現(xiàn)性操作者B操作者C操作者A2024/2/2116穩(wěn)定性(Stability)：穩(wěn)定性

時間1時間2穩(wěn)定性(或飄移)：是測量系統(tǒng)在某持續(xù)時間內(nèi)測量同一基準或零件的相同特性時獲得的測量值的總變差。2024/2/2117線性(Linearity)：量程基準值觀測平均值

基準值線性是在量具預(yù)期的工作范圍內(nèi)，偏倚值的差值

2024/2/2118測量系統(tǒng)所應(yīng)具有的特性：

測量系統(tǒng)必須處于統(tǒng)計控制中，這意味著測量系統(tǒng)中的變差只能是由于普通原因而不是由于特殊原因造成的。這可稱為統(tǒng)計穩(wěn)定性；測量系統(tǒng)的變差必須比制造過程的變差??；測量系統(tǒng)的變差應(yīng)小于公差帶；測量精度應(yīng)高于過程變差和公差帶兩者中精度較高者，一般來說，測量精度是過程變差和公差帶兩者中精度較高者的十分之一；測量系統(tǒng)統(tǒng)計特性可能隨被被測項目的改變而變化。若真的如此，則測量系統(tǒng)的最大的變差應(yīng)小于過程變差和公差帶兩者中的較小者。

2024/2/2119第三章計量型測量系統(tǒng)的分析方法2024/2/2120測量系統(tǒng)研究的淮備應(yīng)預(yù)先確定評價人的數(shù)量，樣品數(shù)量及重復(fù)讀數(shù)次數(shù)。在此選擇中應(yīng)考慮的因素如下：

尺寸的關(guān)鍵性：關(guān)鍵尺寸需要更多的零件和/或試驗，原因是量具研究評價所需的置信度。零件結(jié)構(gòu)：大或重的零件可規(guī)定較少樣品和較多試驗。由于其目的是評價整個測量系統(tǒng)，評價人的選擇應(yīng)從日常操作該儀器的人中挑選。樣品必須從過程中選取并代表其在整個生產(chǎn)過程中產(chǎn)品變差的全部范圍?？赡軙恳惶烊∫粋€樣本，持續(xù)若干天才能滿足此要求。由于每一零件將被測量若干次，必須對每一零件編號以便識別。2024/2/2121確保測量方法(即評價人和儀器)在按照規(guī)定的測量步驟進行測量。測量應(yīng)按照隨機順序，以確保整個研究過程中產(chǎn)生的任何漂移或變化將隨機分布。評價人員不應(yīng)知道正在檢查零件的編號，以避免可能的偏倚。但是進行研究的分析人員應(yīng)知道正在檢查那一零件，并記下數(shù)據(jù)。在設(shè)備讀數(shù)中，讀數(shù)應(yīng)估計到可得到的最接近的數(shù)字。如果可能，讀數(shù)應(yīng)取至最小刻度的一半。例如，如果最小刻度為0.0001，則每個讀數(shù)的估計應(yīng)圓整為0.00005。分析工作應(yīng)由知其重要性且仔細認真的人員進行。

每一位評價人員應(yīng)采用相同方法，包括所有步驟來獲得讀數(shù)。2024/2/21221、穩(wěn)定性分析:

1、獲取一樣本并確定其相對于可追溯標準的基準值。如果不能得到，則選擇一個落在產(chǎn)品測量中程數(shù)的產(chǎn)品零件，并指定它作為標準樣本進行穩(wěn)定性分析?？赡苄枰邆漕A(yù)期測量值的最低值、最高值及中程數(shù)的標準樣本。建議對各樣本單獨測量并做控制圖。2、定期(天、周)測量基準樣品3～5次。樣本容量和頻率應(yīng)基于對測量系統(tǒng)的了解。因素包括要求多長時間重新校準或維修，測量系統(tǒng)使用的頻率，以及操作條件如何重要。讀數(shù)應(yīng)在不同時間讀取以代表測量系統(tǒng)實際使用的情況。這些還包括預(yù)熱，環(huán)境或其它在一天內(nèi)可能變化的因素；

2024/2/21233、將測量值標記在Xbar-RCHART或Xbar–SCHART上；

4、結(jié)果分析—作圖法

計算控制界限,并對失控或不穩(wěn)定作評估,如果控制圖不受控，代表儀器已不穩(wěn)定，此測量系統(tǒng)是不可接受的，須做維修或調(diào)整，維修及調(diào)整完后須再做校正以及穩(wěn)定性的分析。5、結(jié)果分析-數(shù)據(jù)法計算測量結(jié)果標準差,并與過程標準差相比較,以評估測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性.不可以發(fā)生測量結(jié)果標準差大于過程標準差的現(xiàn)象，如果有發(fā)生此現(xiàn)象，代表測量的變差大于過程變差，此測量系統(tǒng)是不可接受的。

2024/2/2124控制圖的判讀超出控制界限的點：出現(xiàn)一個或多個點超出任何一個控制界限是該點處于失控狀態(tài)的主要證據(jù)

UCLCLLCL異常異常2024/2/2125控制圖的判讀

n鏈：有下列現(xiàn)象之一即表明過程已改變連續(xù)7點位于平均值的一側(cè)連續(xù)7點上升(后點等于或大于前點)或下降。

UCLCLLCL2024/2/2126控制圖的判讀明顯的非隨機圖形：應(yīng)依正態(tài)分布來判定圖形，正常應(yīng)是有2/3的點落于中間1/3的區(qū)域。

UCLCLLCL2024/2/2127范例：10/1610/2210/2811/1211/1811/191/156/1910/1211/2012/948.648.448.948.948.948.548.448.747.847.948.148.748.848.647.950.149.048.248.048.648.348.648.348.048.948.049.249.048.347.748.748.448.71/122/133/204/115/206/196/287/607/218/98/2248.248.148.348.048.148.148.348.148.048.247.948.548.748.948.748.448.448.648.648.648.448.348.948.548.648.648.748.748.548.748.748.948.79/79/1110/948.048.147.948.448.648.348.848.948.42024/2/21282024/2/21291、選取一個樣品,并建立可追溯標準的基準值。對樣本或標準件測量10次,計算其平均值,將其當(dāng)成“基準值”.

2、由一位作業(yè)者以常規(guī)方式對樣本或標準件測量10次.并計算出平均值,此值為“觀測平均值”.

2、偏倚分析----獨立樣本法2024/2/21301、通過采用更高級別的測量設(shè)備進行多次（10次）測量，取其平均值作為基準值。2、如果不能按這種方法對所有樣件進行測量，可采下列替代的方法

：在工具室或全尺寸檢驗設(shè)備上對一個基準件進行精密測量。

讓一位評價人用與正被評價的量具同一級別的量具測量同一零件至少十次。計算讀數(shù)的平均值，即為基準值?；鶞手档墨@取方法2024/2/2131n計算偏倚:

偏倚=觀測平均值–

基準值

過程變差=6σ=T%偏倚=偏倚/過程變差可用公差代替過程變差；6σ=T2024/2/2132范例：塞規(guī)0.8+_0.35X1=0.75X6=0.80X2=0.75X7=0.75X3=0.80X8=0.75X4=0.80X9=0.75X5=0.65已知：基準值為0.80mmX10=0.70過程變差為T=0.70(mm);2024/2/2133偏倚占公差百分比采用同樣方法計算，式中用公差代替過程變差。因此，在量具R&R研究中使用的厚薄規(guī)的偏倚為-0.05。這意味著測量觀測值平均比基準值小0.05，是過程變差的7.1%.基準值0.800.75平均值2024/2/2134參考的偏倚接受準則：a.對測量特殊特性的測量系統(tǒng)，偏倚%≤10%時可接受，偏倚%>10%時，不能接受。

b.對測量非特殊特性的測量系統(tǒng)，偏倚%≤20%時可接受，偏倚%>20%時，拒絕接受。n如果偏倚相對比較大，查看這些可能的原因：基準的誤差；磨損的零件；制造的儀器尺寸不對；儀器測量了錯誤的特性；儀器沒有正確校準；評價人員使用儀器不正確。2024/2/21353、重復(fù)性和再現(xiàn)性分析分析方法有：極差法；均值-極差法；（常用）方差分析ANOVA。2024/2/2136量具R&R分析（均值-極差法）（常用）

1）

取得包含10個零件的一個樣本，代表過程變差的實際或預(yù)期范圍,并按1至10給零件編號,使評價人不能看到這些數(shù)字。2）

指定評價人員A、B、C。3）

讓評價人A以隨機的順序測量這10個零件，并讓另一個觀測人將結(jié)果記錄在第一行，讓測試人B和C測量這10個零件并互相不看對方的數(shù)據(jù)。然后由觀測人將測量結(jié)果分別填入第6行和第11行；4）

使用不同的隨機測量順序重復(fù)上訴操作過程。把數(shù)據(jù)填入第2、7、12行，在適當(dāng)?shù)牧杏涗洈?shù)據(jù)，例如，第一個測量的零件是零件7，則將結(jié)果記錄在標有7號零件的列內(nèi)，如果需要試驗3次，重復(fù)上述操作，將數(shù)據(jù)記錄在第3、8和13行。5）

當(dāng)零件量過大或無法獲得所需零件時，第4和第5步可以改成下述步驟之后：a)

讓評價人A測量第一個零件，并在第1行記錄讀數(shù)，讓評價人B測量第1個零件并在第6行記錄讀書，讓評價人C測量第1個零件并在第11行記錄讀數(shù)；2024/2/2137b)

讓評價人A重復(fù)讀取第1個零件的讀數(shù)，記錄在第2行，評價人B在第7行記錄重復(fù)讀數(shù)，評價人C在第12行記錄重復(fù)讀數(shù)。如果需要測量3次，則重復(fù)上述操作并在第3、8和13行記錄數(shù)據(jù)。6）如果評價人在不同的班次，可以使用一個替換的方法，讓評價人A測量10個零件，并將讀數(shù)記錄在第1行。然后，讓評價人A按照不同的順序重新測量，并把結(jié)果記錄在第2行和第3行。評價人B和C也同樣做。

試驗完后,測試人員將量具的重復(fù)性及再現(xiàn)性數(shù)據(jù)進行計算如附件一(R&R數(shù)據(jù)表),附件二(R&R分析報告),依公式計算并作成控制圖或直接用表計算即可；

2024/2/2138%R&R接受準則：a.%R&R<10%可接受。b.10%≤%R&R≤30%，通知由制造部或APQP小組依據(jù)量具的重要性、成本及維修費用，決定是否接受。c.%R&R>30%不能接受，必須改進。

2024/2/2139極差分析法：

典型的極差法使用兩名評價人和五個零件進行分析，在這個分析中，每個評價人測量每個零件一次，每個零件的極差是評價人A獲得的測量結(jié)果與評價人B的測量結(jié)果的絕對值，利用這些數(shù)據(jù)來計算R&R，但這種方法，無法分解成是儀器的誤差或是人的誤差。

2024/2/2140示例：零件評價人A評價人B極差(A-B)10.850.800.0520.750.700.0531.000.950.0540.450.550.1050.500.600.102024/2/2141計算2024/2/21424、線性分析：

在測量儀器的工作范圍內(nèi)選擇一些零件可確定線性。這些被選零件的偏倚由基準值與測量觀察平均值之間的差值確定。最佳擬合偏倚平均值與基準值的直線的斜率乘以零件的過程變差(或公差)是代表量具線性的指數(shù)。為把量具線性轉(zhuǎn)變成過程變差(或公差)的百分率，可將線性乘以100后除以過程變差(或公差)。正如在偏倚分析中一樣，零件的基準值可由工具室或全尺寸檢驗設(shè)備確定。在操作范圍內(nèi)選取的那些零件由一個或多個評價人測量，確定每一零件的觀察平均值，基準值與觀察平均值之間的差值為偏倚，要確定各個被選零件的偏倚。線性圖就是在整個工作范圍內(nèi)的這些偏倚與基準值之間描繪的。如果線性圖顯示可用一根直線表示這些標繪點，則偏倚與基準值之間的最佳線性回歸直線表示兩個參數(shù)之間的線性。線性回歸直線的擬合優(yōu)度R2確定偏倚與基準值是否有良好的線性關(guān)系。

2024/2/2143計算誤差:誤差=觀測平均值–參考值過程變差=6δ=T繪圖:X軸=基準值Y軸=偏倚其方程式為:y=a+bx再分別計算其截距a，斜率b，擬合度R2，線性，線性%等

2024/2/2144公式2024/2/2145系統(tǒng)的線性及線性百分率由回歸線斜率及零件過程變差(或公差)計算得出。如果回歸線有很好的線性擬合，那么可以評價線性幅度及線性百分率來確定線性是否可接受。如果回歸線沒有很好的線性擬合，那么可能偏倚平均值與基準有非線性關(guān)系，這需要進一步分析以判定測量系統(tǒng)的系統(tǒng)是否可接受。2024/2/2146線性接受準則：

a.對測量特殊特性的測量系統(tǒng)，線性%≤5%接受，線性%>5%時，不予接受。b.對測量非特殊特性的測量系統(tǒng)，線性%≤10%接受，線性%>10%時，不予接受。

如果測量系統(tǒng)為非線性，查找這些可能原因：

在工作范圍上限和下限內(nèi)儀器沒有正確校準；最小或最大值校準量具的誤差；磨損的儀器；儀器固有的設(shè)計特性。

2024/2/2147CaseStudypmrpmrpmrpmrpmr122.7245.1365.8487.65109.1122.5243.9365.7487.7