测量系统分析--GRR

测量系统分析--“量具R&R”
第一节
概述
测量数据的使用比以前更频繁﹑更广泛.例如,是否调整制造过程,现在普遍依据测量数据来决定.把测量数据或由它们计算出的一些统计量,与这一过程统计控制限值相比较,如果比较结果表明这一过程在统计控制之外,那么要做某种调整,否则,这一过程就允许运行而勿须调整.
测量数据的另外一个用途是确定两个或多个变量之间是否存在某种显著关系.例如,人们可以推测一模制塑料料件的关键尺寸与浇注材料温度有关系.这种可能的关系可通过采用所谓回归分析的统计方法进行研究.即比较关键尺寸的测量结果与浇注材料温度的测量结果.
应用以数据为基础的方法的益处,很大程度上决定于所用测量数据的质量.如果测量数据质量低,则这种方法的益处很可能低,类似地,如果测量数据的质量高,这一方法的益处也很可能高.
为了确保应用测量数据所得到的益处大于它们所花的费用,就必须把注意力集中在数据的质量上.
测量数据的质量
测量数据质量与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有关.
例如,假定用在稳定条件下运行的某测量系统,得到某一特性的多次测量结果.如果数据的质量会很低,以致这些数据是无用的. ,那么可以说这些测量数据的质量“高”,类似地,如果一些或全部测量结果“远离”标准值,那么可以说这些数据的质量“低”.
低质量数据最普通的原因之一是数据变差太大.例如,测量某容器内的流体的容积,使用的测量系统可能对它周围的环境温度敏感,在这种情况下,数据的变差可能由于其体积的变化或周围温度的变化,使得解释这些数据更困难.因些这一测量系统是不太合乎需要的.
一组测量的变差大多是由于测量系统和它的环境之间的交互作用造成的. 如果这种交互作用产生太大的变差,那么数据的质量会很低,以致这些数据是无用的. 例如,一个具有大量变差的测量系统,用来分析一个制造过程,可能是不恰当的,因为这一测量系统的变差,可能会掩盖制造过程中的变差.
绝大部分变差是不希望有的,但也有一些重要的例外.例如这一变差是由于被测量特性的小变化而引起的,一般情况下这一变差被认为是有用的.一个测量系统对这种变化越灵敏,这个系统越良好.因为这一系统是一个较敏感的测量系统.
如果数据的质量是不可接受的,则必须改进,通常是通过改进测量系统来完成,而不是改进数据本身.
测量过程
术语“测量”定义为“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.
从这些定义得出,应将一种测量过程看成一个制造过程,它产生数字(数据)作为输出.
术语
量具: 任何用来获得测量结果的装置;包括用来测量合格/不合格装置.
测量系统: 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;用来获得测量结果的整个过程.
测量系统的分辨力(或分辩率): 测量系统捡出并如实指示被测特性中极小变化的能力.
重复性: 指同一个人使用同一量具,多次测量同一零件上的同一参数所测结果的变差.
再现性: 指不同人使用同一量具,测量同一零件上的同一参数所测结果的变差.
C
重复性
量具精确度: 指测量观察平均值与真实值(基准值)的差异。

真实值由更精确的测量设备设所确定。

真实值(基准值)
第二节
测量系统的统计特性
理想的测量系统在每次使用时,应只产生“正确”的测量结果．
遗憾的是，具有这样理想的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仅仅用其测量数据的统计特性来确定.
尽管每一个测量系统可能需要有不同的统计特性，但有一些特性是所有测量系统必须共有的，它们包括：
１）测量系统必须处于统计控制中，这意味着测量系统中的变差只能是由于普通原因而不是由于特殊原因造成的．这可称为统计稳定性；
２）测量系统的变异必须比制造过程的变异小；
３）变异应小于公差带；
４）测量精度应高于过程变异和公差带两者中精度较高者，一般来说，测量精度是过程变异和公差带两者中精度较高者的十分之一;
５）测量系统统计特性可能随被测项目的改变而变化.若真的如此,则测量系统最大的(最坏)变差应小于过程变差和公差带两者中的较小者.
第三节
测量系统分析通用指南
评定一个测量系统的第一步是验证该系统一直在测量正确的变量.
评定一个测量系统的第二步是确定该测量系统必须具有什么样可接受的统计特性.
测量系统的评定通常分为两个阶段,称为第一阶段和第二阶段.在第一阶段,我们要明白该测量过程并确定该测量系统能否满足我们的需要.
第二阶段试验的目的是验证一个测量系统一旦被认为是可行的,应持续具有恰当的统计特性.常见的被称为“量具R&R”的这种研究是第二阶段试验的一种形式．
第四节
评定测量系统的程序
测量系统研究的准备
实施测量系统研究之前应先进行充分的计划和准备.实施研究之前的典型准备如下:
1).先计划将要使用的方法.例如,通过利用工程决策,直观观察或量具研究决定,是否评价人在校准或者使用仪器中产生影响.有些测量系统的再现性影响可以忽略,例如按按钮,打印出一个数字;
2).评价人的数量,样品数量及重复计数次数应预先确定,在这些选择中因考虑的因素如下:
(a)尺寸的关键性—关键尺寸需要更多的零件和/试验.原因是量具研究评价所
需的置信度;
(b)零件结构—大或重的零件可规定较少样品和较多试验.
3).由于其目的是评价整个测量系统,评价人的选择应从日常操作该仪器的人中挑选;
4).样品必须从过程中选取并代表其整个工作范围.有时每一天取一个样本,持续若干
天.由于每一零件将被测量若干次,必须对每一零件编号以便于识别;
5)仪器的分辩力应允许至少直接读取特性的预期过程变差的十分之一.例如,如果特
性的变差为0.001,仪器应能读取0.0001的变化;
6)确保测量方法(即评价人和仪器)在按照规定的测量步骤测量特征尺寸.
为最大限度地减少误导结果的可能性,应采取下列步骤:
1)测量应按照随机顺序,以确保整个研究过程中产生的任何漂移或变化将随机分布.
评价人不应知道正在检查零件的编号,以避免可能的偏倚.但是进行研究的人应知道正在检查哪一零件,并相应记下数据.
2)在设备读数中,读数庆估计到可得到的最接近的数字.如果可能,读数应取至最小刻
度的一半.例如,如果最小刻度为0.0001,则每个读数的估计应圆整为0.00005;
3)研究工作应由知其重要性且仔细认真的人员进行;
4)每一位评价人应采用相同方法—包括所有步骤—来获得读数.
量具R&R数据表,详细程序如下:
1)取得包含10个零件的一个样本,代表过程差的实际或预期范围;
2)指定评价人A.B和C,并按1到10给零件编号,使评价人不能看到这些数字;
3)如果校准是正常程序中的一部分,则对量具进行校准.
4)让评价人A以随机的顺序测量10个零件,并让另一个观测人将结果记录在第1行.
让测试人B和C测量这10个零件并互相不看对方的数据.然后将结果分别填入第
6行和第11行.
5)使用不同的随机测量顺序重复上述操作过程.把数据填入第2.7和12行.在适当的
列记录数据.例如,第一个测量的零件是零件7,则将结果记录在标有第7号零件的列内,如果需要试验3次,重复上述操作,将数据记录在3.8和13行;
6)当零件量过大或无法获得所需零件时,第4和第5步可以改成下述步骤之后:
(a)让评价人A测量第1个零件,并在第1行记录读数,让评价人B测量第1个零
件并在第6行记录读数,让评价人C测量第1个零件并在第11行记录读数;
(b)让评价人A重复读取第1个零件的读数,记录在第2行,评价人B在第7行记
录重复读数,评价人C在第12行记录重复读数.如果需要测量3次,则重复上
述操作并在第3.8和13行记录数据.
7)如果评价人在不同的班次,可以使用一个替换的方法.让评价人A测量10个零件,
并将读数记录在第1行.然后,让评价人A按照不同的顺序重新测量,并把结果记录在第2和第3行.评价人B和C也同样做.
数值计算
量具的重复性和再现性的计算如表1和表2所示.表1是数据表格,记录了所有研究结果.表2是报告表格,记录了所有识别信息和按规定公式进行的所有计算;
注:样表一节中提供了可复制的空白表格.
收集数据后的计算程序如下:
1)从第1.2.3行中的最大值减去它们中的最小值;把结果记入第5行.在第6.7.和8
行,11.12.和13行重复这一步骤,并将结果记录在第10和15行(表1);
2)把填入第5.10和15行的数据变为正数;
3)将第5行的数据相加并零除件数量,得到第一个评价人的测量平均极差Ra.同样对
第10和15行的数据进行处理得到Rb 和Rc(表1);
4)将第5.10和15行的数据(Ra﹑Rb﹑Rc)转记到第17行,将它们相加并除以评价人
数,将结果记为R(所有极差的平均值)(表1);
5)将R(平均值)记入第19行和20行并与D3和D4相乘得到控制下限和上限.注意:
如果进行2次试验则,D3为零,D4为3.27.单个极差的上限值(UCL R)填入第19行.
少于7次测量的控制下限极差(LCL R)等于0.
6)使用原来的评价人和零件重复读取任何极差大于计算的UCL R的读数,或剔除那
些值并重新算平均值.根据修改过的样本容量重新计算R及限值UCL R.纠正造成失控状态的特殊原因.如果数据的绘制和分析是使用控制图法,那么这种状态应早已被纠正了,且在这里不会出现;
7)将行(第1﹑2﹑3﹑6﹑7﹑8﹑11﹑12和13行)中的值相加.把每行的和零除件数并
将结果填入表(表1)中最右边标有“平均值”的列内;
8)将第1﹑2第3行的平均值相加除以试验次数.结果填入第4行的Xa格内.对第6,7
和8;第11,12和13行重复这个过程,将结果分别填入第9和14行的Xb,Xc格(表
1);
9)将第4,9和14行的平均值中最大和最小值填入第18行中适当的空格处.并确定它
们的差值,将差值填入第18行标有X Diff处的空格内(表1);
10)将每个零件每次测量值相加并除以总的测量次数(试验次数乘以评价人数).将结
果填入第16行零件平均值的榈中(表1);
11)从最大的零件平均值减去最小的零件平均值,将结果填入第16行标有Rp的空格
内. Rp是零件平均值的极差(表1);
12)将R,X DIFF和Rp的计算值转填入报告表格的栏中(表8);
13)有表格左边标有“测量系统分析”的栏下进行计算;
14)在表格右边标有“总变差％”的栏下进行计算;
15)检查结果确认没有产生错误.
表1量具重复性和再现性数据表
表2 量具重复性和再现性分析报告表
如果分析是以公差而不是以过程变差为基础,则量具重复性和再现性报告表格(表2)可将右侧的%总变差可以改变为%公差.因此,%EV﹑%AV﹑%R&R和PV的计算式中的分母总变差(TV)应替换成公差值,根据测量系统或顾客的要求可以采用任何一种或两种方法.
量具重复性和再现性(R&R)的可接受性准则是:
‧低于10%的误差测量系统可接受;
‧10%到30%的误差根据应用的重要性,量具成本,维修的费用等可能是可接受的.;
‧大于30%的误差测量系统需要改进.进行各种努力发现问题并改正.
改进方法
如果重复性比再现性大,原因可能是:
1)仪器需要维护;
2)量具应重新设计来提高刚度;
3)夹紧和检验点需要改进;
4)存在过大的零件内变差;.
如果再现性比重复性大,那么可能的原因有:
1)评价人需要更好的培训如何使用量具仪器和读数;
2)量具刻度盘上的刻度不清楚;
3)需要某种夹具帮助评价人提高使用量具的一致性;
第五节
计数型量具研究
计数型量具研究(小样法)
所谓计数型量具就是把各个零件与某些指定限值相比较,如果满足限值则接受该零件否则拒收.绝大多数这样的计数型量具用来接受或拒收一套基准件.不象计量型量具,计数型量具不能指示一个零件多么好或多么坏,它只指示该零件被接受还是拒收.
小样研究是通过选取20个零件来进行的.然后两位评价人以一种能防止评价人偏倚的方式两次测量所有零件.在选取20个零件中,一些零件会稍许低于或高于规范限值.
如果所有的测量结果(每个零件四次)一致则接受该量具,否则应改进或重新评价该量具.如果不能改进该量具,则不能被接受并且应找到一个可接受的替代测量系统.
一个典型的用于计数型量具研究小样的表格见表3:
表3 计数型量具研究(小样法)。