測量系統(tǒng)分析(MSA) 第四版 - 前言

ID:90014 · 發(fā)表于 2015-9-13 16:06

前言

本參考手冊實在美國汽車工業(yè)行動集團(Automotive Industry Action Group, AIAG)的主持下，有克萊斯勒，福特和通用汽車公司供方質(zhì)量要求特別工作組認可的測量系統(tǒng)分析(MSA)工作小組編寫。負責(zé)第四版MSA編寫的工作組成員是Michael Down(通用汽車公司)、Frederick Czubak(克萊斯勒汽車公司)、Gregory Gruska(奧曼克公司)、Steve Stahley(康明斯公司)與David Benham。

本手冊可作為是對測量系統(tǒng)分析的一種介紹。它并不試圖去限制某特定過程或商品所使用的分析方法的發(fā)展。當(dāng)這些指導(dǎo)文件意在涵蓋測量系統(tǒng)通常發(fā)生的情況時，其中可能還有一些問題沒有考慮到。這些問題應(yīng)該由你指定的客戶代表提出指示。

本手冊的版權(quán)由克萊斯勒公司、福特汽車公司、通用汽車公司保留所有權(quán)。2010年。需要訂購本手冊或取得在供方組織內(nèi)復(fù)制本手冊部分內(nèi)容的許可都可登陸AIAG的官方網(wǎng)站

2010年6月

MSA第四版快速指南

測量系統(tǒng)類型	MSA方法	章節(jié)
基本的計量型	極差法、均值與極差法、方差分析(ANOVA)法、偏倚、線性、控制圖法	III
基本的計數(shù)型	信號探測法假設(shè)試驗分析法	III
不可重復(fù)的 (如：破壞試驗)	替代方法	IV
復(fù)雜的計量型	極差法、均值與極差法、方差分析(ANOVA)法、偏倚、線性、控制圖法	III,IV
復(fù)合的系統(tǒng)、量具或試驗標(biāo)準(zhǔn)	控制圖法、方差分析(ANOVA)法、回歸分析法	III.IV
其它	替代的方法	IV
其它	白皮書-登陸AIAG官方網(wǎng)站

注：關(guān)于GRR標(biāo)準(zhǔn)差的應(yīng)用

以往為方便起見，一直用99%的分布寬度(spread)來代表測量誤差的”全”寬度，也就是乘以一個系數(shù)5.15(用sGRR乘以5.15來表示99%的全部分布寬度)。

99.73%的分布寬度是由乘數(shù)6代表，即+/-3s，其代表一“正態(tài)”曲線的全部分布寬度。

如果讀者想把總測量變差的范圍或分布寬度提高到99.73%，在計算時請用乘數(shù)6代替5.15。

注：第四版中的使用方法是勇于對照標(biāo)準(zhǔn)差，相當(dāng)于在過去的方法中使用6的乘數(shù)。

應(yīng)注意，使用哪一個相乘系數(shù)對方程式和結(jié)果的正確計算那是極關(guān)緊要的。如果是勇于測量系統(tǒng)變差和公差之間的比較，它尤為重要。

因此，如果有非本手冊中所描述的方法被使用，那么在任何結(jié)果或總結(jié)中，這一點必須被清除的聲明(特別是那些需要被提交給客戶的結(jié)果或總結(jié))。

ID:90014 · 發(fā)表于 2015-9-13 16:07

第一章第A節(jié) 引言、目的及術(shù)語

引言
測量數(shù)據(jù)的應(yīng)用比以前更多更廣發(fā)了。例如，現(xiàn)在，是否對制造過程盡心該調(diào)整的決定通常儀測量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將測量數(shù)據(jù)或一些從他們所計算出的統(tǒng)計值與過程的統(tǒng)計控制限(statistical control limits)進行比較，如果該比較顯示過程已超出統(tǒng)計控制，則進行某種調(diào)整；否則，該過程將被允許在沒有調(diào)整的狀態(tài)下運行。測量數(shù)據(jù)的另一個用途是確定在兩個或多個變量之間是否存在顯著的相互關(guān)系。例如，如果懷疑一個模塑零件的某一關(guān)鍵尺寸與材料的注塑溫度有關(guān)，這種可能的相互關(guān)系可以通過利用一種稱為回歸分析(regression analysis)的統(tǒng)計程序研究，以比較關(guān)鍵尺寸的測量值與材料注塑溫度的測量值。
進行這種舉例的互相關(guān)系探測研究，被戴明博士(Dr. W.E. Deming)稱為分析研究法(analytic studies)。通常，分析研究法是不斷增加對影響過程系統(tǒng)原因知識的一種分析研究。分析研究是測量數(shù)據(jù)使用的重要應(yīng)用之一，因為應(yīng)用他們能使得對過程有更好的理解。
使用以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的程序的最大益處取決于所使用的測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，如果數(shù)據(jù)質(zhì)量低，程序的益處可能會較低；同樣的，如果數(shù)據(jù)的質(zhì)量高，利益也可能會比較高。
為確保從使用測量數(shù)據(jù)得到的利益大到足以承擔(dān)獲得這些數(shù)據(jù)的成本，數(shù)據(jù)的質(zhì)量需要特別的注意。
測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量
數(shù)據(jù)的質(zhì)量取決于從處于穩(wěn)定條件下進行操作的測量系統(tǒng)中，多次測量的統(tǒng)計特性。例如：假設(shè)使用個某一在穩(wěn)定條件下操作的測量系統(tǒng)對某一特定特性值進行了幾次側(cè)臉給，如果這些測量值均與該特性的基準(zhǔn)值(master value)“接近”，那么數(shù)據(jù)的質(zhì)量被稱為”高”；同樣，如果部分或所有的測量值與基準(zhǔn)值相差”很遠”，則稱數(shù)據(jù)的質(zhì)量很”低”。
通常用來描述測量數(shù)據(jù)質(zhì)量的統(tǒng)計特性是某測量系統(tǒng)的偏倚(bias)及變差(variance)。被稱為偏倚的統(tǒng)計特征指的是數(shù)據(jù)值相對于參考(基準(zhǔn))值得位置。而被稱為變差的特性指的是數(shù)據(jù)的分布寬度(spread)。
低質(zhì)量數(shù)據(jù)最普遍的原因之一是變差太大。一組數(shù)據(jù)中的變差多是由于測量系統(tǒng)及其環(huán)境的相互作用(interaction)造成的。例如：一個用來測量一罐液體體積的測量系統(tǒng)，可能對該測量系統(tǒng)所處的環(huán)境中的大氣溫度敏感。在這種情況下，數(shù)據(jù)的變差可能是因為容積的變化造成的，也可能是因為環(huán)境溫度變化造成的。因此，對測量的數(shù)據(jù)很難解釋，因此，該測量系統(tǒng)不盡理想。
如果相互作用產(chǎn)生的變差過大，那么數(shù)據(jù)的質(zhì)量會太低，從而造成測量數(shù)據(jù)無法利用。例如：具有較大變差的測量系統(tǒng)可能不適合用于分析制造過程，因為測量系統(tǒng)的變差可能掩蓋制造過程的變差。管理一個測量系統(tǒng)的許多工作集中在見識和控制其變差，其他的還需要把重點集中在了解測量系統(tǒng)與其環(huán)境有什么樣的相互作用，以便獲得可接受質(zhì)量的數(shù)據(jù)。
目的
本手冊的主要目的是為評估測量系統(tǒng)的質(zhì)量提供指南。盡管這指南一般而言可用于任何測量系統(tǒng)，但主要意圖是用于工業(yè)界的測量系統(tǒng)。本文件并不意圖成為對所有測量系統(tǒng)的一種分析總覽，而是主要用于那些對于每個零件的數(shù)據(jù)可以重復(fù)讀取的測量系統(tǒng)。許多分析對于其他形式的測量系統(tǒng)也是很有用的，且本手冊的確包含了參考意見和建議，但對于更復(fù)雜的貨不常用的方法本手冊沒有討論，建議使用者參考適宜的統(tǒng)計資源。本手冊也不涵蓋顧客對測量系統(tǒng)分析方法所要求的批準(zhǔn)。
術(shù)語
如果不建立一套術(shù)語來引述共同的統(tǒng)計特征和相關(guān)的測量系統(tǒng)要項，那么討論測量系統(tǒng)的分析可能會造成混淆和誤解。本節(jié)將用于本手冊的術(shù)語匯總?cè)缦隆?br /> 在本手冊中使用了以下術(shù)語：
l  測量(Measurement)被定義為”對某具體事物賦予數(shù)字(或數(shù)值)，以表示它們對于特定特性之間的關(guān)系“。這定義由C. Eisenhart(1963)首次提出。賦予數(shù)字的過程被定義為測量過程，而數(shù)值的指定被定義為測量值。
l  量具(Gage)是指任何用來獲得測量的裝置。經(jīng)常是特別用在工廠現(xiàn)場的裝置，包括通/止規(guī)(go/nogo device)。（另見參考文獻：ASTME456-96）
l  測量系統(tǒng)(Measurement system)是對測量但與進行量化或?qū)Ρ粶y的特性進行評估。其所使用的儀器或量具、標(biāo)準(zhǔn)、操作、方法、夾具、軟件、人員、環(huán)境及假設(shè)的集合：也就是說，用來獲得測量結(jié)果的整個過程。
由以上這些定義可以將測量過程堪稱一個制造過程，其產(chǎn)生的輸出就是數(shù)值(數(shù)據(jù))。這樣看待一個測量系統(tǒng)是很有用的，因為這樣讓我們明白已經(jīng)說明的所有的概念、原理和工具，這在統(tǒng)計過程控制中早已被證實他們的作用。
術(shù)語匯總
標(biāo)準(zhǔn)(Standard)
l  用于比較的可接受偏倚的準(zhǔn)則
l  一個已知的值，在不確定度(uncertainty)的指定范圍內(nèi)，被接受而為一真值(true value)
l  參考值(referencevalue)
標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該有一個可以操作的定義：該定義在由供方或顧客應(yīng)用時，將會產(chǎn)生同樣的結(jié)果，并在在過去、今天、將來都有同樣的含義。
基本的設(shè)備(Basic equipment)

l  分辨力(Discrimination)、可讀性(Readability)、分辨率(Resolution)
ü  別名：最小刻度單位、測量解析度、最小刻度極限、或探測的最小極限
ü  由設(shè)計所確定的固有特性
ü  一個儀器測量或輸出的最小刻度單位
ü  通常被現(xiàn)實為測量單位
ü  10比1的比例法則
l  有效解析度(Effectiveresolution)
ü  特定應(yīng)用條件下，一個測量系統(tǒng)對過程變差的敏感度
ü  可以導(dǎo)致測量有用的輸出信號的最小輸入
ü  通常被描述為一種測量單元
l  參考值(Referencevalue)
ü  某一物品的可接受數(shù)值
ü  需要一個可操作的定義
ü  常被用來代替真值使用
l  真值(truevalue)
ü  某一物品的真實數(shù)值
ü  不可知且無法知道的
位置變差(Location variation)
l  準(zhǔn)確度(Accuracy)
ü  與真值或可接受的參考值”接近”的程度
ü  在ASTM包括了位置及寬度誤差的影響

l  偏倚(Bias)
ü  觀測到測量值的平均值與基準(zhǔn)值之間的差值
ü  是測量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差所構(gòu)成
l  穩(wěn)定性(Stability)
ü  隨時間變化的偏倚值
ü  一個穩(wěn)定的測量過程在位置方面是出于統(tǒng)計上受控狀態(tài)
ü  別名：漂移(drift)

l  線性(Linearity)
ü  在量具正常工作量程內(nèi)的偏倚變化量
ü  多個獨立的偏倚誤差在量具工作量程內(nèi)的關(guān)系
ü  是測量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差所構(gòu)成

寬度變差(Width Variation)
l  精確度(Precision)
ü  每個重復(fù)讀數(shù)之間的“接近”程度
ü  是測量系統(tǒng)的隨機誤差所構(gòu)成
l  重復(fù)性(Repeatability)
ü  一個評價者使用意見測量儀器，對同一零件的某一特性進行多次測量下的變差
ü  是在固定的和已定義的測量條件下，連續(xù)(短期內(nèi))多次測量中的變差
ü  通常被稱為E.V.-——設(shè)備變差(Equipment Variation)
ü  設(shè)備(量具)能力或潛能
ü  系統(tǒng)內(nèi)部變差

l  再現(xiàn)性(Reproducibility)
ü  不同評價者使用相同的量具，測量一個零件的一個特性的測量平均值的變差
ü  在對產(chǎn)品和過程進行鑒定時，誤差可能是評價者、環(huán)境(時間)、或方法
ü  通常被稱為A.V.---——評價者變差(Appraiser Variation)
ü  系統(tǒng)之間(條件)的誤差
ü  在ASTME456-96包括：重復(fù)性、實驗室、環(huán)境以及評價者影響

l  GRR或量具的重復(fù)性和再現(xiàn)性(Gage R&R)
ü  量具的重復(fù)性和再現(xiàn)性：測量系統(tǒng)重復(fù)性和再現(xiàn)性的聯(lián)合估算值
ü  測量系統(tǒng)能力：取決于所用的方法，可能包括或不包括時間的影響

l  測量系統(tǒng)能力(MeasurementSystem Capability)
ü  測量系統(tǒng)變差的短期估計值(例：”GRR”，包括圖表法)
l  測量系統(tǒng)性能(MeasurementSystem Performance)
ü  測量系統(tǒng)變差的長期估計值(例：長期控制圖法)
l  敏感度(Sensitivity)
ü  能導(dǎo)致可探測到的輸出信號的最小輸入
ü  測量系統(tǒng)對被測特性變化的感應(yīng)度
ü  取決于量具設(shè)計(分辨力)、固有質(zhì)量(OEM)、使用起見的維修，以及測量儀器與標(biāo)準(zhǔn)的操作情況
ü  通常被描述為一種測量單元
l  一致性(Consistency)
ü  隨時間重復(fù)性變化的程度
ü  一致的測量過程是在寬度(變差)方面處于統(tǒng)計上受控狀態(tài)

l  均一性(Uniformity)
ü  在正常工作范圍內(nèi)重復(fù)性的變化
ü  重復(fù)性的同義詞

系統(tǒng)變差(System Variation)
測量系統(tǒng)的變差可分為
l  能力(Capability)
ü  短期內(nèi)讀數(shù)的變化量
l  性能(Performance)
ü  長期讀數(shù)的變化量
ü  以總變差(totalvariation)為基礎(chǔ)
l  不確定性(Uncertainty)
ü  有關(guān)被測值得數(shù)值估計范圍，相信真值都被包括在該范圍內(nèi)
測量系統(tǒng)必須穩(wěn)定并且一致
測量系統(tǒng)的總變差的所有特征是假設(shè)該系統(tǒng)穩(wěn)定并且一致。例如：變差的組成部分可能包括I-B I所示項目中的任何組合。

標(biāo)準(zhǔn)及可追溯性
國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會(National Institute of Standards and Technology，NIST)是美國主要的國家測量協(xié)會(National Measurements Institute，NMI)，它屬于美國商業(yè)部(U.S. Department of Commerce)。NIST的前身是國家標(biāo)準(zhǔn)局(National Bureau of Standards，NBS)，是美國度量衡(metrology)的最高權(quán)力機構(gòu)。NIST的主要職責(zé)是提供測量服務(wù)以及保存測量標(biāo)準(zhǔn)，從而幫助美國工業(yè)界建立可追溯的測量，最終能為產(chǎn)品和服務(wù)的貿(mào)易提供幫助。NIST為許多行業(yè)直接提供這種服務(wù)，但主要是給那些需要高準(zhǔn)確度產(chǎn)品以及在過程中結(jié)合目前測量科技進步水準(zhǔn)的行業(yè)提供服務(wù)。
國家測量協(xié)會
世界上許多工業(yè)化公家維持了他們與NIST相似的NMI，也為他們的相關(guān)行業(yè)提供高水準(zhǔn)的度量衡標(biāo)準(zhǔn)或測量服務(wù)。NIST與其他國家的NMI合作研究，從而確保在一個國家進行的測量不會與另一個國家不同。該項工作通過各個NMI之間的互相認可協(xié)定(Mutual RecognitionArrangements，MRAs)，并進行互相實驗比對(inter-laboratorycomparisons)來完成。有一點要注意，這些各國的NMI的能力有差別，并且不是所有類型的測量均在一個共同標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進行比較，所以會存在差別：這就是為什么要了解追溯到是誰的測量，以及是如何進行追溯的重要性。
可追溯性
對商品和服務(wù)的貿(mào)易追溯是一個非常重要的概念。測量可以追溯到形同或類似的標(biāo)準(zhǔn)，比不能追溯的測量更將容易達成互相承認。可追溯的測量還可幫助減少重新試驗的要求，以及好產(chǎn)品的拒收與壞產(chǎn)品的接收。
可追溯性在ISO國際基本和通用的度量衡術(shù)語詞匯(ISO International Vocabulary of Basic and GeneralTerms in Metrology, VIM)中的定義為：
“通過一個完整的比較鏈追溯到規(guī)定的參考標(biāo)準(zhǔn)(通常為國家或國際標(biāo)準(zhǔn))的測量特性或標(biāo)準(zhǔn)值，都具有一定的不確定度�！�
建立一個測量的可追溯性一般可以通過一條比較鏈追溯到NMI。但是在工業(yè)界的許多情況下，測量的可追溯性可能追溯到顧客和供方雙方同意的參考值或”一致的標(biāo)準(zhǔn)”。這些達成一致的標(biāo)準(zhǔn)和NMI之間的可追溯性也許不是總能清晰地被理解，所以，最關(guān)鍵的是測量能夠追溯到滿足顧客需求的程度。隨著測量系統(tǒng)在工業(yè)界中的測量技術(shù)提升和目前科技進步水準(zhǔn)，測量追溯到哪里和如何追溯的定義將成為一個不斷進化的概念。

圖I-A1:長度測量的可追溯性鏈舉例
NMI與不同國家實驗室、量具供方、科技開發(fā)制造商等密切合作，從而確保他們的參考標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過適當(dāng)?shù)男?zhǔn)，并且能夠直接追溯到NMI所保存的標(biāo)準(zhǔn)。這些政府和私人工業(yè)機構(gòu)然后可以使用他們的標(biāo)準(zhǔn)，來為他們的客戶的度量衡或量具實驗室、校準(zhǔn)工作或其他的初級標(biāo)準(zhǔn)提供校準(zhǔn)和測量服務(wù)。這些情況的連結(jié)或鏈將應(yīng)用在工廠的現(xiàn)場，并提供基本的測量可追溯性。這個可以通過這種完整的測量鏈回溯到NIST的測量被稱為可追溯到NIST。
不是所有的組織都有自己的內(nèi)部計量或量具實驗室，因此，他們必須依靠外部的商業(yè)/獨立實驗室來提供可追溯的標(biāo)準(zhǔn)和測量服務(wù)，如果商業(yè)/獨立實驗室的能力已通過實驗室認可來保證，以上方法是獲得可追溯到NIST的可接受和適應(yīng)的方法。
校準(zhǔn)系統(tǒng)
校準(zhǔn)系統(tǒng)是一套在特定環(huán)境下位測量工具與已知參考的并具有不確定性的可追溯標(biāo)準(zhǔn)建立橋梁的操作體系。校準(zhǔn)也可通過一些措施，包括檢測，關(guān)聯(lián)，報告，或消除來調(diào)整任何正被比較的測量設(shè)備的精度差異。
校準(zhǔn)系統(tǒng)通過對校準(zhǔn)的方法與標(biāo)準(zhǔn)的使用決定了測量系統(tǒng)的測量可追溯性。
可追溯性是有具有適當(dāng)計量能力或測量不確定性的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)所引起的各類校準(zhǔn)是想的傳輸鏈。每一個校準(zhǔn)是想都包含了所有的必要元素，這些元素包括：標(biāo)準(zhǔn)、所有正在被驗證的測量與測試設(shè)備，校準(zhǔn)的方法與程序，記錄檔案以及經(jīng)審查合格的人員。
一個組織可能有一個專門控制并維持各類校準(zhǔn)是想元素的內(nèi)在校準(zhǔn)實驗室或團體。這些內(nèi)在實驗室將保持一個已明細出具體校準(zhǔn)能力以及用于執(zhí)行校準(zhǔn)的設(shè)備和方法/程序的實驗范圍。
校準(zhǔn)系統(tǒng)是一個組織機構(gòu)的質(zhì)量管理體系的一部分，因此它應(yīng)符合任何內(nèi)部審計的要求。
測量保證程序(MAPs)能被用于驗證整個校準(zhǔn)系統(tǒng)測量程序的可接受性。一般的測量保證程序(MAPs)在通過對同一特征或參數(shù)進行一個二次獨立測量后將包含一個對測量體系結(jié)果的審核。對立測量意味著二次測量程序的可追溯性是有那些作用于最初測量的校準(zhǔn)是想的一個單獨傳輸鏈所派生的。MAPs可能也包含了對于SPC的運用，一邊對于測量程序的長期穩(wěn)定進行追蹤。
注：ANSI/NCSLZ540.3以及ISO 10012分別為許多校準(zhǔn)系統(tǒng)額元素提供了模型。
當(dāng)校準(zhǔn)時間由外部的，商業(yè)的或獨立的校準(zhǔn)服務(wù)供應(yīng)商進行執(zhí)行時，這些服務(wù)供應(yīng)商的校準(zhǔn)體系能(或者可以)在進行ISO/IEC17025標(biāo)準(zhǔn)后得到審核驗證。當(dāng)一個合格的實驗室無法使用設(shè)備時，校準(zhǔn)服務(wù)能被設(shè)備制造商進行執(zhí)行。
真值
測量過程目標(biāo)是零件的”真“值。希望任何個別的讀數(shù)能盡可能地(經(jīng)濟地)與真值接近。不幸的是，真值永遠不能確切地得到。然而，給予作業(yè)上完善地定義一個特征的參考值，以及使用具有產(chǎn)生更高分辨力并可追溯到NIST的測量系統(tǒng)，能夠使這種不確定度減到最低。因為參考值常被用于對真值的替代，這些術(shù)語通常被互換使用；但不建議這種互換使用。

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