对于m的第4部分 ÿ “从我的错误中学习”博客系列 ，我将谈谈测量系统，以及如果我们不理解它们，我们会冒的风险。
我们都知道测量系统是什么，对吗？也许这是一个带有数字读数的气泵。 或者也许是一位测量患者脉搏的护士，或者是一家杂货店工作人员判断香蕉是否足够成熟（但不是太熟）才能在展台上展示。 每个“系统”用于测量某些质量或数量，从而可以做出最终的判断。
如果所有测量系统都有一个共同点，那就是错误。 没有测量系统是完美的，如果我们不了解测量系统的功能，我们就会冒着根据系统输出出错的风险。
多年来，我在收集和报告测量数据时发现了各种错误。 其中一些错误包括：
- 报告测量数字过多。
- 没有报告测量的不确定性。
- 使用无法进行测量的量具。
我们将按顺序解决其中的每一个问题。 我不希望这篇博文成为测量系统分析的“操作方法”指南（我将在最后指出一些有用资源的参考资料），但我想指出一些常见的缺陷人们使用测量系统的方式。 如果你发现你的特定测量系统不够“足够好”，我将会提出一些建议。
错误＃1：报告测量数据太多
该特定主题适用于具有数字读数的测量系统（通常简称为“应变计”）。 以前面提到的气泵示例为例。 一些气泵读出精确到0.001加仑。 这可能会让你感觉良好（“我正好得到14.372加仑的汽油！”）但是你相信这个水平是准确的吗？就个人而言，每当我从填充喷口拉出喷嘴时，我都会看到几滴气体撞到地面。 真正从喷嘴中抽出多少气体？真的进了坦克多少钱？这么准确是否甚至重要？
另一方面，你们中的一些人可能还记得可能读到的最近0.1加仑的“老式”气泵（如果那样）。 作为这个天然气价格较高的时代的消费者，你不想对你刚抽出多少气体更有信心，以确保你没有多收？
我在工业经历中看到了两种错误。 如果您正在参加会议并且有人提供数据，您将如何回应以下两个陈述中的每一个？
- “我在97.3275412测量了产品A之一，在98.2021929测量了产品B之一”
- “产品A测得97，产品B测得98”
对于观众而言，如果做出第一个陈述，则意味着测量的准确度非常高。 可以得出结论，产品B明显高于产品A，并且具有非常特定的量。 另一方面，一个精明的听众可能会质疑主持人是否知道他在做什么，因为很少有量具可以产生这种准确性。
如果做出第二个陈述，观众可能会对两种产品之间的差异产生“更柔和”的感觉。 可以引导观众开始询问关于测量系统的可重复性的问题，和/或测量的部分是否真正不同。
那么应该报告多少位数？你如何做出这个决定？进行测量的人是否应该根据“经验”任意决定要报告的位数？
幸运的是，事实证明有很简单的方法可以解决这个问题。 事实上，一种名为EMP（评估测量过程）的方法可根据量具的穿孔能力为您提供适当的数字位数。 我们将在本文稍后讨论EMP。
错误＃2：未报告测量的不确定性
继续上述示例，测量值的陈述存在另一个问题。 我们的测量系统不完善（在某种程度上）。 假设我们使用我们的量具来测量一个部分，一遍又一遍。 测量结果不会相同，因为我们的测量仪中存在随机误差。 我们在这个单个部分的前三个读数中获得以下值：
98.2
97.3
98.5
那么这部分的测量值是多少？假设零件本身在读数之间没有变化，则应变计必须在读数中引入变化。 此外，如果该部分的规格下限为98，该怎么办？ 这是一个很好的部分，还是一个不好的部分？我们应该如何报告这部分的测量值？
如果我们能够理解我们的量具的能力，我们就能够表达出量具的不确定性。 例如，单次测量可能具有±2.1单位的不确定性，因此我们报告的测量值可能是98.2±2.1单位。 这使信息的消费者知道这种测量有多好（或差）！
我们如何得到这种量具的不确定性？不确定性基于总计量误差，这是由于测量设备的误差和应变计操作员引起的误差（通常称为量具重复性和再现性，或GR＆R），以及您希望的置信水平。报告。 您可以选择95％置信度或99％置信度，或者您可以指定测量系统的中位数误差。 （当然，确保您的受众在发布数据时了解这一不确定性标准！）
我们将在下一节中更多地讨论Gage R＆R。 目前，这部分故事的寓意是： 不报告测量值，也不报告随之而来的不确定性！
错误＃3：使用无法进行测量的测量系统
这个话题似乎是一个明显的错误，但我已经看到测量系统具有令人无法接受的高可变性，仍在使用中。 原因各不相同，从简单地忽略量具的能力，到“这是我们一直做的事情”，到“它是我们唯一得到的量具”。
使用这种无法使用的量具可能会导致许多问题。 例如：
- 如果使用劣质量具从生产线上筛选零件，我们就有可能丢弃好的零件和/或接受不良零件，这两种情况都会给公司带来损失。
- 如果使用劣质量具来监控生产过程是否处于“控制”状态，我们将面临以下风险：（1）掩盖失控情况，因为量具会给系统增加掩蔽噪声，或（2）支出当问题确实是测量噪声时，试图解决失控情况的时间。
- 如果在研发环境中使用劣质量具，我们可能无法检测到潜在改进之间的差异，因为量具无法测量小的（但有价值的）差异。
了解您的量具测量能力对于有效使用量具至关重要！下一节将讨论评估量具性能的几种简单而常用的方法。
解决方案的开始：了解您的测量系统
如果您已经看到上述任何错误，请记住：有一些工具可以用这种或那种方式解决所有问题。 下面简要描述这些工具中的两个（Gage R＆R和EMP）。
Gage R＆R
Gage R＆R代表Gage重复性和再现性，其中“可重复性”表示由测量仪器本身引起的误差，“再现性”表示操作员使用测量仪器时的误差。
Gage R＆R几十年前诞生，以满足测量生产过程的需求。 它评估量具的性能要么与规格限制相比，要么与用于研究量具的部件的扩散相比较。 从本质上讲，您希望您的Gage R＆R变化率低于规格范围或零件范围，以最大限度地减少测量零件真实值的污染。
Gage R＆R是一个相对简单的过程，通常涉及3个操作员，重复测量10个零件。 其中包括对规格或部件的量具变化量的估计。 然后可以使用量具变化与总变化的比例来判断量具的性能。 Gage R＆R有很多参考资料。有几个将在本文末尾的参考文献中列出。
EMP
几年前，唐纳德惠勒重新审视了传统的盖奇R＆R。称为评估测量过程（或EMP），Wheeler根据是否可能检测到过程是否“失控”来查看测量系统。 （请注意，JMP建议使用EMP作为标准做法，尽管软件中提供了EMP和Gage R＆R。）
回想一下，过程是否处于控制之中并不取决于产品规格或部件范围，而只取决于过程表现良好（即它处于控制中）时的正常变化。 Wheeler的评估过程确定了对于给定量具发现失控条件的可能性。 在此过程中，Wheeler开发了类似“中位数误差”的东西，这在确定用量具测量报告的不确定性时很有用。 他还确定报告量具测量时使用的有效有效位数。 执行EMP（多个操作员，多个部件，重复测量）的过程与传统GR＆R相同，但随后的计算不同。 JMP会自动为您处理所有这些。
与Gage R＆R一样，您可以在本博文末尾找到EMP的参考资料。
我的量具不够好 - 我现在该怎么办？
我相信你现在已经聚集了，并非所有量具都适合我们想要收集的测量值。 那么现在我们做什么？
我们可以考虑几种选择。 每个人都有利弊。 一些涉及使用当前的量具，而另一些则需要找到新的测量系统。
使用相同量具的选项
反复测量零件
您可能希望多次测量同一部件。 平均多次测量可以更好地估计单个部件的测量值。
基本上我们正在做的是重新定义“测量系统”，使得测量过程包括对任何给定部件进行多次测量，作为标准测量过程的一部分。 请注意，“多次测量”意味着每次从头开始，因此例如必须移除并更换夹具中的部件以解决安装错误等，否则您可能最终会在一个方向上偏置测量或其他。
当然，多次测量可以导致更多时间进行测量，这本身就是一种费用。 如果这限制了生产率，您可能需要构建重复的量具。 如果测试本身对被测部件具有破坏性，它也将无法工作。
测量更多零件
与上述“更多测量”类似，增加部件数量（即样本量）也可以提高您对人口平均值的估计。 在这种情况下，我们基本上考虑所有部分的总方差由部分方差本身加上Gage R＆R方差组成，因此总方差将被夸大。 然后，测量系统的程序将涉及每次测量N个部分，这使我们能够更好地估计总体平均值，即使具有高应变量方差。
当然，缺点是测量更多部件需要更多时间，并且（在破坏性测试的情况下）在样品部件方面成本更高。 Still, the average can be used when comparing two or more samples via t-tests and ANOVA, or if running process control charts.
改善操作员培训
Depending on the results of your gage evaluation, you may find that much of the variance comes from one or more operators. While you should be careful not to embarrass anyone, often you can find ways to retrain your operators to make better measurements. 偶尔（例如，如果某人的眼睛不够精确，无法准确执行给定的任务），您可能需要为更有能力进行测量的人更换此操作员。
Improve Fixturing
有时，在进行测量之前，需要将部件安装在夹具中，并且部件的方向（例如）会影响测量。 In this case you will need to study the fixture design and remove its variability.
One caveat: Say you are measuring the diameter of a part, and you place your part in a fixture for the measurement. If the fixture always orients the part in the same way (in an angular sense), you may get much improved measurement variability. However, if all parts are "egg-shaped" and you always orient the part so that the widest diameter is measured, you may have great measurement repeatability while missing the actual property that you are trying to detect!
Options for Changing Gages
Buy a New Gage
This may seem obvious, but if the old gage isn’t good enough, can we simply buy a better gage? This may involve exploring how the old gage works. Can we buy a more accurate sensor? Is the variance coming from the signal conditioning electronics? Do we have to replace the entire measurement system, or does replacing individual parts reduce our variation?
Often buying a new gage is this is the easiest solution, though it can cost significant money to purchase the new system (particularly if multiple gages need to be replaced), and can cost time in terms of ordering and qualifying the new measurement system.
Build a New Gage
Sometimes the gage accuracy you are looking for just does not exist off-the-shelf. If you have internal expertise at developing measurement systems (or for developing special fixturing for your particular process or product), you may be able to employ those resources to build a better gage. Alternatively, you might find a special customization shop that could do this kind of work for you. As with simply buying a new gage, this will cost both time and money.
One caveat to building your own gage: You may be expected to support that gage going forward. This could be viewed as a positive (i.e. job security) or as a negative (extra responsibility that may not be rewarding to you). Either way, if you are considering building a new gage, take into account the additional support and/or transition issues that might go along with the undertaking.
Find a different quantity to measure
Have you really thought about what you are measuring? Is there another quantity that could be measured instead? For instance, linear drag devices to measure friction between parts can be temperamental. Instead of linear drag, how about making disks of the materials and measuring torque to turn the flat surfaces against each other? Or how about using a laser scanner to measure the surface roughness? There is often more than one way to cook an egg! Again, cost and time are issues.
Resources
If you are looking to learn more about Measurement Systems Analysis, here are some useful links and references:
Wheeler, D. J. (2006). EMP III Using Imperfect Data. Knoxville, TN: SPC Press.
Recorded JMP Video: Evaluating and monitoring your process using MSA and SPC
Upcoming Live JMP Webinar: Evaluating and monitoring your process using MSA and SPC
JMP White Paper: Evaluating the Measurement Process: A Better Way to Do Reliability and Reproducibility Studies
JMP Book: Douglas Montgomery’s Introduction to Statistical Quality Control: A JMP CompanionNew
Free JMP Training: Statistical Thinking for Industrial Problem Solvers: Quality Methods Module
And of course you are always welcome to contact me or any of the other worldwide technical leads for personal help. That’s what we are here for!
Coming Up:
I’m planning to touch on all of the following subjects as we go along. Hope you can join us!
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