基于Minitab的全液壓鉆機測量系統(tǒng)分析研究

范 偉

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

基于Minitab的全液壓鉆機測量系統(tǒng)分析研究

范 偉

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

對全液壓鉆機關(guān)鍵零部件測量系統(tǒng)進行重復(fù)性和再現(xiàn)性分析，研究評估了測量系統(tǒng)的能力、方差分量貢獻率和變異所占百分比，計算結(jié)果顯示：不同的操作員對測量結(jié)果的影響顯著，測量方法的差異導(dǎo)致了測量結(jié)果再現(xiàn)性的變異。

測量系統(tǒng)；重復(fù)性；再現(xiàn)性；方差分析

在影響產(chǎn)品質(zhì)量特征值變異的6因素(人、機、料、法、環(huán)、測)中，測量因素獨立于其他5種基本質(zhì)量因素作用于加工過程。測量者的知識和技術(shù)水平、測量方式、測量系統(tǒng)參照標準以及測量儀器都會影響測量系統(tǒng)的能力[1]。在全液壓鉆機的制造過程中，主軸、配油套、油路板等核心零部件的加工質(zhì)量直接影響整機的質(zhì)量，測量系統(tǒng)的能力在此顯得至關(guān)重要，因此有必要對全液壓鉆機核心零部件測量系統(tǒng)進行重復(fù)性和再現(xiàn)性研究。

1 研究對象

測量系統(tǒng)包含測量人員、被測工件、量具、測量程序和方法等要素[1]。從質(zhì)檢班組隨機抽取3名操作員，編號為：1#～3#；被測工件在機加工車間隨機抽取：Ⅰ軸外徑等6個關(guān)鍵質(zhì)量特征值；量具為Hexagon Inspector橋式三坐標測量機，主要性能指標：測量范圍600mm×800mm×600mm；示值誤差E≤2.8+4L/1 000μm；探測誤差R≤3.0μm；被測工件最大質(zhì)量300kg。測量程序和方法參照Hexagon自帶操作規(guī)程。

2 研究內(nèi)容及方法

計量型測量系統(tǒng)的研究內(nèi)容包括偏倚性、穩(wěn)定性、重復(fù)性和再現(xiàn)性[2]。3名操作員對6個關(guān)鍵指標進行測量，每名操作員對每個被測指標測量3次，為了減少上一次測量造成的主觀影響，每名操作員在測量時拿到工件的順序是隨機的，測量結(jié)果見表1。

表1 6個質(zhì)量特征值的測量結(jié)果

3 測量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性分析

3.1選擇統(tǒng)計分析方法

Minitab提供了兩種統(tǒng)計方法進行測量系統(tǒng)重復(fù)性和再現(xiàn)性研究：方差分析法和均值-極差法[3]。方差分析可以分析測量誤差或其他測量系統(tǒng)中數(shù)據(jù)變異來源，結(jié)果相對準確；均值-極差法計算更為簡單，結(jié)果更為直觀。本文選用方差分析統(tǒng)計方法：對于給定的顯著性水平α，將求得的F比與F分布表中的F1-α(fA,fe)比較，當(dāng)F>F1-α(fA,fe)時，認為因子A是顯著的，否則是不顯著的。

3.2數(shù)據(jù)分析

運行Minitab軟件的量具 R&R分析模塊，分別得到研究變異占比圖(圖1)、標準差分析表(表2)和方差分析表(表3)。量具 R&R 輸出結(jié)果顯示，大致按以下變異源分析總變異性的情況：(1)合計量具R&R。包括重復(fù)性和再現(xiàn)性產(chǎn)生的差異。(2)部件之間的差異。這是指由于測量部件自身不同而產(chǎn)生的差異。理想的情況是重復(fù)性與再現(xiàn)性幾乎不產(chǎn)生變異，絕大部分變異是由部件之間的測量差異引起的。具體表現(xiàn)為：重復(fù)性與再現(xiàn)性變異源只占非常小的“方差分量貢獻”百分比和“研究變異”百分比，通常合計量具 R&R 在研究變異中所占的百分比應(yīng)該低于 30%，對于重要測量對象，研究變異所占百分比應(yīng)在10%以下[4]。

圖1 研究變異占比圖

表2標準差分析表

來源標準差研究變異研究變異/%合計量具R&R6．639539．83714．89重復(fù)性0．57543．4521．29再現(xiàn)性6．614539．68714．83操作員6．468938．81314．51操作員?部件1．38038．2823．10部件間44．0926264．55598．89合計變異44．5896267．538100．00

表3 方差分析表

結(jié)合圖1和表2分析：(1)部件間研究變異所占百分比為98.89%，說明測量值的主要差異源自部件自身的不同，這是希望看到的情況；(2)重復(fù)性方差貢獻率和研究變異分別為0.02%、1.29%，說明測量儀器波動引起的變異在可接受范圍內(nèi)，其本身性能是可靠的；(3)合計量具 R&R 在研究變異中所占的百分比為14.89%，雖然低于30%，但由于被測量的6個關(guān)鍵指標直接影響產(chǎn)品整體質(zhì)量，有必要進一步分析變異產(chǎn)生原因。

表3給出在α=0.05水平下的F比，可以看出操作員的F比=125.56>F0.95(2,2)，再次證明不同的操作員對測量結(jié)果的影響顯著。

4 存在問題及糾正措施

4.1原因分析

操作員的技能水平、工作態(tài)度和測量方法都會影響測量誤差。經(jīng)過對操作員測量方法和測量數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致再現(xiàn)性變異的直接原因是：(1)被測工件表面粗糙度高、形狀不規(guī)則，導(dǎo)致測量探頭在工件上取點不一致，進而產(chǎn)生尺寸或型位誤差；(2)測量圓柱度、同軸度等型位誤差時，測量點選取的疏密程度和布點的均勻性對誤差的影響較大，通過與標準值的比對發(fā)現(xiàn)，選擇測量點較多的操作員其測量誤差相對低一些,研究表明，測量點的疏密程度和布點的均勻性所產(chǎn)生的誤差要大于儀器精度所產(chǎn)生的誤差[5]；(3)現(xiàn)場缺少標準化的作業(yè)指導(dǎo)文件，并且3名操作員未經(jīng)過集中統(tǒng)一的培訓(xùn)，測量方法的差異是測量值差異的重要原因之一。

4.2糾正措施及效果驗證

將軸端面粗糙度降低至Ra=3.2，回轉(zhuǎn)面粗糙度降低至Ra=0.4，測量圓柱度的布點數(shù)統(tǒng)一為48點，重新對表1中6個質(zhì)量特征值進行測量?？紤]改善效果的直觀性和簡易性，驗證采用均值-極差法，運行Minitab軟件后得到樣本數(shù)據(jù)對比圖和均值極差控制圖，如圖2、圖3所示。

圖2 樣本數(shù)據(jù)對比圖

圖3 Xbar-R控制圖

圖2表明每個部件的多個測量值非常接近，而不同部件平均值之間的差別又很明顯，表明測量系統(tǒng)對相同部件一致性和對不同部件差異性的有效區(qū)分；圖3表明測量系統(tǒng)有足夠的靈敏性來區(qū)分各樣本的偏差，3名操作員的測量結(jié)果的平均值與圖2中部件測量值的變化規(guī)律一致。此外，各操作員對樣本的測量結(jié)果都控制在極差限值內(nèi)，表明3名操作員在經(jīng)過集中培訓(xùn)后測量方法得到了統(tǒng)一。

5 結(jié)束語

本文對全液壓鉆機測量系統(tǒng)進行了重復(fù)性和再現(xiàn)性分析研究，通過計算部件間重復(fù)性和再現(xiàn)性研究變異所占的百分比，證明測量系統(tǒng)存在不合理的變異，而不同操作員之間的不同測量方法是導(dǎo)致測量系統(tǒng)變異的主要原因，所得結(jié)論為改良全液壓鉆機關(guān)鍵零部件測量系統(tǒng)、優(yōu)化操作人員作業(yè)方法提供了理論依據(jù)。

[1] 何楨，李國春，石金橋，等．工序質(zhì)量分析與控制中的多變異分析方法[J]．系統(tǒng)工程理論與實踐，2000，18(5)：42-46.

[2] 葉衛(wèi)民，趙德勇，劉沃野，等．測量系統(tǒng)分析方法評述及應(yīng)用[J]．統(tǒng)計與決策，2013，2(5)：83-85.

[3] 岑武，夏利霞.基于Minitab的發(fā)動機轉(zhuǎn)速傳感器位置度量具研究[J]．湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，28(5)：27-30.

[4] 趙莉，文昌俊.拉伸試驗測量系統(tǒng)分析研究[J]．湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，26(3)：4-6.

[5] 李星偉.三坐標測量機測量型位誤差應(yīng)注意的問題[J]．計量與測試技術(shù)，2012，39(9)：13-14.

TheDevelopmentofMeasurementSystemforFullHydraulicDrillingRigBasedonMinitab

FAN Wei

(Xi'an Research Institute of Chian Coal Technology & Engineering Group Corp, Shaanxi Xi'an, 710077, China)

It analyzes the repeatability and reproducibility of the measurement system for the fully hydraulic drilling machine parts, estimates the ability level of this measurement system in variance component contribution rate and variation of percentage. The calculation results show that the influence of different operators on measuring results is significant, and the measurement differences lead to the variation of measurement result reproducibility.

Measurement System; Repeatability; Reproducibility; Analysis of Variance

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.05.022

2014-02-13

中煤科工集團西安研究院管理創(chuàng)新項目(2014MS025)

范偉(1977—)，男，山西運城人，中煤科工集團西安研究院有限公司工程師，工程碩士，主要研究方向為礦用鉆探設(shè)備加工制造及質(zhì)量管理。

F406.2

A

2095-509X(2014)05-0083-03