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測量系統(tǒng)分析在地磅稱重傳感器研發(fā)制造中的應用

時間:2018-01-17 01:49:05   點擊數(shù):

隨著對稱重傳感器精度的要求越來越高,對研發(fā)制造稱重傳感器的測量系 統(tǒng)也隨之提高。本文簡單地介紹了測量系統(tǒng)的幾個特性及其判定準則,主要是針對計量型數(shù) 據(jù)的測量系統(tǒng)進行分析,并列舉如何對地磅稱重傳感器制造過程中測量ZTC的測量系統(tǒng)進行分 析、改進。

1.引言

在稱重傳感器的開發(fā)制造過程中,經(jīng)常需要 用到大量的數(shù)據(jù),而這些數(shù)據(jù)一般都是通過測量 產(chǎn)生的。測量數(shù)據(jù)的好壞或是否可信直接影響到 所得到結(jié)論,尤其是隨著現(xiàn)在制造水平的提高, 對高精度稱重傳感器的要求也越來越高,什么樣 的測量結(jié)果才能滿足要求,也越來越受到重視。 本文將簡單介紹六西格瑪管理中的測量系統(tǒng)分析, 這個具有統(tǒng)計特性的工具在稱重傳感器開發(fā)、制 造持續(xù)改進中的應用。

2.測量系統(tǒng)幾個特性

測量是指對某具體事物賦予數(shù)值,以表示它 們對于特定特性之間的關系。在這個過程中,由人員、儀器或量具、測量對象、操作方法和 環(huán)境等綜合因素(人、機、料、法、環(huán))所構(gòu)成 的整體就是一個測量系統(tǒng),所謂的測量系統(tǒng)分 析,是指運用統(tǒng)計學的方法對測量系統(tǒng)進行評 估,在合適的特性位置測量正確的參數(shù),了解影 響測量結(jié)果的波動來源及其分布,并確認測量系 統(tǒng)是否符合工程需求。使用的儀器是好的,并不 意味著測量出的結(jié)果就是準確的,測量結(jié)果還受 其他因素的影響。測量系統(tǒng)分析是對影響測量結(jié) 果的因素的綜合分析,是為了對所使用的測量系 統(tǒng)做一個科學、系統(tǒng)的分析和評定,保證測量出 的結(jié)果是真實有效的。在制造稱重傳感器過程的 測試人員、力機、砝碼、扭矩扳手、傳感器裝夾 對位、操作現(xiàn)場溫度濕度等因素構(gòu)成了稱重傳感 器生產(chǎn)制造的整個測量系統(tǒng),其測量系統(tǒng)是否合格,很大程度上決定了生產(chǎn)出來稱重傳感器是否 優(yōu)良。

2.1測量系統(tǒng)的分辨力Discrimination)

測量系統(tǒng)的分辨力是指測量系統(tǒng)識別并反映 被測量最微小變化的能力。這種能力往往可以通 過儀器儀表上的最小刻度來反映。具有足夠的分 辨力是測量系統(tǒng)合格的首要條件之一,發(fā)現(xiàn)測量 系統(tǒng)的分辨力不足時,一般應考慮更換量具或選 用更好的測量技術。選取量具原則為1/10 ,如精度要求1mm的,我們一般采用0.1mm 精度的量具進行測量。如枰上用的分度值e如圖 1所示,當e=l0.10.001kg時,顯示設備上顯 示的數(shù)值,客戶可根據(jù)其對測量的要求而選用不 同的分度值e

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2.2偏倚Bias)和線性 偏倚是指對同一測量對象多次測量結(jié)果的平 均值與參考值的差值。參考值reference-value) 是一個預先認定的參考標準,該標準可用更高級 別測量系統(tǒng)進行多次測量的平均值來確定。標準 樣本有問題、測量儀器沒有效準、測量儀器使用不良、測量位置偏移、測量員之間存在誤差,都 有可能是造成偏倚過大的原因。

線性是指在測量系統(tǒng)預期的測量范圍內(nèi),各 點處的偏倚與參考值呈線性關系,線性就是要求 這些偏倚量在數(shù)學上表現(xiàn)為是其對應參考值的線 性回歸關系,如圖2所示。

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理想的測量系統(tǒng)應是量程范圍內(nèi)的任何一處 都不存在偏倚;如果在一點處能夠準確地知道偏 倚的數(shù)值,或者在整個量程范圍內(nèi)有共同的偏倚, 則可以通過扣除偏倚加以修正;測量系統(tǒng)的偏倚 在整個量程范圍內(nèi)具有線性則可以根據(jù)巳有的 測量結(jié)果加上線性關系的規(guī)律求出任一指定點處 的偏倚,這是我們在有偏倚的條件下的“不幸中 的萬幸;如果有偏倚而又不具有線性則將真是 大不幸,測量系統(tǒng)已經(jīng)無可救藥了。

2.3穩(wěn)定性Stability)

穩(wěn)定性是指用同一測量儀器,由同一測量人 員在不同的時間測量同一被測對象時存在的差異。 是測量系統(tǒng)的各個計量特性在時間范圍內(nèi)保持恒 定的能力,如圖3所示。這也是測量系統(tǒng)分析的 基本條件之一。所以公司內(nèi)部各種測量器具(游 標卡尺、儀表、力機等定期檢驗就顯得尤為重 要。需要安排人員定期地對測量器具或標準件進 行重復測量,并繪制測量值的控制圖,跟蹤測量 器具的穩(wěn)定性。

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2.4重復性Repeatibility)

重復性是指同一個操作者使用同一套測量設 備,對同一個測量部件的同一特性在較短的時間間隔內(nèi)進行多次測量所得結(jié)果的一致性。重復 性強調(diào)所有的測量都是在盡可能相同的條件下完 成的,這時誤差的產(chǎn)生全部是由測量設備本身的 固有波動引起,這部分誤差一般是不可能再降低 的。因此,重復性誤差又被稱為設備波動Equip-ment Variation, EV)。合格的測量系統(tǒng)應具有良好的重復性,即其重復測量的波動要小,如圖4所示。

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2.5再現(xiàn)性(Reproducibility)

苒現(xiàn)性是指在各種可能變化的測量條件下, 對同一個測量部件的同一特性進行多次測量,所 得結(jié)果的一致性。可能改變的測量條件包括操作 者、操作方法、測量設備、測量地點、使用條件 和測量時間等。其中相當普遍的情況是,誤差主 要由不同的操作人員而引起。因此,再現(xiàn)性又被 稱為人員波動Appraiser Variation, AV)。好的測 量系統(tǒng)應具有良好的再現(xiàn)性,特別是由不同的操 作人員使用同樣的測量儀器對同一測量對象測量 時的波動要小,如圖5所示。

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2.6精確度Precision)

重復性和再現(xiàn)性分析一同構(gòu)成了測量系統(tǒng)精確 度分析的主要內(nèi)容,二者應該被同時評估,這是測 量系統(tǒng)分析的重點。測量系統(tǒng)的總變異,包括重復 (Repeatability)和再現(xiàn)性(Reproducibility), 常用其英文開頭字母R&R表示精度,如圖6所示

3.測量系統(tǒng)分析過程及實例

3.1測量系統(tǒng)分析的基本過程如下

1檢測設備的選定:量具必須經(jīng)過計量確 認合格,其分辨力應當為至少能直接讀取被測特 性預期變差的1/10 ~ 1/5;

2評價人的選定:執(zhí)行測量作用人員, 均應經(jīng)過必要的量具使用、維護培訓,不至于 出現(xiàn)因人員操作問題所造成的測量誤差。從 常操作該設備/儀器的人員中抽出2~3人進行測量;

3測量參數(shù)的選定:根據(jù)實際需要分析的 參數(shù)進行測量;

4被測樣品的選定:由操作人員選取能夠 代表整個生產(chǎn)過程的5個?10個零件(能夠體現(xiàn) 出樣品間的變異性,有時可以采取每天取1個樣, 共取5~10天),然后給這些樣品編號,確保研 究人員知道樣品編號;

5測量時采用盲測法,即測量人員按照隨機順序測量樣品,不能夠看到樣品編號,測量人 員之間不能夠知道彼此之間測量結(jié)果,以便最大 可能地減少操作者在測量過程中的主觀影響;

6每個樣品操作人員需重復測量2~ 3次, 結(jié)果分別記錄在用MiniTab軟件菜單路徑為,統(tǒng) >質(zhì)量工具>量具研究)或設計好的EXCEL 格中;

7量具重復性及再現(xiàn)性結(jié)果的計算,在 MiniTab中運行時選取相應的部件號,操作員和測 量數(shù)據(jù)點擊確認即可,在EXCEL表格中運行 時,輸入相應的數(shù)據(jù)后即可出現(xiàn)結(jié)果。

3.2測量系統(tǒng)的判定

測量系統(tǒng)的判定分計量型數(shù)據(jù)和計數(shù)型數(shù)據(jù)的判定,計量型數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)可以用連續(xù)的“標 尺來描述;計數(shù)型數(shù)據(jù)是指數(shù)據(jù)不能以連續(xù)的 標尺來描述。

3.2.1連續(xù)型測量系統(tǒng)判斷準則

1Gage R&R&%PAT兩項指標皆小于 10%,則測量系統(tǒng)能力很好;

(2)%Gage R&R *%P/T兩項指標有一項大 30%,則測量系統(tǒng)能力不足,不可接受,測量 系統(tǒng)必須改進后才能使用;

3若介于10%30%之間的情況,則測量 系統(tǒng)能力處于臨界狀態(tài),屬于邊緣狀況,當測量 系統(tǒng)測量的指標并非產(chǎn)品的關鍵性能指標,且更 換測量系統(tǒng)在經(jīng)濟上不可行時,則測量系統(tǒng)可以 勉強使用,否則測量系統(tǒng)也應加以改進才能使用。

其中Gage R&RPAT是評價測量系統(tǒng)精確 度的兩項重要指標Gage R&R指的是測量系統(tǒng)波 動占整體波動的百分比,制造過程整體波動為a2

=2過程+ o'2 i?i量雜,測量系統(tǒng)波動為cr2si最系統(tǒng)二口2 重復性+ 0-2再現(xiàn)性。m則是指測量系統(tǒng)的精度占公差 的百分比,其著重評估測量系統(tǒng)針對相關產(chǎn)品規(guī) 格的測量效果,強調(diào)測量系統(tǒng)對公差界限的分析能力(判斷產(chǎn)品是否合格能否測量的足夠精確。 Gage R&R著重評估測量系統(tǒng)對整體過程變異的測 量效果Gage R&R著重評估測量系統(tǒng)對整體過程變 異的測量效果強調(diào)測量系統(tǒng)對生產(chǎn)過程改進分析 能力(過程是否已有改進能否測量的足夠精確。 mGage R&R是評估測量系統(tǒng)性能的兩個不同 方面,缺少其中任何一個將是不全面的。-個好 的測量系統(tǒng),必須同時使這兩項指標都足夠小。研 究R&R的前提是測量系統(tǒng)已經(jīng)過校準,而其偏倚、 線性及穩(wěn)定性已經(jīng)過評價并認為可接受。

3.2.2計數(shù)型測量系統(tǒng)判定

計數(shù)型測量系統(tǒng)的有兩個判定標準,分別如下:

1判定一:一致性百分比

190% ~ 100%測量系統(tǒng)合格;

2<80%測量系統(tǒng)不合格;

380% ~ 90%根據(jù)具體情況決定測量系統(tǒng)的 有效性。

2判定二  Kappa值是針對評價人之間一致 性的測量值,只考慮他們一致與否,不考慮一致 的程度。

1KaPPa>0.75表示一致性好,測量系統(tǒng)可以接受;

2KaPPa<0.4表示一致性差,測量系統(tǒng)不能 接受;

30.4PPa<0.75/K?需對?-致性進行改進。

3.3測量系統(tǒng)分析的實例

計量型測試數(shù)據(jù)在平常使用的比較多,所以 下面主要針對計量型測量系統(tǒng)進行分析,而偏倚 及穩(wěn)定性方面的問題比較簡單,測量系統(tǒng)不滿足 要求更容易出現(xiàn)問題的地方常常在于精度方面, 本實例重點關注測量系統(tǒng)精度方面的分析即重復 性和再現(xiàn)性方面的分析。

ZTC是指溫度對最小靜負荷輸出的影響,一般 是高溫下零點與低溫下零點差值除以高溫與低溫 的溫度差值,這是傳感器很重要的一個指標,所 以測試結(jié)果的正確與否就顯得尤為重要,需要對 其測量的溫箱、小車進行測量系統(tǒng)分析。溫箱內(nèi) 共有4輛測試小車,選取10只傳感器分別在不同 的測試小車進行測試,測試結(jié)果如表1所示

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MiniTab中進行操作,從“統(tǒng)計 > 質(zhì)量工具 >量具研究 > 量具R&R研究(交叉進人,指定 部件號傳感器操作員小車”, 測量數(shù)據(jù)“ZTC”保持方差分析”,“選 項規(guī)格上限30”, “規(guī)格下限”為 -30,確認后所得結(jié)果摘錄如表2、表3、圖7 所示。

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經(jīng)過Minitah計算的數(shù)據(jù)知Gage R&R=3415>30%,可見重復性和再現(xiàn)性都不是很高,但再 現(xiàn)性方差分量的貢獻比率是重復性的3.6倍。可區(qū) 分的類別數(shù)=3<5,可見該測量系統(tǒng)的分辨力不足, 結(jié)論是根據(jù)以上MSA分析結(jié)果表明用于稱重傳 感器ZTC測試的溫箱測量系統(tǒng)不可接受,主要體 現(xiàn)在再現(xiàn)性較大。

如果當再現(xiàn)性AV)變差值大于重復性 (EV時,潛在的原因是:操作員對量具的操作方法及數(shù)據(jù)讀取方式應加強教育,作業(yè)標準應再明 確制定或修訂;可能需要某些夾具協(xié)助操作員, 使其更具一致性;量具人廠后或送檢校驗或送修 糾正后,需再做量測系統(tǒng)分析并作記錄;測量儀 表讀數(shù)盤中的標準刻度不大清晰;內(nèi)部缺乏穩(wěn)健 的儀器設計或方法、量具誤用。利用失效模式和 效果分析Failure mode and effects analysis, FMEA) 對溫箱的測量失效模式進行分析如表4所示,再 利用帕累托圖進行分析,得到測試ZTC小車上 PCB板本身溫度性能的影響和測試接口混用兩個 主要潛在原因

FMEA分析表如表4所示,帕累托分析圖如圖 8所示

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經(jīng)過對以上兩個主要原因?qū)y試用的PCB進行了補償,更換了新的接口,得到的數(shù)據(jù)如表5 6、表7、圖9所示

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結(jié)論是根據(jù)以上MSA分析結(jié)果GageR&R30%,可區(qū)分的類別數(shù)>5,可見該測量系統(tǒng)的分辨力足夠,用于稱重傳感器ZTC測試的溫箱測量系統(tǒng)可以接受

4.總結(jié)

一個能產(chǎn)生理想測量結(jié)果的測量系統(tǒng)是一個 具有零倚、零變異的統(tǒng)計特性,但遺憾的是,這 種理想的測量系統(tǒng)幾乎不存在,因此,產(chǎn)品的研 發(fā)制造過程中有必要對所使用測量系統(tǒng)進行有效 控制把測量系統(tǒng)分析應用到地磅稱重傳感器的研發(fā) 制造過程中,無論是對提高地磅稱重傳感器產(chǎn)品質(zhì)量 本身,還是提高其研發(fā)制造質(zhì)量管理水平都起到 至關重要的作用。因此,有必要把測量系統(tǒng)分析 這種方法在公司內(nèi)大力推廣

 


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