測量系統(tǒng)分析操作指南測量系統(tǒng)分析第一節(jié)通用測量系統(tǒng)指南在SPC中已涉及到測量系統(tǒng)的一些知識，測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量是過程控制的重要基礎(chǔ)。正確地選擇與運用測量系統(tǒng)，能保證較低的測量成本獲得高質(zhì)量的測量數(shù)據(jù)。一、幾個重要概念1.測量過程和測量值賦值給具體的事務(wù)的表示事物特性的過程叫做測量過程。測量值即測量數(shù)據(jù)，是該過程的輸出。2.量具任何用來獲得測量結(jié)果的裝置，經(jīng)常是指在車間使用的測量裝置，也包括通過不通過的測量裝置。3.測量系統(tǒng)用來測量的儀器、設(shè)備、軟件、程序、操作以及操作人員的集合和過程。4.測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，可以從以下幾個方面來描述：①測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量是以穩(wěn)定條件下運行的測量系統(tǒng)的多次測量結(jié)果的統(tǒng)計特性來描述。②測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量通常用偏倚和方差表示，理想的質(zhì)量是零偏倚、零方差。③測量數(shù)據(jù)質(zhì)量低的最普遍原因表現(xiàn)為數(shù)據(jù)的變差。變差是測量系統(tǒng)和環(huán)境之間交互作用的結(jié)果。絕大多數(shù)變差是不期望的，但能反映被測特性微小變化的變差是有意義的，它反映了測量系統(tǒng)的靈敏度。二、測量系統(tǒng)的統(tǒng)計特性這里簡要說明測量系統(tǒng)必須具備的統(tǒng)計特性。1.統(tǒng)計穩(wěn)定性：測量系統(tǒng)必須處于統(tǒng)計控制中，這意味著變差只能由普通原因而不是特殊原因產(chǎn)生。2.測量系統(tǒng)的變異小于制造過程的變異。3.測量系統(tǒng)的變異小于公差帶。4.測量系統(tǒng)的增量（一般可理解為刻度值）應(yīng)小于制造過程的變差或設(shè)定限值（公差帶）兩者較小者，一般為1/10。5.測量系統(tǒng)的統(tǒng)計特性可能隨被測的項目而變化，則測量系統(tǒng)的最大變差必須小于過程變異或公差帶中較小者。三、標(biāo)準(zhǔn)在美國，計量的最高標(biāo)準(zhǔn)保持在國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所NIST。從NIST傳遞下來的標(biāo)準(zhǔn)，稱為一級標(biāo)準(zhǔn)。從第一級標(biāo)準(zhǔn)，再往下傳遞，稱為第二級標(biāo)準(zhǔn)。第一級標(biāo)準(zhǔn)和第二級標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常為私人公司所擁有，由公司的計量部門保持和使用。第二級標(biāo)準(zhǔn)再往下傳遞的下一級，稱為工作標(biāo)準(zhǔn)。工作標(biāo)準(zhǔn)通常用來校準(zhǔn)生產(chǎn)過程的測量系統(tǒng)。工作標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)常由生產(chǎn)人員保持和使用。應(yīng)用適當(dāng)?shù)男?zhǔn)程序，保證從最低一級標(biāo)準(zhǔn)可以一直溯源至NIST。這稱之為可追溯性。國家標(biāo)準(zhǔn)一級標(biāo)準(zhǔn)二級標(biāo)準(zhǔn)工作標(biāo)準(zhǔn)（NIST）私人公司、（企業(yè)計量部門）（生產(chǎn)人員）政府科研機(jī)構(gòu)一個機(jī)構(gòu)沒有自己的計量部門時，可以選用機(jī)構(gòu)外的計量機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)稱為“校準(zhǔn)試驗室”。對于精度最重要的是測量系統(tǒng)，使用可溯源標(biāo)準(zhǔn)是保證系統(tǒng)精度的唯一方法。可溯源標(biāo)準(zhǔn)的使用有助于減少生產(chǎn)者和顧客在測量上不一致產(chǎn)生的矛盾。校準(zhǔn)與檢定的區(qū)別校準(zhǔn)檢定對象測量設(shè)備計量器具形式企業(yè)自主行為，無法律效應(yīng)依法進(jìn)行，有法律效應(yīng)目的以評定數(shù)字誤差為主評定全部的計量特性符合法定要求適用范圍用于質(zhì)量管理用于社會計量監(jiān)督四、通用指南1.評定前的兩個步驟①驗證該測量系統(tǒng)是否在測量正確的變量，如果不是，系統(tǒng)再精密，也是徒勞的。②確定該測量系統(tǒng)必須具備什么樣的統(tǒng)計特性才是可接收的。2.評定工作的兩個階段①第一階段：確定測量系統(tǒng)是否滿足需要。第一階段的兩個目的：a.通過試驗確定系統(tǒng)是否具有所需要的統(tǒng)計特性；b.通過試驗找出對系統(tǒng)有顯著影響的環(huán)境因素，以確定對使用環(huán)境的要求。第二階段：通過試驗驗證系統(tǒng)能否持續(xù)地具備所需的統(tǒng)計特性。常見的量具的雙性（R&R）是本階段試驗的一種形式。這些試驗通常作為機(jī)構(gòu)正常校準(zhǔn)程序、維護(hù)程序和計量程序的一部分日常工作進(jìn)行。3.試驗程序應(yīng)文件化文件應(yīng)包括如下內(nèi)容：a.示例；b.選擇待測項目和試驗程序應(yīng)用環(huán)境的規(guī)范。典型地，這些規(guī)范應(yīng)是采用試驗統(tǒng)計設(shè)計的形式；c.如何收集、記錄、分析數(shù)據(jù)的詳細(xì)說明；d.關(guān)鍵術(shù)語和概念可操作的定義；e.如果程序需要使用特殊標(biāo)準(zhǔn)，例如從NIST得到的哪些標(biāo)準(zhǔn)，那么該試驗文件應(yīng)包括這些標(biāo)準(zhǔn)的儲存、維護(hù)和使用說明。五、試驗程序的選擇和制定這里講的試驗是評定測量系統(tǒng)統(tǒng)計特性的試驗。試驗的方法和程序是多種多樣的，依賴于測量系統(tǒng)的具體情況來選定。選定試驗評定方法，一般應(yīng)考慮的問題有：1.采用哪一級的計量用標(biāo)準(zhǔn)？是否可溯源到國家標(biāo)準(zhǔn)？2.對于R&R試驗，應(yīng)考慮使用“盲測”。盲測是指在實際測量環(huán)境下，操作者事先不知正在對該測量系統(tǒng)進(jìn)行評定的情況下進(jìn)行測量。3.試驗成本。4.試驗所需時間。5.對術(shù)語作出明確可操作的定義。如準(zhǔn)確度、精確度、重復(fù)性、再現(xiàn)性等。6.兩個測量系統(tǒng)的比對試驗。7.第二階段試驗，應(yīng)每隔多長時間進(jìn)行一次？第二節(jié)評定測量系統(tǒng)的程序一、引言1.程序的涉及范圍本測量系統(tǒng)程序用于評定以下統(tǒng)計特性：重復(fù)性、再現(xiàn)性、偏倚、穩(wěn)定性及線性。這些程序有時通稱“量具R&R”程序。因為經(jīng)常用來評價再現(xiàn)性與重復(fù)性這兩項統(tǒng)計特性。測量系統(tǒng)的評價試驗還應(yīng)包括研究其它因素（如溫度、光線等）對系統(tǒng)變差的影響，但本章的內(nèi)容不涉及。2.評價一個測量系統(tǒng)需要確定的三個基本問題：①是否有足夠的分辨率？②隨時間變化是否保持穩(wěn)定？③統(tǒng)計性能在預(yù)期范圍內(nèi)是否一致，用于過程控制是否可接收？3.測量系統(tǒng)變差的五種形式測量系統(tǒng)誤差可以反成五種類型：偏倚、重復(fù)性、再現(xiàn)性、穩(wěn)定性及線性。研究測量系統(tǒng)的目的之一是獲得測量系統(tǒng)與環(huán)境假互作用時，該系統(tǒng)有關(guān)測量變差量和類型的信息。應(yīng)用這種研究可提供：1）接收新測量設(shè)備的準(zhǔn)則；2）一種測量設(shè)備與另一種的比較；3）評價懷疑有缺陷的量具的根據(jù)；4）維修前后測量設(shè)備的比較；5）計算過程變差，以及生產(chǎn)過程的可接收水平；6）作出量具特性曲線（GPC）的必要信息。①偏倚（Bias）：測量觀察平均值與物體采用精密儀器測量的標(biāo)準(zhǔn)平均值之差值。偏倚常常被稱為“準(zhǔn)確度”。見MSA手冊P16（圖1）。②重復(fù)性（Repeatiblity）：同一個評價人，采用同一種測量儀器，多次測量同一零件的同一特性時獲得的數(shù)據(jù)的變差。見MSA手冊P17（圖2）。③再現(xiàn)性（Reproducibility）：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數(shù)據(jù)均值的變差。見MSA手冊P17（圖3）。④穩(wěn)定性（Stablity）：又稱飄移，是測量系統(tǒng)在某持續(xù)時間內(nèi)測量同一基準(zhǔn)或零件的單一特性時獲得的測量值總變差。見MSA手冊P17（圖4）。⑤線性（Linearity）：量具在預(yù)期工作范圍內(nèi)，偏倚的變化。見MSA手冊P18（圖5）。二、測量系統(tǒng)分析測量系統(tǒng)分析的目的是為了了解變差的原因。在本節(jié)除了分析變差的五種類型外，還要分析測量系統(tǒng)的分辨率。測量系統(tǒng)分析的前提是被測零件不受測量改變或破壞。1.測量系統(tǒng)的分辨率（Resolution）①所謂測量系統(tǒng)的分辨率，是指測量系統(tǒng)檢出并如實指示被測特性微小變化的能力。見MSA手冊P20（圖6）。②測量系統(tǒng)可接收的分辨率是：能夠測出過程的變差，包括特殊原因變差。③建議的可視分辨率：測量儀器的最小增量即為可視分辨率。建議可視分辨率應(yīng)小于等于過程標(biāo)準(zhǔn)差?6倍的十分之一。即：可視分辨率≤6?/10④不足的分辯率在極差圖上的表現(xiàn)在控制圖的控制限內(nèi)，只有1～3個極差數(shù)值，或有4個極差數(shù)值，但超過1/4為0時，測量系統(tǒng)的分辨率是不足的，如P21圖7所示。在控制限內(nèi)，只有兩個極差數(shù)值0，－0.01，顯然這種極差控制圖是不能正確識別變差的特殊原因。2.穩(wěn)定性①區(qū)分兩種穩(wěn)定性a.隨時間變化系統(tǒng)偏倚的總變差。b.統(tǒng)計穩(wěn)定性，它包含重復(fù)性、偏倚、一般過程等。我們可以通過控制圖方法來確定統(tǒng)計穩(wěn)定性。如果測量過程是統(tǒng)計控制的，那就確認(rèn)該測量系統(tǒng)具有統(tǒng)計穩(wěn)定性。②研究測量系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法應(yīng)用控制圖技術(shù)來研究測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。與過程研究不同，在研究測量系統(tǒng)時，要使用標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)樣件。而且謹(jǐn)慎保持標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)樣件在良好條件下，不隨時間而帶來測量結(jié)果的偏倚。有關(guān)控制圖的技術(shù)和應(yīng)用，已在SPC手冊作個介紹。在分析測量系統(tǒng)控制圖時，需要運用廣泛的有關(guān)測量系統(tǒng)的專業(yè)知識和經(jīng)驗，避免對測量系統(tǒng)采取不適當(dāng)?shù)拇胧炊鴷黾幼儾睢?.偏倚用以下方法測量偏倚：①在精密測量設(shè)備獲得被測樣件或標(biāo)準(zhǔn)器件的基準(zhǔn)值。②使用被研究的測量系統(tǒng)測量該樣件或標(biāo)準(zhǔn)器件，次數(shù)≥10，求均值。③偏倚=觀測平均值－基準(zhǔn)值。④偏倚占過程變差百分比=偏倚/過程變差×100%。⑤見P26、P27頁示例。注：過程變差=6?極差容差：與標(biāo)準(zhǔn)的允許偏差，即變差在公稱值附近的允許范圍。允許公差是規(guī)定上、下限之差值。規(guī)定限值不應(yīng)與控制限值相混淆。4.重復(fù)性和再現(xiàn)性①造成重復(fù)性誤差的兩個一般原因是：a.儀器自身的變差；b.零件在儀器中的位置。②重復(fù)的確定在極差圖受控制的情況下，重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差（亦稱儀器變差）為：?=R/d如果用正態(tài)分布的99%的點來表示重復(fù)性誤差，則可按下式計算：5.15(R/d)假如試驗次數(shù)為2時,d=1.128，則上式可以簡化為4.65R。③再現(xiàn)性的確定再現(xiàn)性用評價人平均值的極差R。求出標(biāo)準(zhǔn)差??=R/dR：不同的評價人平均值的最大值與最小值之差。④測量系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)差?=R/d汽車基地測量系統(tǒng)的變差，或稱量具雙性R&R：量具R&R=5.15?,它表示正態(tài)分布99%的范圍。⑤如果重復(fù)性比再現(xiàn)性大，原因可能是：a.儀器需要維護(hù)；b.量具應(yīng)重新設(shè)計來提高剛度；c.夾緊和檢驗點需要改進(jìn)；d.存在過大的零件內(nèi)變差。⑥如果再現(xiàn)性比重復(fù)大，那么可能的原因有：a.評價人員需要更好的培訓(xùn)如何使用量具儀器和讀數(shù)；b.量具刻度盤上的刻度不清楚；c.需要某種夾具幫助評價人提高使用量具的一致性。⑦示例見手冊P55、56、57、58、59、60。⑧量具重復(fù)性和再現(xiàn)性（R&R）的可接收準(zhǔn)則是：a.低于10%的誤差—測量系統(tǒng)可接收；b.10%～30%的誤差—根據(jù)應(yīng)用的重要性，量具成本，維修的費用等可能是可接收的；c.大于30%的誤差—測量系統(tǒng)需要改進(jìn)。進(jìn)行各種努力發(fā)現(xiàn)問題并改正。5.線性線性的研究是采用線性擬合的方法。用偏倚與不同基準(zhǔn)值擬合直線斜率乘以零件的過程變差代辦量具的線性指數(shù)。6.計量型量具研究(小樣法)零件名稱：GN-125鎖緊螺母量具名稱：螺紋塞規(guī)日期：被測參數(shù)：內(nèi)螺紋量具編號：03-車-0016#操作者：規(guī)格：M10×1.25量具類型：7HA評價人B評價人數(shù)量12341GGGG2GGGG3GGGG4NGNGNGNG5GGGG6NGNGNGNG7GGGG8GGGG9GGGG10GGGG11NGNGNGNG12GGGG13GGGG14GGGG15GGGG16GGGG17NGNGNGNG18GGGG19GGGG20GGGG備注：G：通；NG：不通。4#、6#、11#、17#為預(yù)先設(shè)置的不合格零件。結(jié)論：本測量系統(tǒng)合格。分析人：日期：7．計量型量具研究(重復(fù)性與再現(xiàn)性分析法)量具重復(fù)性和再現(xiàn)性數(shù)據(jù)表評價人/試驗次數(shù)零件平均值123456789101．A10.651.000.850.850.551.000.950.851.000.600.832．20.601.000.800.950.451.000.950.801.000.700.8253．34．均值0.6251.000.8250.900.501.000.950.8251.000.65Xa=0.82755．極差0.050.000.050.100.100.000.000.050.000.10Ra=0.0456．B10.551.050.800.800.401.000.950.751.000.550.7857．20.550.950.750.750.401.050.900.700.950.500.758．39．均值0.551.000.7750.7750.401.0250.9250.7250.9750.525Xb=0.767510．極差0.000.100.050.050.000.050.050.050.050.05Rb=0.04511．C10.501.050.800.800.451.000.950.801.050.850.82512．20.551.000.800.800.501.050.950.801.050.800.8313．314．均值0.5251.0250.800.800.4751.0250.950.801.050.825Xc=0.827515．極差0.050.050.000.000.050.050.000.000.000.05Rc=0.03016．零件均值（Xp）0.5671.0080.800.8250.4581.0170.9420.7831.0080.667X=0.8075Rp=0.55917．［Ra=0.045］+［Rb=0.045］+［Rc=0.030］/［#評價人數(shù)=3］R=0.0418．［MaxX=0.8275］—［MinX=0.7675］=XDIFF0.0619．R*D4=UCLR0.1320．R*D3=LCLR0.00注：2次試驗時D4=3.273次試驗時D4=2.58。7次試驗以內(nèi)D3=0；UCLR