量測系統分析（MSA）：評估量測能力與製程可靠性

測量系統包含5 個組成部分：測量裝置、操作員、測量方法、環境以及工件。測量裝置——例如雷射三角測量感測器、紅外線攝影機或座標測量機——是測量系統的其中一個組成部分。 若將測量裝置視為整個系統，所產生的MSA結果將低估實際測量變異性，因為操作員之間的差異、夾具的變異以及環境溫度的變化，都會造成變異，而這些變異僅憑裝置規格是無法涵蓋的。

若測量系統導致25%的觀測變異，將使品質決策變得不可靠：合格品被剔除、不合格品被接受的比率會導致製程控制品質下降。MSA在測量系統投入生產前，便會量化此風險。測量不確定度與系統性測量誤差（即偏誤）是MSA所描述並分解的兩大主要因素。

偏移是指在參考標準上進行重複測量所得的平均值，與該標準公認參考值之間的差異。若一臺 3D 雷射三角測量感測器測量標稱高度為 10.000 mm 的校準標樣時，測得平均值為 10.023 mm，則其偏移量為 +23 µm。偏移可透過校準進行修正，但若測量系統的偏移未經修正，將導致整個生產週期中產生的結果出現系統性偏移。 測量偏差是較廣泛的類別，而偏移則是其中具有系統性與方向性的組成部分。

重複性是指單一操作員在相同條件下，使用同一台設備對同一零件進行多次測量時所產生的變異。在標準的量具重複性與再現性（Gage R&R）實驗設計中，透過讓每位操作員在多次試驗中測量相同的零件（操作員與設備均保持不變），來獨立評估重複性。重複性是測量系統中設備內的最低噪聲水平：它代表在最受控的條件下所能達到的最小變異。

可重現性是指當不同操作員——或使用不同的夾具、設備或測量位置——測量同一零件時所產生的變異。可重現性反映了那些在重複測量中持續存在，但因操作員或設置不同而有所差異的變異來源。若某個測量系統中，某位操作員的測量結果始終比另一位高出 15 微米，則表明該系統的可重現性不佳，即使每位操作員的個別重複性均在可接受範圍內。

穩定性是指測量系統的偏移量隨時間變化的程度，其測量方法是在既定時間間隔內，對同一參考標準進行重複測量。在生產環境中運作的工業感測器會受到熱漂移、機械磨損及光照變化等因素的影響，導致其輸出值在數小時或數天內發生偏移。 當測量系統的偏移量在整個生產週期內均維持在既定的控制限內時，即被視為穩定。穩定性研究會採用控制圖，並在數天或數週的代表性時間跨度內收集20 至 25 個測量點。

線性是指在測量系統的整個工作範圍內，偏移量保持一致的特性。若某感測器在 5 公釐處測量精確，但在 20 公釐和 35 公釐處卻出現逐漸增大的偏移量，則其線性表現不佳。評估線性時，需測量至少 5 個均勻分布於測量範圍內的參考標準值，並繪製偏移量與參考值的對應圖。線性定義了感測器規格適用的工作範圍。

蓋吉重複性與再現性（Gage R&R）模型將總觀測變異（TV）分解為三個組成部分：零件間變異（PV）、重複性（EV，設備變異）以及再現性（AV，驗收員變異）。標準的方差分析（ANOVA）方法採用雙因子交叉實驗設計，以零件和操作員作為兩個因子，藉此分離這些組成部分。量具變異與總變異的比率決定了 %GRR 接受準則。

分解過程如下：

\[ \text{TV} = \text{PV} + \text{GRR} \]

\[ \text{GRR} = \text{EV} + \text{AV} \]

\[ \%\text{GRR} = \frac{\text{GRR}}{\text{TV}} \times 100 \]

其中 \( \text{EV} \) 代表設備變異（重複性），\( \text{AV} \) 代表評定者變異（再現性），\( \text{PV} \) 代表零件間變異，而 \( \text{TV} \) 代表總變異。

交叉型量具重複性與再現性（Gage R&R）設計要求每位操作員測量研究中的每件零件。當破壞性測試導致無法對同一件零件進行重複測量時，則採用嵌套型量具重複性與再現性（Gage R&R）設計。在包含 3 名操作員、10 個零件及 3 次重複試驗的交叉設計中，該研究將產生 90 次測量，並能解析操作員與零件之間的所有交互作用項。在嵌套設計中，會將獨特的零件分配給每個操作員-試驗組合，雖然因此犧牲了操作員與零件之間的交互作用項，但仍能保留在破壞性測試條件下進行測量系統分析 (MSA) 的能力。

%GRR 結果遵循AIAG MSA 第 4 版標準所定義的 3 個接受類別：

基於公差的評估——將 GRR 與規格公差進行比較，而非與總變異進行比較——雖然採用相同的閾值，但會產生不同的絕對 %GRR 值。基於公差的計算公式為：

\[ \%\text{GRR}_{\text{tol}} = \frac{5.15 \times \sigma_{\text{GRR}}}{T} \times 100 \]

其中 \( T \) 為雙邊公差，\( \sigma_{\text{GRR}} \) 為量測系統變異的標準差。

「不同類別數」（ndc）量化了測量系統在製程變異中能區分出多少個統計上相互獨立的零件群組。ndc 的計算方式如下：

\[ \text{ndc} = 1.41 \times \frac{\text{PV}}{\text{GRR}} \]

測量系統需具備至少 5 的 NDC 值，才能為製程控制提供足夠的辨別能力。若 NDC 值僅為 1 或 2，表示該測量系統僅能將零件分為兩組——實質上僅為合格/不合格——且無法支援連續製程監控或 Cpk 計算。

第一類研究是透過一名操作員，在穩定條件下對一個基準零件進行 50 次重複測量，藉此評估測量系統。此研究會產生 2 個能力指標：

量測系統能力——透過 \( C_g \) 和 \( C_{gk} \) 進行評估——是第一類研究所產出的能力概念。AIAG 與 VDA 均將量測系統可接受性的最低閾值定義為 1.33。

第 2 類研究是完整的交叉式量具重複性與再現性 (Gage R&R) 研究：由多名操作員在多次試驗中測量多件工件。AIAG MSA 第 4 版標準建議至少需有10 件工件、3 名操作員及 3 次試驗，共產生 90 次測量結果。第 2 類研究是生產測量系統的標準 MSA 方法，也是 IATF 16949 標準下汽車供應商資格認證的最低要求。

第 3 類研究是在第 2 類研究設計的基礎上，進一步納入來自多個夾具、測量位置或測量場中各空間位置的變異。此類研究直接適用於 3D 區域感測器與結構光系統，在這些系統中，由於鏡頭畸變、照明梯度或感測器校準不均勻等因素，特定點雲位置的測量結果可能與其他空間位置的結果有所不同。 第 3 類研究將「測量位置」作為第三個因素，與「操作員」和「零件」並列，藉此捕捉感測器整個視野範圍內測量變異的空間成分。

屬性一致性分析是用於評估產生離散式「合格/不合格」結果（而非連續測量值）的測量系統。此研究設計旨在測量操作員之間，以及操作員與已知參考判定結果之間的一致率。屬性一致性分析適用於視覺檢查任務（例如表面缺陷分類），但並非針對連續輸出型 3D 感測器和紅外線攝影機的主要 MSA 方法。

當測量過程會改變或破壞工件，導致無法對同一零件進行重複測量時，破壞性測試的測量系統分析（MSA）會採用嵌套研究設計。此嵌套設計將每個操作員-試驗組合中的獨特零件進行分組。均質生產批次——即批次內變異顯著小於批次間變異的情況——可作為基礎，將批次內的零件視為等效，並藉此近似估算重複性成分。

基於公差的評估是將測量系統變異（GRR）與規格公差（T）進行比較；基於製程的評估則是將 GRR 與總製程變異（TV）進行比較。這兩種方法針對同一測量系統所產生的 %GRR 值會有所不同：

汽車供應鏈中的MSA主要由兩套規範框架所規範。《AIAG 量測系統分析參考手冊》（第4版，2010年）為北美OEM供應商定義了標準的研究設計、接受標準及報告格式。 VDA Band 5《Prüfprozesseignung》（第2版，2011年）則定義了德國及歐洲汽車產業的MSA方法論，並採用Cg與Cgk作為第1類研究的關鍵指標，以及Q值（相對於公差的%GRR）作為第2類研究的關鍵指標。

若量測系統的 GRR 值超過 30% 的淘汰門檻，則在投入生產使用前，必須採取一項或多項矯正措施。主要矯正措施分為以下四類：

1. 更換感測器，或升級至更高解析度的裝置，以降低設備變異（EV）。
2. 重新設計量測治具，以消除導致重複性問題的每次設定間變異（AV）。
3. 對操作人員進行培訓，以標準化測量程序並減少操作人員間的差異。
4. 改善環境控制措施，以減少影響穩定性的溫度、振動或照明波動。

校正程序與製程驗證雖能解決測量系統失效中的系統性偏差問題，但無法解決由機械或程序因素所導致的重複性或再現性問題。

雷射三角測量感測器透過投射雷射光線，並在 CMOS 偵測器上捕捉其偏轉情況，從而產生二維高度剖面圖。測量解析度定義了該剖面圖中可偵測到的最小高度差。雷射三角測量感測器的主要統計分析（MSA）包含以下三個研究組成部分：

1. 一項針對校準階梯標準的第1類研究，旨在量化單一測量點的重複性與偏差。
2. 一項涵蓋多個側向位置的第3類研究，旨在量化橫截面寬度範圍內的空間變化。
3. 一項穩定性研究，在生產班次中設置 25 個測量點，以闡明熱漂移的特性。

參考點系統用於錨定空間座標系，感測器數據與校正後的高程圖即在此座標系內進行評估。感測器所獲取的點雲數據，是後續幾何分析與表面檢測的主要輸入資料。

紅外線相機透過偵測波長範圍在 8–14 µm 內的熱輻射，來測量表面溫度。熱成像測量系統有以下三種特有的測量誤差來源：

1. 偵測器焦平面陣列（FPA）的熱漂移，會在 30 分鐘的預熱期間內，使相機的輸出溫度產生最高達 2°C 的偏移。
2. 不同工件材料與表面處理方式會導致輻射率產生變化，這使得高輻射率塗裝表面與低輻射率金屬表面之間，其輻射通量與表面溫度之間的關係差異可達 30%。
3. 感測器靈敏度在相機陣列上的空間不均勻性，會產生固定模式雜訊，因此需要進行不均勻性校正（NUC）。

紅外線相機的測量系統分析（MSA）會分別量化每個變異來源，並確立測量系統能力所需的最低預熱時間及 NUC 間隔。

工業生產環境會為基於感測器的測量系統引入4 種主要環境變異來源：

1. 從班次開始到生產高峰期間，環境溫度變化範圍為 ±5°C 至 ±15°C。
2. 來自鄰近生產設備的機械振動，透過安裝結構傳遞過來。
3. 來自焊接電弧的散射光，或不斷變化的環境光線條件。
4. 冷卻液霧氣或灰塵在空氣中飄散，並沉積在感測器光學元件上。

環境控制措施——例如熱穩定安裝結構、隔振支架，以及配備受控吹掃氣的防護外殼——雖能降低這些變異來源，但無法完全消除。針對線上應用的MSA研究必須在符合實際生產的條件下進行，而非實驗室條件，以反映實際的測量系統能力。

任何在元件測試層級通過MSA驗證的量測系統，在部署至自動化100%檢測系統之前，均需進行額外的量測能力驗證。在自動化100%檢測系統的安裝過程中，會出現三種標準MSA研究中未涵蓋的額外變異來源：

1. 零件間夾具定位的偏差，會影響工件相對於感測器感測範圍的位置。
2. 為提升產能而縮短的測量時間，可能會導致每件零件的測量次數低於重複性研究設定的最低標準。
3. 在多感測器安裝系統中，從不同角度測量同一特徵時，各感測器之間的測量值差異。

針對自動化 100% 檢測站的完整 MSA，包含使用生產夾具進行的交叉研究、生產吞吐量，以及安裝現場的所有感測器單元。

The Automotive Industry Action Group (AIAG) Measurement System Analysis Reference Manual, 4th edition (2010), is the primary MSA standard for Tier 1 and Tier 2 automotive suppliers in North America. The manual defines the crossed Gage R&R, the nested Gage R&R, the Type 1 study, the attribute agreement analysis, and the bias/linearity/stability studies. Acceptance thresholds are: %GRR < 10% for full acceptance, 10–30% for conditional acceptance, and > 30% for rejection. The manual is a mandatory reference for IATF 16949 compliance.

VDA 第 5 卷 將「測試過程能力——測量系統、測量過程、測試設備及測量不確定度的適用性」（第 2 版，2011 年）定義為評估汽車產業測量過程能力的標準。該標準採用 Cg 和 Cgk 作為第 1 類指標，其最低閾值為 1.33，並採用 Q 值作為第 2 類指標，該值對應於公差範圍內的 %GRR。 該標準亦將 GUM 框架中的測量不確定度概念整合至能力評估中。

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》為測量製程能力提供了國際標準框架，並在統一的 ISO 架構下整合了 AIAG 與 VDA 的方法。該標準定義了類似於 Cg 和 Cgk 的測量製程能力指標，並規定了適用於汽車產業以外各行業的最小樣本量及研究方案。

ISO/IEC 17025 規定了測試與校驗實驗室能力的一般要求，其中包括測量溯源性之要求。 經由測量系統分析（MSA）認證的測量系統，運作於一個測量鏈中，該測量鏈要求其參考標準須具備可追溯至國家或國際測量標準的計量可追溯性。MSA 確認測量系統在特定流程中的能力；可追溯性則確認 MSA 研究中使用的參考值本身在計量上具有有效性。對於需支援法規或合約品質義務的測量系統而言，這兩項要求皆不可或缺。