机械工程及自动化专业毕业设计论文基于MSA方法的测量系统误差分析研究

1绪论

1.1 测量系统分析介绍

测量系统分析，简称MSA（全称为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、线性和稳定性；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和再现性。

1.1.1 MSA的术语

（1）测量系统（Measurement System）

测量系统是对测量单位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。

测量系统可分为两类分别为“计量型”测量系统分析和“计数型”测量系统分析。前者测量后能够给出具体的测量数值；后者只能定性地给出测量结果。

“计量型”测量系统分析通常包括五类的分析和评价，它们分别为：“偏倚”、“稳定性”、“线性”、“重复性”和“再现性”。在测量系统分析的实际运作过程中，可以分别进行，也可以同时进行，根据具体使用情况而定。

（2）偏倚（Bias）

偏倚是指对相同零件上同一特性的观测平均值与真值（参考值）的差异，是测量系统的系统误差所构成。

（3）稳定性（Stability）

稳定性（或漂移）是指经过一段长期时间下，用相同的测量系统对同一基准或零件的同一特性进行测量所获得的总变差。也就是说，稳定性是整个时间的偏倚变化。

（4）线性（Linearity）

线性是在测量设备预期的工作（测量）量程内，偏倚值的差异。线性可被视为偏倚对于量程大小不同所发生的变化。

（5）重复性（Repeatability）

传统上将重复性称为“评价人内部”的变异。重复性是用一个评价人使用相同的测量仪器对同一零件上的同一特性，进行多次测量所得到的测量变差；它是设备本身的固有的变差或能力。

（6）再现性（Reproducibility）

传统上将再现性称为“评价人之间”的变差。通常将再现性定义为用不同评价人使用相同的测量仪器对同一产品上的同一特性，进行测量所得的平均值的变差。

（7）量具R&R或GRR

量具的R&R是结合了重复性和再现性变差的估计值。换句话说，GRR值等于系统内部变差和系统之间变差的和。

1.2MSA的概况

1.2.1MSA的起源

1995年，美国三大汽车公司共同提出了QS-9000质量体系，作为主要附件的五本参考手册之一。首次完整地、明确地提出了测量系统分析的理念。奠定了MSA的基础。但为了便于在企业中尤其是在汽车行业等以批量生产为特征的企业中执行和推广，相应的拓展工作仍在继续。1999年，由知名的德国统计分析软件Q-DS公司牵头，组织欧美11家汽车工业巨头共同编写“测量系统能力(MSC, Measurement Systems Capacity ）”这一技术指导手册，使MSA的贯彻、执行更具可操作性。

1.2.2 MSA的发展

测量系统分析在现代企业质量保证体系中占有重要地位，企业在进行以ISO9000系列、QS9000和VDA6.1为代表的质量认证时，都被要求确保“监视和测量装置的控制”。近几年来,汽车制造业在贯彻ISOTS16949标准时，更明确地提出了测量系统分析。

近年来，测量系统分析已经逐渐成为企业质量改进中的一项重要工作，企业界和学术界都对测量系统分析给予了足够的重视。测量系统分析也已成为美国三大汽车公司质量体系QS9000的要素之一，是6σ连续质量改进计划模式即为：确认(Define)、测量(Measure)、分析(Analyze)、改进(Improve)和控制(Control),简称DMAIC。

市场的需要推动了MSA在企业质量管理中的应用。随着越来越多的跨国公司进入中国市场投资建厂，为了降低成本，它们都在加速采购本地化的进程。在选择和评估供应商时，这些企业都非常重视供应商的质量保证体系，并把SPC（统计过程控制）和MSA（测量系统分析）的应用状况作为衡量供应商提供稳定的符合要求的产品的能力的重要参考指标。同时，这些成功企业的自身实践也证明SPC和MSA的成功运用是保证企业的质量保证体系稳定有效运作，提升企业竞争力的关键。为了在未来的市场竞争中获胜，许多市场意识超前的企业已经在企业质量管理中实施MSA，并加大SPC 的应用。

企业MSA应用中大量的数据需要处理，传统的手工计算方法已经不能满足复杂的计算要求，计算机硬件价格的下降和市场的需要，促成了MSA计算机软件的出现。

MSA软件把信息技术与MSA分析方法融合起来，以直观的图表分析加数字分析结

果的方法来反映被研究的测量系统的误差成分，让您快速了解导致测量系统误差太大的原因。应用MSA软件进行企业质量控制可给企业带来诸多益处：

①、减少数据处理的时间；

②、更准确的分析结果；

③、直观的图表工具；

④、更快的客户反应速度和更高的客户满意度。

1.2.3 MSA的重要性

随着科技信息的发展、自动化技术水平的提高，测量数据的使用比以前更加频繁、广泛，不仅仅能为企业领导的经营决策提供依据,而且企业普遍依据数据来解决是否调整制造或生产控制过程的问题，把测量数据或由它们计算出的一些统计量，与这一过程的统计控限值相比较,若过程统计失控，则要做某种调整，否则，这一过程允许继续运行，提高了自动化技术的控制程度。测量数据的另一个用途是确定在两个或更多变量之间是否存在重要关系，如注塑材料件上的一个关键尺寸量值与温度测量值的关系等。通过分析研究有关影响过程的各种因素的系统知识，更好地理解并处理各种过程。

应用以数据为基础的方法的收益与测量数据的质量成正比，而测量数据质量由在稳定条件下运行的某一测量系统得到的多次测量结果的统计特性确定。

管理一个测量系统的许多工作是监视和控制变差。因此进行测量系统分析对一个生产、制造企业来讲很必要。

1.2.4 MSA的应用领域

(1)在汽车制造业中

MSA最早是由美国的三大汽车公司共同提出的，它在汽车行业中的应用无疑是最早的。对于汽年零部件生产厂家来说，单纯对量具进行周期检定或定期校准。其结果只能代表该量具在特定条件下的某种“偏倚”状况。而不能完全反映出该量具在生产制造现场可能出现的各种变差问题。也就是说，“检定合格”的量具未必能够确保产品最终的测量品质。因此为避免可能存在的潜在零件质量问题及其造成的产品可能被召同的风险，必须对相关的“测量系统”进行分析。所以在QS9000（或ISO/TS16949等）汽车业质量体系中，均有针对测量系统分析的强制性要求。

（2）在质检部门中

根据 ISO/,Ec17025-1999标准要求，引用应用于企业生产测量系统分析（MSA）的分析方法，通过对个别检测数据出现偏差的情况进行调查分析（对人员技术水平、仪器设备校准情况、环境条件及样品处理等逐项进行客观地分析），弄清了检测数据偏差的主要问题是什么，并采取相应的纠正措施进行纠正。对质检部门的检测系统中所涉及的人、机、样、法、环等诸多因素进行监控计划，定期开展比对试验。从而提