岑 武， 夏利霞

(湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

車用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器是汽車計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要輸入裝置之一．它將汽車運(yùn)行中發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況，轉(zhuǎn)化成電訊號(hào)輸給計(jì)算機(jī)，以便計(jì)算機(jī)調(diào)控發(fā)動(dòng)機(jī)至其處于最佳工作狀態(tài)．轉(zhuǎn)速傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)中有著重要的作用，其加工制造質(zhì)量會(huì)直接影響電訊號(hào)的轉(zhuǎn)換和發(fā)送的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步直接關(guān)系到計(jì)算機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的控制．因此，檢測(cè)轉(zhuǎn)速傳感器在制造中的關(guān)鍵尺寸是汽車正常運(yùn)行的重要保證．Minitab軟件是現(xiàn)代質(zhì)量管理統(tǒng)計(jì)的領(lǐng)先者，全球六西格瑪實(shí)施的共同語(yǔ)言，其無(wú)可比例的強(qiáng)大功能，可幫助進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算、回歸分析、時(shí)間序列分析、測(cè)量系統(tǒng)分析(交叉、嵌套、量具運(yùn)行圖等)等[1]．本文基于六西格瑪管理原則，在Minitab軟件的控制分析下，為解決發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器關(guān)鍵位置度尺寸量具研究提供理論依據(jù)和優(yōu)化設(shè)計(jì)．

1 Minitab中的重復(fù)性與再現(xiàn)性

本文中的量具屬于典型的計(jì)量型測(cè)量系統(tǒng)，主要的變異有5種類型：偏倚、重復(fù)性、再現(xiàn)性、線性和穩(wěn)定性．其中，重復(fù)性和再現(xiàn)性變異較大，一般在做測(cè)量系統(tǒng)分析時(shí)，首先進(jìn)行重復(fù)性和再現(xiàn)性分析，再做其他測(cè)量．

1.1 重復(fù)性與再現(xiàn)性

傳統(tǒng)上把重復(fù)性稱為“評(píng)價(jià)人內(nèi)變異”．重復(fù)性是用一個(gè)評(píng)價(jià)人使用相同的測(cè)量?jī)x器對(duì)同一零件上的同一特性，進(jìn)行多次測(cè)量所得到的測(cè)量變差，它是設(shè)備本身的固有變差或能力；傳統(tǒng)上把再現(xiàn)性看作“評(píng)價(jià)人之間”的變差．通常將再現(xiàn)性定義為由不同的評(píng)價(jià)人，采用相同的測(cè)量?jī)x器，對(duì)同一零件的同一特性進(jìn)行測(cè)量所得的平均值的變差；量具的R&R是結(jié)合了重復(fù)性和再現(xiàn)性變差的估計(jì)值，即[2]

．

Minitab為用戶提供了Gage R&R(Crossed)模塊和Gage R&R(Nested))模塊．前者用于當(dāng)每一被測(cè)工件都可以被多個(gè)操作者重復(fù)測(cè)量的GR&R分析，后者用于當(dāng)每一被測(cè)工件不可以被多個(gè)操作者重復(fù)測(cè)量時(shí)的GR&R分析(本試驗(yàn)沒有用到)．在該模塊中，Minitab提供了兩種分析方法，即Xbar and R和ANOVA．這里選用ANOVA,表示將總體偏差分解為零件間的偏差、重復(fù)性和再現(xiàn)性(操作者偏差、操作者與被測(cè)工件之間的交互偏差)[3]．

1.2 量具可接受準(zhǔn)則

量具的重復(fù)性和再現(xiàn)性的可接受準(zhǔn)則：

1)當(dāng)R&R<10%時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)可接受；

2)當(dāng)10%

3)當(dāng)R&R>30%時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)不可以接受，必須加以改進(jìn)；

4)當(dāng)區(qū)別分類數(shù)ndc不小于5，測(cè)量系統(tǒng)可以接受[4]．

2 量具構(gòu)造與方案討論

2.1 量具組成與工作原理

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感位置度量具的組成見圖1．測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)浮動(dòng)定位銷、輔助定位銷和快速夾鉗2固定在基座上，通過(guò)快速夾鉗1控制擺桿接觸被測(cè)零件，在數(shù)顯表上獲取測(cè)量數(shù)據(jù)．

1-擺桿；2-快速夾鉗1；3-數(shù)顯表；4-基座；5-浮動(dòng)定位銷；6-快速夾鉗2；7-被測(cè)零件；8-輔助定位銷圖 1 測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 方案一：試驗(yàn)設(shè)計(jì)及用Minitab進(jìn)行數(shù)據(jù)分析

本次試驗(yàn)由A、B和C 3位測(cè)試員使用上述量具對(duì)隨機(jī)抽取的10件轉(zhuǎn)速傳感器的位置度分別進(jìn)行2次檢驗(yàn)測(cè)試，測(cè)得的數(shù)據(jù)見表1．

表1 方案一測(cè)量結(jié)果

在Minitab的表格內(nèi)輸入表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)．

執(zhí)行測(cè)量系統(tǒng)分析命令，通過(guò)軟件中ANOVA法進(jìn)行計(jì)量型數(shù)據(jù)的非破壞性測(cè)試的測(cè)量系統(tǒng)分析，選擇占正態(tài)曲線下99%面積的6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差[6]，輸入規(guī)范公差0.2 mm，即可得到傳感器量具的Gage R&R分析圖(圖2)．

(a)變異分量

(b)測(cè)量數(shù)據(jù)×樣本號(hào)

(c)R控制圖(按測(cè)試員)

(d)測(cè)量數(shù)據(jù)×測(cè)試員

(e)Xbar控制圖(按測(cè)試員)

(f)樣本號(hào)×測(cè)試員×交互作用圖 2 傳感器量具的Gage R&R分析圖

圖2a表明，樣本之間的偏差構(gòu)成了測(cè)量過(guò)程主要偏差，來(lái)自量具R&R、重復(fù)性和再現(xiàn)性的偏差占有較大比例；

圖2b表明，10個(gè)零件之間存在一定的偏差，存在部分奇異度數(shù)；

圖2c表明，三名測(cè)試員對(duì)各零件的測(cè)量結(jié)果都在極差控制限內(nèi)，表明進(jìn)行試驗(yàn)方式的一致性；

圖2d表明，三名測(cè)試員之間沒有差異；

圖2e有15個(gè)點(diǎn)在控制限內(nèi)，說(shuō)明測(cè)量系統(tǒng)在檢測(cè)各樣本代表的過(guò)程偏差中失效；

圖2f表明，測(cè)試員與零件之間交互作用結(jié)果中，交互作用不顯著．

Minitab分析后的數(shù)據(jù)結(jié)果見表2．

表2 方案一MINITAB分析的結(jié)果

可區(qū)分的類別數(shù)=3

測(cè)量系統(tǒng)的Gage R&R 值(SV/Toler)為43.13%，大于30%；傳感器測(cè)量系統(tǒng)的(重復(fù)性)精度為33.99%，大于30%；其中區(qū)別分類數(shù)ndc為3，小于5．據(jù)此，測(cè)量系統(tǒng)是不可以接受的，需要對(duì)量具進(jìn)行改進(jìn)．

2.3 方案二：試驗(yàn)設(shè)計(jì)及用Minitab進(jìn)行數(shù)據(jù)分析

傳感器測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性精度存在很大的問(wèn)題，問(wèn)題可能存在于零件內(nèi)部、儀器內(nèi)部、基準(zhǔn)內(nèi)部、方法內(nèi)部等．重復(fù)性變差值大于再現(xiàn)性，可采取下列措施：增強(qiáng)量具的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，改善量具的夾緊或被測(cè)量產(chǎn)品定位的使用方式(檢驗(yàn)點(diǎn))；對(duì)量具進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)．這里嘗試采取更改夾緊結(jié)構(gòu)的方式(圖3)對(duì)量具進(jìn)行優(yōu)化．

(a)平面壓頭夾緊方式

(b)球面壓頭夾緊方式圖 3 夾緊結(jié)構(gòu)更改前后對(duì)照

方案一中采用平面壓緊頭的方式(圖3a)，直接使用面接觸使樣件夾緊，樣件表面的不平整，是可能導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)的失效的原因之一；將平面壓緊頭改為球面壓緊頭，較大的球面壓緊頭在夾緊時(shí)壓在樣件帶有精度的孔上(圖3b)，其他條件不變，重復(fù)上述試驗(yàn)．由A、B和C 3位測(cè)試員使用上述改進(jìn)后的量具對(duì)隨機(jī)抽取的10件轉(zhuǎn)速傳感器位置度分別進(jìn)行2次檢驗(yàn)測(cè)試，測(cè)得的數(shù)據(jù)見表3．

表3 方案二測(cè)量結(jié)果

在Minitab的表格內(nèi)輸入表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

執(zhí)行測(cè)量系統(tǒng)分析命令，通過(guò)軟件中ANOVA法進(jìn)行計(jì)量型數(shù)據(jù)的非破壞性測(cè)試的測(cè)量系統(tǒng)分析，選擇占正態(tài)曲線下99%面積的6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差[6]，輸入規(guī)范公差0. 2 mm，即可得到以下傳感器量具的Gage R&R分析圖(圖4)．

(a)變異分量

(b)測(cè)量數(shù)據(jù)×樣本號(hào)

(c)R控制圖(按測(cè)試員)

(d)測(cè)量數(shù)據(jù)×測(cè)試員

(e)Xbar控制圖(按測(cè)試員)

(f)樣本號(hào)×測(cè)試員×交互作用圖 4 方案二傳感器量具的Gage R&R分析圖

圖4a表明，樣本之間的偏差構(gòu)成了測(cè)量過(guò)程主要偏差，來(lái)自量具R&R、重復(fù)性和再現(xiàn)性的偏差占有比例小；

圖4b表明，10個(gè)樣本之間存在一定的偏差，沒有出現(xiàn)異常度數(shù)的零件；

圖4c表明，三名測(cè)試員對(duì)各樣本的測(cè)量結(jié)果都在極差控制限內(nèi)，表明進(jìn)行試驗(yàn)方式的一致性；

圖4d表明，三名測(cè)試員之間沒有差異；

圖4e有5個(gè)點(diǎn)在控制限內(nèi)，大于80%的測(cè)量結(jié)果在控制界限外，說(shuō)明測(cè)量系統(tǒng)有足夠的靈敏性檢測(cè)出各樣本代表的過(guò)程偏差，試驗(yàn)員之間的無(wú)明顯差異；

圖4f表明，測(cè)試員與零件之間交互作用結(jié)果中，交互作用不顯著．

Minitab分析后的數(shù)據(jù)結(jié)果見表4．測(cè)量系統(tǒng)的Gage R&R 值(SV/Toler)為20.68%，小于30%；傳感器測(cè)量系統(tǒng)的(重復(fù)性)精度為18.97%，小于20%；其中區(qū)別分類數(shù)ndc為9，大于5．由此，根據(jù)給定標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際情況，測(cè)量系統(tǒng)是可以接受的．說(shuō)明改進(jìn)達(dá)到預(yù)期效果，較第一種方案有了明顯改進(jìn)，但仍可以檢查傳感器量具的磨損、維護(hù)、零位調(diào)整和環(huán)境等因素對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，使重復(fù)性進(jìn)一步提高．

表4 方案二MINITAB分析的結(jié)果

可區(qū)分的類別數(shù)=9

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器位置度量具的研究，可以看出夾緊方式的選擇對(duì)量具的測(cè)量結(jié)果影響很大．同時(shí)，Minitab軟件作為一種質(zhì)量管理分析工具，其強(qiáng)大而快捷的數(shù)據(jù)處理能力，配合以直觀形象的圖形處理和分析能力，為量具開發(fā)過(guò)程提供大量的數(shù)據(jù)和圖形依據(jù)．

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