朱晟超

摘 要：文章介紹了一種基于VDA 5手冊(cè)的電動(dòng)擰緊工具測(cè)量系統(tǒng)分析的應(yīng)用案例，介紹了測(cè)量系統(tǒng)分析的概念，比較了兩種常用的測(cè)量系統(tǒng)分析方法，根據(jù)電動(dòng)擰緊工具的工作原理和測(cè)試場(chǎng)景，討論了分辨力、公差帶寬、參考值等手冊(cè)中各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)如何與電動(dòng)擰緊工具技術(shù)參數(shù)靈活匹配。最后通過應(yīng)用實(shí)例，例舉了幾種能力指數(shù)不合格的原因和改進(jìn)方法，通過改進(jìn)前后測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)和圖形分析評(píng)估，驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。該方法同樣適用于生產(chǎn)設(shè)備中測(cè)量傳感器的測(cè)量系統(tǒng)分析。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)擰緊工具 測(cè)量系統(tǒng)分析 VDA 5 MSA 量具能力指數(shù)

1 引言

電動(dòng)擰緊工具是一種用于測(cè)量和控制螺栓或螺母的扭矩或角度的制造設(shè)備，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車行業(yè)生產(chǎn)中，保證了汽車零部件的連接和裝配的質(zhì)量、安全和效率。根據(jù)IATF16949：2016 汽車行業(yè)質(zhì)量管理體系要求，控制計(jì)劃中的每種檢驗(yàn)、測(cè)量和試驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)均應(yīng)該進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析，文章就如何開展電動(dòng)擰緊工具的測(cè)量系統(tǒng)分析進(jìn)行了討論與實(shí)踐。

2 概述

測(cè)量系統(tǒng)是用來對(duì)被測(cè)特性定量測(cè)量或定性評(píng)價(jià)的儀器或量具、標(biāo)準(zhǔn)、操作、方法、夾具、軟件、人員、環(huán)境和假設(shè)的集合；它是用來獲得測(cè)量結(jié)果的整個(gè)過程。測(cè)量系統(tǒng)分析的目的是為了評(píng)估測(cè)量系統(tǒng)的能力，即測(cè)量系統(tǒng)能否提供準(zhǔn)確、可靠、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，以支持質(zhì)量管理和改進(jìn)的決策。測(cè)量系統(tǒng)分析可以幫助識(shí)別和消除測(cè)量系統(tǒng)中的誤差來源，提高測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，避免因測(cè)量不準(zhǔn)而導(dǎo)致的不必要的成本和風(fēng)險(xiǎn)。測(cè)量系統(tǒng)分析的方法包括對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的精確度、準(zhǔn)確度、分辨率、線性、穩(wěn)定性等指標(biāo)進(jìn)行分析，以及對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)量系統(tǒng)分析的結(jié)果可以用于判斷測(cè)量系統(tǒng)是否符合預(yù)期的要求，以及是否需要對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)或校準(zhǔn)。

3 測(cè)量系統(tǒng)分析

3.1 測(cè)量系統(tǒng)分析方法

測(cè)量系統(tǒng)分析評(píng)估方法主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為AIAG MSA和VDA 5，兩者主要有以下幾點(diǎn)區(qū)別：

AIAG MSA 是美國(guó)汽車行業(yè)行動(dòng)集團(tuán)（AIAG）制定的測(cè)量系統(tǒng)分析手冊(cè)，主要適用于美系汽車廠商和供應(yīng)商。VDA 5 是德國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)（VDA）制定的測(cè)量和檢驗(yàn)過程能力、策劃與管理標(biāo)準(zhǔn)，主要適用于德系汽車廠商和供應(yīng)商。

AIAG MSA和VDA 5的評(píng)價(jià)指標(biāo)不同。AIAG MSA 主要基于測(cè)量系統(tǒng)的變異和偏倚，即測(cè)量系統(tǒng)的平均值與真值或參考值之間的差異，反映測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。VDA 5 主要基于測(cè)量系統(tǒng)的不確定度，即測(cè)量系統(tǒng)的可信區(qū)間，反映測(cè)量系統(tǒng)的可靠性。

AIAG MSA和VDA 5的分析方法不同。AIAG MSA主要使用重復(fù)性和再現(xiàn)性試驗(yàn)（GR&R）來評(píng)估測(cè)量系統(tǒng)的精密度，即測(cè)量系統(tǒng)的變異是否由同一操作者、不同操作者、同一儀器、不同儀器等因素引起。VDA 5主要使用量具能力指數(shù)（Cg/Cgk）和測(cè)量不確定度（MU）來評(píng)估測(cè)量系統(tǒng)的能力，即測(cè)量系統(tǒng)能否滿足規(guī)格或客戶的要求。

AIAG MSA 和 VDA 5 的判斷標(biāo)準(zhǔn)不同。AIAG MSA 主要使用過程比（P/T）和公差比（P/TV）來判斷測(cè)量系統(tǒng)是否合格，一般要求P/T小于0.1，P/TV小于0.3。VDA 5 主要使用量具能力指數(shù)（Cg/Cgk）和測(cè)量不確定度（MU）來判斷測(cè)量系統(tǒng)是否合格，一般要求Cg大于1.33，Cgk大于1.25，MU小于0.3。

本文主要依據(jù)VDA 5進(jìn)行討論與實(shí)踐，其分析方法分為方法一：量具能力指數(shù)Cg/Cgk分析、方法二：有再現(xiàn)性因子分析、方法三：無再現(xiàn)性因子分析，一般必須通過方法一的能力標(biāo)準(zhǔn)才能執(zhí)行方法二三。電動(dòng)擰緊工具由電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)、扭矩傳感器等部分組成，即是生產(chǎn)設(shè)備又是測(cè)量設(shè)備，對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備中的測(cè)量傳感器測(cè)量系統(tǒng)分析僅使用方法一量具能力指數(shù)進(jìn)行研究。因擰緊工具全自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量員、儀器、程序、環(huán)境條件均相同，時(shí)間也基本相同，故不考慮再現(xiàn)性分析。

3.2 測(cè)量系統(tǒng)分析步驟

（1）分辨力

測(cè)量設(shè)備應(yīng)該有足夠的分辨力，根據(jù)手冊(cè)，分辨力應(yīng)滿足公式（1）：

式中：USL—公差上限；

LSL—公差下限；

6σTV—制造過程的總變異。

對(duì)于一個(gè)全新的生產(chǎn)過程，只知道公差帶寬USL-LSL，無法預(yù)知制造過程的總變異6σTV，通過公式（2）（3）變換，根據(jù)技術(shù)協(xié)議或者體系要求，通常能力指數(shù)（最基本的）臨界值要求總是大于1，所以分辨力≤（USL-LSL）/（10×能力指數(shù)臨界值），得出分辨力至少為待測(cè)特征公差帶的1/10。

另外，方法一要求公差具有雙側(cè)規(guī)格界限，若只有單邊公差，即只有一個(gè)規(guī)格限值（LSL或USL）。若具有自然下限或上限（LSL或USL），則使用USL–LSL或USL–LSL來替代。

（2）量具能力指數(shù)

在測(cè)試之前，應(yīng)先確定標(biāo)準(zhǔn)參考值，由于電動(dòng)擰緊工具工作特性，動(dòng)態(tài)擰緊后最終示值與設(shè)定值會(huì)有一定偏差，并且標(biāo)準(zhǔn)傳感器示值區(qū)別于量塊、砝碼等實(shí)物參考量具，其數(shù)值跟隨電動(dòng)擰緊工具變化不具備穩(wěn)定性，因此不能簡(jiǎn)單地將電動(dòng)扭矩工具設(shè)定值或標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器示值作為標(biāo)準(zhǔn)參考值。結(jié)合實(shí)際情況靈活調(diào)整，使用電動(dòng)擰緊工具測(cè)量結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)傳感器測(cè)量結(jié)果的差值Xg作為研究對(duì)象計(jì)算能力指數(shù)，兩者差值為0Nm作為標(biāo)準(zhǔn)參考值Xm。

使用經(jīng)第三方計(jì)量校準(zhǔn)過的高精度標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器，在相同的測(cè)量條件下，將擰緊工具串聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)傳感器（如圖1）重復(fù)測(cè)量25～50次（至少重復(fù)25次），測(cè)量完畢后根據(jù)公式（4）、公式（5）計(jì)算量具能力指數(shù)Cg、Cgk，并按表1要求進(jìn)行評(píng)價(jià)。

式中：λ—公差百分比；

USL-LSL—公差帶寬；

k—標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)；

s—多次重復(fù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差；

—多次重復(fù)測(cè)量的平均值；

Cg、Cgk的公式還沒有統(tǒng)一，不同公司和軟件的計(jì)算方法有些差別，因此使用前要事先和客戶取得溝通。

4 應(yīng)用實(shí)例

以一把安裝在生產(chǎn)裝配線自動(dòng)站中電動(dòng)擰緊工具為例，工藝要求：（62.5±2.5）Nm，擰緊工具指示裝置分辨力為0.1Nm，在改進(jìn)前后分別進(jìn)行了兩次測(cè)量，使用同一標(biāo)準(zhǔn)扭矩傳感器、同一測(cè)量參數(shù)和程序、在同一校準(zhǔn)工裝上完成25次工藝點(diǎn)擰緊測(cè)試，擰緊工具與標(biāo)準(zhǔn)傳感器的測(cè)試結(jié)果見表2、圖2、圖3。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)該擰緊工具的量具能力指數(shù)進(jìn)行分析，見表3。

數(shù)據(jù)結(jié)果表明，改進(jìn)前擰緊工具的量具能力指數(shù)不合格，經(jīng)分析原因有二，一是設(shè)備臨近校準(zhǔn)周期，擰緊工具傳感器有一定誤差，二是由于測(cè)試工裝采用硬連接制動(dòng)，扭矩率過高有過沖現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定。解決方案是首先對(duì)擰緊工具進(jìn)行校準(zhǔn)，隨后更換軟連接模擬螺栓進(jìn)行測(cè)試，改進(jìn)后該擰緊工具量具能力指數(shù)達(dá)到一級(jí)能力標(biāo)準(zhǔn)，方法一合格。

對(duì)于汽車行業(yè)，特別是德系的供應(yīng)商，對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)分析的方法分為兩步走。第一階段是量具能力指數(shù)分析階段，此時(shí)一般為量具預(yù)驗(yàn)收階段，制造過程變異未知，只對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件或固定件進(jìn)行測(cè)量，只考慮測(cè)量?jī)x器本身的誤差，分析測(cè)量?jī)x器重復(fù)性和偏倚，驗(yàn)證量具能力指數(shù)Cg/Cgk，德系稱為“方法一”驗(yàn)證。第二階段是重復(fù)性和再現(xiàn)性分析階段，制造過程變異已知或可以預(yù)測(cè)，通常選擇10個(gè)有代表性產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，考慮測(cè)量系統(tǒng)的綜合變異，分析重復(fù)性和再現(xiàn)性，驗(yàn)證過程比%R&R和公差比%P/T，德系稱為“方法二”驗(yàn)證。電動(dòng)擰緊工具一般僅使用方法一驗(yàn)證，若需要使用方法二，可將不同時(shí)間作為再現(xiàn)性因子進(jìn)行評(píng)估。

5 結(jié)語

電動(dòng)擰緊工具作為現(xiàn)代生產(chǎn)過程中重要的一環(huán)，測(cè)量系統(tǒng)分析是評(píng)估其可靠性的重要質(zhì)量工具。文章基于VDA 5提出了一種針對(duì)擰緊工具的測(cè)量系統(tǒng)分析方法，結(jié)合實(shí)際情況，靈活選擇和調(diào)整測(cè)量系統(tǒng)分析的方法，以滿足對(duì)電動(dòng)擰緊工具的測(cè)量評(píng)估需求。同時(shí)，也將對(duì)生產(chǎn)及研發(fā)設(shè)備的測(cè)量系統(tǒng)分析方法進(jìn)一步的研究和完善，為汽車行業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量提供技術(shù)支持。

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