丁 奕 / 上海機(jī)動(dòng)車檢測中心

螺栓擰緊設(shè)備機(jī)器能力指數(shù)的測試評價(jià)

丁 奕 / 上海機(jī)動(dòng)車檢測中心

介紹了機(jī)器能力指數(shù)的概念。針對螺栓擰緊設(shè)備，提出一種機(jī)器能力指數(shù)的測試評價(jià)方法，包括測試評價(jià)裝置和新設(shè)備及在用設(shè)備的測試評價(jià)過程，并通過應(yīng)用實(shí)例對測試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖形分析驗(yàn)證。

螺栓擰緊；機(jī)器能力指數(shù)；評價(jià)

0 引言

螺栓擰緊設(shè)備作為現(xiàn)代化工業(yè)裝配技術(shù)的代表，其出現(xiàn)滿足了高質(zhì)量、高產(chǎn)量的生產(chǎn)需求。目前各企業(yè)普遍將其作為檢測計(jì)量器具，通過準(zhǔn)確度評級來進(jìn)行質(zhì)量控制。然而作為制造設(shè)備，螺栓擰緊設(shè)備還具有生產(chǎn)裝配功能。機(jī)器能力指數(shù)是現(xiàn)代工業(yè)評定設(shè)備能力的一種主要指標(biāo)。針對螺栓擰緊設(shè)備的機(jī)器能力指數(shù)也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)測試評價(jià)，以確保滿足生產(chǎn)需求。

1 機(jī)器能力指數(shù)概念

機(jī)器能力指數(shù)是指在工序穩(wěn)定情況下，制造設(shè)備所具有的保證產(chǎn)品質(zhì)量的能力。機(jī)器能力建立在數(shù)理統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上，以質(zhì)量特性值分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差s來表征。s可直接由質(zhì)量特性值的實(shí)測數(shù)據(jù)求得：

機(jī)器能力指數(shù)Cm的評價(jià)反映了數(shù)據(jù)分布中心與質(zhì)量特征值的理論中心（即公差上下限中間位置）重合時(shí)，設(shè)備自身所具有的滿足產(chǎn)品質(zhì)量機(jī)器能力的最高水平。

式中：TO— 公差上限，即被測量的上極限值；

TU— 公差下限，即被測量的下極限值

但實(shí)測數(shù)據(jù)的平均值 （即實(shí)測數(shù)據(jù)的分布中心）通常與質(zhì)量特征值的理論中心不重合，此時(shí)需考慮分布中心的偏移量，并對實(shí)際機(jī)器能力指數(shù)Cmk進(jìn)行評價(jià)：

目前各企業(yè)針對其設(shè)備類型和使用情況制訂的Cm、Cmk指數(shù)要求各有高低。如德國大眾汽車公司對于螺栓擰緊設(shè)備的機(jī)器能力指數(shù)的要求參見表1。

表1 螺栓擰緊設(shè)備機(jī)器能力指數(shù)評價(jià)要求（VW）

2 機(jī)器能力指數(shù)的測試評價(jià)

2.1 機(jī)器能力指數(shù)測試評價(jià)裝置

機(jī)器能力指數(shù)的測試評價(jià)裝置由標(biāo)準(zhǔn)扭矩角度傳感器與螺栓連接模擬器組成（圖1）。螺栓擰緊設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)傳感器串聯(lián)連接，對螺栓連接模擬器施加扭矩，通過標(biāo)準(zhǔn)傳感器連同顯示放大器對輸出扭矩及旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)與螺栓擰緊設(shè)備的顯示值進(jìn)行比對。

2.2 新設(shè)備驗(yàn)收及檢修、改造后設(shè)備的測試評價(jià)

對于新設(shè)備驗(yàn)收及檢修、改造后設(shè)備，為保證其性能滿足正常生產(chǎn)需求，需在機(jī)器能力指數(shù)測試評價(jià)裝置內(nèi)，對其全量程段的各項(xiàng)機(jī)器能力進(jìn)行測試評價(jià)。

圖1 機(jī)器能力指數(shù)測試評價(jià)裝置示意圖

測試扭矩按照設(shè)備的輸出上下限的量程區(qū)間選取30%，80%，100%三點(diǎn)。具體規(guī)則如下例：

一把螺栓擰緊設(shè)備的輸出上限為100 Nm，下限為40 Nm，

則設(shè)備量程為100 Nm - 40 Nm = 60 Nm

30%量程測量點(diǎn)為

40 Nm + 30%×60 Nm = 58 Nm

80%量程測量點(diǎn)為

40 Nm + 80%×60 Nm = 88 Nm

100%量程測量點(diǎn)為

40 Nm + 100%×60 Nm = 100 Nm

不同扭矩率的螺紋連接對于螺栓擰緊設(shè)備的性能會產(chǎn)生較大影響。為保證擰緊設(shè)備性能在實(shí)際使用時(shí)的準(zhǔn)確可靠，評價(jià)測試包括了硬連接（高扭矩率螺紋連接）測試和軟連接（低扭矩率螺紋連接）測試，為保證測試的一致性，要求施加扭矩與旋轉(zhuǎn)角度的比率保持在一定線性范圍內(nèi)：硬連接測試時(shí)25%至50%的測試扭矩比例段，扭矩與角度的線性比率偏離須小于±10%，50%至100%的測試扭矩比例段，扭矩與角度的線性比率偏離須小于±5%，同時(shí)50%至100%的測試扭矩比例段的旋轉(zhuǎn)角度控制在30°±5°內(nèi)（圖2）；軟連接測試時(shí)25%至50%的測試扭矩比例段，扭矩與角度的線性比率偏離須小于±20%，50%至100%的測試扭矩比例段，扭矩與角度的線性比率偏離須小于±10%，同時(shí)50%至100%的測試扭矩比例段的旋轉(zhuǎn)角度控制在360° ±15°內(nèi)（圖3）。

測試過程須按照各量程測試點(diǎn)，按硬連接和軟連接情況分別進(jìn)行50次以上數(shù)據(jù)的連續(xù)測試。每次測試加載需保證螺栓擰緊設(shè)備有3圈以上空載旋轉(zhuǎn)空間（空載時(shí)的承載扭矩須低于5%的測試扭矩比例），并按表2要求對測試時(shí)間間隔進(jìn)行控制。

圖2 硬連接測試評價(jià)的線性要求

圖3 軟連接測試評價(jià)的線性要求

表2 各量程點(diǎn)機(jī)器能力指數(shù)評定的時(shí)間間隔

機(jī)器能力指數(shù)的評價(jià)與公差區(qū)間的選擇有很大關(guān)系。各企業(yè)針對其設(shè)備類型結(jié)合使用情況，制訂的新設(shè)備驗(yàn)收及檢修、改造后設(shè)備機(jī)器能力指數(shù)評定的公差要求也有所不同。如德國大眾汽車公司對于不同類型的螺栓擰緊設(shè)備機(jī)器能力指數(shù)的驗(yàn)收公差要求參見表3。

表3 機(jī)器能力指數(shù)評定的公差要求（VW）

測試完成后根據(jù)公差要求對測試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，即可得到相應(yīng)的機(jī)器能力指數(shù)Cm與Cmk，并依據(jù)表1判別是否符合驗(yàn)收要求。

2.3 在用設(shè)備定期或不定期的測試評價(jià)

在用設(shè)備定期或不定期的測試評價(jià)可在機(jī)器能力指數(shù)測試評價(jià)裝置內(nèi)或者實(shí)際工況下進(jìn)行測試。如果使用實(shí)際工況，需使用單一批次的螺栓原材料，測試過程中校驗(yàn)人員和檢測器具等都不能有變化。

測試扭矩按照實(shí)際使用的扭矩工藝，進(jìn)行50次以上數(shù)據(jù)的連續(xù)測試。加載時(shí)結(jié)合實(shí)際工況的軟硬連接情況，保證施加扭矩與旋轉(zhuǎn)角度的線性比率，并根據(jù)扭矩工藝在量程區(qū)間比例，選擇合適的時(shí)間間隔。

測試完成后根據(jù)實(shí)際公差要求對測試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，即可得到相應(yīng)的機(jī)器能力指數(shù)Cm與Cmk，并依據(jù)表1判別是否符合驗(yàn)收要求。

3 應(yīng)用實(shí)例

以一把彎頭式電動(dòng)螺栓擰緊設(shè)備為例，針對（10 ±0.7）Nm裝配工藝進(jìn)行50次軟連接的擰緊測試，擰緊設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)器的測試示值如表4。

表4 機(jī)器能力指數(shù)測試評價(jià)應(yīng)用實(shí)例

序號擰緊設(shè)備示值Mi/ Nm標(biāo)準(zhǔn)器示值Ms/ Nm旋轉(zhuǎn)角度/（°）2110.0909.965349.252210.0909.901358.002310.0909.897348.002410.0809.927366.502510.0909.876370.752610.1109.909366.752710.0909.893354.502810.0809.975357.752910.0909.868354.253010.08010.038359.003110.0909.959363.253210.0809.874354.253310.1009.939360.503410.0809.886352.253510.1009.984364.003610.0909.896368.503710.12010.086363.503810.0909.853362.253910.0809.894365.754010.0809.912358.754110.0809.864348.254210.0909.909369.254310.0909.851370.754410.1009.935358.504510.0909.921371.504610.09010.054363.504710.0809.905366.254810.0909.904375.004910.1209.935371.005010.0809.853365.00

測試過程中，50%至100%的測試扭矩比例段的旋轉(zhuǎn)角度 都在360°±15°控制范圍內(nèi)，對該設(shè)備的機(jī)器能力指數(shù)進(jìn)行評定，見表5。

表5 應(yīng)用實(shí)例的機(jī)器能力指數(shù)評價(jià)

評測表明，該設(shè)備的機(jī)器能力指數(shù)達(dá)到新產(chǎn)品驗(yàn)收要求，但基于擰緊設(shè)備示值與基于標(biāo)準(zhǔn)器示值的兩種評價(jià)結(jié)果存在較大差異，這主要是因?yàn)閿Q緊設(shè)備示值的測量不確定度遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備之緣故，而有些企業(yè)在不使用標(biāo)準(zhǔn)傳感器的情況下，直接記錄擰緊設(shè)備示值進(jìn)行評測的結(jié)果會存在很大“水分”。為保證設(shè)備有足夠的機(jī)器能力滿足生產(chǎn)需求，應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)器示值進(jìn)行機(jī)器能力指數(shù)評價(jià)。

圖4及圖5為依照測試結(jié)果繪制的6s-評測曲線圖，橫坐標(biāo)為50次的測量次序，縱坐標(biāo)為扭矩值，通過描點(diǎn)法繪制出對應(yīng)扭矩測試結(jié)果的曲線。從曲線的波動(dòng)情況也可對該設(shè)備的機(jī)器能力狀況進(jìn)行更直觀的了解。

圖4 基于擰緊設(shè)備示值Mi的6s-評測曲線圖

圖5 基于標(biāo)準(zhǔn)器示值Ms的6s-評測曲線圖

4 結(jié)語

螺栓擰緊設(shè)備具有檢測器具與制造設(shè)備的雙重特性。本文試對螺栓擰緊設(shè)備機(jī)器能力指數(shù)的測試評價(jià)方法進(jìn)行探討，希望以此提升各企業(yè)對此類設(shè)備機(jī)器能力指數(shù)測試評價(jià)的重視，為螺栓擰緊設(shè)備的生產(chǎn)質(zhì)量提供有力保障。

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Evaluation of machine capability exponent for bolt tightening equipment

Ding Yi
（Shanghai Motor Vehicle Inspection Center）

This paper introduces the concept of machine capability exponent. It shows a method with evaluation of machine capability exponent for bolt tightening equipment, including the evaluation device and the evaluation process. An application example is used to analysis the evaluation result data and verify the method.

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