破壞性測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性分析初探

（濰柴動(dòng)力股份有限公司，濰坊261001）

破壞性測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性分析初探

趙庶嫻，李效偉，劉東，劉復(fù)榮
（濰柴動(dòng)力股份有限公司，濰坊261001）

介紹了破壞性測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性分析的具體運(yùn)作方法，并通過(guò)連桿表面硬度測(cè)量的實(shí)際案例，分別運(yùn)用均值-極差法和單值-移動(dòng)極差法，詳細(xì)闡述了樣本選擇、原始數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析等。

測(cè)量系統(tǒng)分析 破壞性測(cè)量系統(tǒng) 穩(wěn)定性分析 均值-極差法 單值-移動(dòng)極差法

1 概述

測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性是指：在某段時(shí)間間隔內(nèi)，用相同的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)同一基準(zhǔn)或零件的同一特性進(jìn)行測(cè)量所獲得的總變差。即穩(wěn)定性分析是對(duì)整個(gè)預(yù)期時(shí)間內(nèi)偏倚變化的研究[1]。

對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析通常采用如下方法：測(cè)量每個(gè)時(shí)間周期的多個(gè)或單個(gè)零件，利用帶有控制限的控制圖進(jìn)行分析。在控制圖上將描繪點(diǎn)和控制限進(jìn)行比較，觀察測(cè)量系統(tǒng)隨時(shí)間的變化，尋找趨勢(shì)并做出判斷。常用控制圖法包括均值—極差控制圖法均值—標(biāo)準(zhǔn)差控制圖法、單值—移動(dòng)極差法（X?MR圖法）及不合格品數(shù)控制圖法（np圖法）等[2]。本文將選取其中兩種方法對(duì)破壞性測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)例分析。

2 利用法對(duì)破壞性測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析

破壞性測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性分析因其“測(cè)量過(guò)程不可重復(fù)”的特點(diǎn)致使在樣本準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集上跟簡(jiǎn)單測(cè)量系統(tǒng)相比均有所不同?，F(xiàn)以布氏硬度測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性分析為例進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 測(cè)量系統(tǒng)概述

本過(guò)程的測(cè)量設(shè)備為HB-3000布氏硬度計(jì)，主要用于檢測(cè)連桿調(diào)質(zhì)后硬度。

2.2 樣本的選擇

穩(wěn)定性分析要求被評(píng)價(jià)對(duì)象為“同一基準(zhǔn)或零件的同一特性”，即在預(yù)期時(shí)間內(nèi)做重復(fù)測(cè)量，而破壞性測(cè)量過(guò)程是不可重復(fù)的，于是借助測(cè)量系統(tǒng)分析參考手冊(cè)中“分割樣本”的理念，假設(shè)被評(píng)價(jià)樣本能夠滿足以下條件：（1）樣本的被測(cè)特性穩(wěn)定，其定性期限延續(xù)并超過(guò)預(yù)期的研究期間：即在整個(gè)預(yù)期的使用和/或儲(chǔ)存期間，被測(cè)特性不會(huì)改變；（2）這些樣本可以被分割成若干部分，每一部分可以獨(dú)立進(jìn)行評(píng)價(jià)。

因一般零部件的均勻性和穩(wěn)定性不如標(biāo)準(zhǔn)硬度塊，為了減少不必要的變差引入的影響，同時(shí)考慮追溯到樣本參考值的可能性，通常評(píng)價(jià)硬度計(jì)穩(wěn)定性時(shí)選擇的樣本是標(biāo)準(zhǔn)硬度塊而不是日常被檢工件。在本例中選取標(biāo)稱值與常用測(cè)量值接近且均勻度好的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊作為樣本，其標(biāo)稱值作為參考值。硬度塊上可虛擬劃分為若干個(gè)區(qū)域作為分割樣本，分別進(jìn)行測(cè)量。由于硬度塊本身的尺寸限制（普通標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的尺寸為100×80）及采集數(shù)據(jù)的區(qū)域要求（測(cè)量硬度時(shí)任一壓痕中心距樣塊邊緣的距離至少為壓痕平均直徑的2.5倍，兩相鄰壓痕中心間距離至少為壓痕平均直徑的3倍），考慮成本，破壞性試驗(yàn)一般取n=3（手冊(cè)要求穩(wěn)定性分析的子組容量為n=3～5），選用直徑為5 mm的壓頭，據(jù)經(jīng)驗(yàn)粗略估算需要準(zhǔn)備三至四塊標(biāo)稱值相近（最好是相等）的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊作為“樣本組”，此樣本組應(yīng)來(lái)自于穩(wěn)定過(guò)程的大量樣本且具有統(tǒng)計(jì)上的一致性。

2.3 數(shù)據(jù)的采集

預(yù)期研究時(shí)間為五個(gè)月。測(cè)量周期以“周”為基礎(chǔ)，每周采集數(shù)據(jù)3次作為一個(gè)子組(即子組容量n=3)，共采集20周以形成20個(gè)子組，如表1所示。

選擇直徑為5 mm的硬質(zhì)合金球壓頭，在7.355 kN試驗(yàn)力下保持（10～15）s，測(cè)量其硬度值[3]，表1為20個(gè)子組的測(cè)量結(jié)果。每次在正式測(cè)量前至少預(yù)壓兩個(gè)壓痕以保持試樣和壓頭處于穩(wěn)定狀態(tài)，預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)應(yīng)剔除不用。正式測(cè)量時(shí)每次選取樣本的一個(gè)分割區(qū)域，連續(xù)測(cè)量三個(gè)位置產(chǎn)生三個(gè)壓痕，對(duì)每個(gè)壓痕各進(jìn)行兩個(gè)垂直方向上的直徑測(cè)量，算出六個(gè)數(shù)的平均值進(jìn)而查表得出其對(duì)應(yīng)的硬度值。為彌補(bǔ)參與評(píng)價(jià)的多塊標(biāo)準(zhǔn)硬度塊標(biāo)稱值可能不一致帶來(lái)的變差影響，在本例中采用硬度測(cè)得值與硬度塊標(biāo)稱值之差（即偏倚）作為評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。每周在指定時(shí)間內(nèi)共采集3次形成一個(gè)子組，要求每個(gè)子組的數(shù)據(jù)能夠涵蓋本周期內(nèi)可能出現(xiàn)的所有過(guò)程變差，如熱機(jī)、周遭或其它因素可能發(fā)生的變化等。

2.4 計(jì)算與分析

根據(jù)采集到的原始數(shù)據(jù)，計(jì)算各子組平均值及極差。然后計(jì)算并生成均值圖及極差圖。依據(jù)判穩(wěn)準(zhǔn)則對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性判定。

由n=3查計(jì)量值控制圖常用系數(shù)表得到：A2=1.023，D3=0，D4=2.574，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算：

樣本的偏倚均值為

表1 布氏硬度測(cè)量偏倚

均值圖判穩(wěn)準(zhǔn)則：不能有點(diǎn)子超出上、下控制限；連續(xù)3點(diǎn)中不能有2點(diǎn)落在A區(qū)或A區(qū)以外之區(qū)域；連續(xù)5點(diǎn)中不能有4點(diǎn)落在B區(qū)或B區(qū)以外之區(qū)域；不能有連續(xù)9點(diǎn)（或更多點(diǎn)）落在控制中心線的同一側(cè)；不能有連續(xù)6點(diǎn)（或更多點(diǎn)）持續(xù)上升或下降；不能有連續(xù)14點(diǎn)交互升降；不能有連續(xù)8點(diǎn)在中心線的兩側(cè)，但C區(qū)并無(wú)點(diǎn)子。從圖1和圖2可知，均值圖符合穩(wěn)定性準(zhǔn)則，同時(shí)極差圖中無(wú)超限點(diǎn)，所以判定本測(cè)量系統(tǒng)沒(méi)有特殊原因造成的變差，是穩(wěn)定可以接受的。

為了便于記憶，可將判穩(wěn)準(zhǔn)則反向歸納為“判異口訣”與之相對(duì)應(yīng)：一界外，三分之二A，五分之四B，九單側(cè)，六連續(xù)，十四升降，八無(wú)C。

圖1 樣品均值圖

圖2 樣品極差圖

3 利用X-MR法對(duì)破壞性測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析

采用X-MR法對(duì)破壞性測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。所謂X-MR圖法即單值－移動(dòng)極差法，與圖法相比優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)便、省事、及時(shí)，特別適用于每次只能得到單個(gè)數(shù)據(jù)的測(cè)量系統(tǒng)分析；缺點(diǎn)是靈敏度差，對(duì)異常的檢出力低于圖法，且不易發(fā)現(xiàn)工序分布中心的變化。

（1）移動(dòng)極差控制圖

其中：i=1，2，3……，k-1

（2）移動(dòng)極差平均值即中心線（CL）：

控制上限

均值控制圖:

（1）求示值偏倚平均值即中心線（CL）：

由控制圖中可以看出沒(méi)有出現(xiàn)超出控制限的點(diǎn)，所以本過(guò)程是穩(wěn)定的。

圖3 均值控制圖

圖4 移動(dòng)極差控制圖

4 結(jié)論

隨著TS16949體系在汽車制造業(yè)中的普及運(yùn)行，測(cè)量系統(tǒng)分析的研究也越來(lái)越廣泛，越來(lái)越深入。研究對(duì)象從最初的簡(jiǎn)單測(cè)量系統(tǒng)逐漸過(guò)渡到復(fù)雜測(cè)量系統(tǒng)，面對(duì)不斷出現(xiàn)的新挑戰(zhàn)，只有學(xué)習(xí)和掌握更多的理論知識(shí)和分析工具，并時(shí)刻注意與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，才能找出解決問(wèn)題的新思路，提出有效解決問(wèn)題的新辦法，使測(cè)量系統(tǒng)分析工作不流于表面形式，真正做到為過(guò)程服務(wù)。

1 AIAG.Measurement Systems Analysis（MSA）Reference Manual（3rd edition），中國(guó)汽車技術(shù)研究中心編譯.2002.

2統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（SPC）第二版，克萊斯勒公司、福特公司和通用公司.

3全國(guó)鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 231.1－2009金屬布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

Primary Exploration of Stability of Destructive Measurement

Zhao Shuxian,Li Xiaowei,Liu Dong,Liu Furong
（Weichai Power Co.,Ltd.,Weifang 261001,China）

The method to analyze the stability of destructive measurement system is presented.Sample selection,raw data collection and value calculation are elaborated through real cases of hardness measurement of conrod surfaces by means of extreme deviation based on average value and motional extreme deviation based on single value.

measurement system analysis,destructive measurement,stability,single value, extreme deviation

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.01.0010

來(lái)稿日期：2010-06-07

趙庶嫻（1971-），女，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闇y(cè)量過(guò)程控制、測(cè)量系統(tǒng)分析及測(cè)量不確定評(píng)定。