浅谈关于产品检测的精度控制
2014-09-29牟波
牟波
摘 要：文章阐述了产品检测精度的定义、组成及分类，并对影响产品检测精度的误差进行详细的分析。通过对测量系统的系统误差与测量过程的随机误差的论述，阐明两者对于产品检测精度的影响，分析相应的控制措施及技术原理。产品检测精度是测量系统的系统误差与测量过程的随机误差的相互作用下形成影响。通过文章论述，希望为读者理解控制产品检测精度的原理、技术以及制定对生产实际具有指导意义的方案有所启发。
关键词：产品检测；精度；系统误差；随机误差；数据处理
引言
随着市场经济的不断发展，市场竞争日益激烈，顾客对产品质量的要求越来越高，企业对产品质量水平的控制显得尤为重要，保证产品质量符合顾客的需求才能赢得市场。产品检测，则是制造业企业检测控制质量水平的重要手段，其中产品检测的精度控制，则是企业质量保证的重要技术指标。
1 产品检测精度
1.1 产品检测精度定义
产品检测精度指测量的结果相对于被测量真值的偏离程度。在测量中，任何一种测量的精密程度高低都只能是相对的，为使测量结果准确可靠，尽量减少误差，提高测量精度，必须充分认识测量过程中可能出现的误差，以便采取必要的措施来加以克服。
1.2 产品检测过程介绍
产品检测是质量管理中重要的综合性和基础性工作，通常一个基本的产品检测的测量过程包含以下几个环节步骤。
1.2.1 测量对象进行分析：测量要素属性，公差要求，是否有特殊性等确认测量对策。
1.2.2 测量设备选择：设备检定周期，公差要求，量程范围，设备的环境条件、使用规程等。
1.2.3 测量对象的必要处理：除锈、必要的辅助处理 如便于装夹需临时加工支撑面等。
1.2.4 测量方案选择：确认零件装夹位置、方向，测量原理、方式。
1.2.5 测量的实施：测量技术的应用，测量设备工具的使用，误差规避原理的运用等。
1.2.6 测量的数据记录、处理：异常数据处理（粗大误差的排除）、处理技术原理、公差计算，统计学分析等。
1.2.7 测量结果的评价输出。
1.3 产品检测误差来源
为了更好的进行产品检测精度控制，首先应了解产品检测误差的来源，才能从源头及过程上理解产品检测精度控制的要点及意义。通过产品检测的过程分析，测量误差的来源主要有：测量器具、测量方法、测量环境和测量人员等；包含来至测量系统固有的系统误差，测量过程的随机误差，粗大误差等。常见误差来源介绍。
1.3.1 检测器具：测量器具的制造和装配误差都会引起其示值误差。其中最重要的是基准件的误差，如刻线尺的误差。
1.3.2 检测方法：因测量方法产生的误差，除了某些间接测量法中的原理误差以外，主要有阿贝误差和对准误差两种。
1.3.3 检测环境：主要包括温度、气压、湿度、振动、噪声以及空气净化程度等因素。在一般测量过程中，温度是重要的因素，其它因素只在精密测量中才考虑。
1.3.4 检测人员：主要有视觉、估读误差、观测误差、调整误差以及对准误差等。
1.4 产品检测精度指标
反映测量结果与真接近程度的量称为精度，精度与误差是相对的概念，相应地分为：
正确度-用来描述系统误差对测量结果的影响程度。
精密度-用来描述随机误差对测量结果的影响程度。
精确度-用来描述随机误差和系统误差对测量结果的综合影响程度，亦称准确度。
产品检测精度的控制，就是通过对影响测量的正确度、精密度及其综合影响精确度因素的分析，运用质量管理手段、产品检测原理与技术等，将产品检测精度控制在高效、经济的范围内，为企业质量管理提供服务支撑，保障企业产品的质量管控。
2 系统误差分析及控制
2.1 测量系统定义
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；包含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。测量系统存在的固有误差就是测量系统的系统误差。
2.2 测量系统误差分析
系统误差又叫做规律误差。它是在一定的测量条件下，对同一个被测尺寸进行多次重复测量时，误差值的大小和符号（正值或负值）保持不变；或者在条件变化时，按一定规律变化的误差。系统误差可以指标化描述为：由测量系统的偏倚、稳定性、重复性、再现性和线性等产生的合成变差。
2.2.1 偏倚：对同样的零件的同样特性，测量的观测平均值（在可重复条件下的一组试验）和真值（基准值）之间的差值。偏倚是测量系统的系统误差的测量。
2.2.2 稳定性：又称为漂移，既指测量过程的统计稳定性又指随时间变化的测量稳定性。时间变化，涉及到测量环境和条件变化（温度、振动、设备磨损程度、设备有效期等等），稳定性是偏倚随时间的变化。
2.2.3 重复性：重复性是指由一个评价人，用同一种测量仪器，多次测量同一零件的同一特性时获得的测量变差。它是设备本身固有的变差和性能，通常指设备变差（EV）。传统上把重复性看作“评价人内变异性”。
2.2.4 再现性：再现性通常定义为由不同的评价人，采用相同的测量仪器，测量同一零件的同一特性时测量平均值的变差，通常指评价人变差（AV）。传统上把再现性看作“评价人之间”的变异。
2.2.5 线性：测量系统预期操作范围内偏倚误差值的差别。换句话说，线性表示操作范围内多个和独立的偏倚误差值的相关性。例如某个长度方向上，距离越远误差越大，精度越低，因为偏倚随距离增加了。endprint
2.3 测量系统误差控制
测量系统误差不可避免，对测量结果的影响很大，所以在实际测量中，应该设法加以降低系统误差。测量系统误差的控制，可以从5M1E六个方面来进行论述。
2.3.1 设备（Machine）方面：根据机器设备、工夹具的精度水平和维护保养状况，按规定进行检定、校准（控制偏倚），选择合理的根据测量的公差要求、量程和方向（控制线性）等选择设备。测量设备、工具必须经过相关机构的检定认可，并在相应的有效期内。
2.3.2 人员（Man/Manpower）方面：测量系统中操作者的质量意识以及对科学技术知识的掌握水平，影响操作者本身对产品检测的理解，对测量设备、工具、技术原理应用的正确性与适应性。
2.3.3 材料（Material）方面：综合分析测量工件的材料结构、成分、物理性能和化学性能等，对测量工件的必要处理（如除锈处理、装夹面处理、检测面处理等）。
2.3.4 工艺方法（Method）方面：包括加工工艺、工装选择、操作规程等。首先确保按操作规程等来使用测量设备，工件的放置方式、装夹方面与测量要素、测量设备特性的相互配合，也对系统误差有不小的影响。比如在CMM测量中，通过对工件的合理装夹，减少或避免测量过程中的二次装夹（减小安装过程的变差等），或者是减少CMM测量机的操作范围（降低线性的影响），或者减少CMM测量机在某个测量方向上的变化（如测量过程中Z值保持不变，可降低因Z值变化过程产生的系统变差）。
2.3.5 测量（Measurement）方面：测量时采取的方法是否标准、正确；采用的技术原理、抽样方法是否恰当，测量方案的设计是否规范等。常用的测量原则有阿贝测长原则、基准统一原则、最短链原则、最小变形原则等。
2.3.6 环境（Environment）方面：满足工作地的温度、湿度、照明和清洁条件等。例如CMM测量机对温度、适度、振动的要求；也包含测量对象等对环境的要求，如在测量膨胀系数大的材料制件时对温差变化的要求。
不同的测量系统，不同的测量对象，5M1E各要素对产品检测精度的影响程度有所不同。在实际的产品检测中，首先要保障测量系统的5M1E各方面都符合规定（如ISO/TS16949：2002体系标准相关规定），其次需要综合各方面的情况（如检测效率、经济性、设备满足与精度水、人力资源水平、测量对象特性等）来进行合理的选择匹配。这样的测量系统，其系统误差合理、有效、可靠，才能满足产品检测的精度需要。
3 随机误差分析及控制
3.1 随机误差定义
随机误差（又称偶然误差）是指测量结果与同一待测量的大量重复测量的平均结果之差。随机误差主要影响着产品检测的精密度。随机误差大小和方向都不固定，也无法测量或校正。
3.2 随机误差分析
随着测定次数的增加，误差的平均值将逐渐趋向于零。即使测试系统的灵敏度足够高，在相同的测量条件下，对同一量值进行多次等精度测量时，仍会有各种偶然的，无法预测的不确定因素干扰而产生测量误差，其绝对值和符号均不可预知。虽然单次测量的随机误差没有规律，但多次测量的总体却服从统计规律，通过对测量数据的统计处理，能在理论上估计起对测量结果的影响。随机误差不能用修正或采取某种技术措施的办法来消除，可以使用统计学方法降低其影响。
3.3 随机误差控制
通过随机误差的分析，可用数理统计的方法，处理测量数据，从而减少随机误差对测量结果的影响。通常为合理控制随机误差，有以下几种数据处理方法：
（1）运用算术平均偏差：根据统计理论，我们将多次测量的算术平均值作为真值的最佳近似值。在对测量结果进行评定时，我们约定系统误差和粗大误差已经消除、修正或可以忽略，只考虑随机误差，其服从正态分布。
（2）运用标准偏差（均方根偏差）：标准偏差是一个描述测量结果离散程度的参量。用它来评定随机误差有以下优点：稳定性，σ值随K变化较小；它以平方计值，与个别误差的符号无关，能反映数据的离散程度；与最小二乘法吻合。
（3）运用置信率：随机误差在±tσ范围出现的概率称为置信概率，t-置信因子（置信系数）。通常将3σ（即t=3）称为随机误差的极限误差。
范围 置信率
（N-？滓 ， N+？滓） 68.3%
（N-2？滓 ， N+2？滓） 95.4%
（N-3？滓 ， N+3？滓） 99.7%
超出极限误差时，则认为测量数据中存在异常、不合理数据，应进行相应的粗大误差因素排查、数据检验等，确保数据的有效性。常用的数据检验Q检验法、Grubbs检验法、F检验法、t检验法等；主要进行过失误差的判断离群值检验和系统误差的判断显著性检验。
（4）运用不确定度：它是对测量结果可信赖程度的评定。它表示了被测量的真值以一定概率落在某个量值范围内（N-u，N+u）。不确定度小，表示误差的可能值小，测量的可信赖程度就高；不确定度大，表示误差的可能值大，测量的可信赖程度降低。
4 结束语
产品检测精度，排除粗大误差在外，是由测量系统的系统误差和测量过程的随机误差的综合影响的结果。对产品检测精度的控制，是一项综合的质量管理工作。系统误差对产品检测结果的影响尤为显著，应尽可能地加以改正、抵消或削弱。在ISO/TS16949：2002体系标准中，对测量系统做了规范、详细的要求，这也是测量系统分析（MSA）的主要内容，满足该体系标准，是对企业质量管理的重要保障。
参考文献
[1]全国质量专业技术人员职业资格考试办公室.质量专业综合知识[M].中国人事出版社.
[2]李硕根.互换性与测量技术[M].中国计量出版社.
[3]全国质量专业技术人员职业资格考试办公室.质量专业理论与实务[M].中国人事出版社.
[4]David Benham .MSA手册[M].戴姆勒克莱斯勒出版.
[5]岑 霆.质量管理教程[M].复旦大学出版社.endprint
2.3 测量系统误差控制
测量系统误差不可避免，对测量结果的影响很大，所以在实际测量中，应该设法加以降低系统误差。测量系统误差的控制，可以从5M1E六个方面来进行论述。
2.3.1 设备（Machine）方面：根据机器设备、工夹具的精度水平和维护保养状况，按规定进行检定、校准（控制偏倚），选择合理的根据测量的公差要求、量程和方向（控制线性）等选择设备。测量设备、工具必须经过相关机构的检定认可，并在相应的有效期内。
2.3.2 人员（Man/Manpower）方面：测量系统中操作者的质量意识以及对科学技术知识的掌握水平，影响操作者本身对产品检测的理解，对测量设备、工具、技术原理应用的正确性与适应性。
2.3.3 材料（Material）方面：综合分析测量工件的材料结构、成分、物理性能和化学性能等，对测量工件的必要处理（如除锈处理、装夹面处理、检测面处理等）。
2.3.4 工艺方法（Method）方面：包括加工工艺、工装选择、操作规程等。首先确保按操作规程等来使用测量设备，工件的放置方式、装夹方面与测量要素、测量设备特性的相互配合，也对系统误差有不小的影响。比如在CMM测量中，通过对工件的合理装夹，减少或避免测量过程中的二次装夹（减小安装过程的变差等），或者是减少CMM测量机的操作范围（降低线性的影响），或者减少CMM测量机在某个测量方向上的变化（如测量过程中Z值保持不变，可降低因Z值变化过程产生的系统变差）。
2.3.5 测量（Measurement）方面：测量时采取的方法是否标准、正确；采用的技术原理、抽样方法是否恰当，测量方案的设计是否规范等。常用的测量原则有阿贝测长原则、基准统一原则、最短链原则、最小变形原则等。
2.3.6 环境（Environment）方面：满足工作地的温度、湿度、照明和清洁条件等。例如CMM测量机对温度、适度、振动的要求；也包含测量对象等对环境的要求，如在测量膨胀系数大的材料制件时对温差变化的要求。
不同的测量系统，不同的测量对象，5M1E各要素对产品检测精度的影响程度有所不同。在实际的产品检测中，首先要保障测量系统的5M1E各方面都符合规定（如ISO/TS16949：2002体系标准相关规定），其次需要综合各方面的情况（如检测效率、经济性、设备满足与精度水、人力资源水平、测量对象特性等）来进行合理的选择匹配。这样的测量系统，其系统误差合理、有效、可靠，才能满足产品检测的精度需要。
3 随机误差分析及控制
3.1 随机误差定义
随机误差（又称偶然误差）是指测量结果与同一待测量的大量重复测量的平均结果之差。随机误差主要影响着产品检测的精密度。随机误差大小和方向都不固定，也无法测量或校正。
3.2 随机误差分析
随着测定次数的增加，误差的平均值将逐渐趋向于零。即使测试系统的灵敏度足够高，在相同的测量条件下，对同一量值进行多次等精度测量时，仍会有各种偶然的，无法预测的不确定因素干扰而产生测量误差，其绝对值和符号均不可预知。虽然单次测量的随机误差没有规律，但多次测量的总体却服从统计规律，通过对测量数据的统计处理，能在理论上估计起对测量结果的影响。随机误差不能用修正或采取某种技术措施的办法来消除，可以使用统计学方法降低其影响。
3.3 随机误差控制
通过随机误差的分析，可用数理统计的方法，处理测量数据，从而减少随机误差对测量结果的影响。通常为合理控制随机误差，有以下几种数据处理方法：
（1）运用算术平均偏差：根据统计理论，我们将多次测量的算术平均值作为真值的最佳近似值。在对测量结果进行评定时，我们约定系统误差和粗大误差已经消除、修正或可以忽略，只考虑随机误差，其服从正态分布。
（2）运用标准偏差（均方根偏差）：标准偏差是一个描述测量结果离散程度的参量。用它来评定随机误差有以下优点：稳定性，σ值随K变化较小；它以平方计值，与个别误差的符号无关，能反映数据的离散程度；与最小二乘法吻合。
（3）运用置信率：随机误差在±tσ范围出现的概率称为置信概率，t-置信因子（置信系数）。通常将3σ（即t=3）称为随机误差的极限误差。
范围 置信率
（N-？滓 ， N+？滓） 68.3%
（N-2？滓 ， N+2？滓） 95.4%
（N-3？滓 ， N+3？滓） 99.7%
超出极限误差时，则认为测量数据中存在异常、不合理数据，应进行相应的粗大误差因素排查、数据检验等，确保数据的有效性。常用的数据检验Q检验法、Grubbs检验法、F检验法、t检验法等；主要进行过失误差的判断离群值检验和系统误差的判断显著性检验。
（4）运用不确定度：它是对测量结果可信赖程度的评定。它表示了被测量的真值以一定概率落在某个量值范围内（N-u，N+u）。不确定度小，表示误差的可能值小，测量的可信赖程度就高；不确定度大，表示误差的可能值大，测量的可信赖程度降低。
4 结束语
产品检测精度，排除粗大误差在外，是由测量系统的系统误差和测量过程的随机误差的综合影响的结果。对产品检测精度的控制，是一项综合的质量管理工作。系统误差对产品检测结果的影响尤为显著，应尽可能地加以改正、抵消或削弱。在ISO/TS16949：2002体系标准中，对测量系统做了规范、详细的要求，这也是测量系统分析（MSA）的主要内容，满足该体系标准，是对企业质量管理的重要保障。
参考文献
[1]全国质量专业技术人员职业资格考试办公室.质量专业综合知识[M].中国人事出版社.
[2]李硕根.互换性与测量技术[M].中国计量出版社.
[3]全国质量专业技术人员职业资格考试办公室.质量专业理论与实务[M].中国人事出版社.
[4]David Benham .MSA手册[M].戴姆勒克莱斯勒出版.
[5]岑 霆.质量管理教程[M].复旦大学出版社.endprint
2.3 测量系统误差控制
测量系统误差不可避免，对测量结果的影响很大，所以在实际测量中，应该设法加以降低系统误差。测量系统误差的控制，可以从5M1E六个方面来进行论述。
2.3.1 设备（Machine）方面：根据机器设备、工夹具的精度水平和维护保养状况，按规定进行检定、校准（控制偏倚），选择合理的根据测量的公差要求、量程和方向（控制线性）等选择设备。测量设备、工具必须经过相关机构的检定认可，并在相应的有效期内。
2.3.2 人员（Man/Manpower）方面：测量系统中操作者的质量意识以及对科学技术知识的掌握水平，影响操作者本身对产品检测的理解，对测量设备、工具、技术原理应用的正确性与适应性。
2.3.3 材料（Material）方面：综合分析测量工件的材料结构、成分、物理性能和化学性能等，对测量工件的必要处理（如除锈处理、装夹面处理、检测面处理等）。
2.3.4 工艺方法（Method）方面：包括加工工艺、工装选择、操作规程等。首先确保按操作规程等来使用测量设备，工件的放置方式、装夹方面与测量要素、测量设备特性的相互配合，也对系统误差有不小的影响。比如在CMM测量中，通过对工件的合理装夹，减少或避免测量过程中的二次装夹（减小安装过程的变差等），或者是减少CMM测量机的操作范围（降低线性的影响），或者减少CMM测量机在某个测量方向上的变化（如测量过程中Z值保持不变，可降低因Z值变化过程产生的系统变差）。
2.3.5 测量（Measurement）方面：测量时采取的方法是否标准、正确；采用的技术原理、抽样方法是否恰当，测量方案的设计是否规范等。常用的测量原则有阿贝测长原则、基准统一原则、最短链原则、最小变形原则等。
2.3.6 环境（Environment）方面：满足工作地的温度、湿度、照明和清洁条件等。例如CMM测量机对温度、适度、振动的要求；也包含测量对象等对环境的要求，如在测量膨胀系数大的材料制件时对温差变化的要求。
不同的测量系统，不同的测量对象，5M1E各要素对产品检测精度的影响程度有所不同。在实际的产品检测中，首先要保障测量系统的5M1E各方面都符合规定（如ISO/TS16949：2002体系标准相关规定），其次需要综合各方面的情况（如检测效率、经济性、设备满足与精度水、人力资源水平、测量对象特性等）来进行合理的选择匹配。这样的测量系统，其系统误差合理、有效、可靠，才能满足产品检测的精度需要。
3 随机误差分析及控制
3.1 随机误差定义
随机误差（又称偶然误差）是指测量结果与同一待测量的大量重复测量的平均结果之差。随机误差主要影响着产品检测的精密度。随机误差大小和方向都不固定，也无法测量或校正。
3.2 随机误差分析
随着测定次数的增加，误差的平均值将逐渐趋向于零。即使测试系统的灵敏度足够高，在相同的测量条件下，对同一量值进行多次等精度测量时，仍会有各种偶然的，无法预测的不确定因素干扰而产生测量误差，其绝对值和符号均不可预知。虽然单次测量的随机误差没有规律，但多次测量的总体却服从统计规律，通过对测量数据的统计处理，能在理论上估计起对测量结果的影响。随机误差不能用修正或采取某种技术措施的办法来消除，可以使用统计学方法降低其影响。
3.3 随机误差控制
通过随机误差的分析，可用数理统计的方法，处理测量数据，从而减少随机误差对测量结果的影响。通常为合理控制随机误差，有以下几种数据处理方法：
（1）运用算术平均偏差：根据统计理论，我们将多次测量的算术平均值作为真值的最佳近似值。在对测量结果进行评定时，我们约定系统误差和粗大误差已经消除、修正或可以忽略，只考虑随机误差，其服从正态分布。
（2）运用标准偏差（均方根偏差）：标准偏差是一个描述测量结果离散程度的参量。用它来评定随机误差有以下优点：稳定性，σ值随K变化较小；它以平方计值，与个别误差的符号无关，能反映数据的离散程度；与最小二乘法吻合。
（3）运用置信率：随机误差在±tσ范围出现的概率称为置信概率，t-置信因子（置信系数）。通常将3σ（即t=3）称为随机误差的极限误差。
范围 置信率
（N-？滓 ， N+？滓） 68.3%
（N-2？滓 ， N+2？滓） 95.4%
（N-3？滓 ， N+3？滓） 99.7%
超出极限误差时，则认为测量数据中存在异常、不合理数据，应进行相应的粗大误差因素排查、数据检验等，确保数据的有效性。常用的数据检验Q检验法、Grubbs检验法、F检验法、t检验法等；主要进行过失误差的判断离群值检验和系统误差的判断显著性检验。
（4）运用不确定度：它是对测量结果可信赖程度的评定。它表示了被测量的真值以一定概率落在某个量值范围内（N-u，N+u）。不确定度小，表示误差的可能值小，测量的可信赖程度就高；不确定度大，表示误差的可能值大，测量的可信赖程度降低。
4 结束语
产品检测精度，排除粗大误差在外，是由测量系统的系统误差和测量过程的随机误差的综合影响的结果。对产品检测精度的控制，是一项综合的质量管理工作。系统误差对产品检测结果的影响尤为显著，应尽可能地加以改正、抵消或削弱。在ISO/TS16949：2002体系标准中，对测量系统做了规范、详细的要求，这也是测量系统分析（MSA）的主要内容，满足该体系标准，是对企业质量管理的重要保障。
参考文献
[1]全国质量专业技术人员职业资格考试办公室.质量专业综合知识[M].中国人事出版社.
[2]李硕根.互换性与测量技术[M].中国计量出版社.
[3]全国质量专业技术人员职业资格考试办公室.质量专业理论与实务[M].中国人事出版社.
[4]David Benham .MSA手册[M].戴姆勒克莱斯勒出版.
[5]岑 霆.质量管理教程[M].复旦大学出版社.endprint
