測量系統(tǒng)培訓(xùn)教材(一)

1。前言：在日常生產(chǎn)中，我們經(jīng)常根據(jù)獲得的過程加工部件的測量數(shù)據(jù)去分析過程的狀態(tài)、過程的能力和監(jiān)控過程的變化；那么，怎么確保分析的結(jié)果是正確的呢？我們必須從兩方面來保證，一是確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性/質(zhì)量，使用測量系統(tǒng)分析（MSA）方法對獲得測量數(shù)據(jù)的測量系統(tǒng)進(jìn)行評估；二是確保使用了合適的數(shù)據(jù)分析方法，如使用SPC工具、試驗設(shè)計、方差分析、回歸分析等。測量系統(tǒng)的誤差由穩(wěn)定條件下運行的測量系統(tǒng)多次測量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性：偏倚和方差來表征。偏倚指測量數(shù)據(jù)相對于標(biāo)準(zhǔn)值的位置，包括測量系統(tǒng)的偏倚（Bias）、線性（Linearity）和穩(wěn)定性（Stability）；而方差指測量數(shù)據(jù)的分散程度，也稱為測量系統(tǒng)的R&R，包括測量系統(tǒng)的重復(fù)性（Repeatability）和再現(xiàn)性（Reproducibility）。測量系統(tǒng)分析1測量系統(tǒng)分析一般來說，測量系統(tǒng)的分辨率應(yīng)為獲得測量參數(shù)的過程變差的十分之一。測量系統(tǒng)的偏倚和線性由量具校準(zhǔn)來確定。測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性可由重復(fù)測量相同部件的同一質(zhì)量特性的均值極差控制圖來監(jiān)控。測量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性由GageR&R研究來確定。分析用的數(shù)據(jù)必須來自具有合適分辨率和測量系統(tǒng)誤差的測量系統(tǒng)，否則，不管我們采用什么樣的分析方法，最終都可能導(dǎo)致錯誤的分析結(jié)果。在QS9000中，對測量系統(tǒng)的質(zhì)量保證作出了相應(yīng)的要求，要求企業(yè)有相關(guān)的程序來對測量系統(tǒng)的有效性進(jìn)行驗證。2.測量系統(tǒng)：是用來對被測特性定量測量或定性評價的儀器或量具、標(biāo)準(zhǔn)、操作、方法、夾具、軟件、人員、環(huán)境和假設(shè)的集合；用來獲得測量結(jié)果的整個過程。2測量系統(tǒng)溯源性3.構(gòu)成測量系統(tǒng)的主體元素之測量儀器必須經(jīng)過校準(zhǔn)至可追溯的標(biāo)準(zhǔn)國家標(biāo)準(zhǔn)

第一級標(biāo)準(zhǔn)(連接國家標(biāo)準(zhǔn)和私人公司、科研機(jī)構(gòu)等)

第二級標(biāo)準(zhǔn)(從第一級標(biāo)準(zhǔn)傳遞到第二級標(biāo)準(zhǔn))工作標(biāo)準(zhǔn)(從第二級標(biāo)準(zhǔn)傳遞到工作標(biāo)準(zhǔn))國家標(biāo)準(zhǔn)引用標(biāo)準(zhǔn)工作標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)量具千分尺激光干涉儀3術(shù)語4.術(shù)語4.1分辨率：最小的讀數(shù)單位、測量分辨率、刻度限度或探測度。由設(shè)計決定的固有特性，是測量或儀器輸出的最小刻度單位。做GRR時選擇儀器應(yīng)該遵守1：10經(jīng)驗法則。4.2重復(fù)性EV（Repeatability）：指以同一測量設(shè)備，同一測量人員，測量同一批待測物之同一品質(zhì)特性所產(chǎn)生的測量差異。再生性AV（Reproducibility）4.3再現(xiàn)性AV（Reproducibility）：指以同一測量設(shè)備,不同測量人員測量同一批待測物之同一品質(zhì)特性所得平均測量值的差最大值。4.4GRR或量具R＆Ｒ（重復(fù)性與再現(xiàn)性）：是測量系統(tǒng)重復(fù)性和再現(xiàn)性合成的評估。4GRR計算測量次數(shù)23K23.652.70測量次數(shù)23D43.272.585.GRR計算5.1Rmean=(RA+RB+RC)/n,Xdiff=XMAX-XMIN,UCLR=RmeanXD4,Rmax必須小于UCLR,UCLR是Ri的上限。

5.2重復(fù)性EV（Repeatability）：

EV=RmeanxK1%EV=100[EV/T]5.3再現(xiàn)性AV（Reproducibility）：AV=[(XdiffxK2)2-EV2/(nxr)]1/2%AV=100[AV/T]測量次數(shù)23K14.563.055GRR計算5.4GRR或量具R＆Ｒ（重復(fù)性與再現(xiàn)性）：R&R=(EV2+AV2)1/2%R&R=100[R&R/T]T為全程公差：T=USL-LSL

T=2(USL-Xmean)

T=2(Xmean-LSL)5.5GRR計算電子表格：6GRR數(shù)據(jù)采集6.變異數(shù)據(jù)采集（Variabledata）將測量進(jìn)行分組，分為查核員一位及測量者，分成A和B兩組或A，B，C三組，待測物10個，待測物由查核員編號再交給測量人員測量。拿已經(jīng)確定合格之儀器（經(jīng)校正合格的計量儀器/量具/測試設(shè)備），檢查儀器已維修并已校準(zhǔn)至可追溯的標(biāo)準(zhǔn)。儀器測量精度的選擇原則：針對重要特性(尤指是有特殊符號指定)所使用量具的精確度應(yīng)是被測量物品公差的1/10,(即其最小刻度應(yīng)能讀到1/10過程變差或規(guī)格公差)。如:過程中所需量具讀數(shù)的精確度是0.01m/m,則測量應(yīng)選擇精確度為0.001m/m),以避免量具的鑒別力不足。一般之特性所使用量具的精確度應(yīng)是被測量物品公差的1/5。儀器準(zhǔn)確度則至少應(yīng)該遵循1/3-1/5原則。由測量員A隨機(jī)取10個待測物進(jìn)行測量，每個待測物測量3次，并由另一觀測者填入數(shù)據(jù)表格。測量員B或C重復(fù)6.1.3進(jìn)行測量，并記錄測量數(shù)據(jù)。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(jìn)行計算(R&R數(shù)據(jù)表),(R&R分析報告),依公式計算并做成R管制圖或直接用表計算即可。計算GRR時必須注意：只有公差是雙邊公差時才能進(jìn)行以上計算。計算全程公差T必須用絕對值。7GR&R原因分析7.GR&R原因分析原則上使用GRR的情況均有下列前提

1）本質(zhì)上是非破壞性之測量。

2）該測量特性之制程能力Cp值明顯不足。若GRR<10%，表明測量系統(tǒng)準(zhǔn)確，變異來源產(chǎn)品本身。若GRR>25%，表明測量系統(tǒng)不準(zhǔn)確，因而扭曲了產(chǎn)品的正真值。8GR&R原因分析測量系統(tǒng)之改善-因果圖

為何測量誤差太大電特性不穩(wěn)定測量準(zhǔn)確度差設(shè)備差異機(jī)械不穩(wěn)定設(shè)備磨損環(huán)境差異濕度改變震動因素溫度改變清潔度改變測量程式不嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)備維護(hù)未標(biāo)準(zhǔn)化校正問題測量程序未標(biāo)準(zhǔn)化人員培訓(xùn)不足人員技術(shù)差異98.GR&R量測系系統(tǒng)的的判定定1、%GR&R＜10%：可接接受2、10%＜%GR&R＜30%：有條條件接接受，，依其其重要要性由由測量量技術(shù)術(shù)人員員決定定。當(dāng)重復(fù)復(fù)性(EV)變差值值大于于再現(xiàn)現(xiàn)性(AV)時量具的的結(jié)構(gòu)構(gòu)需再再設(shè)計計增強(qiáng)強(qiáng).量具的夾緊緊或零件定定位的方式式(檢驗點)需加以改善善.量具應(yīng)加以以保養(yǎng).當(dāng)再現(xiàn)性(AV)變差值大于于重復(fù)性(EV)時作業(yè)員對量量具的操作作方法及數(shù)數(shù)據(jù)讀取方方式應(yīng)加強(qiáng)強(qiáng)教育,作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)應(yīng)再明確訂訂定或修訂訂.可能需要某某些夾具協(xié)協(xié)助操作員員,使其更具一一致性的使使用量具.量具與夾具具校驗頻率率于入廠及及送修糾正正后須再做做測量系統(tǒng)統(tǒng)分析,并作記錄.3、%GRR＞30%：不可接受受，如果經(jīng)經(jīng)過分析找找不到根本本原因，那那么該設(shè)備備必須修理理、停用或或改用其他他設(shè)備AV＞EV：人員的訓(xùn)訓(xùn)練是必要要的EV＞AV：設(shè)備修理理或停用10測量系統(tǒng)研研究的準(zhǔn)備備檢查儀器已已維修并已已校準(zhǔn)至可可追溯的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)檢查儀器分分辨率小于于或等于預(yù)預(yù)期工藝過過程的變異異/規(guī)范范圍的的1/10挑選2-3操作儀器的的評估人如果工藝需需要多個操操作員,隨機(jī)選擇2－4人如果工藝僅僅需要一個個操作員或或無操作員員,則視為無操操作員影響響來進(jìn)行研研究(忽略再現(xiàn)性性影響)從工藝過程程中選擇10個樣本零件件來表征整整個操作范范圍和各離離散零件數(shù)數(shù)每個操作員員測量每個個樣本3次(都使用相同同的儀器)11進(jìn)行測量研研究呆在現(xiàn)場進(jìn)進(jìn)行研究;注意計計劃外因素素進(jìn)行研究–指導(dǎo)方針每個操作員員對所有的的樣本進(jìn)行行一次隨機(jī)測量持續(xù)進(jìn)行直直到每個操操作員對所所有的樣本本完成一次次測量這是試驗1確保零件進(jìn)進(jìn)行標(biāo)記以以便于數(shù)據(jù)據(jù)采集但對對操作員保保持“隱蔽蔽”（無法法辨別）重復(fù)需要的的試驗數(shù)每個樣本應(yīng)應(yīng)該由每個個操作員測測量3次使用表格收收集信息分析結(jié)果如果還有的的話，確定定進(jìn)一步措措施12Minitab中的測量系系統(tǒng)分析（（MSA）實例選取10個個零件表征征工藝過程程中變異的的預(yù)期范圍圍3個操作員隨隨機(jī)測量10個零件，每每個零件3次打開Gage3.mtw選擇Stat>QualityTools>GageR&RStudy(Crossed)……13Minitab中的GageR&R在Partnumbers（（零件號）中輸入Part（（零件）:Operators（操作員））中輸入Operator（（操作員）:Measurementdata（（測量數(shù)據(jù)））中輸入Response（（響應(yīng)）:ANOVA（方差分析））和X-bar&R分析主要的的不同之處處在于ANOVA將通過零件件間的交互互作用對操操作員進(jìn)行行評估ANOVA方法更保守守14Minitab中的GageR&R:選項5.15是studyvariation（（研究變異異）的默認(rèn)值值z值范圍計計算99%潛在的研研究變異異基于變異異計算標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的偏偏移可以以在所選選零件的的研究中中看到規(guī)格界限限是10.75(USL)和8.75(LSL)點擊Options…在processtolerance（過程公差差）對話話框中輸輸入2.0(10.75––8.75=2.0)在historicalsigma（歷史西格格瑪值））對話框框中輸入入0.195雙擊OK15解釋:可接受性性如果工藝藝過程公公差和歷歷史西格格瑪值沒沒有用在在Minitab中,一個關(guān)鍵鍵的設(shè)想想是:選選取的用用于研究究的樣本本零件可可以真實實地展現(xiàn)現(xiàn)實際工工藝過程程變異。。這樣的的話，測測量系統(tǒng)統(tǒng)的可接接受性僅僅基于對對研究中中零件變變異的比比較。如如果注意意選取研研究樣本本零件，，這將是是一個有有效的假假設(shè)。AIAG規(guī)定““評估測測量系統(tǒng)統(tǒng)是否可可以分析析工藝過過程的一一個標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)要素是是零件公公差或測測量系統(tǒng)統(tǒng)變異所所耗費的的操作過過程變異異”。記住指導(dǎo)導(dǎo)方針是是:10%以下誤差差–可接受的的從10%到30%––由于使使用風(fēng)風(fēng)險、、測量量儀器器的成成本、、修理理成本本等考考慮也也尚能能接受受超過30%––認(rèn)為不不可接接受–應(yīng)該努努力全全面改改進(jìn)測測量系系統(tǒng)16MinitabSixpack17GageR&R間的聯(lián)聯(lián)系當(dāng)操作作員的的結(jié)果果可重重復(fù)以以及操操作員員間的的結(jié)果果可再再現(xiàn)時時，可可以認(rèn)認(rèn)為測測量過過程一一致。。當(dāng)操作作員測測量的的變化化相對對于工工藝過過程的的變化化或公公差范范圍較較小時時，標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)度度量可可以有有效檢檢地測測到零零件之之間的的變異異。測量所所耗工工藝過過程變變異的的百分分比(%R&R)決定了了測量量過程程的一一致性性并能能檢測測出零零件之之間的的變異異。異變變的的組組成成百分比比重復(fù)性性再再現(xiàn)性性零零件間間影響方差分分析工藝藝過過程程公差差18MinitabSixpack注意意看看帶帶條條紋紋的的柱柱條條–它們們表表示示總總體體變變異異對對于于數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)影影響響的的%。GageR&R是測測量量系系統(tǒng)統(tǒng)的的總總體體變變異異，，分分為為重重復(fù)復(fù)性性和和再再現(xiàn)現(xiàn)性性。。零零件件之之間間變變異異的的柱柱條條表表示示工工藝藝過過程程變變異異的的估估計計。。還記記得得我我們們要要進(jìn)進(jìn)行行測測量量的的原原因因嗎嗎？？工藝藝過過程程變變異異的的估估計計直直到到輸輸入入HistoricalSigma在檢驗員之之間或檢驗驗員與檢驗驗員之間標(biāo)準(zhǔn)度量內(nèi)內(nèi)或一個檢驗驗員總體GageR&R異變的的組成成影響方差分析工藝過程公差百分比重復(fù)性再再現(xiàn)性性零零件間19重復(fù)性表明在極差差圖中實際際所有極差差點在控制制極限以下下。任何超超出極限的的點都需要要進(jìn)行研究究。重復(fù)性:圖表視圖重復(fù)性由特特別的極差差圖進(jìn)行檢檢測，表中中畫出了每每個操作員員測量每個個零件的差差異。如果果被測零件件的最大值值和最小值值間的差異異未超過UCL,則視度量標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)和操作作員為可重重復(fù)的。樣本范圍操作員的極極差圖20再現(xiàn)性:圖表視圖在Minitab一段（在隨隨后的幻燈燈片中討論論）中的表表格分析是是分析確定定再現(xiàn)性的的最好方式式。圖表中中可以看出出各個操作作員測量相相同樣本的的操作員模模式是否有有明顯不同同。測量變異總工藝過程程變異分辨率樣本均值操作員的Xbar圖21MSA分析:有效系統(tǒng)期望得到的的圖點均超超出UCL和LCL的限制，因因為該限制制是由標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)度量的變變異所確定定的。這些些圖點應(yīng)該該顯示出標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)度量變變異應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于零件件間的變異異。如果所選樣樣本不能代代表工藝過過程的總體體變異，則則標(biāo)準(zhǔn)度量量(重復(fù)性)變異可能大大于局部變變異并且使使確切的范范疇計算成成為無效。。如果操作員員模式?jīng)]有有可比性，，則操作員員和零件間間存在明顯顯的關(guān)聯(lián)(這將在另一一張幻燈片片中討論)操作員的Xbar圖樣本均值22XBar圖(期望值)UCLLCL測量誤差產(chǎn)品變異XBar圖

(不可接受值)0.00000UCLLCL測量誤差產(chǎn)品變異0.000010.000020.000030.000040.000050.000060.000070.000080.000090.000100.00011MSA分析:測量誤差23MinitabSixpack極差圖是否否在控制范范圍之內(nèi)?X-bar圖和極差圖圖上的限制制從何而來來?我們要不要要控制極差差圖和X-bar圖?在我們的測測量系統(tǒng)中中控制范圍圍代表什么么?操作員的Xbar圖操作員的極極差圖樣本范圍樣本范圍24MinitabSixpack本圖顯示所所有操作員員共同繪制制10個零零件的數(shù)據(jù)據(jù)，顯示了了原始數(shù)據(jù)據(jù)并強(qiáng)調(diào)突突出了測量量的平均值值。與上圖相似似，但零件件是按操作作員而不是是按數(shù)據(jù)進(jìn)進(jìn)行排列，，此圖可以以幫助識別別操作員的的測量結(jié)果果。此圖顯示每每個操作員員對所有10個零件件的數(shù)據(jù)。。這是顯示示零件與操操作員之間間關(guān)系的最最好方式。。通過零件通過操作員員零件操作員零件平均操作員操作員*零零件關(guān)系系25通過零件:變異分分析圖中顯示所所有操作員員共同繪制制10個零零件的數(shù)據(jù)據(jù)。此圖應(yīng)應(yīng)該顯示工工藝過程中中最小尺寸寸到最大尺尺寸的同一一個零件的的圖點。如如果是工藝藝過程中生生產(chǎn)的零件件，則它們們有的同時時在公差范范圍內(nèi)和有有的則公差差范圍外。。如果一個個零件顯示示出較大的的分散性，，則它不適適宜作為測測試品，因因為在該零零件可能體體現(xiàn)不出其其特性。超界零件零件26通過操作員員:變化化分析此圖顯示了了操作員繪繪制的10個零件數(shù)數(shù)據(jù)。紅線線連接了操操作員所繪繪制全部10個零件的平平均值，紅紅線應(yīng)該是是水平狀態(tài)態(tài)的。任何何明顯的傾傾斜表示操操作員與其其他操作員員相比，在在測量零件件時有或大大或小的偏偏移。超界操作員員操作員27操作員與零零件的關(guān)系系操作員影響響:如果平均值值連線出現(xiàn)現(xiàn)明顯的分分離，則在在進(jìn)行測量量的操作員員和被測量量的零件之之間存在一一定關(guān)系。。這不是好好現(xiàn)象，需需要進(jìn)行研研究。零件均值操作員與零零件的關(guān)關(guān)系操作員28MinitabSixpack圖形輸出的的問題變異的組成成超界零件超界操作員員操作員的極極差圖操作員*零零件關(guān)系系操作員零件均值操作員零件百分比樣本范圍樣本均值%影響%方差分析析%工藝過程程%公差操作員的Xbar圖29GageR&R:數(shù)字輸出以下表中是是用Mintab算出變異研研究的百分分比,它它是每個變變源占計算算可能的總總變異比例例.5.15*SD表示總變化化統(tǒng)計值99%是如何計算算的，而且且除非輸入入了HistoricalSigma值，否則一一律假設(shè)其其等于真實實工藝變化化的99%。為了進(jìn)行工工藝過程改改進(jìn)，這些些值應(yīng)當(dāng)小小于30%30GageR&R:數(shù)字輸出%用于根據(jù)已已知的%進(jìn)進(jìn)行的測量量分析，來來對測量系系統(tǒng)有效性性進(jìn)行分級級。如果工工藝過程進(jìn)進(jìn)行順利，，則%公差很重要要。%總數(shù)按照數(shù)數(shù)學(xué)累加也也許會超過過100%。區(qū)分指數(shù)值值表示,在在研究變變異中,測測量系統(tǒng)統(tǒng)能可靠地地識別不重重疊測量組組的數(shù)目。。我們希望望這個數(shù)目目是5或者更高。。4是臨界值。。小于4意味著測量量系統(tǒng)只能能使用計數(shù)數(shù)型數(shù)據(jù)。。31讓我們再做做一次選取3個零件表示示預(yù)期工藝藝過程變異異的范圍。。3個操作員以以隨機(jī)順序序測量3個零件各3次。打開練習(xí)Gage2.mtw無可用的工工藝過程歷歷史并且未未制定公差差。此數(shù)據(jù)組用用于舉例說說明GageR&R和標(biāo)準(zhǔn)度量量運行圖。。32測量系統(tǒng)如如何表示?變異的組成成通過零件通過操作員員操作員的極極差圖均值操作員零件百分比樣本范圍樣本均值均值＝406.2