祝海寧,徐曉敏,李佳奇，潘斌鳳

(1.上海電機(jī)學(xué)院 資產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)室管理處， 上海 201306; 2.上海電機(jī)學(xué)院 商學(xué)院,上海 201306)

拖鏈運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的柔性電纜是電力傳輸材料、信號(hào)傳遞載體的首選電纜,別名又稱(chēng)拖鏈電纜、移動(dòng)電纜、機(jī)器人電纜等.在長(zhǎng)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(shì)[1-2].GB/T 5023.1～7—2008[3]標(biāo)準(zhǔn)中,詳細(xì)注明了原材料的測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值.以此標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定的數(shù)據(jù),滕麗等[4]采用統(tǒng)計(jì)過(guò)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(shí)可以監(jiān)控鍵合工序的生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài),并對(duì)控制圖處于非受控狀態(tài)的批次進(jìn)行具體分析.何楨等[5]提出了保持測(cè)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(jì)和控制圖應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制.劉斌劍等[6]指出了不同檢測(cè)系統(tǒng)生化指標(biāo)測(cè)定結(jié)果的偏倚評(píng)估與可比性.彭力等[7]進(jìn)行了測(cè)量的重復(fù)性和再現(xiàn)性(Gage Repeatability and Reproducibility,GR&R)分析,詳細(xì)介紹了GR&R分析的統(tǒng)計(jì)方法和關(guān)鍵點(diǎn),以及該方法的優(yōu)缺點(diǎn).Fleiss[8]認(rèn)為在多次重復(fù)測(cè)量之間的一致性程度中采用Kappa統(tǒng)計(jì)量,提出了在列聯(lián)表的Kappa統(tǒng)計(jì)量的基礎(chǔ)上,可在同一時(shí)間進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量.馬義中等[9]認(rèn)為測(cè)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,對(duì)測(cè)量對(duì)象可以重復(fù)測(cè)量.這些關(guān)于測(cè)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(cè)量系統(tǒng)分析的主要特性指標(biāo)及研究方法,對(duì)其應(yīng)用具有很好的借鑒意義.

1 測(cè)量系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)

從制造業(yè)生產(chǎn)廠家的角度來(lái)看,對(duì)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(guò)程中有可能發(fā)生的各種偏差.

1.1 測(cè)量系統(tǒng)分析研究指標(biāo)

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

數(shù)據(jù)的移植性是從計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得的,大多使用在數(shù)據(jù)庫(kù)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(lái)判斷過(guò)程中的波動(dòng)有多少是由測(cè)量系統(tǒng)所產(chǎn)生的.在PVC拉伸實(shí)驗(yàn)中,管狀試件是破壞性實(shí)驗(yàn),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(wèn)題

某電纜制造公司上海實(shí)驗(yàn)室(LCS)于2018年申請(qǐng)了德國(guó)電子協(xié)會(huì)(Verband Der Elektrotechnik，VDE)認(rèn)證,其中電纜型號(hào)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(zhǎng)率142,LCS內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果164,電纜的斷裂伸長(zhǎng)率不符合要求.

2.1 分析問(wèn)題

從人、機(jī)、料、法、環(huán)的角度進(jìn)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(yàn),同時(shí)獲得上海電線電纜研究所頒發(fā)的電纜行業(yè)檢驗(yàn)資質(zhì).

(2) 機(jī)器的名稱(chēng)為微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(大變形),購(gòu)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(jì)量所進(jìn)行校準(zhǔn),校準(zhǔn)結(jié)果為符合標(biāo)準(zhǔn)誤差內(nèi)的機(jī)器.

(3) 從原材料檢驗(yàn)記錄上的數(shù)據(jù)來(lái)看,符合原材料檢驗(yàn)規(guī)范.查看生產(chǎn)過(guò)程中的作業(yè)記錄表與首檢記錄,發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中并無(wú)違規(guī)操作.同時(shí)查看成品檢驗(yàn)報(bào)告,發(fā)現(xiàn)其各項(xiàng)性能完好,符合成品檢驗(yàn)規(guī)范.在送檢前,該產(chǎn)品已通過(guò)該公司內(nèi)部型式試驗(yàn),驗(yàn)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(cè)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(shí)根據(jù)該公司內(nèi)部的檢驗(yàn)流程,一份樣品有5個(gè)管狀試件組成,進(jìn)行測(cè)量,取5個(gè)數(shù)據(jù)的中位數(shù)作為測(cè)量的數(shù)據(jù),有效避免了因試件變異引起的測(cè)量值不準(zhǔn)確.

(5) 從環(huán)境的角度看,實(shí)驗(yàn)室為恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室.

2.2 解決問(wèn)題

經(jīng)過(guò)討論與實(shí)地考察,已排除原材料、實(shí)驗(yàn)方法以及環(huán)境要素,需要進(jìn)一步考慮操作員和量具之間是否存在問(wèn)題.決定采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),將試驗(yàn)過(guò)程再現(xiàn),通過(guò)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(cè)量數(shù)據(jù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,于是該公司決定,把同一批次生產(chǎn)的同一個(gè)規(guī)格型號(hào)的電纜分別郵寄給該公司的德國(guó)實(shí)驗(yàn)室(LKB)和新加坡實(shí)驗(yàn)室(LLS),進(jìn)行相同樣本量的測(cè)量,以確定是否是測(cè)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(jìn)行對(duì)比和數(shù)據(jù)分析,同時(shí)采用Minitab軟件進(jìn)行輔助工作.測(cè)量25G1.5 VDE樣品絕緣芯線斷裂伸長(zhǎng)率,測(cè)量數(shù)據(jù)如表1～表3所示.

3.1 假設(shè)檢驗(yàn)

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

在α=0.05的置信水平上,LCS/LKB/LLS測(cè)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(yàn)的P=0.975;Levene檢驗(yàn)的P=0.990,均大于0.05,說(shuō)明數(shù)據(jù)滿足方差齊性.兩者綜合,可以進(jìn)行t檢驗(yàn)和方差分析.

表1 LCS VDE樣品絕緣芯線斷裂伸長(zhǎng)率對(duì)比測(cè)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(zhǎng)率對(duì)比測(cè)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(yàn)

兩兩相比較的雙樣本t檢驗(yàn)如表4～表6所示.

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

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

項(xiàng)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(yàn)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(yàn)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(yàn):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(wú)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(cè)試結(jié)果無(wú)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(cè)試結(jié)果無(wú)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(cè)試結(jié)果有明顯差異.說(shuō)明LCS的測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)偏差,拉力機(jī)測(cè)試結(jié)果并不可靠,需要進(jìn)行MSA.

4 量具的GR&R實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(rèn)為其相同程度極高.共制備1 000只(10批)試樣供分析測(cè)試使用.

4.2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)行業(yè)內(nèi)最高標(biāo)準(zhǔn),按美國(guó)汽車(chē)工業(yè)行動(dòng)組織(Automotive Industry Action Group，AIAG)的MSA手冊(cè)推薦設(shè)置,選擇使用10個(gè)部件(批次)、3名操作員和2個(gè)仿行,且滿足以下條件:10個(gè)部件表示過(guò)程的變異;操作員之間的變異較小;來(lái)自同一部件的兩個(gè)測(cè)量值互相獨(dú)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(cè),以下準(zhǔn)則可用來(lái)確定測(cè)量系統(tǒng)是否可接受.如果%研究變異列(%公差、%過(guò)程)中的合計(jì)GR&R貢獻(xiàn):小于10%,則測(cè)量系統(tǒng)可接受;大于30%,則測(cè)量系統(tǒng)不接受,并應(yīng)予以改進(jìn).如果查看%貢獻(xiàn)列,則相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)為:小于1%,測(cè)量系統(tǒng)可接受;大于9%,則測(cè)量系統(tǒng)不接受,并應(yīng)予以改進(jìn).

根據(jù)表10,估計(jì)的總變差為8.63%,在1%～9%之間,測(cè)量系統(tǒng)是否可接受取決于具體應(yīng)用、測(cè)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(jì)的總變差為29.37%,在10%～30%之間,則測(cè)量系統(tǒng)是否可接受取決于具體應(yīng)用、測(cè)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(cè)建議:當(dāng)類(lèi)別數(shù)小于2時(shí),測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于控制過(guò)程毫無(wú)價(jià)值,因?yàn)闊o(wú)法區(qū)分各個(gè)部件;當(dāng)類(lèi)別數(shù)為2時(shí),數(shù)據(jù)可分為兩組,如高和低;當(dāng)類(lèi)別數(shù)為3時(shí),數(shù)據(jù)可分為3組,如高、中、低;當(dāng)類(lèi)別數(shù)為5或更高的值時(shí)，表明測(cè)量系統(tǒng)可接受.因此,量具的可區(qū)分類(lèi)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(gè)過(guò)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(gè)過(guò)程變異的比率小于19.3%.

圖5 線性、偏倚實(shí)測(cè)值Fig.5 Linear and bias measurements

5 結(jié)語(yǔ)

量具的變異是測(cè)量系統(tǒng)變異的重要來(lái)源之一,它對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會(huì)造成影響.本文從數(shù)據(jù)移植性的角度出發(fā),對(duì)于如何在實(shí)際生產(chǎn)中實(shí)施MSA提出了詳細(xì)的實(shí)施方案.根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、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(jìn)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(hù)套材料、導(dǎo)體和焊接點(diǎn)的拉伸等方面進(jìn)行了改進(jìn),提高了測(cè)試質(zhì)量.