測(cè)量系統(tǒng)分析在無損檢測(cè)中的運(yùn)用與實(shí)踐

程 宇，劉明萱，楊慶富，谷萬山，陳 祥

(中國(guó)航發(fā)貴州黎陽(yáng)航空動(dòng)力有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550014)

0 引言

在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的大背景下，產(chǎn)業(yè)管理理論體系也得到了相應(yīng)的提升，已經(jīng)不再是傳統(tǒng)質(zhì)量控制的方式，取而代之的是六西格瑪新型管理思維。六西格瑪思維是基于數(shù)據(jù)的決策，因此，保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性決定了整個(gè)產(chǎn)業(yè)體系的安全，一定意義上掌握了整個(gè)產(chǎn)業(yè)的命脈。無損檢測(cè)作為工業(yè)醫(yī)生，其檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果關(guān)乎產(chǎn)品的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。目前，隨著新的超聲檢測(cè)設(shè)備引入及X射線檢測(cè)不同型號(hào)工件的任務(wù)量增加，檢測(cè)結(jié)果的可靠性亟待評(píng)定。

1 測(cè)量系統(tǒng)分析原理

測(cè)量系統(tǒng)分析(MSA)是運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法來分析研究測(cè)量系統(tǒng)中各個(gè)變差源及其對(duì)測(cè)量結(jié)果的作用，并根據(jù)可接受的判斷方法判斷測(cè)量系統(tǒng)的符合性。測(cè)量系統(tǒng)的變差由穩(wěn)定條件下運(yùn)行的測(cè)量系統(tǒng)多次測(cè)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性——偏倚和變差來表征。測(cè)量系統(tǒng)分析方法的運(yùn)用可以確保管理實(shí)施或改進(jìn)的準(zhǔn)確，明確由測(cè)量引起的誤差與公差的比例，在引入新的測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，作為一個(gè)重要的的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分離系統(tǒng)中的變差源，分析誤差來源，提出改進(jìn)措施。

測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)偏倚是指測(cè)量數(shù)據(jù)值相對(duì)于參考值(基準(zhǔn)值)的位置，包括測(cè)量系統(tǒng)的偏倚(Bias)、線性(Linearity)和穩(wěn)定性(Stability)；變差是指測(cè)量數(shù)據(jù)的分散程度，也稱為測(cè)量系統(tǒng)的 R&R，包括測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性(Repeatability)和再現(xiàn)性(Reproducibility)。這些因素綜合起來可以分為測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和測(cè)量系統(tǒng)的精密度。

1.1 測(cè)量系統(tǒng)分析的方法

根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)類型不同，測(cè)量系統(tǒng)分析的方法也不同，通常分為計(jì)量型測(cè)量系統(tǒng)分析和計(jì)數(shù)型測(cè)量系統(tǒng)分析。計(jì)數(shù)型測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果不是連續(xù)性數(shù)據(jù)，最常見的結(jié)果就是“通過”“不通過”，通常是通過評(píng)價(jià)不同檢驗(yàn)人員對(duì)產(chǎn)品判斷結(jié)果的一致性來分析。

常規(guī)無損檢測(cè)方法中的滲透檢測(cè)、射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)的檢測(cè)結(jié)果都是計(jì)數(shù)型測(cè)量系統(tǒng)分析型數(shù)據(jù)。計(jì)量型測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)果是連續(xù)性數(shù)據(jù)，可以在連續(xù)坐標(biāo)上繪制數(shù)據(jù)，通常評(píng)定數(shù)據(jù)測(cè)量再現(xiàn)性、設(shè)備測(cè)量重復(fù)性及兩者結(jié)合的影響。常規(guī)無損檢測(cè)方法中的渦流檢測(cè)、超聲檢測(cè)的檢測(cè)結(jié)果都是計(jì)量型測(cè)量系統(tǒng)分析型數(shù)據(jù)，但在一定情況下，如全自動(dòng)掃查時(shí)，可轉(zhuǎn)換為計(jì)數(shù)型測(cè)量系統(tǒng)分析型數(shù)據(jù)。

1.2 測(cè)量系統(tǒng)分析時(shí)機(jī)

對(duì)于是否開展測(cè)量系統(tǒng)分析，需要結(jié)合實(shí)際的科研生產(chǎn)情況、顧客要求以及內(nèi)部的管理要求而定，通常開展測(cè)量系統(tǒng)分析的時(shí)機(jī)如表1所示。

表1 測(cè)量系統(tǒng)分析時(shí)機(jī)

1.3 測(cè)量系統(tǒng)分析判斷依據(jù)

根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同，其計(jì)算方法與結(jié)果評(píng)定方法都不同，計(jì)數(shù)型測(cè)量系統(tǒng)分析采用解析法與屬性一致性分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)量型測(cè)量系統(tǒng)分析采用線性和偏移研究及量具R&R研究進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。最終，計(jì)數(shù)型測(cè)量系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)結(jié)果判定標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，計(jì)量型測(cè)量系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)結(jié)果判定標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表2 計(jì)數(shù)型測(cè)量系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)結(jié)果判定標(biāo)準(zhǔn)

表3 計(jì)量型測(cè)量系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)結(jié)果判定標(biāo)準(zhǔn)

2 X射線檢測(cè)系統(tǒng)分析

2.1 分析方案

X射線檢測(cè)結(jié)果是典型的計(jì)數(shù)型測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)，僅有“檢出”“未檢出”2種結(jié)果，由于公司新型葉片任務(wù)量的增加，需要針對(duì)該葉片重新進(jìn)行X射線檢測(cè)系統(tǒng)分析，確保能準(zhǔn)確檢出工件缺陷。根據(jù)計(jì)數(shù)型測(cè)量系統(tǒng)分析要求，試驗(yàn)選取20件新型葉片樣本，其中4件缺陷樣本，16件無缺陷樣本，選擇5名現(xiàn)場(chǎng)X射線檢測(cè)操作人員，分別對(duì)選取的樣本進(jìn)行3次檢測(cè)，檢測(cè)過程中，各檢測(cè)人員間不進(jìn)行交流，保證數(shù)據(jù)獨(dú)立性，統(tǒng)計(jì)所有檢測(cè)結(jié)果。

2.2 分析數(shù)據(jù)

最終獲得的檢測(cè)結(jié)果如表4所示，對(duì)所有檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度、精確度進(jìn)行屬性一致性分析。

表4 X射線檢測(cè)結(jié)果

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 循環(huán)研究法

目標(biāo)：正確判斷率(a)>90%。

實(shí)際：總判斷次數(shù)N=300次，判斷不正確b=11次，判斷正確n=289次，總的正確判斷率：a= n/N=289/300=96.3%>90%。

結(jié)論：該系統(tǒng)合格。

2.3.2 專家評(píng)估法

目標(biāo)：%壞的被接收=壞的被接收數(shù)量/壞的總數(shù)<5%。

%好的被拒絕=好的被拒絕數(shù)/好的總數(shù)<10%。

%正確判斷=正確判斷數(shù)/總數(shù)>90%。

實(shí)際如表5所示。

表5 專家評(píng)估法結(jié)論表(一)

結(jié)論：操作者A、B、E與專家一致；操作者C、D與專家有差異。

測(cè)量系統(tǒng)分析：操作者C、D得出的檢測(cè)結(jié)果與專家有較大差距，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)檢驗(yàn)員進(jìn)行再次培訓(xùn)提升。

2.4 第二次X射線檢測(cè)系統(tǒng)分析

對(duì)操作者進(jìn)行提升技能培訓(xùn)后，重新對(duì)X射線檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分析。選取30件新型葉片樣本，其中5件樣本帶有缺陷，25件樣本中無缺陷。5名操作人員未知缺陷具體情況，分別對(duì)30件試驗(yàn)樣本進(jìn)行3次檢測(cè)，統(tǒng)計(jì)檢測(cè)結(jié)果如表6所示。

表6 第二次X射線檢測(cè)結(jié)果

2.4.1 循環(huán)研究法

目標(biāo)：正確判斷率(a)必須>90%。

實(shí)際：總判斷次數(shù)N=450次，判斷不正確b=2次，判斷正確n=448次，總的正確判斷：

a=n/N=448/450=99.5%>90%

結(jié)論：該系統(tǒng)合格。

2.4.2 專家評(píng)估法

目標(biāo)：%壞的被接收=壞的被接收數(shù)量/壞的總數(shù)<5%。

%好的被拒絕=好的被拒絕數(shù)/好的總數(shù)<10%。

%正確判斷=正確判斷數(shù)/總數(shù)>90%。

實(shí)際如表7所示。

表7 專家評(píng)估法結(jié)論表(二)

結(jié)論：操作者A、B、D、E跟專家一致；操作者C跟專家有差異，判定太嚴(yán)。

2.4.3 檢查一致性法

目標(biāo)：重復(fù)性=判斷一致的次數(shù)/總樣本數(shù)>90%

再現(xiàn)性=操作員之間判斷一致的次數(shù)/總樣本數(shù)>90%

實(shí)際如表8所示。

表8 檢查一致性法結(jié)論表

總的重復(fù)性： Repeatability=148/150=98.6%>90%。

再現(xiàn)性： Reproducibility=28/30=93.3%。

結(jié)論：通過循環(huán)研究法、專家評(píng)估法、檢查一致性法，某型葉片X射線檢測(cè)測(cè)量系統(tǒng)合格； 檢驗(yàn)員C須進(jìn)一步進(jìn)行培訓(xùn)，合格后方可從事某型葉片X射線檢測(cè)工作。

3 超聲波檢測(cè)系統(tǒng)分析

3.1 系統(tǒng)分析方案

由于超聲波檢測(cè)新設(shè)備的引入，需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析方可投入使用。由于超聲波檢測(cè)結(jié)果是典型的計(jì)量型系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)，以手持式超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)鈦合金不同埋深盲孔進(jìn)行定量為例，對(duì)其進(jìn)行計(jì)量型系統(tǒng)分析。

檢測(cè)時(shí)，調(diào)節(jié)檢測(cè)參數(shù)，將準(zhǔn)備好的10個(gè)不同埋深的標(biāo)準(zhǔn)樣件放置于工作臺(tái)上，檢測(cè)人員手持探頭進(jìn)行試樣盲孔掃查，確認(rèn)信號(hào)最大處，保存儀器檢測(cè)界面，記錄缺陷波高。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)分析要求所取的樣件能夠代表整個(gè)生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的所有的現(xiàn)象，選擇2名現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)超聲檢測(cè)儀的操作人員，每名操作人員分別測(cè)量所有試樣2次，統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行量具 R&R 研究(交叉)分析。

3.2 數(shù)據(jù)收集

所選10個(gè)不同埋深的盲孔基準(zhǔn)波高及2名檢測(cè)人員的2次檢測(cè)結(jié)果如表9所示。

表9 超聲波檢測(cè)結(jié)果

圖1 age R&R 的方差分析圖形結(jié)果輸出

圖2 量具R&R分析結(jié)果

3.3 數(shù)據(jù)分析

將檢測(cè)結(jié)果輸入 Mini-Tab軟件，所得分析結(jié)果如圖1、圖2所示。

根據(jù)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合所得的分析結(jié)果可知：可區(qū)分的類別數(shù)為 33>4，研究變異<10%，此測(cè)量系統(tǒng)分析合格，測(cè)量出來的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。從超聲波探傷結(jié)果×測(cè)量人員圖可以看出，操作者 A 的測(cè)量值與操作者 B 的測(cè)量值幾乎一致；測(cè)量人員與零件編號(hào)的交互作用圖表明操作者與零件之間不存在較明顯的交互作用，說明測(cè)量方法穩(wěn)定；從 R 控制圖也能看出，僅有一個(gè)點(diǎn)為失控點(diǎn)，說明了操作人員對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響并不大。

采用手持式超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)鈦合金不同埋深盲孔進(jìn)行定量，應(yīng)用六西格碼管理對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過用Mini-Tab 軟件對(duì)測(cè)量的連續(xù)型數(shù)據(jù)進(jìn)行Gage R&R分析，可得出以下結(jié)論：手持式超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)鈦合金埋深不同埋深盲孔定量是有效的；Gage R&R分析手持式超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)鈦合金埋深不同埋深盲孔的定量方法是穩(wěn)定的。

4 結(jié)論

1)通過循環(huán)研究法、專家評(píng)估法、檢查一致性法，某型葉片X射線檢測(cè)測(cè)量系統(tǒng)合格。

2)檢驗(yàn)員C須進(jìn)一步進(jìn)行培訓(xùn)，合格后方可從事某型葉片X射線檢測(cè)工作。

3)手持式超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)鈦合金埋深不同埋深盲孔定量是有效的。

4)Gage R&R分析手持式超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)鈦合金埋深不同埋深盲孔的定量方法是穩(wěn)定的。

5)通過測(cè)量系統(tǒng)分析，明確檢測(cè)系統(tǒng)可用于某型葉片X射線檢測(cè)及超聲波缺陷測(cè)深的實(shí)際工件檢測(cè)，且具有很好的重復(fù)性、穩(wěn)定性及可靠性。