破坏性测量系统稳定性分析初探

（潍柴动力股份有限公司，潍坊261001）

破坏性测量系统稳定性分析初探

赵庶娴，李效伟，刘东，刘复荣
（潍柴动力股份有限公司，潍坊261001）

介绍了破坏性测量系统稳定性分析的具体运作方法，并通过连杆表面硬度测量的实际案例，分别运用均值-极差法和单值-移动极差法，详细阐述了样本选择、原始数据的采集及数据的计算与分析等。

测量系统分析 破坏性测量系统 稳定性分析 均值-极差法 单值-移动极差法

1 概述

测量系统稳定性是指：在某段时间间隔内，用相同的测量系统对同一基准或零件的同一特性进行测量所获得的总变差。即稳定性分析是对整个预期时间内偏倚变化的研究[1]。

对测量系统进行稳定性分析通常采用如下方法：测量每个时间周期的多个或单个零件，利用带有控制限的控制图进行分析。在控制图上将描绘点和控制限进行比较，观察测量系统随时间的变化，寻找趋势并做出判断。常用控制图法包括均值—极差控制图法均值—标准差控制图法、单值—移动极差法（X−MR图法）及不合格品数控制图法（np图法）等[2]。本文将选取其中两种方法对破坏性测量系统的稳定性进行实例分析。

2 利用法对破坏性测量系统进行稳定性分析

破坏性测量系统稳定性分析因其“测量过程不可重复”的特点致使在样本准备、数据采集上跟简单测量系统相比均有所不同。现以布氏硬度测量系统稳定性分析为例进行说明。

2.1 测量系统概述

本过程的测量设备为HB-3000布氏硬度计，主要用于检测连杆调质后硬度。

2.2 样本的选择

稳定性分析要求被评价对象为“同一基准或零件的同一特性”，即在预期时间内做重复测量，而破坏性测量过程是不可重复的，于是借助测量系统分析参考手册中“分割样本”的理念，假设被评价样本能够满足以下条件：（1）样本的被测特性稳定，其定性期限延续并超过预期的研究期间：即在整个预期的使用和/或储存期间，被测特性不会改变；（2）这些样本可以被分割成若干部分，每一部分可以独立进行评价。

因一般零部件的均匀性和稳定性不如标准硬度块，为了减少不必要的变差引入的影响，同时考虑追溯到样本参考值的可能性，通常评价硬度计稳定性时选择的样本是标准硬度块而不是日常被检工件。在本例中选取标称值与常用测量值接近且均匀度好的标准硬度块作为样本，其标称值作为参考值。硬度块上可虚拟划分为若干个区域作为分割样本，分别进行测量。由于硬度块本身的尺寸限制（普通标准硬度块的尺寸为100×80）及采集数据的区域要求（测量硬度时任一压痕中心距样块边缘的距离至少为压痕平均直径的2.5倍，两相邻压痕中心间距离至少为压痕平均直径的3倍），考虑成本，破坏性试验一般取n=3（手册要求稳定性分析的子组容量为n=3～5），选用直径为5 mm的压头，据经验粗略估算需要准备三至四块标称值相近（最好是相等）的标准硬度块作为“样本组”，此样本组应来自于稳定过程的大量样本且具有统计上的一致性。

2.3 数据的采集

预期研究时间为五个月。测量周期以“周”为基础，每周采集数据3次作为一个子组(即子组容量n=3)，共采集20周以形成20个子组，如表1所示。

选择直径为5 mm的硬质合金球压头，在7.355 kN试验力下保持（10～15）s，测量其硬度值[3]，表1为20个子组的测量结果。每次在正式测量前至少预压两个压痕以保持试样和压头处于稳定状态，预测的数据应剔除不用。正式测量时每次选取样本的一个分割区域，连续测量三个位置产生三个压痕，对每个压痕各进行两个垂直方向上的直径测量，算出六个数的平均值进而查表得出其对应的硬度值。为弥补参与评价的多块标准硬度块标称值可能不一致带来的变差影响，在本例中采用硬度测得值与硬度块标称值之差（即偏倚）作为评价数据。每周在指定时间内共采集3次形成一个子组，要求每个子组的数据能够涵盖本周期内可能出现的所有过程变差，如热机、周遭或其它因素可能发生的变化等。

2.4 计算与分析

根据采集到的原始数据，计算各子组平均值及极差。然后计算并生成均值图及极差图。依据判稳准则对测量系统进行稳定性判定。

由n=3查计量值控制图常用系数表得到：A2=1.023，D3=0，D4=2.574，进行相关计算：

样本的偏倚均值为

表1 布氏硬度测量偏倚

均值图判稳准则：不能有点子超出上、下控制限；连续3点中不能有2点落在A区或A区以外之区域；连续5点中不能有4点落在B区或B区以外之区域；不能有连续9点（或更多点）落在控制中心线的同一侧；不能有连续6点（或更多点）持续上升或下降；不能有连续14点交互升降；不能有连续8点在中心线的两侧，但C区并无点子。从图1和图2可知，均值图符合稳定性准则，同时极差图中无超限点，所以判定本测量系统没有特殊原因造成的变差，是稳定可以接受的。

为了便于记忆，可将判稳准则反向归纳为“判异口诀”与之相对应：一界外，三分之二A，五分之四B，九单侧，六连续，十四升降，八无C。

图1 样品均值图

图2 样品极差图

3 利用X-MR法对破坏性测量系统进行稳定性分析

采用X-MR法对破坏性测量系统进行稳定性分析。所谓X-MR图法即单值－移动极差法，与图法相比优点是：简便、省事、及时，特别适用于每次只能得到单个数据的测量系统分析；缺点是灵敏度差，对异常的检出力低于图法，且不易发现工序分布中心的变化。

（1）移动极差控制图

其中：i=1，2，3……，k-1

（2）移动极差平均值即中心线（CL）：

控制上限

均值控制图:

（1）求示值偏倚平均值即中心线（CL）：

由控制图中可以看出没有出现超出控制限的点，所以本过程是稳定的。

图3 均值控制图

图4 移动极差控制图

4 结论

随着TS16949体系在汽车制造业中的普及运行，测量系统分析的研究也越来越广泛，越来越深入。研究对象从最初的简单测量系统逐渐过渡到复杂测量系统，面对不断出现的新挑战，只有学习和掌握更多的理论知识和分析工具，并时刻注意与生产实践相结合，才能找出解决问题的新思路，提出有效解决问题的新办法，使测量系统分析工作不流于表面形式，真正做到为过程服务。

1 AIAG.Measurement Systems Analysis（MSA）Reference Manual（3rd edition），中国汽车技术研究中心编译.2002.

2统计过程控制（SPC）第二版，克莱斯勒公司、福特公司和通用公司.

3全国钢标准化技术委员会.GB/T 231.1－2009金属布氏硬度试验第1部分：试验方法[S].北京：中国标准出版社，2009.

Primary Exploration of Stability of Destructive Measurement

Zhao Shuxian,Li Xiaowei,Liu Dong,Liu Furong
（Weichai Power Co.,Ltd.,Weifang 261001,China）

The method to analyze the stability of destructive measurement system is presented.Sample selection,raw data collection and value calculation are elaborated through real cases of hardness measurement of conrod surfaces by means of extreme deviation based on average value and motional extreme deviation based on single value.

measurement system analysis,destructive measurement,stability,single value, extreme deviation

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.01.0010

来稿日期：2010-06-07

赵庶娴（1971-），女，高级工程师，主要研究方向为测量过程控制、测量系统分析及测量不确定评定。