柔性電纜PVC量具的測量系統(tǒng)分析

祝海寧,徐曉敏,李佳奇，潘斌鳳

(1.上海電機學(xué)院 資產(chǎn)與實驗室管理處， 上海 201306; 2.上海電機學(xué)院 商學(xué)院,上海 201306)

拖鏈運動系統(tǒng)中的柔性電纜是電力傳輸材料、信號傳遞載體的首選電纜,別名又稱拖鏈電纜、移動電纜、機器人電纜等.在長距離大功率輸電的高壓直流輸電、海底電纜輸電、非同步互聯(lián)電網(wǎng)之間,柔性電纜具有更大的優(yōu)勢[1-2].GB/T 5023.1～7—2008[3]標(biāo)準(zhǔn)中,詳細注明了原材料的測試方法和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值.以此標(biāo)準(zhǔn)測定的數(shù)據(jù),滕麗等[4]采用統(tǒng)計過程控制技術(shù),提高了微電路產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性,同時可以監(jiān)控鍵合工序的生產(chǎn)過程狀態(tài),并對控制圖處于非受控狀態(tài)的批次進行具體分析.何楨等[5]提出了保持測量系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要性,指出了傳統(tǒng)休哈特控制圖的不足,提出將累計和控制圖應(yīng)用于測量系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制.劉斌劍等[6]指出了不同檢測系統(tǒng)生化指標(biāo)測定結(jié)果的偏倚評估與可比性.彭力等[7]進行了測量的重復(fù)性和再現(xiàn)性(Gage Repeatability and Reproducibility,GR&R)分析,詳細介紹了GR&R分析的統(tǒng)計方法和關(guān)鍵點,以及該方法的優(yōu)缺點.Fleiss[8]認為在多次重復(fù)測量之間的一致性程度中采用Kappa統(tǒng)計量,提出了在列聯(lián)表的Kappa統(tǒng)計量的基礎(chǔ)上,可在同一時間進行多次重復(fù)測量.馬義中等[9]認為測量系統(tǒng)精確度的標(biāo)準(zhǔn)方法是量具的GR&R研究,通常采用實驗設(shè)計方法,對測量對象可以重復(fù)測量.這些關(guān)于測量系統(tǒng)分析[10-18]研究的文章,分別從各自研究的角度出發(fā),給出了測量系統(tǒng)分析的主要特性指標(biāo)及研究方法,對其應(yīng)用具有很好的借鑒意義.

1 測量系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)

從制造業(yè)生產(chǎn)廠家的角度來看,對量具采取周期檢定和定期校準(zhǔn),雖然能判斷量具在一定條件下的某種“偏倚”狀況,但是卻不可能全面地呈現(xiàn)出量具在生產(chǎn)使用或制造過程中有可能發(fā)生的各種偏差.

1.1 測量系統(tǒng)分析研究指標(biāo)

測量系統(tǒng)分析(Measurement System Analysis,MSA)的主要內(nèi)容是測量系統(tǒng)的GR&R.測量系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)差有兩個范疇:準(zhǔn)確度和精確度.前者是指測量值偏離真實值的程度,包含偏倚、線性、穩(wěn)定性3個指標(biāo);后者是指重復(fù)測量時測量值之間的偏移程度,包含穩(wěn)定性和重復(fù)性2個指標(biāo).測量系統(tǒng)中有人、機、料、法、環(huán)5個因素影響并決定測量系統(tǒng)的偏差.

數(shù)據(jù)的移植性是從計算機領(lǐng)域取得的,大多使用在數(shù)據(jù)庫的移植性.在質(zhì)量管理中,可以理解為數(shù)據(jù)的一致性,是指關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系是否正確和完整.

1.2 MSA的方法

GR&R是用來判斷過程中的波動有多少是由測量系統(tǒng)所產(chǎn)生的.在PVC拉伸實驗中,管狀試件是破壞性實驗,考慮操作員與部件之間的交互作用,采用方差分析法.

2 某電纜公司遇到的問題

某電纜制造公司上海實驗室(LCS)于2018年申請了德國電子協(xié)會(Verband Der Elektrotechnik，VDE)認證,其中電纜型號為110 25G1.5的樣品被VDE判為不合格,其黃綠芯線老化前斷裂伸長率142,LCS內(nèi)部實驗室測試結(jié)果164,電纜的斷裂伸長率不符合要求.

2.1 分析問題

從人、機、料、法、環(huán)的角度進行分析,得到了以下信息:

(1) 操作員的選擇上,是由一位從事電纜質(zhì)檢行業(yè)5年的員工,有豐富的工作經(jīng)驗,同時獲得上海電線電纜研究所頒發(fā)的電纜行業(yè)檢驗資質(zhì).

(2) 機器的名稱為微機控制電子式萬能試驗機(大變形),購于2017年6月,量程1 000 N,精度≤±1%,于2017年7月由上海市浦東計量所進行校準(zhǔn),校準(zhǔn)結(jié)果為符合標(biāo)準(zhǔn)誤差內(nèi)的機器.

(3) 從原材料檢驗記錄上的數(shù)據(jù)來看,符合原材料檢驗規(guī)范.查看生產(chǎn)過程中的作業(yè)記錄表與首檢記錄,發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中并無違規(guī)操作.同時查看成品檢驗報告,發(fā)現(xiàn)其各項性能完好,符合成品檢驗規(guī)范.在送檢前,該產(chǎn)品已通過該公司內(nèi)部型式試驗,驗證有效.

(4) 從樣品的選擇上看,管狀試件的取樣標(biāo)準(zhǔn)與測量標(biāo)準(zhǔn),符合額定電壓450～750 V及以下聚氯乙烯絕緣電纜GB/T 5023.1～7—2008的標(biāo)準(zhǔn).同時根據(jù)該公司內(nèi)部的檢驗流程,一份樣品有5個管狀試件組成,進行測量,取5個數(shù)據(jù)的中位數(shù)作為測量的數(shù)據(jù),有效避免了因試件變異引起的測量值不準(zhǔn)確.

(5) 從環(huán)境的角度看,實驗室為恒溫恒濕實驗室.

2.2 解決問題

經(jīng)過討論與實地考察,已排除原材料、實驗方法以及環(huán)境要素,需要進一步考慮操作員和量具之間是否存在問題.決定采用實驗設(shè)計,將試驗過程再現(xiàn),通過MSA中的GR&R,判定量具的偏差、操作員與量具之間交互作用的偏差.

從數(shù)據(jù)的移植性角度分析,只有該公司LCS的測量數(shù)據(jù)是遠遠不夠的,于是該公司決定,把同一批次生產(chǎn)的同一個規(guī)格型號的電纜分別郵寄給該公司的德國實驗室(LKB)和新加坡實驗室(LLS),進行相同樣本量的測量,以確定是否是測量量具原因?qū)е滤蛯徥?

3 量具變異的數(shù)據(jù)分析

采用110 25G1.5的樣品,將該批次樣品分別在該公司LKB，LLS進行對比和數(shù)據(jù)分析,同時采用Minitab軟件進行輔助工作.測量25G1.5 VDE樣品絕緣芯線斷裂伸長率,測量數(shù)據(jù)如表1～表3所示.

3.1 假設(shè)檢驗

LCS,LKB,LLS，VDE樣品絕緣芯線斷裂伸長率對比測試數(shù)據(jù)的正態(tài)分布檢驗如圖1～圖3所示.

在α=0.05的置信水平上,LCS/LKB/LLS測試數(shù)值均滿足正態(tài)分布(P>0.05).根據(jù)圖4所示:Bartlett檢驗的P=0.975;Levene檢驗的P=0.990,均大于0.05,說明數(shù)據(jù)滿足方差齊性.兩者綜合,可以進行t檢驗和方差分析.

表1 LCS VDE樣品絕緣芯線斷裂伸長率對比測試數(shù)據(jù)Tab.1 LCS VDE sample insulation core wire breakingelongation comparison test data

表2 LKB VDE樣品絕緣芯線斷裂伸長率對比測試數(shù)據(jù)Tab.2 LKB VDE sample insulation core wire breakingelongation comparison test data

圖1 LCS VDE樣品絕緣芯線Fig.1 LCS VDE sample insulated core wire

芯線數(shù)字LLS12345中位數(shù)1210.82203.18210.46217.20208.94210.462223.99205.51205.06201.98221.46205.513216.2217.23211.49217.28221.71217.239225.29222.23219.08223.29225.79223.2913215.25220.08222.23212.32210.04215.2518—230.07227.74220.51216.65224.1322224.46216.22211.82227.67223.89223.8923208.04216.87204.35207.86216.30208.0424209.14213.89208.34215.97215.40213.89黃綠190.88184.95189.26187.70177.11187.70平均值216.65216.14213.40216.01217.80215.74

圖2 LKB VDE樣品絕緣芯線Fig.2 LKB VDE sample insulated core wire

圖3 LLS VDE樣品絕緣芯線Fig.3 LLS VDE sample insulated core wire

3.2 雙樣本t檢驗

兩兩相比較的雙樣本t檢驗如表4～表6所示.

LKB與LLS的雙樣本t檢驗:t=0.61,P=0.549;LCS,LKB的雙樣本t檢驗:t=-4.20,P=

圖4 方差齊性檢驗Fig.4 Homogeneity test for variance

項目次數(shù)N平均值標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)誤平均值LKB1021611.13.5LLS10212.911.13.5

表5 雙樣本t檢驗和置信區(qū)間:LCS,LKBTab.5 Double sample t test and confidenceinterval of LKB and LCS

表6 雙樣本t檢驗和置信區(qū)間:LCS,LLSTab.6 Double sample t test and confidenceinterval of LCS and LLS

0.001;LCS與LLS的雙樣本t檢驗:t=-3.59,P=0.002.在α=0.05的顯著性水平上,LCS的均值分別與LLS,LKB有明顯差異(P<0.05),LLS與LKB均值無明顯差異(P>0.05).

3.3 方差分析

LCS1,LCS2單因子方差分析如表7所示.

表7 LCS1,LCS2單因子方差分析表Tab.7 Single factor ANOVA table of LCS1 and LCS2

注:P=0.527大于顯著性水平0.05,LCS短期內(nèi)重復(fù)兩次測試結(jié)果無明顯差異.

LKB,LLS單因子方差分析如表8所示.

表8 LKB,LLS單因子方差分析Tab.8 Single factor ANOVA table of LKB and LLS

注:P=0.128大于顯著性水平0.05,可知LKB與LLS測試結(jié)果無明顯差異.

LCS1,LCS2,LKB,LLS單因子方差分析如表9所示.

表9 LCS1,LCS2,LKB,LLS單因子方差分析Tab.9 Single factor ANOVA table of LCS1, LCS2,LKB,LLS

由于P=0.000小于顯著性水平0.05,可知LCS與LKB,LLS測試結(jié)果有明顯差異.說明LCS的測試結(jié)果出現(xiàn)偏差,拉力機測試結(jié)果并不可靠,需要進行MSA.

4 量具的GR&R實驗設(shè)計

4.1 試樣選擇

此次選擇相同設(shè)備,在相同工藝條件下,由同一操作員連續(xù)生產(chǎn)絕緣芯線上截取10 m樣品,制成100只管狀試樣(一批),可認為其相同程度極高.共制備1 000只(10批)試樣供分析測試使用.

4.2 設(shè)計實驗

根據(jù)行業(yè)內(nèi)最高標(biāo)準(zhǔn),按美國汽車工業(yè)行動組織(Automotive Industry Action Group，AIAG)的MSA手冊推薦設(shè)置,選擇使用10個部件(批次)、3名操作員和2個仿行,且滿足以下條件:10個部件表示過程的變異;操作員之間的變異較小;來自同一部件的兩個測量值互相獨立.

4.2.1 精確度分析(重復(fù)性、再現(xiàn)性)

根據(jù)AIAG的MSA手冊,以下準(zhǔn)則可用來確定測量系統(tǒng)是否可接受.如果%研究變異列(%公差、%過程)中的合計GR&R貢獻:小于10%,則測量系統(tǒng)可接受;大于30%,則測量系統(tǒng)不接受,并應(yīng)予以改進.如果查看%貢獻列,則相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為:小于1%,測量系統(tǒng)可接受;大于9%,則測量系統(tǒng)不接受,并應(yīng)予以改進.

根據(jù)表10,估計的總變差為8.63%,在1%～9%之間,測量系統(tǒng)是否可接受取決于具體應(yīng)用、測量設(shè)備成本、維修成本或其他因素.

表10 量具GR&R分析1Tab.10 Analysis 1 of GR&R

根據(jù)表11,估計的總變差為29.37%,在10%～30%之間,則測量系統(tǒng)是否可接受取決于具體應(yīng)用、測量設(shè)備成本、維修成本或其他因素.

表11 量具GR&R分析2Tab.11 Analysis 2 of GR&R

Number of Distinct Categories為4,AIAG MSA手冊建議:當(dāng)類別數(shù)小于2時,測量系統(tǒng)對于控制過程毫無價值,因為無法區(qū)分各個部件;當(dāng)類別數(shù)為2時,數(shù)據(jù)可分為兩組,如高和低;當(dāng)類別數(shù)為3時,數(shù)據(jù)可分為3組,如高、中、低;當(dāng)類別數(shù)為5或更高的值時，表明測量系統(tǒng)可接受.因此,量具的可區(qū)分類別數(shù)可接受.

4.2.2 量具穩(wěn)定性分析

根據(jù)圖5,線性百分率是24.6,這表示量具線性占整個過程變異的24.6%.參考值的偏倚百分率是19.3,這表示量具偏倚占整個過程變異的比率小于19.3%.

圖5 線性、偏倚實測值Fig.5 Linear and bias measurements

5 結(jié)語

量具的變異是測量系統(tǒng)變異的重要來源之一,它對于測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會造成影響.本文從數(shù)據(jù)移植性的角度出發(fā),對于如何在實際生產(chǎn)中實施MSA提出了詳細的實施方案.根據(jù)實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)分析查找原因,得出該公司量具精確度不佳.由此進一步查找原因,在量具力矩傳感器、量具橫梁穩(wěn)定性、絕緣/護套材料、導(dǎo)體和焊接點的拉伸等方面進行了改進,提高了測試質(zhì)量.