量具能力：分析量具的性能

量具能力研究旨在評估單一量具在穩定環境與操作條件下，對單一標準件進行測量的能力。此研究將量具固有的測量散布與操作員間及工件間的變異區分開來。這種區分使量具能力有別於更廣泛的測量系統分析（MSA），後者涵蓋測量系統內的所有變異來源。

量測能力適用於所有能產生定量測量結果的量測儀器，包括觸覺探針、雷射三角測量感測器、共焦感測器，以及用於測量表面溫度分佈的紅外線攝影機。該研究要求由單一操作員在相同條件下，對單一參考零件進行至少25 次重複測量。

量具能力與製程能力分別衡量生產系統的不同特性。製程能力指標 Cp 和 Cpk 量化了製造製程將零件尺寸維持在公差範圍內的精準度；量具能力指標 Cg 和 Cgk 則量化了量具捕捉這些尺寸的精準度。若用於收集數據的量具能力不足，則製程能力研究將失去其有效性。

有三項國際標準及產業文件定義了量具能力評估方法：

• 《VDA 第 5 卷（製程適用性評估，第 2 版）》——德國汽車工業的框架
• ISO 22514-7（製程管理之統計方法 — 能力與績效 — 第 7 部分：測量製程之能力）— ISO 框架
• AIAG MSA 手冊（量測系統分析，第 4 版）—— 北美汽車供應鏈的方法論

Cg是公差帶中某個定義比例與重複測量標準差 6 倍之比。係數 0.2 將研究範圍定義為總公差帶的 20%—— 這是儀器散佈必須符合的閾值比例。 $T$ 是該特徵的雙邊公差； $\sigma$ 是重複量具測量的標準差。

Cg=0.2⋅T⁶⋅σCg​=6⋅σ0,2⋅T​

Cgk透過納入測量平均值與參考值之間的系統性偏差，來擴展 Cg 的計算。 xˉxˉ 為重複測量的平均值； xrefxref​ 是參考件的名義參考值。當儀器測量值系統性地高於或低於參考值時，Cgk 值會降低。

Cgk=0,1⋅T−∣xˉ−xref∣3⋅σCgk​=3⋅σ0,1⋅T−∣xˉ−xref​∣​

根據 VDA 第 5 卷的規定，Cg 和 Cgk 的閾值均為1.33。若量具的 Cg ≥ 1.33 且 Cgk ≥ 1.33，則被歸類為「量具合格」，並可釋出用於生產測量。有三種結果狀況會決定應採取的行動：

%GR&R（量具重複性與重現性，以總研究變異的百分比表示）是一項在完整的測量系統分析（MSA）研究中計算出的輔助指標。與 Cg 和 Cgk 不同，%GR&R 同時涵蓋了操作者內的重複性與操作者間的重現性。%GR&R 低於 10% 即被視為可接受。%GR&R 的完整計算方法詳見《測量系統分析（MSA）》一文。

在量具能力研究中使用的參考件，是指其被測特性的公稱值已知，且可追溯至國家量測標準的實體零件或實體。有效參考件須符合以下 4 項要求：

1. 該標稱值位於該特性的公差帶的中間三分之一範圍內。
2. 該部件在長時間內保持穩定，在研究期間不會變形、氧化或因熱作用而產生變化。
3. 基準零件的表面特性與量產零件的表面特性相符——這對光學測量系統至關重要。
4. 該零件附有校準證書，可提供量測溯源性。

研究期間的環境條件必須與儀器在生產環境中的運作條件相符。溫度、振動及濕度水準均會作為研究方案的一部分進行記錄與文件化。

第一類量具能力研究包含由單一操作員對單一基準件進行 25 次或 50 次重複測量，且在每次測量之間不重新定位該基準件。操作員測量基準件後，將量具歸位至定義的起始位置，並重複測量循環。此研究旨在將量具固有的測量重複性與重新定位及操作員的影響因素加以區隔。

對於 AT Sensors 的光學 3D 感測器和紅外線攝影機，測量週期包含感測器觸發、資料擷取，以及從點雲或熱成像中提取測量結果。為了確保重複性數據的有效性，這 25 個測量週期中的每個週期，這 3 個步驟都必須完全一致。

該評估計算標準差 $\sigma$ ，並據此計算 Cg 和 Cgk。文件記錄了 7 個資料元素：

標準差 $\sigma$ 用於計算 Cg的標準差，對應於擴展測量不確定度的重複性分量。若儀器的測量不確定度相對於公差而言過大，將產生較低的 Cg 值，並無法通過能力閾值。透過改進感測器硬體、熱穩定化或隔振等措施來降低測量不確定度，將直接提高 Cg 值。

ISO/IEC 指南 98-3（GUM —《測量不確定度表示指南》）與 ISO 22514-7 定義了量具能力指標與生產測量過程之擴展測量不確定度之間的正式關係。VDA 第 5 卷則提供了此關係在汽車產業中的應用規範。

測量儀器的解析度限制了被測量值可偵測到的最小變化量。若儀器的解析度低於研究中$\sigma /4\sigma /4\; 的$水準，便無法產生有效的量測能力結果，因為測量訊號的離散化會引入人為的重複性誤差。對於 3D 感測器而言，感測器的點雲解析度與次像素插值演算法，將決定可用於能力研究的有效解析度。

線性誤差會引入一種隨測量範圍變化而變化的系統性偏差。線性度不佳的感測器在其測量範圍內的不同位置會產生不同的 Cgk 值。感測器的解析度與線性度，分別在「量測學」節點中的專文中進行評估。

量測溯源是透過一連串無間斷的校正鏈，將量具能力研究的測量結果與國家或國際量測標準相連結，每一個校正環節皆會貢獻一份有文件記載的測量不確定度。VDA 第 5 卷規定，用於第 1 類研究的參考零件必須由符合 ISO/IEC 17025 標準的認可實驗室進行校正。 可追溯性確保在某個測量站點獲得的 Cg 和 Cgk 值，能夠與在其他站點、供應商或客戶設施中獲得的值相互比較。

全自動 100% 檢測會在生產線上測量每個生產出的零件。在這些系統中，量測儀器每班次會執行數千次量測循環，且無需操作員介入。100% 檢測系統中的量測能力必須考量 3 個額外的影響因素：

• 感測器在長時間運作期間的熱漂移
• 從生產環境傳遞至感測器安裝座的振動
• 零件間表面變化對光學測量系統的影響

AT Sensors 的 3D 感測器採用雷射三角測量與結構光原理，用於測量高度、階梯高度、平整度及輪廓尺寸等幾何特徵。針對這些感測器的量測能力研究，會使用一個經校正且階梯高度在量測範圍內並經認證的階梯標準件作為參考件。 針對階梯高度測量，會計算 Cg 和 Cgk 值，且必須達到 1.33 的閾值，該感測器才能在生產中針對其所測量的幾何特徵獲得放行。

AT Sensors 的紅外線相機可測量表面溫度、溫度分布及熱梯度等熱特性。針對紅外線相機的量測能力研究，會使用blackbody 作為參考部件，其輻射溫度經校準後可追溯至國家溫度標準。1.33 的閾值同樣適用於溫度量測能力與幾何量測能力。

符合 IATF 16949 和 ISO 9001 標準的品質管理系統，要求須有量具合格性的文件化證明。量具能力研究報告——包括原始數據、指標及放行決策——是汽車供應鏈中客戶批准所需之量測系統文件的一部分（PPAP——生產零件批准程序）。該能力研究文件將作為品質紀錄，於生產計畫的整個生命週期內予以保存。