量具能力：测量仪器的性能分析

量具能力研究旨在评估单台测量仪器在稳定的环境和操作条件下对单个标准件的测量能力。该研究将量具固有的测量散布与操作员间及工件间的变异区分开来。这种区分使量具能力研究有别于更广泛的测量系统分析（MSA），后者涵盖了测量系统内的所有变异源。

量具能力适用于所有能产生定量测量结果的测量仪器，包括接触式探头、激光三角测量传感器、共焦传感器以及用于测量表面温度分布的红外热像仪。该研究要求由同一名操作员在相同条件下，对单个标准件进行至少25次重复测量。

量具能力与过程能力衡量的是生产系统的不同特性。过程能力指标 Cp 和 Cpk 量化了制造过程将零件尺寸控制在公差范围内的能力。量具能力指标 Cg 和 Cgk 量化了测量仪器捕捉这些尺寸的能力。如果用于收集数据的测量仪器量具能力不足，则过程能力研究将失去有效性。

有3项国际标准和行业文件对量具能力评估方法进行了定义：

• 《VDA 第5卷（工艺适用性评估，第2版）》——德国汽车工业框架
• ISO 22514-7（过程管理中的统计方法——能力与绩效——第7部分：测量过程的能力）——ISO框架
• AIAG MSA 手册（测量系统分析，第 4 版）——北美汽车供应链的方法论

Cg是公差带中定义的某一部分与重复测量标准差的 6 倍之比。系数 0.2 将研究范围定义为公差带总宽度的 20%——即仪器散布必须符合的阈值比例。 $T$ 是该特征的双边公差； $\sigma$ 是重复量具测量的标准差。

Cg=0.2·T6·σCg​=6·σ0,2⋅T​

Cgk通过纳入测量均值与参考值之间的系统偏差，扩展了 Cg 的计算。 xˉxˉ 是重复测量的均值； xrefxref​ 是参考件的名义参考值。当仪器测量值系统性地高于或低于参考值时，Cgk值会减小。

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

根据VDA第5卷的规定，Cg和Cgk的阈值均为1.33。当Cg ≥ 1.33且Cgk ≥ 1.33时，该量具被视为合格，并可投入生产测量。以下3种结果情况将决定所需采取的措施：

%GR&R（量具重复性和再现性，以总研究变异的百分比表示）是在完整的测量系统分析（MSA）研究中计算得出的一个补充指标。与Cg和Cgk不同，%GR&R同时涵盖了操作员内部的重复性和操作员之间的再现性。%GR&R低于10%被视为可接受。%GR&R 的完整计算方法详见《测量系统分析（MSA）》一文。

在量具能力研究中使用的参考件是指其被测特性的标称值已知且可追溯至国家计量标准的实物部件或实物。有效参考件需满足以下4项要求：

1. 该标称值位于该特性的公差带的中间三分之一范围内。
2. 该部件在研究期间保持稳定，不会发生变形、氧化或热变。
3. 参考件的表面特性与量产件的表面特性一致——这对光学测量系统至关重要。
4. 该部件附有校准证书，该证书提供了计量溯源性。

研究期间的环境条件必须与仪器在生产环境中的运行条件一致。温度、振动和湿度水平将作为研究方案的一部分进行记录和存档。

I类量具能力研究包括由一名操作员对单个标准件进行25次或50次重复测量，且在每次测量之间不重新定位该标准件。操作员测量标准件后，将量具复位至规定的起始位置，然后重复测量循环。该研究旨在将量具固有的测量重复性与重新定位及操作员的影响区分开来。

对于 AT Sensors 的光学 3D 传感器和红外相机，测量周期包括传感器触发、数据采集，以及从点云或热成像中提取测量结果。为了确保获得有效的重复性数据，这 25 个测量周期中的每个周期，上述 3 个步骤都必须完全一致。

该评估计算标准差 $\sigma$ ，随后计算 Cg 和 Cgk。文档记录了 7 个数据项：

标准差 $\sigma$ 用于计算Cg的标准差对应于扩展测量不确定度的重复性分量。对于测量不确定度相对于公差较大的仪器，其Cg值较低，将无法达到能力阈值。通过改进传感器硬件、热稳定化或振动隔离来降低测量不确定度，可直接提高Cg值。

ISO/IEC 指南 98-3（GUM——测量不确定度表示指南）和 ISO 22514-7 规定了在生产测量过程中，量具能力指标与扩展测量不确定度之间的正式关系。VDA 第 5 卷提供了该关系在汽车行业的应用。

测量仪器的分辨率决定了被测量的最小可检测变化量。如果仪器的分辨率低于$研究中\sigma /4\sigma /4的值$则无法得出有效的量具能力结果，因为测量信号的离散化会引入人为的重复性误差。对于三维传感器而言，点云分辨率和传感器的亚像素插值算法决定了可用于能力研究的有效分辨率。

线性误差会导致一种随测量范围变化而变化的系统偏差。线性度较差的传感器在其测量范围内的不同位置会产生不同的Cgk值。关于传感器分辨率和线性度的评估，分别在“计量学”节点下的专门文章中进行。

计量溯源通过一条完整的校准链，将量具能力研究的测量结果与国家或国际测量标准联系起来，该校准链中的每一步都贡献了一个有据可查的测量不确定度。VDA第5卷要求在1型研究中使用的参考件必须由符合ISO/IEC 17025标准的认可实验室进行校准。 可追溯性确保在一个测量站获得的Cg和Cgk值，与在另一个测量站、供应商或客户设施中获得的值具有可比性。

全自动100%检测会在生产线上对每个生产出的零件进行测量。在这些系统中，测量仪器每班次可执行数千次测量循环，无需操作员干预。100%检测系统中的量具能力必须考虑以下3个额外影响因素：

• 传感器在长时间运行期间的热漂移
• 从生产环境传导至传感器安装座的振动
• 零件间表面差异对光学测量系统的影响

AT Sensors 的 3D 传感器采用激光三角测量和结构光原理，用于测量高度、台阶高度、平整度以及轮廓尺寸等几何特征。针对这些传感器的量具能力研究，会使用一个经过校准的台阶标准件作为参考件，该标准件的台阶高度在测量范围内且经过认证。针对台阶高度测量，需计算 Cg 和 Cgk 值，且必须满足 1.33 的阈值要求，传感器才能在生产中用于测量该几何特征。

AT Sensors 的红外热像仪可测量表面温度、温度分布和温度梯度等热学特性。红外热像仪的量程能力研究采用blackbody 作为参考部件，其辐射温度经过校准，可追溯至国家温度标准。1.33 的阈值既适用于温度测量能力，也适用于几何测量能力。

符合 IATF 16949 和 ISO 9001 标准的质量管理体系要求提供测量仪器合格性的书面证明。量具能力研究报告——包括原始数据、指标及放行决定——是汽车供应链中客户批准（PPAP——生产零件批准流程）所需测量系统文件的一部分。该能力研究文件将作为质量记录，在生产项目整个生命周期内予以保留。