電動擰緊工具的測量系統分析

朱晟超

摘 要：文章介紹了一種基于VDA 5手冊的電動擰緊工具測量系統分析的應用案例，介紹了測量系統分析的概念，比較了兩種常用的測量系統分析方法，根據電動擰緊工具的工作原理和測試場景，討論了分辨力、公差帶寬、參考值等手冊中各項評價指標如何與電動擰緊工具技術參數靈活匹配。最后通過應用實例，例舉了幾種能力指數不合格的原因和改進方法，通過改進前后測試結果的數據和圖形分析評估，驗證了該方法的可行性和有效性。該方法同樣適用于生產設備中測量傳感器的測量系統分析。

關鍵詞：電動擰緊工具 測量系統分析 VDA 5 MSA 量具能力指數

1 引言

電動擰緊工具是一種用于測量和控制螺栓或螺母的扭矩或角度的制造設備，廣泛應用于現代汽車行業生產中，保證了汽車零部件的連接和裝配的質量、安全和效率。根據IATF16949：2016 汽車行業質量管理體系要求，控制計劃中的每種檢驗、測量和試驗設備系統均應該進行測量系統分析，文章就如何開展電動擰緊工具的測量系統分析進行了討論與實踐。

2 概述

測量系統是用來對被測特性定量測量或定性評價的儀器或量具、標準、操作、方法、夾具、軟件、人員、環境和假設的集合；它是用來獲得測量結果的整個過程。測量系統分析的目的是為了評估測量系統的能力，即測量系統能否提供準確、可靠、穩定的數據，以支持質量管理和改進的決策。測量系統分析可以幫助識別和消除測量系統中的誤差來源，提高測量數據的質量，避免因測量不準而導致的不必要的成本和風險。測量系統分析的方法包括對測量系統的精確度、準確度、分辨率、線性、穩定性等指標進行分析，以及對測量系統的重復性和再現性進行試驗。測量系統分析的結果可以用于判斷測量系統是否符合預期的要求，以及是否需要對測量系統進行改進或校準。

3 測量系統分析

3.1 測量系統分析方法

測量系統分析評估方法主要依據標準為AIAG MSA和VDA 5，兩者主要有以下幾點區別：

AIAG MSA 是美國汽車行業行動集團（AIAG）制定的測量系統分析手冊，主要適用于美系汽車廠商和供應商。VDA 5 是德國汽車工業協會（VDA）制定的測量和檢驗過程能力、策劃與管理標準，主要適用于德系汽車廠商和供應商。

AIAG MSA和VDA 5的評價指標不同。AIAG MSA 主要基于測量系統的變異和偏倚，即測量系統的平均值與真值或參考值之間的差異，反映測量系統的準確性。VDA 5 主要基于測量系統的不確定度，即測量系統的可信區間，反映測量系統的可靠性。

AIAG MSA和VDA 5的分析方法不同。AIAG MSA主要使用重復性和再現性試驗（GR&R）來評估測量系統的精密度，即測量系統的變異是否由同一操作者、不同操作者、同一儀器、不同儀器等因素引起。VDA 5主要使用量具能力指數（Cg/Cgk）和測量不確定度（MU）來評估測量系統的能力，即測量系統能否滿足規格或客戶的要求。

AIAG MSA 和 VDA 5 的判斷標準不同。AIAG MSA 主要使用過程比（P/T）和公差比（P/TV）來判斷測量系統是否合格，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數（Cg/Cgk）和測量不確定度（MU）來判斷測量系統是否合格，一般要求Cg大于1.33，Cgk大于1.25，MU小于0.3。

本文主要依據VDA 5進行討論與實踐，其分析方法分為方法一：量具能力指數Cg/Cgk分析、方法二：有再現性因子分析、方法三：無再現性因子分析，一般必須通過方法一的能力標準才能執行方法二三。電動擰緊工具由電機、機械傳動、扭矩傳感器等部分組成，即是生產設備又是測量設備，對于生產設備中的測量傳感器測量系統分析僅使用方法一量具能力指數進行研究。因擰緊工具全自動測量，測量員、儀器、程序、環境條件均相同，時間也基本相同，故不考慮再現性分析。

3.2 測量系統分析步驟

（1）分辨力

測量設備應該有足夠的分辨力，根據手冊，分辨力應滿足公式（1）：

式中：USL—公差上限；

LSL—公差下限；

6σTV—制造過程的總變異。

對于一個全新的生產過程，只知道公差帶寬USL-LSL，無法預知制造過程的總變異6σTV，通過公式（2）（3）變換，根據技術協議或者體系要求，通常能力指數（最基本的）臨界值要求總是大于1，所以分辨力≤（USL-LSL）/（10×能力指數臨界值），得出分辨力至少為待測特征公差帶的1/10。

另外，方法一要求公差具有雙側規格界限，若只有單邊公差，即只有一個規格限值（LSL或USL）。若具有自然下限或上限（LSL或USL），則使用USL–LSL或USL–LSL來替代。

（2）量具能力指數

在測試之前，應先確定標準參考值，由于電動擰緊工具工作特性，動態擰緊后最終示值與設定值會有一定偏差，并且標準傳感器示值區別于量塊、砝碼等實物參考量具，其數值跟隨電動擰緊工具變化不具備穩定性，因此不能簡單地將電動扭矩工具設定值或標準扭矩傳感器示值作為標準參考值。結合實際情況靈活調整，使用電動擰緊工具測量結果和標準傳感器測量結果的差值Xg作為研究對象計算能力指數，兩者差值為0Nm作為標準參考值Xm。

使用經第三方計量校準過的高精度標準扭矩傳感器，在相同的測量條件下，將擰緊工具串聯標準傳感器（如圖1）重復測量25～50次（至少重復25次），測量完畢后根據公式（4）、公式（5）計算量具能力指數Cg、Cgk，并按表1要求進行評價。

式中：λ—公差百分比；

USL-LSL—公差帶寬；

k—標準差倍數；

s—多次重復測量的標準差；

—多次重復測量的平均值；

Cg、Cgk的公式還沒有統一，不同公司和軟件的計算方法有些差別，因此使用前要事先和客戶取得溝通。

4 應用實例

以一把安裝在生產裝配線自動站中電動擰緊工具為例，工藝要求：（62.5±2.5）Nm，擰緊工具指示裝置分辨力為0.1Nm，在改進前后分別進行了兩次測量，使用同一標準扭矩傳感器、同一測量參數和程序、在同一校準工裝上完成25次工藝點擰緊測試，擰緊工具與標準傳感器的測試結果見表2、圖2、圖3。

根據測試數據結果，對該擰緊工具的量具能力指數進行分析，見表3。

數據結果表明，改進前擰緊工具的量具能力指數不合格，經分析原因有二，一是設備臨近校準周期，擰緊工具傳感器有一定誤差，二是由于測試工裝采用硬連接制動，扭矩率過高有過沖現場導致數據的不穩定。解決方案是首先對擰緊工具進行校準，隨后更換軟連接模擬螺栓進行測試，改進后該擰緊工具量具能力指數達到一級能力標準，方法一合格。

對于汽車行業，特別是德系的供應商，對于測量系統分析的方法分為兩步走。第一階段是量具能力指數分析階段，此時一般為量具預驗收階段，制造過程變異未知，只對標準件或固定件進行測量，只考慮測量儀器本身的誤差，分析測量儀器重復性和偏倚，驗證量具能力指數Cg/Cgk，德系稱為“方法一”驗證。第二階段是重復性和再現性分析階段，制造過程變異已知或可以預測，通常選擇10個有代表性產品進行測試，考慮測量系統的綜合變異，分析重復性和再現性，驗證過程比%R&R和公差比%P/T，德系稱為“方法二”驗證。電動擰緊工具一般僅使用方法一驗證，若需要使用方法二，可將不同時間作為再現性因子進行評估。

5 結語

電動擰緊工具作為現代生產過程中重要的一環，測量系統分析是評估其可靠性的重要質量工具。文章基于VDA 5提出了一種針對擰緊工具的測量系統分析方法，結合實際情況，靈活選擇和調整測量系統分析的方法，以滿足對電動擰緊工具的測量評估需求。同時，也將對生產及研發設備的測量系統分析方法進一步的研究和完善，為汽車行業生產質量提供技術支持。

參考文獻：

[1]楊朝盛.測量系統分析（MSA）實用指南［M］.北京：機械工業出版社，2020.

[2]丁奕.螺栓擰緊設備機器能力指數的測試評價[J].上海計量測試，2014，6：20-23.