测量系统分析
测量系统分析
随机误差和系统误差：
随机误差——突然发生、不可预测、可通
过重复测量避免
可能源于：环境因素的波动
测量位置的不同
人员作业的偶然性
仪器、设备的重复特性
Reproducibility）
不同的测量人员、使用不同设备、在不同
X¯¯b
X¯¯a
X¯¯c
重复性与再现性——R&R
Gage Repeatability & Reproducibility）
测量趋势图
测量线性和准确度研究测量重复性和再现性测量重复性和再现性属性测量
考虑人与部件的交互作用，选方差分析法（ANOVA），不考虑时，选Xbar& R分析法判断交互作用α值
适用于破坏性测试，每一个操作者针对的零件都是唯一的，所以不存在operator by part的交互作用
测量人员各自的可重复性测量人员各自的正确性漏判率& 错判率
测量系统的可重复性测量系统的正确性。
测量系统分析(MSA)-实例
03 实例测量系统分析
偏倚分析
确定测量系统的准确性
通过比较测量系统所得结果与已知标准值或参考值之间的差异， 评估测量系统的偏倚程度。
计算偏倚值
将测量系统的结果与标准值或参考值进行对比，计算出偏倚值。
判断偏倚是否可接受
根据所允许的偏倚范围，判断测量系统的偏倚是否在可接受的范围 内。
线性分析
1 2
测量系统分析（MSA）-实例
目录
• 测量系统分析概述 • 实例选择与数据收集 • 实例测量系统分析 • 实例测量系统评价 • 实例总结与改进建议
01 测量系统分析概述
定义与目的
定义
测量系统分析（MSA）是对测量系 统的误差来源、大小及分布进行评 估的过程。
目的
识别测量系统的变异性来源，确 保测量系统能够满足产品质量和 过程控制的要求。
测量系统分析的重要性
提高产品质量的可预测性和可靠性
01
通过对测量系统进行全面分析，可以了解测量误差的大小和分
布，从而更准确地预测产品质量。
优化生产过程控制
02
准确的测量数据是生产过程控制的基础，对测量系统进行有效
的分析有助于提高过程控制的稳定性和有效性。
降低成本
03
通过减少测量误差，可以减少重复测量、检验和返工等不必要
的操作，从而降低生产成本。
测量系统分析的步骤
确定分析范围和对象
明确需要分析的测量设备、工 具或方法，以及相关的操作人
员和环境条件。
数据收集
收集一定数量、具有代表性的 测量数据，包括重复测量、再 现性数据等。
数据分析
对收集到的数据进行统计分析 ，识别测量系统的变异性来源 。
结果评估与改进
第八章测量系统分析-1
第八章测量系统分析（Measurement Systems Analysis，MSA）一、有关术语及定义1、测量系统——一套组装的并适用于特定量在规定区间内给出测得值信息的一台或多台测量仪器，通常还包括其他装置，诸如试剂和电源。
1）一个测量系统可以仅包括一台测量仪器。
注：测量系统——是用来获得测量结果的整个过程。
▲2、测量仪器（计量器具）——单独或与一个或多个辅助设备组合，用于进行测量的装置。
1）一台可单独使用的测量仪器是一个测量系统。
2）测量仪器可以是指示式测量仪器，也可以是实物量具。
3、测量设备——为实现测量过程所必需的测量仪器、软件、测量标准、标准物质、辅助设备或其组合。
4、示值——由测量仪器或测量系统给出的量值。
5、示值误差——测量仪器示值与对应输入量的参考量值之差。
6、分辨力——引起相应示值产生可察觉到变化的被测量的最小变化。
7、显示装置的分辨力——能有效辨别的显示示值间的最小差值。
8、仪器偏移——重复测量示值的平均值减去参考量值。
9、测量仪器的稳定性——测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力。
简称稳定性。
稳定性可用几种方式量化：1）用计量特性变化到某个规定的量所经过的时间间隔表示。
2）用计量特性在规定时间间隔内发生的变化表示。
10、仪器漂移——由于测量仪器计量特性的变化引起的示值在一段时间内的连续或增量变化。
1）仪器漂移既与被测量的变化无关，也与任何认识到的影响量的变化无关。
11、影响量引起的变差——当影响量依次呈现两个不同的量值时，给定被测量的示值差或实物量具提供的量值差。
1）对实物量具，影响量引起的变差是影响量呈现两个不同值时其提供量值间的差值。
12、影响量——在直接测量中不影响实际被测的量，但会影响示值与测量结果之间关系的量。
例：1）用安培计直接测量交流电流恒定幅度时的频率。
2）测量某杆长度时测微计（千分尺）的温度。
13、测量重复性——在一组重复性测量条件下的测量精密度。
简称重复性。
测量系统分析
1.00
0.75
0.50
1
2
3ple
Range图M e应as u该r e显me n示t h一O个pe受ra t控o r 过
程。 1.00
0.75 如果有一点落在UCL上方, 操
0.50 作员在进行一致的测量时将
会有1问题。
2
3
Range图可以帮O p e助r a识t o r别不足的
A
A = 2.25
B = 2.00 B
1
2
3
第二个刻度的分辨率比两个被 测对象之间的差异要小，被测 对象将产生不同的测量结果， 分辨力为0.01。
测量仪器的分辨率必须小于或等于规范或过程变差的10%。
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准确性
测量的准确性（又称为偏倚）是测量所得的平均值与真实值 的差别。
基准值
9 10
0.75
0.50
1
2
3
Operator
Operator 乘 Sample 交互作用
1.00 0.75 0.50
Operator 1 2 3
平均
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Sample
样本均值
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变异分量
% 贡献
Gage R&R X / R 图 200
% 研究变异
(TV )2 (PV )2 ( AV )2 (EV )2
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连续数据测量系统分析
数据收集原则
测量者
1
2
3
被测对象 1 2 ......
10
测量次数 1 2
12
2~3个测量者
测量系统分析(MSA)
测量系统分析（MSA）测量系统可分为“计数型”及“计量型”测量系统两类。
测量后能够给出连续性的测量数值的为计量型测量系统；而只能定性地给出测量结果的为计数型测量系统。
“计量型”测量系统分析通常包括(Bias)、稳定性(Stability)、(Linearity)、以及重复性和再现性(Repeatability&Reproducibility，简称R&R)。
在测量系统分析的实际运作中可同时进行，亦可选项进行，根据具体使用情况确定。
测量：是指以确定实体或系统的量值大小为目标的一整套作业。
我们通常用分辨力、偏倚、稳定性、线性、重复性和再现性等评价测量系统的优劣，并用它们控制测量系统的偏倚和波动，以使测量获得的数据准确可靠。
有效测量的十原则：1.确定测量的目的及用途。
一个尤其重要的例子就是测量在质量改进中的应用。
在进行最终测量的同时，还必须包括用于诊断的过程间测量。
2.强调与顾客相关的测量，这里的顾客包括内部顾客与外部顾客。
3.聚集于有用的测量，而非易实现的测量。
当量化很困难时，利用替代的测量至少可以提供关于输出的部分理解。
4.在从计划到执行测量的全程中，提供各个层面上的参与。
那些不使用的测量最终会被忽略。
5.使测量尽量与其相关的活动同时执行，因为时效性对于诊断与决策是有益的。
6.不仅要提供当期指标，同时还要包括先行指标和滞后指标。
对现在及以前的测量固然必要，但先行指标有助于对未来的预测。
7.提前制订数据采集、存储、分析及展示的计划。
8.对数据记录、分析及展示的方法进行简化。
简单的检查表、数据编码、自动测量等都非常有用，图表展示的方法尤为有用。
9.测量的准确性、完整性与可用进行阶段评估。
其中，可用性包括相关性、可理解性、详细程度、可读性以及可解释性。
10.要认识到只通过测量是无法改进产品及过程。
基本概念：3.稳定性：测量系统保持其位置变差和宽度变差随时间恒定的能力。
4.偏倚：观测平均值（在重复条件下的测量）与一参考值之间的差值。
测量系统分析(MSA)
稳定性好
真值 时间 1
时间 1
真值
稳定性差
时间 2
时间2
时间 3
时间3
Y的测量系统评价 对散布的评价
- 精密度 : 根据测量系统反复性和再现性的总变动
- 反复性 : 重新测量也有相同的结果吗 ?
- 再现性 : 用其他测量系统也有相同的结果吗 ?
Y的测量系统评价
精密度
- 测量系统中的总散布 术语: 随机误差（ Random Error ）， 分散（ Spread ）， 测试/再测试误差（ Test/Retest error ） 重复性和再现性
据的信赖性,通过研究测量系统所发生的 Nhomakorabea动对工程散布的影响,从 而判断该测量系统的适合性
MSA 概要
测量系统评价的重要性
1.测量数据 1)作为分析判断的基本依据,有必要评价其信赖性; 2)依据测量系统进行观测和评价
2.测量系统的分析 是6SIGMA活动的最基本的工作和最重要的部分之一
3.测量系统分析被强调的原因 1)所有的产品通常都是由许多部件构成的; 2)产品的小型化趋势使产品的误差界限缩小; 3)部件更换或组装时通常要求有互换性; 4)为了能大量生产,通常有增大自动组装的必要性
计量型数据的 Gage R&R P/T 比
P / T = 5.15*s MS
Tolerance
一般用 %表现
说明有多少百分比的公差 由测量误差所占据
包括重复性和再现性
作为目标，我们追求 P/T < 30%
注意 : 5.15标准偏差占测量系统散布的 99%. 5.15是产业标准.
计量型数据的 Gage R&R
70
80
Process
测量系统分析(MSA)
观测平均 Observed Average
偏倚
图2 偏倚变差示意图
三、测量系统变差的种类与定义释
2.精密度（Precision）
精密度或称变差（Variation），是指利用同一量具，重复 测量相同工件同一质量特性，所得数据之变异性。这里的变 差主要分为两种：一种是重复性变差，另一种是再现性变差。 精密度变差越小越好。
改善的着力点，确定是进行人员培训，还是调整测量方法或调 整仪器。
一、测量系统分析（MSA）
4.MSA评估的仪器和责任人员 ☆测量系统一般由仪校人Βιβλιοθήκη 或品质部的负责人来主导，由参与检测或
试验人员来测量，以提供测量数值。不可以由品质部领导或仪校人 员来测量和提供数值，需要特别注意的是：测量人员不可知道自己 上次测量结果和别人测量结果，要保证盲测。MSA要识别的误差是 测量人员、设备、环境、方法、标准值导致的误差，品质部领导和 仪校人员一般不亲自测量产品，所以分析他们的测量数据基本没有
二、为什么要进行测量系统分析
1.标准要求
☆ IATF16949第7.1.5.1.1条：测量系统分析 应进行统计研究，分析每种测量和测试设备系统的结果中
出现的变差。本要求适用于控制计划中引用的测量系统。分 析方法和验收标准应符合测量系统分析参考手册。如果顾客 认可，其他分析方法和接受标准也可以使用。记录应保持顾 客接受替代方法。
许出现，但超过规范就不能接受。 7.稳定性变差
随着时间的推移，偏倚变差的波动。如下图所示。如果随 着时间推移偏倚值越大，稳定性差不可接受。
稳定性
时间1
图6 稳定性变差示意图
时间2
三、测量系统变差的种类与定义
8.线性变差 线性变差即偏倚值，是用来测量基准值存在的线性关系。
测量系统分析
T 6
C pk
或：
T 2eT T 2e 6 T 6 6
Cpk Min(
USL LSL , ) 3 3
例2:测试一批零件外径尺寸的平均值 =19.0101 s=0.0143，规格要求 0.04 为 ，试计算过程能力指数并估计不合格品率 19 0.03
K CP
K不好,CP好
K好,CP好
K不好,CP不好
K好,CP不好
提高过程能力指数的途径
Cpk Cp * (1 k ) T X (1 ) 6 T/2
调整加工过程的分布中心，减少偏移量K，即: X
应以制造单位为主,技术为副,品管为辅
提高过程能力Cp,即减少分散程度σ ;
解：
C pu
USL 3 7 1 7 0.2 3 0 .2 4 1 .1 1
(2)仅有规格下限（Tl） 说明：当只有单侧规格时，此时的单侧过程能力指即为CPK
●计算公式：
C pl
f （x ）
Lsl 3
μ-TL
σ
TL
μ
x
例3 要求零件淬火后的硬度≥HRC 71，实测数据后计算得 ；S＝1，试计算过程能力指数Cpk 解：
解：由题意：
计算cpk
Usl 19.04 Usl Lsl 19.005 x 19.0101 2
Lsl 18.97
T 0.07
e x 19.005 19.0101 0.0051 T 2e 0.07 2 0.0051 0.70 6S 6 0.0143 2 19.005 19.0101 k 0.145 0.07 0.07 Cp 0.816 6 0.0143 C p k (1 k )C p (1 0.145) 0.816 0.7 Cp k
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测量系统统计特性
理想的测量系统在每次使用时，应只产生“正确”的测 量结果。每次测量结果总应该与一个标准相一致。一个能产 生理想测量结果的测量系统应该具有零方差、零偏倚和对所 测的任何产品错误分类为零概率的统计特性。遗憾的是，具 有这样理想统计特性的测量系统几乎不存在，因此过程管理 者必须采用具有不太理想的统计特性的测量系统。一个测量 系统的质量经常用其多次测量数据的统计特性来确定。 尽管每一个测量系统可能被要求不同的统计特性，但有 些基本特性用于定义“好的”测量系统。它们包括： 1）足够的分辨率 1：10法则，即仪器的分辨率应该把公差或过程变差分 为10份或更多。
测量系统变异性对决策的影响
测量一个零件之后可采取得活动之一是确定零件的状态。在过 去，它确定零件是否可接受（在不在公差范围内）。另一种通 用的做法是把零件按规定进行分类，如“好的”，“坏的”等， 进一步的分类可能是如可返工的、可挽救的、报废的。 在产品控制的原理下，这样的分类活动是测量零件的主要原因。 但是，在过程控制原理下，兴趣的焦点是零件变差是由过程中 的普通原因造成还是特殊原因造成。
术语
●
再现性
★ 由不同的评价人使用同一量具，测 量一个零件的一个特性时产生的测量平 均值得变差 ★ 对于产品和过程条件，可能是评价 人、环境（时间）和方法的误差
★ 通常指AV --评价人变差
★ 强调系统间（条件）变差
★ ASTM E-456-96 包括重复性、实验 室、环境及评价人影响
术语
●
GRR或量具R&R
性
●
●
术语
位置变差
●
准确度 ★ “接近”真值或可接受的基准值 ★ ASTM包括位置和宽度误差的影响
●
偏倚
★ 测量的观测平均值和基准值
之间的差异 ★ 测量系统的系统误差分量
术语
● 稳定性（别名漂移）（随时间发生的偏移） ★ 偏倚随时间的变化 ★ 一个稳定的测量过程是关于位置的统计受控 ● 线性（随量程发生的偏移） ★ 整个正常操作范围的偏倚改变 ★ 整个操作范围的多个并且独立 的偏倚误差的相互关系 偏差 ★ 测量系统的系统误差分量 标准值 较小 （量程）低（偏差）小， （量程）高（偏差）大--正变化
测量结果 量程的较 低部分 测量结果 量程的较 高部分 稳定性 时间t
时间t0
标准值
偏差 较大
术语
宽度变差
● 精密度 ☆ 重复读数彼此之间的“接近度” ☆ 测量系统的随机误差分量 ● 重复性 ☆ 由一位评价人多次使用一种测量仪器，测量同一零件 的同一特性时获得的测量变差 ☆ 在固定和规定的测量条件下连续（短期）试验变差 ☆ 通常指EV --设备变差 ☆ 强调仪器（量具）的能力或潜能 ☆ 系统内变差
概念
测量：是以确定量值为目的的一组操作，是指赋值给具体 事物以表示它们之间关于特殊特性的关系。 赋值过程定义为测量过程，而赋予的值定义为测量值。 由此可以看出这不是一个简单的赋值过程，而是应将测量 过程看成是一个制造过程，它的产品是数字（数据），它 是融于生产中的一道工序。它与其他工序紧密联系，又相 互影响，具有承接性，任何一次测量不准确，都会影响到 下一道工序的操作，影响到整个过程的质量。 测量系统：已经不再仅仅局限于测量所涉及的测量用具， 而是扩展到了用来对被测特性赋值的操作、程序、量具、 设备、软件以及操作人员的集合，是用来获得测量结果的 整个过程。
MSA简介
在日常生产中，我们经常根据获得的过程加工部件的测量数据去 分析过程的状态、过程的能力和监控过程的变化；那么，怎么确保分 析的结果是正确的呢？我们必须从两方面来保证，一是确保测量数 据的准确性/质量，使用测量系统分析（MSA）方法对获得测量数据 的测量系统进行评估；二是确保使用了合适的数据分析方法，如使 用SPC工具、试验设计、方差分析、回归分析等。 MSA（Measurement System Analysis）使用数理统计和图表的方 法对测量系统的分辨率和误差进行分析，以评估测量系统的分辨率和 误差对于被测量的参数来说是否合适，并确定测量系统误差的主要成 分。 测量系统的误差由稳定条件下运行的测量系统多次测量数据的统 计特性：偏倚和方差来表征。偏倚指测量数据相对于标准值的位置 ，包括测量系统的偏倚（Bias）、线性(Linearity)和稳定性(Stability) ；而方差指测量数据的分散程度，也称为测量系统的R&R，包括测 量系统的重复性(Repeatability)和再现性(Reproducibility)。
测量
测量值
分析
设备仅是测量过程的一部分， 过程的所有者必须知道如何 正确使用这些设备及如何分 析和解释结果。因此管理者 也必须提供清楚地操作定义 和标准以及培训和支持。其 次，过程的拥有者有监控和 控制测量过程，以确保稳定 和正确的义务，这包括全部 的测量系统分析观点——量 具的研究、程序、使用者及 环境等。
测量系统变差
测量系统受随机和系统变差源影响。这些变差源由普通原因 和特殊原因造成。为了控制测量系统变差：
S 标准 W 工件（如，零件） I 仪器
1）识别潜在的变差源；
2）排除（可能时）或监控这些变差源。 尽管特殊原因将依据条件，但一些 典型的变差源是可以识别的，如因果图、 故障树等，但本分析指南将关注的是测 量系统的主要因素。
A：通过评价过程结果或参数
规范和工程要求规定过程应该做什么? 过程失效模式及后果分析（PEMEA)使用来确定与 潜在过程失效相关的风险，并在这些失效出现前提出纠 正措施。FEMEA的结果转移至控制计划。
通过评价过程结果或参数，可以获得过程正在做什 么的知识。这种活动，通常称为检验，是用适当的标准 和测量装置，检查过程参数，过程中零件，已装配的子 系统，或者是已完成的成品的活动。这种活动能使观测 者确定过程是否以稳定的方式操作并具有对顾客规定的 目标而言可接受的变差这一前提。这种检查行为本身就 是过程。
对过程决策的影响
对过程控制，需要确定以下要求：
※ 统计受控 ※ 对准目标
※ 可接受的变异性
在前一节已作出解释，测量误差可能引起产品出现不正确的 决策。对过程决策的影响如下： ※ 把普通原因报成特殊原因
目标和目的
持续改进
实线：测量系统所达到的范 围
虚线：产品要求范围
1.2 术语
标准 用于比较的可接受的基准 用于接受的准则 已知数值，表明的不确定度界限内，作为真值被接受 基准值 一个标准应该是一个可操作的定义：由供应商或 顾客应用时，在昨天、今天、明天都具有同样的含义， 产生同样的结果。
术语
基本设备 ● 分辨力、分辨率、可读性 ★ 三者的别名：最小的读数的单位、测量分辨率、 刻度限度和探测限度 ★ 由设计决定的固有特性 ★ 测量或仪器输出的最小刻度单位 ★ 总是以测量单位报告（报告中所有数据的位数，必须与仪器的显示位数
P 人/程序 E 环境
测定系统变差源
这只是测定系统中的部分变量,你还能想到的其他变量?
测量系统变异性的影响
由于测量系统受到多种变差源的影响，因此相同零件的重 复读数也不产生相同的结果。读数之间的不相同是普通和 特殊原因造成的。 不同变差源对测量系统的影响应经过短期和长期评估。测 量系统的能力是短期时间的测量系统（随机）误差。它是 由线性、一致性、重复性和再现性误差合成定量的。测量 系统的性能，如同过程性能，是所有变差源随时间的影响。
●
术语
系统变差 测量系统变差可以具有如下4个特征 1. 能力
短期获取读数的变异性
2. 性能 长期获取读数的变异性 3. 不确定度 关于测量值的数值估计范围，相信真值包括在此范围内。
术语
4. 溯源性
溯源性在ISO计量学基本和通用国际术语中的定义为： “测量的特性或标准值，此标准是规定的基准，通常是 国家或国际标准，通过全部规定了不确定度的不间断比较链 相联系。” 典型的测量溯源性是通过可返回到NMI（国家测量研究 院）的比较链来建立的。但在工业中的许多情况下，测量的 溯源性可能与返回到一致同意的基准值或顾客与供应商之间 “认同的标准”有联系。
一致）
★ 1：10经验法则（量具的选择）
术语
●
有效分辨率（灵敏域） ★ 对于一个特定的应用，测量系统对过程变差的灵敏 ★ 产生有用的测量输出信号的最小输入量 ★ 总是以一个测量单位报告 基准值 ★ 人为规定的可接受值 ★ 需要一个可操作的定义 ★ 作为真值的替代 真值 ★ 物品的实际值 ★ 未知的或不可知的
★量具重复性和再现性：测量系统重复性和再现性合成的 评估
★体现测量系统的能力（两个方面：评价人、设备）
●
测量系统能力 ★测量系统变差的短期评估（例如“GRR”包括图形）
●
测量系统性能
★测量系统变差的长期评估（长期控制图形）（包括产品 一致性Pv，评价人、测量仪器稳定性）
术语
灵敏度（生产完毕后即确定） ★ 最小的输入产生可探测出的输出信号 ★ 在测量特性变化时测量系统的响应 ★ 由量具设计（分辨率）、固有质量（OEM）、使用中的维修 及仪器和标准的操作条件确定 ★ 总是以一个测量单位报告 ● 一致性 ★重复性随时间的变化程度 ★ 一个一致的测量过程是考虑到宽度（变异性）下统计受控 ● 均一性 ★ 整个正常操作范围重复性的变化 ★ 重复性的一致性
测量 分析
工业界传统上视测量和分析活动为“黑箱”。设备是主要的关 注点，特性越重要，量具越昂贵。对仪器的有效性，与过程和 环境的相容性，仪器的适用性很少疑问。因此这些量具经常是 不能被正确使用或完全不被使用。 测量分析活动是一个过程——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，过程的所有者，希望用最小的努力作出正确 的决定。管理者必须提供资料以采购对于测量过程来说是充分 且必要的设备。但是采购最好的或最新的测量技术不一定能保 证做出正确的生产过程控制决定。 测量过程 需要控制 的过程 决策 Nhomakorabea测量系统分析