基于MSA的新能源汽车电池盒气密检测系统能力研究.pdf

试验技术与装备 Test Technology and Equipment 2023.7 今日制造与升级 1190引言近年来，随着新能源汽车的快速发展，引发了新能源电池相关产业的出现和发展。由于电池盒托盘是摆放和保护新能源电池组的重要载体，各主机厂对电池盒托盘的防水和防尘提出非常严苛的标准和检测要求。在此背景下，为了满足电池盒防水防尘的标准和检测要求，电池盒制造工艺中会通过电池盒气密性的方式来检测电池盒托盘的防水和防尘性能。气密检测系统本质上也是一种“量具”，其本身具有的量具特性，对测量结果具有直接影响效果。文章运用测量系统分析，对电池盒托盘的气密检测系统的量具特性（稳定性、偏倚、线性、重复性和再现性）进行数据统计分析，计算出量具特性分析结果，并给出气密检测系统检测能力的优劣决策。1 气密检测系统工作原理1.1 系统构成气密检测系统是一种特殊的量具，是测量电池盒箱体中气体泄漏量的气密仪、主控硬件设备、软件、控制器、夹紧工装等系统的集成，主要由基座支撑框架、主机控制站、气密夹具平台、控制箱、气密仪（核心设备）、对比罐、合格/不合格指示灯装置、气密缓冲罐、气动系统等设备构成，如图1所示。1.2 工作方式气密检测指的是用充气设备向密封后的箱体内部充气，对进气口和出气口进行流量监测，识别进出气口流量差进而计算出箱体的气体泄漏量。气密在线检测工作过程包括机器人利用定位销精准定位放置，电池盒到位后气密工装夹具在 PLC 控制下自动夹紧和封堵，然后启动检测，充气设备开始向箱体内部充气，待箱体内部气压稳定后进行检测，气密仪计算并显示电池盒箱体泄漏量，检测结果通过合格和不合格指示灯显示，箱体泄漏量输出并存储，最后夹具放开，机器人将产品抓走。1.3 控制方式电池盒在线气密检测系统对电池盒关键质量特性气密性能够进行实时测量和超差预警。系统测量记录的数据将通过软件进行处理，运用6、SPC 分析工具形成控制文件，并利用软件内部的判断逻辑，对数据趋势进行有效分析，从而识别出数据波动属于偶然波动还是异常波动，由此可以看出气密在线检测不仅能够对产品的气密性是否合格做出判断，而且能够对生产过程的气密性进行控制和分析。因此气密检测系统的本身所具有的量具能力将会影响摘要介绍用于检测新能源汽车电池盒关键质量特性“气密性”的测量系统的结构构成及检测原理，运用测量系统分析（MSA）对该测量系统进行量具检测能力分析，通过 Minitab 软件对气密检测系统的稳定性、偏倚、线性、重复性和再现性几个量具特性进行研究评估，得到气密检测系统量具特性的评估结果，进而对量具能力的优劣进行决策。关键词气密性；测量系统分析；稳定性；偏倚；线性；重复性；再现性中图分类号X705 文献标志码A基于MSA的新能源汽车电池盒 气密检测系统能力研究钱宜文，卢田田（同济大学汽车学院，上海201700）气密仪：测量气体泄漏量人机界面：指令控制合格/不合格指示灯装置数据总线：测量数据和控制命令的双向传输控制系统：分析收集到的数据资料，比较并判定气罐：提供稳定的气体图1 气密检测系统构成试验技术与装备 Test Technology and Equipment 120 今日制造与升级 2023.7到对产品气密性过程能力的判断和分析。2 测量系统分析的基本要求1测量是指对某一种具体事物赋予数值，用以表示它们与特定特性之间的关系。测量系统是由人员、仪器或量具、测量对象、操作方法和环境所构成的整体。测量系统分析是指运用统计学的方法对测量系统进行评估，在合适的特性位置测量正确的参数，了解影响测量结果的波动来源及其分布，并确认测量系统是否符合工程需求。2.1 测量系统波动来源任何实测数据的波动都可以看作加工过程的波动和测量系统的波动之和，即：总2=过程2+测量系统2（1）气密检测系统是一种特殊的“量具”，它被用于测量的是电池盒主要的质量特性气密性，这种气密性的波动是由制程中产品的波动和测量系统的波动组成。测量系统的波动以中心位置和离散度作为波动的主要特征。波动的主要来源有：测量环境的变化，如温度、湿度的变化；员工操作不正确、输入标准有错误等；设备本身硬件和软件的限制，如测量设备的稳定性、准确度（包括偏倚和线性）、分辨率、精度（包括重复性、再现性）等。文章针对测量系统设备本身硬件和软件的限制进行研究，计算出气密检测系统的稳定性、准确度、分辨率、精度，并判定气密检测系统的优劣。2.2 测量系统量具波动特性首先对测量系统的波动进行评价之前需要优先对测量系统的稳定性进行分析；其次评价中心位置的量具特性是设备的准确度，准确度研究主要就是研究测量系统的偏倚（Bias）和线性（Linearity）；最后对离散度进行评价的是测量系统精度，精度研究主要是研究测量系统的重复性（Repeatability）和再现性（Reproducibility）。下文将通过测量系统分析对气密检测系统的各量具特性进行研究。2.3 测量系统量具波动特性的计算方法以某电池盒项目为例，对电池盒气体泄漏量（气密性）进行分析，经实际测量后汇总出数据样本，运用 Minitab软件对数据样本进行分析和计算并生成图表，Minitab 软件主要运用假设检验对统计数据结论进行相关推断，其中假设 H0：样本与总体或样本与样本间的差异是由抽样误差引起的，假设检验 H0为真的概率 P 拒绝 H0/H0为真=，为显著性水平，文章选=0.05，当 P 时，不能拒绝原假设，则假设为真，当 P 时，需要拒绝原假设，则假设不为真，最后在 Minitab 软件分析结果的基础上利用测量系统分析的判异规则对波动特性做出判断。该电池盒气密泄漏量标准为0 60mL/min。3 气密检测系统的稳定性3.1 稳定性数据收集对于任何一种质量特性而言，产品具有稳定性指的是产品这种特性的分布不会随着时间变化而变，即它的平均值、标准差以及分布的形状等统计学参数都不会随时间而变。通常测量系统的稳定性使用控制图加以分析和判定，控制图判别依据的来源是 GB/T40912001常规控制图2明确给出的判断异常波动的8种模式。为了确保收集数据的充分性，此次数据采集选取的方法是每组5个数据（5件/组），采用25组测量样本（25组），共计收集125个数据制作数据样本分析，见表1。表1 气密稳定性分析数据组mL/min组别样品123451-0.0020.1030.031-0.091-0.0462-0.0320.2370.2130.1750.1323-0.2070.078-0.1110.134-0.05040.0390.174-0.0370.0130.36250.0460.2280.2570.216-0.20760.0060.1960.1130.244-0.00970.019-0.0830.1930.2000.00280.3940.3400.0530.023-0.26690.2200.1770.3970.101-0.317100.2000.1310.1720.0690.19711-0.1400.0940.2910.3160.06512-0.1670.225-0.0100.1370.01613-0.0050.0360.041-0.1580.158140.004-0.1570.1780.206-0.05515-0.142-0.0790.1370.5140.137160.1470.335-0.0380.535-0.002170.081-0.2000.0580.150-0.055180.1440.0710.064-0.2930.107190.1530.0740.1210.1220.305200.1310.138-0.0590.2120.28321-0.0620.1270.2220.094-0.199220.2810.0370.2710.1100.126230.1000.0150.1210.0040.152240.1580.1490.1420.2280.09225-0.0840.119-0.010-0.009-0.0603.2 稳定性数据分析对于此次采集到的数据按顺序构建 Xbar-R 控制图，计算控制图上下限，并用控制图评价测量过程的稳定性。将数据样本利用 Minitab 软件生成 Xbar-R 控制图，如图2所示。试验技术与装备 Test Technology and Equipment 2023.7 今日制造与升级 121UCL=0.2933UCL=0.7591LCL=-0.1209样本0.30.20.10.0-0.10.80.60.40.20.0样本均值（mL/min）样本极差（mL/min）样本113355779911111313151517171919212123232525LCL=0=0.0862=0.3590图2 气密泄漏量的Xbar-R控制图3.3 稳定性判定由图2可见，电池盒气体泄漏量的均值和极差都未出现任何异常情况，测量系统处于受控状态，气密检测的稳定性是合格的，所以测量系统重复测量时，测量值的波动仅由普通原因造成，不会受到任何特殊原因的影响。4 气密检测系统的偏倚4.1 偏倚性数据收集为了保证偏倚分析结果的可信度，对选取的标准样品重复测量30次，计算出算数平均数作为偏倚来进行后续分析。4.2 偏倚性数据分析根据数据收集方式得到如下30个测量数据，见表2。表2 气密偏倚分析数据序号参考值（mL/min）测试结果（mL/min）偏倚序号参考值（mL/min）测试结果（mL/min）偏倚10.450.41-0.04160.450.530.0820.450.560.11170.450.32-0.1330.450.530.08180.450.36-0.0940.450.460.01190.450.510.0650.450.30-0.15200.450.500.0560.450.40-0.05210.450.42-0.0370.450.38-0.07220.450.470.0280.450.41-0.04230.450.39-0.0690.450.450.00240.450.480.03100.450.550.10250.450.39-0.06110.450.42-0.03260.450.490.04120.450.490.04270.450.460.01130.450.43-0.02280.450.39-0.06140.450.42-0.03290.450.630.18150.450.470.02300.450.40-0.05由于总体的标准差 未知，需要使用样本标准差 s 替代总体标准差，因此用自由度为29的t分布进行数据分析。查表3可得置信水平=0.05，自由度为29的 t 分布概率函数值为 t0.975=2.045。置信区间计算方式3：置信区间上限，；置信区间下限，。根据以上公式可以得出各项数据计算结果如下。（1）样本均值：=0.447。（2）样本平均偏倚：=0.003。（3）偏倚的95%（1-）置信区间上限：=0.030。（4）偏倚的95%置信区间上限：=-0.024。利用 Minitab 软件进行处理分析后，偏倚百分率为0.3%，对应的 P=0.842。4.3 偏倚性判定（1）Bias=0的落在95%置信区间的上下限内。（2）上述结果=0.003，偏倚百分率为0.3%，对应的 P=0.8420.05，所以判定气密检测系统此次测量不存在偏倚。5 气密检测系统的线性5.1 线性数据收集上文提到的偏倚是针对单点处测量而言的，但每个测量系统都会有量程作为测量结果的范围，例如，本系统所分析的气密检测系统的量程为0 500mL。而线性是指测量系统在预期的量程范围内，各测量点处的偏倚与参考值之间能够呈线性关系。由于现有产品不能完全覆盖所选气密检测系统的量程，所以在现有产品上经过处理后得到5套能够覆盖量具量程的标准样品，通过3台设备对一个样品测量10遍的方式获得5件样品的气体泄漏量标准参考值 Vr。5.2 线性数据分析根据测量系统分析规则，选择对包括正常产品在内的6个样品分别测量12遍（测量系统分析要求大于10次），这样汇总收集到6个样品共72个数据样本，见表3。利用 Minitab 软件进行计算分析后得到结果如图3所示。5.3 线性判定从图3中可以看到以下结果，气密检测系统整体平均=0.004，百分率0.5%，平均偏倚对应的 P=0.7400.05，所以判定整体不存在偏倚。继续查阅6个样品的偏倚值和偏倚百分率，样品偏倚所对应的 P 值分别为0.138，0.317，0.819，0.789，0.503，0.710全部大于0.05，所以每个样品也不存在偏倚。气密检测系统线性度0.0008，线性百分率试验技术与装备 Test Technology and Equipment 122 今日制造与升级 2023.70.1%，线性回归拟合方程的斜率为0.0009对应的 P 为0.256和截距为-0.028对应的 P 为0.274，均大于0.05，所以气密检测系统不存在线性。由此可以得出结论，该气密检测系统不存在偏倚和线性的情况，量具的准确度很高。6 气密检测系统重复性和再现性3 6.1 重复性和再现性数据收集重复性误差指的是同一个操作者使用同一套测量设备，对同一个测量产品的同一特性在较短时间间隔内进行重复的多次测量，所得到结果的一致性。再现性是指在各种可能变化的测量条件下，对同一测量部件的同一特性进行多次测量，所得到结果的一致性。在测量系统分析中一般采用均值极差法对测量系统的重复性和再现性进行分析。其中，最典型的取样方法如下。（1）随机选取10个零件，将每个零件进行编号，并且编号不能够让操作员识别。（2）随机选用3个操作员。（3）让每个操作员按随机顺序对全部零件测量一遍，然后再让他们按其他的随机顺序测量2遍，这样共计测量3遍。（4）将所有测量记录按照原有编号顺序整理好，对整个测量系统进行分析。6.2 重复性和再现性评价通常按照测量系统分析要求4，对于重复性和再现性评价准则如下：R&R 为测量系统波动（测量系统的重复性和再现性）在总波动的占比，P/T 为测量系统波动在产品规格中的占比，当 R&R 或 P/T 数值小于10%时，可以判定测量系统能力良好，对测量系统予以接受；当 R&R 或P/T 数值介于10%30%时，可以判定测量系统能力一般，如果过程能力稳定，则对测量系统予以勉强可接受；当 R&R 或 P/T 数值大于30%时，可以判定测量系统能力不合格，对测量系统予以拒绝。6.3 重复性和再现性数据分析根据重复性和再现性数据收集方式汇总得到数据见表4。表4 气密重复性和再现性分析数据mL/min测量员测量组别样品12345678910A10.030.380.250.020.320.240.440.120.120.4120.020.370.250.020.320.250.450.130.120.430.020.370.250.010.310.270.460.140.120.42B10.010.390.250.010.30.250.460.140.130.4220.010.380.2500.30.260.470.150.150.4230.050.380.2500.30.260.470.150.130.43C10.030.370.260.010.290.280.470.160.120.4320.030.360.2500.280.290.480.150.120.4430.030.350.25-0.010.280.280.450.160.120.45查资料3，得到 R&R=MS/T，P/T=6MS/T；T2=MS2+P2，MS2=RPD2+RPT2，RPD2=O2+OP2；NDC=。文章中，T=60mL/min。T2 表3 气密线性分析数据mL/min样品号 参考值 测试结果 样品号 参考值 测试结果 样品号 参考值 测试结果10.450.43 29.39.34319.8219.60 0.450.34 9.39.1519.8219.59 0.450.39 9.39.1519.8219.96 0.450.44 9.39.3319.8219.92 0.450.52 9.39.3419.8219.96 0.450.41 9.39.3319.8219.75 0.450.53 9.39.3319.8219.78 0.450.47 9.39.3319.8219.86 0.450.45 9.39.1419.8219.94 0.450.39 9.39.3119.8219.76 0.450.36 9.39.35 19.8219.80 0.450.35 9.39.27 19.8219.83 428.328.42 541.941.09 654.654.4428.328.41 41.940.85 54.654.8128.328.52 41.941.08 54.654.528.328.33 41.940.73 54.654.9728.328.42 41.940.87 54.654.528.328.04 41.940.85 54.654.7328.328.39 41.940.86 54.654.5228.328.03 41.940.88 54.654.5428.328.41 41.941.03 54.654.4628.328.04 41.940.90 54.654.7128.328.32 41.940.94 54.654.52 28.328.13 41.940.98 54.654.71气密检测系统的线性和偏倚报告量具名称：气密检测系统研究日期：2019年8月报表人：*公差：量具公差其他：/预测变量常量效率0.1236090.000819R-Sq线性百分率1.8%0.1S线性系数-0.027570.0009101参考值平均0.459.319.8228.340.954.6偏倚-0.0043056-0.0266667-0.0191667-0.0075000-0.01166670.02166670.0175000%偏倚0.53.02.10.81.32.41.9P0.7400.1380.3170.8190.7890.5030.710系数标准误0.025010.0007951P0.2740.256量具线性量具偏倚占过程变异的百分比参考值（ml/min）百分比（%）线性100020304050偏倚偏倚0.40.20.00.40.30.20.10.0-0.1-0.2-0.3回归95%置信区间数据平均偏倚图3 气密线性分析结果试验技术与装备 Test Technology and Equipment 2023.7 今日制造与升级 123为总波动，P2为过程波动，MS2为测量系统波动，RPD2为测量系统的再现性波动，RPT2为测量系统的重复性波动，O2为测量人员波动，OP2为测量人员与部件交互作用的波动，NDC 为可区分类别数，即分辨力。将表4样品数据利用 Minitab 软件进行计算分析后得到结果如下，量具重复性和再现性报告（R&R 报告）如图4所示。（1）RPT2为 0.0000733，O2为 0.0001195，OP2为0.0001195，P2为0.0252090。（2）R&R=8.71%，P/T=0.2%。（3）NDC=16。气密检测系统的量具R&R（方差分析）报告量具名称：气密检测系统研究日期：2019年8月报表人：*公差：量具公差其他：/UCL=0.032610.01267LCL=0变异分量百分比（%）量具R&R重复性极差图均值图12345678910 12345678910 1234567891012345678910 12345678910 12345678910再现性部件间1005000.40.20.00.40.20.00.40.20.00.40.20.00.040.020.00测量值部件部件部件平均C11ABCAAABBBCCC1144992277551010338866测量值测量人员测量人员和部件的交互作用Xbar控制图（按测量人员）R控制图（按测量人员）量人员样本均值（mL/min）样本极差（mL/min）%贡献%研究变异图4 气密重复性和再现性分析图6.4 重复性和再现性判定由 于 R&R=8.71%，P/T=0.2%，R&R 和 P/T 均 小 于10%，所以气密检测系统重复性和再现性水平很高。可区分类别数 NDC=165，可见气密检测系统分辨力也是很强。从图4分析结果中可以得到以下结果：左上图所示R&R 要求小于10%，R&R 计算结果为8.71%小于10%，所以气密检测系统重复性和再现性符合要求；左中图和左下图是同一个测量人员同一个部件为分组变量的Xbar-R图，极差 R 图要求所有点落在控制限之内，均值 Xbar 图要求50%以上落在控制限外，从图中可以明显看出，极差图中绝大多数点落在控制限内，均值图中所有点落在控制限外，所以测量过程没有特殊波动；右上图是按不见分组的测量结果运行图，均值周围的点越密集越好，从图中可得每个部件的测量值都呈现非常集中的现象；右中图是按人员分组的测量结果运行图，所连线越趋近直线越好，从图中可看出3个人均值连线基本呈直线状态，未出现明显差异；右下图是按人员分组的测量结果运行图，3条线重合度越高越好，从图中可以看出，3条直线基本趋近重合，所以人员与部件五明显交互作用。综上所述，气密检测系统的量具 R&R 方差分析报告中的六个图都符合要求，并且测量系统的重复性和再现性水平很高，分辨力很强，所以气密检测系统是完全符合测量系统分析中的各项要求，该测量系统在接受范围内，可以用于生产制造。7 气密检测系统的测量系统分析总结综合以上分析数据，可以得出综合分析结果见表5。表5 测量系统分析综合分析结果变异特性判异规则和方法计算结果符合性备注稳定性 质量特性的过程数据 Xbar-R 图属于受控状态；不满足 8 种判异规则任意一条气密泄漏值处于受控状态是偏倚 偏倚=0 在偏倚 95%置信区间内；偏倚值对应的 P 值 0.05 95%置信区间为-0.024，0.030；平均偏倚=0.003，对应的 P=0.842是偏倚百分率为0.3%线性 整体偏倚对应的 P值 0.05；拟合方程的斜率和截距对应的 P 值 0.05 整体平均偏倚=0.004，因为对应的 P=0.740；斜率对应的 P=0.256，截距对应的P=0.274是整体偏倚百分率 0.5%，线性度 0.0008，线性百分率 0.1%重复性和再现性 重复性再现性 R&R 10%；可区分类别数 NDC 5 R&R=8.71%；NDC=16是8 结束语从测量系统分析各项量具特性分析结果来看，气密检测系统单纯的测量系统波动完全数据可接受范围内。因此，该气密检测系统符合量具使用要求，能够在生产过程中对产品质量特性达到正确测量和监控的作用。由于气密检测系统的特殊性，故提出以下两点建议。（1）气密检测设备容易受到外界温度的影响，因此，最好是在恒温的状态下进行测量，如果不能满足恒温，最好能够保证稳定的温度状态，避免突发性的温度变化。（2）气密检测设备需要定期进行校准和矫正，确保气密检测设备出现异常。随着工业的进步和发展，必将引起工业在线检测设备的不断完善和进步，从而能够推动中国汽车制造业的进步和发展。参考文献1 RogerWBerger，DonaldWBenbow，AhmadKElshennawy，等.注册质量工程师手册M.2版.北京：中国标准出版社，2008.(下转第68页)自动化技术与应用 Automation Technology and Application68 今日制造与升级 2023.7面就能控制机械臂的末端位置以及机械臂的关节角度。图4上位机控制软件模块示意2Dslam 框架下底盘的建图效果如图5所示。由实验结果不难看出，仿真环境的复合机器人，在上位机控制软件和分布式节点控制模块的联合控制下，能够成功实现建图以及进行定点导航。图5在2Dslam框架下建图效果5结束语本平台设计中的稳定性优化、操作灵活性优化，对于提高实验效率以及降低操作风险有着十分重要的意义。本设计方案采用 rqt 编程以及分布式编程技术，让用户能够使用不同的控制方式控制机械臂，此外实验人员能够实时监测到机械臂的状态。参考文献1马宗家,石松泉.六自由度机械臂的建模与MATLAB仿真J.绍兴文理学院学报（自然科学），2019，39（2）：3-6.2杨涛，邹河彬，刘小勇，等.仿人机械臂同步控制仿真研究J.计算机仿真，2019，36（7）：3-4.3杨亮，李文生，傅瑜，等.基于ROS的机器人即时定位及地图构建创新实验平台研制J.实验技术与管理，2017，34（8）：4-8.4李宪华，范凯杰，疏杨，等.六自由度模块化机械臂的轨迹规划与仿真J.制造技术与机床，2018（9）：5-7.5肖俊明，韩伟，王瑷珲，等.六自由度机械臂运动学分析与仿真研究J.中原工学院学报，2018，29（4）：3-5.6刘一鸣，许辉，耿长兴，等.ROS/Gazebo环境下的机械臂运动规划研究J.煤矿机械，2018，39（3）：3-6.7廖炜豪.基于ROS的工业机械臂运动控制器的设计与实现D.广东：华南理工大学，2020.基金项目广东省科技创新战略专项资金（大学生科技创新培育）项目“基于 darknet 神经视觉伺服机械臂系统”（编号：pdjh2022B1119）作者简介张超越（1995），男，吉林辽源人，本科，助理工程师，研究方向为计算机科学与应用。（上接第123页）2 马林，何帧.六西格玛管理M.3版.北京：中国人民大学出版社，2014.3 马逢时，周暐，刘传冰.六西格玛管理统计指南MINITAB使用指导M.2版.北京：中国人民大学出版社，2013.4 国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.控制图第2部分：常规控制图：GB/T17989.22020S.2020.作者简介钱宜文（1991），男，江苏海安人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为车身制造和质量提升。