电动拧紧工具的测量系统分析

朱晟超

摘 要：文章介绍了一种基于VDA 5手册的电动拧紧工具测量系统分析的应用案例，介绍了测量系统分析的概念，比较了两种常用的测量系统分析方法，根据电动拧紧工具的工作原理和测试场景，讨论了分辨力、公差带宽、参考值等手册中各项评价指标如何与电动拧紧工具技术参数灵活匹配。最后通过应用实例，例举了几种能力指数不合格的原因和改进方法，通过改进前后测试结果的数据和图形分析评估，验证了该方法的可行性和有效性。该方法同样适用于生产设备中测量传感器的测量系统分析。

关键词：电动拧紧工具 测量系统分析 VDA 5 MSA 量具能力指数

1 引言

电动拧紧工具是一种用于测量和控制螺栓或螺母的扭矩或角度的制造设备，广泛应用于现代汽车行业生产中，保证了汽车零部件的连接和装配的质量、安全和效率。根据IATF16949：2016 汽车行业质量管理体系要求，控制计划中的每种检验、测量和试验设备系统均应该进行测量系统分析，文章就如何开展电动拧紧工具的测量系统分析进行了讨论与实践。

2 概述

测量系统是用来对被测特性定量测量或定性评价的仪器或量具、标准、操作、方法、夹具、软件、人员、环境和假设的集合；它是用来获得测量结果的整个过程。测量系统分析的目的是为了评估测量系统的能力，即测量系统能否提供准确、可靠、稳定的数据，以支持质量管理和改进的决策。测量系统分析可以帮助识别和消除测量系统中的误差来源，提高测量数据的质量，避免因测量不准而导致的不必要的成本和风险。测量系统分析的方法包括对测量系统的精确度、准确度、分辨率、线性、稳定性等指标进行分析，以及对测量系统的重复性和再现性进行试验。测量系统分析的结果可以用于判断测量系统是否符合预期的要求，以及是否需要对测量系统进行改进或校准。

3 测量系统分析

3.1 测量系统分析方法

测量系统分析评估方法主要依据标准为AIAG MSA和VDA 5，两者主要有以下几点区别：

AIAG MSA 是美国汽车行业行动集团（AIAG）制定的测量系统分析手册，主要适用于美系汽车厂商和供应商。VDA 5 是德国汽车工业协会（VDA）制定的测量和检验过程能力、策划与管理标准，主要适用于德系汽车厂商和供应商。

AIAG MSA和VDA 5的评价指标不同。AIAG MSA 主要基于测量系统的变异和偏倚，即测量系统的平均值与真值或参考值之间的差异，反映测量系统的准确性。VDA 5 主要基于测量系统的不确定度，即测量系统的可信区间，反映测量系统的可靠性。

AIAG MSA和VDA 5的分析方法不同。AIAG MSA主要使用重复性和再现性试验（GR&R）来评估测量系统的精密度，即测量系统的变异是否由同一操作者、不同操作者、同一仪器、不同仪器等因素引起。VDA 5主要使用量具能力指数（Cg/Cgk）和测量不确定度（MU）来评估测量系统的能力，即测量系统能否满足规格或客户的要求。

AIAG MSA 和 VDA 5 的判断标准不同。AIAG MSA 主要使用过程比（P/T）和公差比（P/TV）来判断测量系统是否合格，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数（Cg/Cgk）和测量不确定度（MU）来判断测量系统是否合格，一般要求Cg大于1.33，Cgk大于1.25，MU小于0.3。

本文主要依据VDA 5进行讨论与实践，其分析方法分为方法一：量具能力指数Cg/Cgk分析、方法二：有再现性因子分析、方法三：无再现性因子分析，一般必须通过方法一的能力标准才能执行方法二三。电动拧紧工具由电机、机械传动、扭矩传感器等部分组成，即是生产设备又是测量设备，对于生产设备中的测量传感器测量系统分析仅使用方法一量具能力指数进行研究。因拧紧工具全自动测量，测量员、仪器、程序、环境条件均相同，时间也基本相同，故不考虑再现性分析。

3.2 测量系统分析步骤

（1）分辨力

测量设备应该有足够的分辨力，根据手册，分辨力应满足公式（1）：

式中：USL—公差上限；

LSL—公差下限；

6σTV—制造过程的总变异。

对于一个全新的生产过程，只知道公差带宽USL-LSL，无法预知制造过程的总变异6σTV，通过公式（2）（3）变换，根据技术协议或者体系要求，通常能力指数（最基本的）临界值要求总是大于1，所以分辨力≤（USL-LSL）/（10×能力指数临界值），得出分辨力至少为待测特征公差带的1/10。

另外，方法一要求公差具有双侧规格界限，若只有单边公差，即只有一个规格限值（LSL或USL）。若具有自然下限或上限（LSL或USL），则使用USL–LSL或USL–LSL来替代。

（2）量具能力指数

在测试之前，应先确定标准参考值，由于电动拧紧工具工作特性，动态拧紧后最终示值与设定值会有一定偏差，并且标准传感器示值区别于量块、砝码等实物参考量具，其数值跟随电动拧紧工具变化不具备稳定性，因此不能简单地将电动扭矩工具设定值或标准扭矩传感器示值作为标准参考值。结合实际情况灵活调整，使用电动拧紧工具测量结果和标准传感器测量结果的差值Xg作为研究对象计算能力指数，两者差值为0Nm作为标准参考值Xm。

使用经第三方计量校准过的高精度标准扭矩传感器，在相同的测量条件下，将拧紧工具串联标准传感器（如图1）重复测量25～50次（至少重复25次），測量完毕后根据公式（4）、公式（5）计算量具能力指数Cg、Cgk，并按表1要求进行评价。

式中：λ—公差百分比；

USL-LSL—公差带宽；

k—标准差倍数；

s—多次重复测量的标准差；

—多次重复测量的平均值；

Cg、Cgk的公式还没有统一，不同公司和软件的计算方法有些差别，因此使用前要事先和客户取得沟通。

4 应用实例

以一把安装在生产装配线自动站中电动拧紧工具为例，工艺要求：（62.5±2.5）Nm，拧紧工具指示装置分辨力为0.1Nm，在改进前后分别进行了两次测量，使用同一标准扭矩传感器、同一测量参数和程序、在同一校准工装上完成25次工艺点拧紧测试，拧紧工具与标准传感器的测试结果见表2、图2、图3。

根据测试数据结果，对该拧紧工具的量具能力指数进行分析，见表3。

数据结果表明，改进前拧紧工具的量具能力指数不合格，经分析原因有二，一是设备临近校准周期，拧紧工具传感器有一定误差，二是由于测试工装采用硬连接制动，扭矩率过高有过冲现场导致数据的不稳定。解决方案是首先对拧紧工具进行校准，随后更换软连接模拟螺栓进行测试，改进后该拧紧工具量具能力指数达到一级能力标准，方法一合格。

对于汽车行业，特别是德系的供应商，对于测量系统分析的方法分为两步走。第一阶段是量具能力指数分析阶段，此时一般为量具预验收阶段，制造过程变异未知，只对标准件或固定件进行测量，只考虑测量仪器本身的误差，分析测量仪器重复性和偏倚，验证量具能力指数Cg/Cgk，德系称为“方法一”验证。第二阶段是重复性和再现性分析阶段，制造过程变异已知或可以預测，通常选择10个有代表性产品进行测试，考虑测量系统的综合变异，分析重复性和再现性，验证过程比%R&R和公差比%P/T，德系称为“方法二”验证。电动拧紧工具一般仅使用方法一验证，若需要使用方法二，可将不同时间作为再现性因子进行评估。

5 结语

电动拧紧工具作为现代生产过程中重要的一环，测量系统分析是评估其可靠性的重要质量工具。文章基于VDA 5提出了一种针对拧紧工具的测量系统分析方法，结合实际情况，灵活选择和调整测量系统分析的方法，以满足对电动拧紧工具的测量评估需求。同时，也将对生产及研发设备的测量系统分析方法进一步的研究和完善，为汽车行业生产质量提供技术支持。

参考文献：

[1]杨朝盛.测量系统分析（MSA）实用指南［M］.北京：机械工业出版社，2020.

[2]丁奕.螺栓拧紧设备机器能力指数的测试评价[J].上海计量测试，2014，6：20-23.