MSA测量系统分析手册第四版.pdf
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1、测量系统分析(MSA)第四版 MSA手册第四版测量系统分析参考手册第四版刖S本参考手册是在汽车工业行动集团的赞助下,由克莱斯勒集团公司、福特汽车公司和通用汽 车公司供方质量要求特别工作组认可的测量系统分析(MSA)工作小组编写。负责第四版 的工作小组成员是Mic ha el Do wn(通用汽车公司)、Fr ed er ic k Czuba k(克莱斯勒集团公司)、Gr eg o r y Gr usk a(奥曼克公司)、St ev e St a hley(康明斯公司)与 Da v id Benha m.本手册是对测量系统分析的一种介绍,它并不试图去限制某特定过程或商品所适用的分析方 法的发展。
2、当这些指导文件意在涵盖测量系统通常发生的情况时,其中可能还有一些问题没 有考虑到;这些问题应该直接反馈给您的受权顾客代表。本手册的版权归克莱斯勒集团公司、福特汽车公司和通用汽车公司。保留所有权利2010.2010年6月1MSA手册第四版MSA第四版快速指南注:关于GRR标准差的使用测量系统类型MSA方法章节基本计量型级差,均值和极差,方差分析(ANOVA),偏倚,线 性,控制图三基本计数型信号探测法,假设试验分析法三不可重复(例如,破坏试验)控制图法四复杂计量型极差法,均值和极差法,方差分析(ANOVA)法,偏倚,线性,控制图法三、四复合的系统,量具 或试验标准控制图法,方差分析(ANOVA)
3、,回归分析法三、四其他替代的方法五其它白皮书一可上网查询,网址 ht t p:/www.a ia g.o r g2MSA手册第四版目录第一章测量系统总指南第A节引言、目的及术语引言目的术语第B节测量过程测量系统测量系统变差的影响第C节测量策划和计划第D节 测量资源的开发量具资源选择过程第E节测量问题第F节 测量不确定度第G节测量问题分析第二章用于评估测量系统的基本概念第A节背景第B节 选择/开发试验程序第C节 测量系统研究的准备第D节结果分析第三章对可重复测量系统推荐的实施方法第A节试验程序范例第B节 计量型测量系统研究-指南用于确定稳定性的指南确定偏倚的指南-独立样本法确定偏倚的指南-控制图
4、法确定性的指南确定重复性和再现性的指南极差法平均值和极差法方差分析法(ANOVA)第C节 计数型测量系统研究风险分析法信号检查(sig na l d et ec t io n)方法 分析方法第四章其他测量概念和实践第A节不可重复的测量系统的实践第B节 稳定性研究第C节变差研究第D节 识别过大的零件内部变差的影响3MSA手册第四版第E节 平均值和极差法一额外的处理第F节量具性能曲线第G节 通过多次读值减少变差第H节 聚焦标准差法计算GRR附录附录A 方差分析的概念附录BGRR对能力指数Cp的影响公式分析图形分析附录C附录D 量具R研究附录E 用误差修正术语替代PV计算附录F P.I.S.M.O.
5、E.A误差模型术语参考文献范例表格索引4MSA手册第四版第一章测量系统总指南第一章第A节引言、目的及术语引言测量数据的使用比以前更多更广泛了。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,将测量数据或一些从它们所计算出的统计值,与这一过程的统计控制限(st a t ist ic a l c o nt r o l limit s)相比较,如果该比较过程已超出统计控制,则进行某种调整,否 则,该过程将被允许在没有调整的状态下运行。测量数据的另一个用处是确定在两个或更多 变量之间是否存在显著的相互关系。例如,如果怀疑一个模塑零件上的一个关键尺寸和注射 材料的温度有关。这种可能的关系可
6、以通过采用所谓回归分析的统计方法来研究,即比较关 键尺寸的测量值和注射材料的温度测量值进行这种举例我互相关系探测研究,被戴明博士称为分析研究法。通常,分析研究法是不断 增加对影响过程系统原因知识的一种分析研究。分析研究是测量数据和最重要应用之一,因 为应用它们能使得对过程有更好的理解。使用以数据为基础的程序的最大益处取决于所使用的测量数据的质量。如果测量数据质量低,程序的益处可能会较低。同样的,测量数据质量高,收益也可能较高。为了确保应用测量数据所得到的收益大到足以承担获得这些数据的成本,数据的质量需要特 别的注意。测量数据的质量数据的质量取决于从处于稳定条件过户进行操作的测量系统中,多次测量
7、的统计特性。例如,假定使用某一在稳定条件下操作的测量系统对某一特定特性进行了几次测量。如果这些测量 值均与该特性的参考值“接近”,那么可以说这些测量数据的质量“高”,同样,如果部分 或所有的测量值与参考值相差“很远”,则称数据的质量“低”。表征数据质量最通用的统计特性是测量系统的偏倚和方差。所谓偏倚的特性,是指数据相对 参考(基准)值的位置,而被称为变差的特性是指数据的分布宽度。低质量数据最普通的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相 4MSA手册第四版互作用造成的。例如,一个用来测量一罐液体容积的测量系统,可能对该测量系统所处的环 境中的大气温度较敏感。在这种情况下,
8、数据的变差可能是因为环境温度变化造成的。因此,对测量的数据很难解释,因此,该测量系统不尽理想。如果交互作用产生变差过大,那么数据的质量会很低,从而造成测量数据无法利用。例如,一个具有大量变差的测量系统,在分析制造过程中使用是不适合的,因为测量系统变差可能 会掩盖制造过程的变差。管理一个测量系统的许多工作是监视和控制变差。其它的还需要把 重点集中在了解测量系统与其环境有什么样的相互作用,以便获得可接受质量的数据。目的本手册的目的是为评定测量系统的质量提供指南。尽管这些指南足以用于任何测量系统,但 主要用于工业界的测量系统。本手册不打算作为所有测量系统的一种分析总览,而是主要用 于那些注每个零件能
9、重复读数的测量系统。许多分析对于其它形式的测量系统也是很有用的,并且该手册的确包含了参考意见和建议,但对更复杂的或不常用的方法在此没有讨论,建议 使用者参考适宜的统计资源。本手册也不涵盖顾客对测量系统分析方法所要求的批准。术语如果不建立一套术语来引述共同的统计特征和相关的测量系统要项,那么讨论测量系统的分 析可能会造成混淆和误解。本节将用于本手册的术语汇总如下。在本手册中使用了以下术语:测量被定义为“对某具体事物赋予数字(或数值),以表示它们对于特定特性之间 的关系。这个定义由C.Eisenha r t(1963)首次提出。赋予数字的过程被定义为测量过程,而数值的指定被定义为测量值。量具:是指
10、任何用来获得测量的装置,特别是经常用在工厂现场的装置,包括通过/止规。测量系统:是对测量单元进行量化或对被测的特性进行评估,其所使用的仪器或量 具、标准、操作、方法、夹具、软件、人员、环境及假设的集合;也就是说,用来获得测量 结果的整个过程。由以上这些定义,可以将测量过程看成是一个制造过程,其产生的输出就是数值(数据)。这样看待一个测量系统是有用的,因为这样让我们明白已经说明的所有的概念、原理和工具,这在统计过程控制中早已被证实他们的作用。术语汇总1标准(st andar d)用于比较的可接受偏倚 验收标准 一已知的值,在不确定度(unc er t a int y)的指南范围内,被接受而为一真
11、值(t r ue v a lue)参考值(r ef er enc r v a lue)5MSA手册第四版标准应该是一个可操作的定义:该定义在由供方或顾客 应用时,将会产出产生同样的结果,并且在过去、今天、将来都有同样的含义。基本的设备(basic eq uipment)分辨力(discr iminat ion)、可读性(r eadabil it y)、解 析度(r esol ut ion)决定测量 数值 分析不幸的是,工业界传统上视测量和分析活动为“黑箱作业二设备是主要关注点-特性 越“重要”,量具越昂贵。很少顾虑仪器的适用性。因此这些量具通常没有得到适当的使用 或简单地不去用它。测量和分析活
12、动是一个过程-测量过程。所有的过程控制管理,统计或逻辑技术均能应 用。这就意味着必须首先确定顾客和他们的需要。顾客,过程的拥有者,希望用最小的努力 做出正确的决定。管理者必须提供资源以采购必要的和足够的设备来完成工作,但是采购最 好的或最新的测量技术未必能保证做出正确的生产过程控制决定。3本章的部分内容经允许采用了潮量系统分根指南,由G.F.r usk a和M.S.Hea phy编写,第三代,1987,1988。%参见潜在的失效模式及后果分析(FMEA)参考手册黑3版10MSA手册第四版设备只是测量过程的一部分,过程的拥有者必须了解如何正确使用这些设备及如何分析 和解释结果。因此管理者也必须提
13、供清晰明了的操作规定和标准以及培训和支持。接下来,过程的拥有者有义务监控和控制测量过程,以确保获得稳定和正确的结果,包括整个测量系 统分析方法-对量具、程序、使用者及环境的研究,例如,正常操作条件的研究。测量系统的统计特性一个理想的测量系统在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5。能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:零方差、零偏倚和对 所测的任何产品被错误分析的可能性为零。遗憾的是,具有这样理想统计特性的测量系统很 少存在,因此过程管理者被迫使用统计特性不太理想的测量系统。测量系统的质量通常仅仅 取决于经过一段时间后产生数据的统计特性。当他们要促
14、成一整体上令人满意的测量系统时,其它因素如成本,易于操作等也同样重要。但是这是所产生数据的统计特性,是测量系统质 量的决定因素。对某种使用情况下非常重要的统计特性,其不一定是另一种使用情况下非常重要的统计特性。例如:在某些情况下使用三坐标测量仪(CMM),最重要的统计特性是“小”的偏倚和方差。具有这样统计特性的CMM将产生接近可追溯标准的公认值的测量结果。用这样仪器上所得 到的数据对分析一个制造过程可能是十分有用的。但是,不管其偏倚和方差多么“小”,使 用CMM这样的测量系统可能不能够用来分辨好产品或坏产品的接受工作,由于测量系统中 其他因素会产生额外的变差来源。5有关标准问题的完整讨论见走出
15、危机,W.Ed wa r d s Deming,1982,1986,P.279-281.11MSA手册第四版管理者有责任为最佳的数据应用,识别最为重要的统计特征;管理者也有责任确保使用 这些特征作为选择测量系统的依据。为了达成以上目的,需要有关统计特性的具体定义,并 且规定测量它们的可接受的方法。尽管每一个测量系统可能被要求有不同的统计特性,但有 一些基本特性用于定义“好的”测量系统。包括:1)足够的分辨率和灵敏度。测量的增量应该小于测量的目的相应的过程变差或规范限值。通常被称为10比1规则,也就是说仪器的分辨力应把公差(或过程变差)划分成10等份或 更多。这比例规则的意图是作为选择量具时的一
16、个实际最先遵守的原则。2)测量系统应该是统计受控制状态这意味着在重复测量条件下,测量系统中的变差只 能是由普通原因造成,而不能由特殊原因造成。这种情况可称之为具有统计的稳定性且可以 通过控制图法最佳地进行评价。3)为了产品控制,测量系统的变异性与公差相比必须小。依据特性的公差评价测量系统。对于过程控制,测量系统的变差必须小于规范限值。以特性的公差来评估测量系统。4)为了过程控制,测量系统的变差应该能证明具有有效的解析度,并且小于制造过程的变 差。6Q过程变差和/或MSA研究中的总变差可用来评估测量系统。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。如果这样,测量系统的最大(最 坏)的变
17、差必须小于过程变差或规范限值。变差的来源S标准W工作件(即零件)I仪器P人/程序E环境与所有过程类似,测量系统受到变差的随机原因和系统 上变差的影响。这些变差来源由普通原因和特殊原因造成 的。为了控制测量系统变差:1)识别潜在的变差源2)消除(如有可能的话)或监控这些变差的来源尽管特殊原因取决于不同情况,但一些典型的变差源 是可以被识别。有多种不同的方法来呈现与分类这些变差 的来源,例如因果图、失效树等,但本指南将关注的是测 量系统的主要要素。缩写S.W.I.P.E用来表示一个普遍化的测量系统为 了达成被要求的目标,有六个必要因素。S.W.I.P.E分 别代表标准、工作件、仪器、人和程序及环境
18、。可以考虑 作为整个测量系统的一个误差模型8。7 这些缩写由度量衡专家 Ms.Ma r y 与 Ho ney well,Eli Whit ney Met r o lo g y La ba nd t heBend ix c o r po r a t io ng 首仓U提出&另一个供选择的误差模型见附件F,P.I.S.M.O.E.A12MSA手册第四版需要理解影响那六个区域的因素,以便能够控制或消除它们。图2显示了一张潜在的变差源的因果图。由于影响一个特定的测量系统的实际变差来源对该 系统将是唯一的,所以,这图可作为开发一个测量系统变差来源的一个思考启动器。13MSA手册第四版俄2“覆*刑海图咻s
19、S源函校准稳定性物质弹性变形弹性特性支持特性热扩散系数弹性特征工件(零件)隐藏的 几何目互关联的特性 建立的变考清洁可追溯性使用假设 坚固性偏设计建立公差适当的数据工作的 定义建立仪器(量具)线性单:性测量系统变差标准预防性维护设计变差-夹持-位置-测量点-探测头扩大接触几何再现性稳定性变形后果一致性 敏感性/维护重复性教育的经验几何相容性身体的人工的、热的系工作的规定零件目视标准程序稳定-系统部件温度阳士光线标准培训技能振动周期经验培训标准与环境的关系工作态压力理解人机工程环境人员空气污染14MSA手册第四版测量系统变差的影响由于测量系统会被不同的变差来源影响,相同零件的重复读值不会有相同的
20、产出与结果,每个读值之间不同是因为普通和特殊原因变差造成的。重复读数也不产生相同或同样的结果。读数之间不相同是由于普通和特殊原因造成。对测量系统变差的不同变差来源影响应该进行经过短期和长期评价。测量系统的能力是 测量系统在短期间的(随机)误差。它是由线性、均一性与再现性结合的误差量。测量系统 性能,像过程性能一样,是所有变差来源在长期的影响。这是经由确定了我们的过程是否处 于统计受控状态(如,稳定并一致;仅有普通原因的变差),对中性(无偏倚),以及具有期 望结果在一定范围内的可接受变差,(量具重复性和再现性(GRR)的实现,这是在测量系 统能力上增加了稳定性和一致性。由于我是是用测量系统的输出
21、来对某产品和过程做出决策,这所有变差来源的累积后果 通常被称为测量系统误差,或有时简单地称为“误差”。对决策的影响测量一个零件后,可以对零件状态的确定采取一个行动措施。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)。另一个常用的情况是将零件分类 为特定的类别(例如:活塞的尺寸)以一个范例作为接下来的讨论,有两种分类将被使用:超出规范“坏”和在规范内“好”;这并不为其它类别活动的讨论做出限制。进一步的分类可能是可返工的、可补救的或报废。按照产品控制理论(pr o d uc t c o nt r o l philo so phy),这样分类活动是测量一个零件的主要原因。
22、但是,在过程控制理论下,集中的 关注是零件的变差是否由过程中的普通原因还是特殊原因造成的。表1:控制理论和驱使的关注点原理关注点产品控制零件是否在指定范围内?过程控制过程变差是否稳定并可接受?下一部分将针对测量误差对产品决策的影响。接下来再讨论它对过程决策的影响15MSA手册第四版对产品决策的影响为了更好地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 的多次读值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,要考虑单个零件重复读数所有变差由量具的重复性和再现性影响。那就是测量过 程是统计受控状态,并且是零偏倚。无论何时任何零件的测量分布区
23、域与规范限值重迭时,有时可能会做出错误的决定。例 如,如果出现以下情况,一个好的零件有时会被判为“坏”的(第I类误差,制造者风险或 错误警告)然后,如果出现以下情况,一个坏的零件有时会被判为“好”的(第n类误差,顾客的风 险或过失比率),如果:备注:错误警告比率+过失比率=误差比率存在风险是作决策的机会,也可能会作出对个人或进程不利的决策。也就是说,考虑到规范 限值,只要当测量系统误差与规范限值相交时,就可能发生对零件做出潜在的错误决定。以 下提出三个明显的区域。下限 上限1 riti111 ni1目标16MSA手册第四版图中,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
24、第III类区 好零件永远被称为好零件对于产品状况,目标是最大限度地做出正确决定,有以下两种选择:1)改进生产过程:减少过程的变差,没有零件产生在n区域。2)改进测量系统:减少测量系统误差从而减小U区域的面积,因此生产的所有零件将在ni 区域,这样就能减少做出错误决定的风险。上述讨论假定测量过程是统计受控并且是对准目标。如果以上两个假设中的任何一个不成立,那么很难相信任何观测值能带来正确的决定。对过程决策的影响对于过程控制,以下需求要被建立:统计的控制 对准目标 具有可接受的变差正如上一部分的解释,测量误差可能造成对产品的错误决定。测量误差对过程决策的影响如 下:把普通原因识别为特殊原因 把特殊
25、原因识别为普通原因测量系统变异性可能影响过程的稳定性、目标以及变差的决定。实际和观测的过程变差之间 的基本相互关系是:O 2观=O 2实+0 2测式中,观=观测到的过程变差值 实=实际过程变差 测=测量系统的变差能力指数9c p定义为厂 公差范围Cp=-6。虽然此处讨论使用Cp,也可能用性能指数Pp来计算。17MSA手册第四版将上面的公式进行替代可以得出观测过程指数与实际过程指数之间的关系:(Cp)2 观=(Cp)2 实+(Cp)2 测假定该测量系统处于统计受控状态而且对正目标,实际过程Cp可以与观测Cp的图形 上比较大致相等,0o因此,观测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。
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