测量系统分析（MSA）在汽车零部件行业的应用

王玉霄

滨州渤海活塞有限公司 山东滨州 256602

王玉霄

1 序言

测量系统分析（MSA）是汽车行业五大工具[1]之一，是IATF 16949汽车行业质量管理体系的补充要求。测量系统分析通常分为计数型和计量型两种。计量型测量系统分析通常对测量系统的5个方面进行分析，分别是偏倚、线性、稳定性、重复性和再现性[2]，以下简称“五性”。计数型测量系统分析通常用有效性、漏判率和误判率进行判断。

图1为测量及其误差的4种情况，其中图1a为测量准确且精确，偏倚小、波动小；图1b为测量精确但不准确，偏倚大、波动小；图1c为测量准确但不精确，偏倚小、波动大；图1d为测量不准确且不精确，偏倚大、波动大。

图1 测量及其误差的4种情况

2 测量系统基本概念

测量系统可分为计数型和计量型两类。测量后能够给出具体测量数值的为计量型测量系统，只能定性地给出测量结果的为计数型测量系统。

2.1 计量型测量系统

偏倚：指对同一测量对象进行多次测量的平均值与该测量对象的基准值或标准值之差。其中，标准值可通过使用更高级别的测量设备进行若干次测量取其平均值来确定。

线性：指在其量程范围内偏倚是基准值的线性函数。对于通常的测量方法，一般来说，当测量基准值较小时，测量偏倚会较小；当测量基准值较大时，测量偏倚会较大。

稳定性：通常指某个系统的计量特性随时间保持恒定的能力。在研究测量系统的稳定性时，假定测量系统在一定时间内各项统计性能均保持恒定。

重复性：指在尽可能相同的测量条件下对同一测量对象进行多次重复测量所产生的波动。重复性波动主要是反映量具本身的波动。

再现性：指不同的操作人员使用相同的量具对相同的零件进行多次测量而产生的波动。再现性主要是度量不同操作人员在测量过程中所产生的波动。

图2为过程变差组成。

图2 过程变差组成

2.2 计数型测量系统

有效性：分为测量人员的有效性和系统的有效性。测量人员的有效性是指有效零件数目与被测零件数目之比。系统有效性是指系统有效的零件数目与被测零件数目之比。

漏判率：对每个测量人员，将基准为不可接受的零件漏判为可接受的机会百分率。

误判率：对每个测量人员，将基准为可接受的零件误判为不可接受的机会百分率。

3 测量系统结果评价

对测量系统评价结果进行分析，以确保测量系统是否被允许用于预期用途。对于计量型测量系统来说，主要是评价重复性和再现性是否可接受，其可接受准则为：低于测量系统10%可接受；低于10%～30%则有条件接受，需要根据测量系统的重要性、量具的成本以及客户是否认可来进行综合评价；高于测量系统30%不能接受，需要改进。在满足以上要求的基础上，测量系统设定分辨力指标，通常要求可区分类别数NDC＞5[1]。对于计数型测量系统来说，通常根据有效性、漏判率和误判率3个方面进行判断。

4 测量系统分析在生产实践中的重要性

汽车行业质量管理体系特殊要求，最新版 IATF 16949 7.1.5.1.1条款明确“应进行统计研究来分析在控制计划所识别的每种检验、测量和试验设备系统的结果中呈现的变异，所采用的分析方法及接收准则，应与测量系统分析的参考手册相 一致”。

对于整个制造过程而言，过程的总变差一半来自过程本身，一半来自测量系统。图3为变差组成。好的测量系统，能够产生优质的测量数据，优质的测量数据代表着无限接近于真值。构成测量系统的要素很多，诸如人（测量人员）、环境、被测物和测量过程等，这里最重要的一点是量具本身，而量具的选取，要特别关注测量系统研究。

图3 变差组成

基于以上原则，判断制造过程能力是否满足要求是由两方面决定的，一方面是设备的能力，另一方面是测量系统能力。而判断测量数据的质量高低则需要进行测量系统分析。尤其对于汽车零部件行业来说，单纯只进行周期检定和定期校准，其结果只能代表该量具在特定条件下的某种“偏倚”状况，而不能反映出整个测量系统包括和零件之间的交互作用。基于在检验中常见的两种错误，一种是不合格产品被接收，另一种是不合格产品被拒绝，由于这其中测量系统都起到了决定性作用，所以必须做测量系统分析，评价测量系统能力。

5 测量系统分析中的疑难点探讨

5.1 计量型测量系统“五性”分析的选择

在计量型测量系统分析中，通常要求对“五性”进行分析。是否每次都要对“五性”进行分析，就需要将测量系统分析工具与计量工作和实际应用结合起来。测量系统的偏倚和线性可根据实际情况由量具校准来确定[3]；稳定性结合现场对同一质量特性的校对结果来确定；对于重复性和再现性，根据量具的类型和用途来确定，比如有些精测设备设定程序后自动测量，受人为因素影响较少，这时可以只考虑测量系统的重复性。

任何对于测量系统的研究都要基于实际情况，根据测量系统的用途来选择对哪种特性进行分析，既要考虑测量系统应用的准确性和稳定性，确保生产出合格的产品，又要考虑测量系统分析的可行性与经济性，保证公司合理运营。

5.2 计量型和计数型量具的选择

在实际生产过程中，往往同一质量特性有多种检测方式进行检测，既有计量型测量系统，又有计数型测量系统。比如在对某个孔的直径进行测量时，既可以用三坐标测量，也可以用通止规测量。无论选哪种量具，都应当首先对测量系统进行分析。但是，选择哪种量具要根据实际情况从以下两方面进行讨论：第一，如果检测是为了进一步做能力分析，比如设备能力分析、加工过程能力分析，这时选择用计量型测量系统，并按照实际情况对测量系统五性进行研究；第二，如果检测只是为了验证尺寸是否合格，提供合格产品，从经济性考虑，可以选择计数型测量系统，并选择用Kappa分析等方式进行测量系统研究[1]。

5.3 量具分辨力的选择

在测量系统分析中常遇到一种现象，即按照最基本的十分之一原则对量具进行选择，但分析结果却出现测量系统变差＜10%，而NDC＜5，这时测量系统是否能够接受，原则上，按照MSA手册，这种情况是不可以接受的，但是若根据测量系统应用的实际情况分析存在这一现象的根本原因，NDC＜5说明测量数据分层比较少，一是测量系统分辨力不足；二是选择零件没有分层，制造过程比较稳定。若是第二种情况，则可对测量系统重新评估，合理安排取样方案，再次对测量系统进行分析，此时NDC可能有所改善。若此时NDC＜5，则说明测量系统可以接受。

在测量分析中还可能遇到另外一种现象，那就是基于零件公差分析测量系统变差＜10%，基于零件变差分析测量系统变差＞10%，这时测量系统是否合格。其实也分两种情况：一是测量数据是为了判断零件是否合格，此时测量系统是可以接受的；二是测量数据是为了进行过程能力分析，此时需要根据具体情况再进一步分析评审。

5.4 如何取样

在测量系统的取样问题上往往存在争议，有人认为取样应该覆盖质量特性的公差；有人认为应当在制造过程中取样，覆盖制造变差。其实两种说法都有道理，但要区分测量情景，区分测量系统用途。若测量系统是为了评价零件是否合格，无疑测量系统分析时取样应当覆盖整个公差；若测量系统是为了评价制造过程能力，则应当在制造过程中取样，覆盖制造过程的变差。

6 结束语

测量系统分析（MSA）作为汽车行业常用的测量系统分析工具之一，固然是汽车行业的一笔宝贵财富，受到广泛的欢迎，但任何问题都不能抛开整体来单独看待，过分局限于工具的理论，而不做变通。实际使用中要结合生产和过程控制的需要来进行选择，灵活运用，做到不让工具成为负担，而是作为公司良好运营的良药、利器。