测量系统分析MSA手册

1

内部资料严禁翻印

测量系统分析

参考手册

第三版

1990年2月第一版

1995年2月第一版；1998年6月第二次印刷

2002年3月第三版

?1990?1995?2002版权

由戴姆勒克莱斯勒、福特和通用汽车公司所有

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测量系统分析

参考手册

第三版

1990年2月第一版

1995年2月第一版；1998年6月第二次印刷

2002年3月第三版

?1990?1995?2002版权

由戴姆勒克莱斯勒、福特和通用汽车公司所有

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前言

本参考手册是在美国质量协会（ASQ）及汽车工业行动集团（AIAG）主持下，由戴姆勒克莱斯勒、福特和通用汽车公司供方质量要求特别工作组认可的测量系统分析（MSA）工作组编写，负责第三版的工作组成员是David Benham（戴姆勒克莱斯勒）、Michael Down （通用）、Peter Cvetkovski（福特），以及Gregory Gruska（第三代公司）、Tripp Martin（FM 公司）、以及Steve Stahley（SRS技术服务）。

过去，克莱斯勒、福特和通用汽车公司各有其用于保证供方产品一致性的指南和格式。这些指南的差异导致了对供方资源的额外要求。为了改善这种状况，特别工作组被特许将克莱斯勒、福特和通用汽车公司所使用的参考手册、程序、报告格式有及技术术语进行标准化处理。

因此，克莱斯勒、福特和通用汽车公司同意在1990年编写并以通过AIAG分发MSA手册。第一版发行后，供方反应良好，并根据实际应用经验，提出了一些修改建议，这些建议都已纳入第二版和第三版。由克莱斯勒、福特和通用汽车公司批准并承认的本手册是QS-9000的补充参考文件。

本手册对测量系统分析进行了介绍，它并不限制与特殊生产过程或特殊商品相适应的分析方法的发展。尽管这些指南非覆盖测量系统通常出现的情况，但可能还有一些问题没有考虑到。这些问题应直接向顾客的供方质量质量保证（SQA）部门提出。如果不知如何与有关的SQA部门联系，在顾客采购部的采购员可以提供帮助。

MSA工作组衷心感谢：戴姆勒克莱斯勒汽车公司副总裁Tom Sidlik、福特汽车公司Carlos Mazzorin，以及通用汽车公司Bo Andersson的指导和承诺；感谢AIAG在编写、出版、分发手册中提供的帮助；感谢特别工作组负责人Hank Gryn（戴姆勒克莱斯勒）、Russ Hopkins （福特）、Joe Bransky（通用），Jackie Parkhurst（通用（作为代表与ASQ及美国试验与材料协会（国际ASTM）的联系。编写这本手册以满足汽车工业界的特殊需要。

戴姆勒克莱斯勒、福特和通用汽车公司于2002后取得了本手册的版权和所有权。如果需要，可向AIAG订购更多的本手册，和/或在得到AIAG的许可下，复制本手册的部分内容，在各供方组织内使用。（AIAG联系电话：248-358-3570）。

2002年3月

2

前言

本参考手册是在美国质量管理协会（ASQC）汽车部及汽车工业行动集团（AIAG）主持下，由克莱斯勒、福特和通用汽车公司供方质量要求特别工作组认可的测量系统分析（MSA）工作组编写，负责第二版的工作组成员是Ray Daugherty（克莱斯勒）、Victor Lowe，Jr.(福特)、Michael H.Down主席（通用），以及Gregory Gruska（第三代公司）。

过去,克莱斯勒、福特和通用汽车公司各有其用于保证供方产品一致性的指南和格式。这些指南的差异导致了对供方资源的额外要求。为了改善这种状况，特别工作组被特许将克莱斯勒、福特和通用汽车公司所使用的参考手册、程序、报告格式有及技术术语进行标准化处理。

因此，克莱斯勒、福特和通用汽车公司同意在1990年编写并以通过AIAG分发MSA 手册。第一版发行后，供方反应良好，并根据实际应用经验，提出了一些修改建议，这些建议都已纳入第二版。由克莱斯勒、福特和通用汽车公司批准并承认的本手册可由供方在制造过程和满足QS-9000要求中用来实现MSA技术。

本手册对测量系统分析进行了介绍，它并不限制与特殊生产过程或特殊商品相适应的分析方法的发展。尽管这些指南非覆盖测量系统通常出现的情况，但可能还有一些问题没有考虑到。这些问题应直接向顾客的供方质量质量保证（SQA）部门提出。如果不知如何与有关的SQA部门联系，在顾客采购部的采购员可以提供帮助。

特别工作组衷心感谢：戴姆勒克莱斯勒汽车公司副总裁Thomas T．Stallkamp、福特汽车公司Norman F．Ehlers，以及通用汽车公司Harold R．Kutner的指导和参与；感谢AIAG 在编写、出版、分发手册中提供的帮助；感谢特别工作组负责人Russell Jacobｓ（克莱斯勒）、Stephen Walsh（福特）、Dan Reid（通用）的指导，以及ASQC给予的关心帮助。因此,这本手册才得以编写出来,以满足汽车工业界的特殊需要。

AIAG于1994年取得了本手册的版权和所有权。如果需要，可向AIAG订购更多的本手册，和/或在得到AIAG的许可下，复制本手册的部分内容，在各供方组织内使用。（AIAG 联系电话：248-358-3570）。

1995年2月

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MSA第三版快速指南

测量系统类型MSA方法章

三基本计量型级差，均值和极差，方差分析（ANOV A），偏倚，线

性，控制图

基本计数型信号探测，假设试验分析四

控制图三、四不可重复

（例如，破坏试验）

复杂计量型极差，均值和极差，ANOV A，偏倚，线性，控制图三、四

控制图，方差分析（ANOV A），回归分析三、四多重系统，量具

或试验台

连续过程控制图三

其他情况替代法五

Papers可在

其它 White

http：//,3be67cd680eb6294dd886cfc/publications/quality/msa3中

查到

注：关于GRR标准差的使用

传统上，惯例是用99%的分布代表测量误差的“全”分布，由系数5.15表示（此处，σGRR 乘以5.15用来表示全分布的99%）。

99.73%的范围由系数6表示,是±3σ并代表“正态”曲线的全分布。

如果读者选择提高全部测量变差的覆盖水平或分布至99.73%,在计算中请使用系数6代替5.15。

在等式完整和结果计算中了解使用哪个系数是关键的。如果在测量系统变差和公差之间进行比较，这一点特别重要。

4

目录

第一章通用测量系统指南 (1)

第一章一第一节 (2)

引言、目的和术语 (2)

测量数据的质量 (2)

目的 (3)

术语 (3)

术语总结 (4)

真值 (9)

第一章—第二节 (10)

测量过程 (10)

测量系统的统计特性 (11)

变差来源 (13)

测量系统变异性的影响 (15)

对决策的影响 (15)

对产品决策的影响 (16)

对过程决策的影响 (17)

新过程的接受 (18)

过程设定/控制（漏斗实验） (20)

第一章—第三节 (22)

测量战略和策划 (22)

复杂性 (22)

确定测量过程的目的 (22)

测量寿命周期 (23)

测量过程设计选择的准则 (23)

研究不同测量过程方法 (24)

开发和设计概念以及建议 (24)

第一章—第四节 (25)

测量资源的开发 (25)

基准协调 (26)

先决条件和假设 (26)

量具来源选择过程 (27)

详细的工程概念 (27)

预防性维护的考虑 (27)

规范 (28)

评估报价 (28)

可交付的文件 (29)

在供应商处的资格 (30)

装运 (31)

在顾客处的资格 (31)

文件交付 (31)

测量系统开发检查表的建议要素 (33)

第一章—第五节 (37)

5

测量问题 (37)

测量系统变差的类型 (37)

定义及潜在的变差源 (38)

测量过程变差 (45)

位置变差 (45)

宽度变差 (49)

测量系统变差 (53)

注释 (55)

第一章—第六节 (57)

测量不确定度 (57)

总则 (57)

测量的不确定度和MSA（测量系统分析） (57)

测量的溯源性 (58)

ISO表述测量中不确定度的指南 (58)

第一章—第七节 (59)

测量问题分析 (59)

第二章测量系统评定的通用概念 (61)

第二章—第一节 (62)

引言 (62)

第二章—第二节 (63)

选择/制定试验程序 (63)

第二章—第三节 (65)

测量系统研究的准备 (65)

第二章—第四节 (68)

结果分析 (68)

第三章 - 简单测量推荐的实践 (69)

第三章 - 第一节 (70)

试验程序示例 (70)

第三章 - 第二节 (71)

计量型测量系统研究- 指南 (71)

确定稳定性的指南 (71)

确定偏倚的指南- 独立样本法 (73)

确定偏倚的指南- 控制图样本法 (76)

确定线性的指南 (78)

确定重复性和再现性的指南 (84)

极差法 (85)

均值极差法 (86)

均值图 (89)

极差图 (90)

链图 (91)

散点图 (92)

振荡图 (93)

误差图 (93)

归一化直方图 (94)

6

均值—基准值图 (95)

比较图 (96)

数值的计算 (97)

数据结果的分析 (101)

方差分析法（ANOV A） (103)

随机化及和统计独立性 (103)

第三章 - 第三节 (109)

计数型测量系统研究 (109)

风险分析法 (109)

解析法 (119)

第四章 - 复杂测量系统实践 (126)

第四章 - 第一节 (127)

复杂的或非重复的测量系统的实践 (127)

第四章 - 第二节 (129)

稳定性研究 (129)

S1：单个零件，每个循环单一测量 (129)

S2：n≥3个零件，每循环单一测量 (130)

S3：从稳定过程中大量取样 (132)

S4：分割样本（通用），每循环单一样本 (133)

S5：试验台 (133)

第四章 - 第三节 (135)

变异性研究 (135)

V1：标准GRR研究 (135)

V2：p≥2台仪器的多重读数 (135)

V3：平分样本（m=2） (136)

V4：分割样本（通用）， (136)

V5：与V1一样用于稳定化的零件 (137)

V6：时间序列分析 (137)

V7：线性分析 (138)

V8：特性（性能）随时间的衰变 (138)

V9—V2：同时用于多重读数和P≥3台仪器 (138)

第五章- 其他测量概念 (139)

第五章 - 第一节 (140)

量化过度的零件内变差的影响 (140)

第五章 - 第二节 (141)

均值极差法-附加处理 (141)

第五章 – 第三节 (148)

量具性能曲线 (148)

第五章 – 第四节 (154)

通过多次读数减少变差 (154)

第五章 – 第五节 (156)

GRR的合并标准偏差法 (156)

附录 (164)

附录A (165)

7

方差分析概念 (165)

附录B (170)

GRR对能力指数Cp的影响 (170)

公式 (170)

分析 (170)

图形分析 (170)

附录C (173)

d2*表 (173)

附录D (174)

量具R（重复性）的研究 (174)

附录E (175)

使用误差修正术语替代PV计算 (175)

附录F (176)

P．I．S．M．O．E．A误差模型 (176)

术语 (179)

样表 (184)

M．S．A手册用户反馈过程 (187)

8

表格目录

序号题目页码

1控制原理和驱动兴趣点 (15)

2偏倚研究数据 (75)

3偏倚研究 – 偏倚研究的分析 (76)

4偏倚研究- 偏听偏信倚的稳定性研究分析 (78)

5线性研究数据 (81)

6线性研究- 中间结果 (92)

7量具研究（极差法） (85)

8方差（ANOV A）表 (106)

9方差分析%变差和贡献 (106)

10ANOV A法和均值极差法的比较 (107)

11ANOV A法报告 (107)

12计数型研究数据表 (111)

13测量系统示例 (127)

14基于测量系统形式的方法 (128)

15合并标准偏差分析数据表 (160)

16方差分量的估算 (165)

17 5.15σ分布 (166)

18方差分析(ANOV A) (167)

19ANOV A结果列表(零件a&b) (168)

20观测和实际Cp的对比 (172)

9

插图目录

序号题目页码

1长度测量溯源链的示例 (8)

2测量系统变异性 – 因果图 (14)

3不同标准之间的关系 (40)

4分辨力 (41)

5过程分布的分组数量(ndc)对控制和分析活动的影响 (42)

6过程控制图 (44)

7测量过程变差的特性 (45)

8偏倚和重复性的关系 (56)

9稳定性的控制图分析 (72)

10偏倚研究 – 偏倚研究直方图 (75)

11线性研究 – 作图分析 (82)

12量具重复性和再现性数据收集表 (88)

13均值图 – “层叠的” (89)

14均值图 – “不层叠的” (90)

15极差图 – “层叠的” (91)

16极差图 – “不层叠的” (91)

17零件链图 (92)

18散点图 (92)

19振荡图 (93)

20误差图 (94)

21归一化直方图 (95)

22均值- 基准值图 (96)

23比较图 (96)

24完整的GR&R数据收集表 (99)

25GR&R报告 (100)

26交互作用 (105)

27残留图 (105)

28过程举例 (110)

29灰色区域与测量系统有联系 (110)

30具有Pp=Ppk=1.33的过程 (116)

31绘制在正态概率纸上的计数型量具性能曲线 (124)

32计数型量具性能曲线 (125)

33(33 a & b)测量评价控制图.........................................................................................144&145 34(34 a & b)评价测量过程的控制图法的计算.............................................................146&147 35无误差的量具性能曲线. (151)

36量具性能曲线 – 示例 (152)

37绘制在正态概率纸上的量具性能曲线 (153)

38(38a, b & c)合成标准偏差研究图形分析...............................................................159,162,163 39观测的与实际的Cp(基于过程). (171)

10

40观测Cp与实际Cp(基于公差) (172)

11

致谢

本手册是集体劳动的结晶。其中下面一些人士贡献了大量的时间和做出了很大努力。

ASQ及AIAG贡献了时间和设施，为本手册的编写提供了帮助。ASQ汽车部的代表Grey Gruska、修订工作组的前组长John Katona一直是编写及出版本手册的主要贡献者。

本手册第三章的技术部分是在Barney Flynn的指导和促进下，由雪佛莱产品质量保证部的Kazem Mirkhani首先调研并编写的。计量型量具研究是依据General Electric（1962SQC 会刊），把这些概念扩展到计数型研究和量具性能曲线中。这些技术由Bill Wiechec在1978年6月进行了总结和编辑，出版了雪佛莱的“测量系统分析”一书。

在后来的几年里，本手册又增补了新内容。特别是Oldsmobile的Sheryl Hansen和Ray BenneR编写了ANOV A法和置信区间的内容。八十年代，雪佛莱的Larry Marruffo和John Lazur修改了雪佛莱手册。John Lazur和Kazem Mirkhani提出了新的测量系统章节并强化了一些概念，如稳定性、线性和方差（ANOV A）。EDS的Jothi Shanker为供方开发人员进一步修改工作做了准备。最新的修改包括增加零件内变差的标识与鉴定概念，马对统计稳定性做了更全面的描述。这两处修改由通用汽车公司统计评审委员会完成。

最新的改进是：更新格式，以符合现行QS-9000文件要求；更清楚，更多的示例，使本手册用户使用方便；讨论测量不确定度的概念，增加在原手册编写中没有包括的部分或不存在的内容。这一改进还包括测量系统寿命周期以及测量分析向与常见过程分析相同发展的概念。通用公司动力传动系统内部测量过程的一部分：策划、使用或改进手册，1993年4月28日印刷，包括在本次修订中。

目前重新编写的小组由通用汽车公司的Mike Down主持，该小组由戴姆勒克莱斯勒公司的David Benham、福特汽车公司的Peter Cvetkovski、ASQ汽车部的代表Greg Gruska、FM 公司的Tripp Martin、SRS技术服务的Steve Stahley。来自Minitab的Yanling Zuo、ASTM国际的Neil Ullman和Rock Valley大学技术部的Gordon Skattum同样做出了重要贡献。AIAG 为本手册的开发贡献了时间和设施。

最后，分别代表通用、福特及克莱斯勒汽车公司的MSA工作组成员一致同意本文件内容，他们的批准签名如下：

Michael H．Down David ．Benham Peter Cvetkovski

通用汽车公司 戴姆勒克莱斯勒公司 福特汽车公司

11

第一章

通用测量系统指南

1

2第一章－ 第一节

引言、目的和术语

测量数据的使用比以前更频繁、更广泛。例如，现在普

遍依据测量数据来决定是否调整制造过程，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制限值相比

较，如果比较结果表明这一过程统计失控，那么要做某种调

整，否则，这一过程就允许运行而勿须高干呀。测量数据另

一个用处是确定在两个或更多变量之间是否存在重要关系。 例如，可能怀疑注塑料件上的一个关键尺寸和注射材料的温

度有关。这种可能的关系可以通过采用所谓回归分析的统计

方法来研究，即比较关键尺寸的测量值和注射材料的温度测

量值

探索象这类关系的研究，是戴明博士称为分析研究的事例。通常，分析研究是增加对有关影响过程的各种原因的系统知识。各种分析研究是测量数据和最重要应用之一，因为这些分析研究最终导致更好地理解各种过程。 应用以数据为基础的方法的收益，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，则这种方法的收益很可能低。类似地，测量数据质量高，这一方法的收益也很可能高。 为了确保应用测量数据所得到的收益大于获得它们所花的费用，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。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数据。如果这些测量数据与这一特性的材料值都很“接近”，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数据“远离”标准值，那么可以说这些数据的质量“低”。

表征数据质量最通用的统计特性是测量系统的偏倚和方差。所谓偏倚的特性，是指数据相对基准（标准）值的位置，而所谓方差的特性，是指数据的分布。

低质量数据最通常的原因之一是数据变差太大。一组测量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。例如，测量某容器内流体的容积，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

引言

测量数据的质量

很困难，因此这一测量系统是不理想的。

如果交互作用产生太大的变差，那么数据的质量可能会

很低以至于数据没有用处。例如，一个具有大量变差的测量

系统，在分析制造过程中使用是不适合的，因为测量系统变

差可能会掩盖制造过程的变差。管理一个测量系统的许多工

作是监视和控制变差。这就是说，应着重研究掌握环境对测

量系统的影响，以使测量系统产生可接受的数据。

目的

本手册的目的是为评定测量系统的质量提供指南。尽管

这些指南足以用于任何测量系统，但希望它们主要用于工业

界的测量系统。本手册不打算作为所有测量系统分析的汇

编。它主要关注的是对每个零件能重复读数的测量系统。许

多分析对于其它形式的测量系统也是很有用的，并且该手册

的确包含了参考意见和建议。对更复杂或不常见的情况在此

没有讨论，建议咨询有统计能力的资源。测量系统分析方法

需要顾客批准，本手册没有覆盖。

术语

不建立一套涉及通用统计特性和测量系统相关要素的

术语，对测量系统分析的讨论会使用权人迷惑和误解。本节

提供了本手册中使用的这些术语。

在本手册使用以下术语：

●测量定义为赋值（或数）给具体事物以表示它们之间关

于特定性的关系。这个定义由Ｃ．Eisenhart（1963）首

次提出。赋值过程定义为测量过程，而赋予的值定义为

测量值。

●量具：任何用来获得测量结果的装置，经常用来特指用

在车间的装置；包括通过/不通过装置。

●测量系统：是用来对被测特性定量测量或定性评价的仪

器或量具、标准、操作、方法、夹具、软件、人员、环

境和假设的集合；用来获得测量结果的整个过程。

根据定义，一个测量过程可以看成是一个制造过程，它

产生数值（数据）作为输出。这样看待测量系统是有用

的，因为这可以使用权我们运用那些早已在统计过程控

制领域证明了有效性的所有概念、原理和工具。

3

术语总结1

标准

●用于比较的可接受的基准

●用于接受的准则

●已知数值，在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、今天和明天都具有同样的含义，产生

同样的结果。

基本的设备

●分辨力、可读性、分辨率

√别名：最小的读数的单位、测量分辨率、刻度

限度或探测度

√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

√1：10经验法则

●有效分辨率

√对于一个特定的应用，测量系统对过程变差的

灵敏性

√产生有用的测量输出信号的最小输入值

√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

√未知的和不可知的

1见第一章第五节术语定义和讨论

4

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

●稳定性

√偏倚随时间变化

√一个稳定的测量过程是关于位置的统计受控

√别名：漂移

●线性

√整个正常操作范围的偏倚改变

√整个操作规程范围的多个并且独立的偏倚误

差的相互关系

√测量系统的系统误差分量

宽度变差

●精密度2

√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E．Ｖ．-设备变差

√仪器（量具）的能力或潜能

√系统内变差

2在ASTM文件中，没有测量系统的精密度这样的说法；也就是说，精密度不能用单一数值表述。

5

●再现性

√由不同的评价人使用同一个量具，测量一个零件的一个特性时产生的测量平均值的变差。

√对于产品和过程条件，可能是评价人、环境（时间）或方法的误差

√通常指A．Ｖ- 评价人变差

√系统间（条件）变差

√ASTM E456-96 包括重复性、实验室、环境及评价人影响

●GRR或量具R＆Ｒ

√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

√测量系统能力；依据使用的方法，可能包括或不包括时间影响

●测量系统能力

√测量系统变差的长期评估（长期控制图法）

●灵敏度

√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）下的统计受控

●均一性

√整个正常操作范围重复性的变化程度

√重复性的一致

6

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/00te.html