基于MSA对某螺纹孔位置度检具测量系统的应用分析及改进研究.pdf

年第 期基于M S A对某螺纹孔位置度检具测量系统的应用分析及改进研究简创,荆慧敏,龚俊学(上汽通用五菱汽车股份有限公司,广西 柳州 )摘要:由于曲轴结构复杂,目前国内外广泛运用位置度检具或三坐标测量机(CMM)用于曲轴过程尺寸检测,曲轴测量中一般以位置度检具为主,三坐标测量为辅;某发动机工厂增压改造项目中,新增的位置度检具需要通过测量系统分析(M S A),以确保位置度检具的稳定性、准确性、重复性、再现性满足测量系统分析(M S A)要求.M S A是由克莱斯勒、福特和通用汽车三大公司共同起草编制,目前M S A已更新至第四版.通过对改造项目中增加的曲轴法兰螺纹孔位置度检具测量系统分析(M S A),找出该测量系统的问题并提出改进方案,为曲轴产品尺寸控制及下线合格率提供了有力的数据支撑.关键词:曲轴;位置度检具;尺寸控制;测量系统分析中图分类号:U 文献标识码:A文章编号:X()A p p l i c a t i o nA n a l y s i sa n dI m p r o v e m e n tR e s e a r c ho nM e a s u r i n gS y s t e mo faT h r e a dH o l eP o s i t i o nG a u g eB a s e do nM S AJ i a nC h u a n g,J i n gH u i m i n,G o n gJ u n x u e(S A I C GM Wu l i n gA u t o m o b i l eC o,L t d,G u a n g x iL i u z h o u )A b s t r a c t:B e c a u s eo f t h e c o m p l i c a t e ds t r u c t u r eo f c r a n k s h a f t,p o s i t i o ng a u g eo r c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e(CMM)i sw i d e l yu s e d i n t h ep r o c e s sd i m e n s i o nm e a s u r e m e n t o f c r a n k s h a f t T h ep o s i t i o ng a u g e i sm a i n l yu s e d i nc r a n k s h a f tm e a s u r e m e n t a n dt h ec o o r d i n a t em e a s u r i n g i sa u x i l i a r y I nt h ep r o j e c to f t u r b o c h a r g e dr e c o n s t r u c t i o no f a ne n g i n e f a c t o r y,t h en e wp o s i t i o ng a u g en e e d s t op a s s t h em e a s u r e m e n t s y s t e ma n a l y s i s(M S A)t oe n s u r e t h es t a b i l i t y,a c c u r a c y,r e p e a t a b i l i t ya n dr e p r o d u c i b i l i t yo f t h ep o s i t i o ng a u g e t om e e t t h e r e q u i r e m e n t so f t h em e a s u r e m e n t s y s t e ma n a l y s i s(M S A)T h eM S Aw a sd r a f t e db yC h r y s l e r,F o r da n dG e n e r a lM o t o r s T h eM S Ah a sb e e nu p d a t e dt ot h e f o u r t he d i t i o n T h r o u g ha n a l y z i n gt h em e a s u r i n gs y s t e m(M S A)o f c r a n k s h a f t f l a n g es c r e wh o l ep o s i t i o ng a u g ea d d e d i nt h e r e c o n s t r u c t i o np r o j e c t,t h ep r o b l e m so f t h em e a s u r i n gs y s t e ma r e f o u n do u t a n dt h e i m p r o v e m e n t s c h e m e i sp u t f o r w a r d,w h i c hp r o v i d e s s t r o n gd a t a s u p p o r t f o r t h e c o n t r o l o f c r a n k s h a f t s i z e a n dt h eq u a l i f i c a t i o nr a t eo f t h ep r o d u c t i o nl i n e K e yw o r d s:C r a n k s h a f t;P o s i t i o ng a u g e;D i m e n s i o nc o n t r o l;M e a s u r e m e n t s y s t e ma n a l y s i s作者简介:简创(),男,河南人,本科学历,工程师,研究方向:尺寸工程、计量、质量管理.前言众所周知,在汽车行业中,发动机是汽车的心脏,也是各大车企的核心机密之一,而缸体缸盖及曲轴是发动机的三大重要部件;其成品的尺寸稳定性及准确性,直接影响发动机整机的装配及性能;随着现代工业的发展,机械加工的速度、精度、自动化程度不断提高,如何快速准确的测量产品过程控制尺寸及成品尺寸,并能快速纠正调整机床参数及预防,保证产品质量,是机械加工行业不断追求的目标;通过对通用体系某发动机工厂曲轴法兰螺纹孔位置度检具测量系统分析(M S A),分析测量系统的重复性存在的问题并制定改进方案.背景:曲轴法兰螺纹孔位置度检具测量波动大某发动机工厂一期增压改造项目中,新增一台曲轴法兰螺纹孔位置度检具.该检具采用半自动离线测量方式,测量过程中工件自动定位夹紧,员工用电子塞规采集各螺纹孔X、Y方向测量数据,测量软件通过计算输出位置度测量 结 果.工 艺 要 求 曲 轴 法 兰 端 各 螺 纹 孔 位 置 度 mm.检具到厂后根据通用汽车测量系统分析(M S A)“S PQ_M S S_G ”规定进行检具验收,验收结果见表.通过对检具进行T y p e 研究(重 复 性C g&准 确 性C g k研究)发现曲轴法兰螺纹孔位置度验收数据存在波动,无法满足C g&C g k 的要求.从表中也可以看出该检具测量系统的稳定性和准确性都过低,不能满足工艺的使用要求,我们需要对该测量系统进行分析整改,使其稳定性及准确性达到测量系统能力要求标准,确保测量数据准确有效.表T Y P E 研究评价结果测量特征位置度T P要求(单位:mm)极差R gC gC g kT Y P E 研究评价结果H T P N O KH Y O KH X N O KH T P N O KH Y N O K内燃机与配件w w w n r j p j c n续表测量特征位置度T P要求(单位:mm)极差R gC gC g kT Y P E 研究评价结果H X N O KH T P N O KH Y N O KH X N O KH T P N O KH Y O KH X N O KH T P N O KH Y N O KH X N O KH T P N O KH Y N O KH X N O K测量系统分析 测量系统分析(M S A)方法简述 测量系统分析合格标准及分析流程测量系统分析(M S A)的目的是通过选择各种方法来评定测量系统的质量,分析测量系统在工作时产生的变异是否可以被接受;对于新的量具,必须按照测量系统分析(M S A)流程,按步骤完成各项测试,以确保量具的功能性、准确性、稳定性、重复性、再现性等满足测试标准,否则需不断改进量具系统,直到各项测试满足测试标准为止;具体合格标准如表所示:表测量系统分析合格标准评估参数采用方法合格标准分析工具重复性准确度短期稳定性T y p e 研究通用汽车测量系统规范M S S 版C g&C g k Q S s t a t软件重复性再现性T y p e 研究或T y p e 研究通用汽车测量系统规范M S S 版R&R R F(方差分析法)Q S s t a t软件下面以量具验收流程图的方式,展示测量系统分析(M S A)方法的具体应用过程;测量系统分析的具体流程如图所示:图量具验收流程图 T y p e 研究方法T y p e 研究具体操作方法是,在确认测量系统线性良好的情况下,由个操作人员测量个已知测量值的校准件或工件至少 次;用来做T y p e 研究的工件或校准件需要标记测量位置,以确保每次测量的位置相同.T y p e 研究通过的标准为C g&C g k ,其中,C g主要评价测量系统的稳定性,C g k主要评价测量系统的准确性.具体计算公式如下:C g R F/S g()公式中R F为工艺公差;S gnni(X i X g)()公式中X i为每次测量的结果,X g为 次测量结果的平均值;C g k R F|X g X m|S g()公式中X g为 次测量结果的平均值,X m为标准件的实际值.T y p e 研究方法T y p e 研究具体操作方法是,通常采用个操作人员(k),至少每人对每个工件测量次(r),采用盲测的方法测量至少个工件(n),且必须满足k r n;用来做T y p e 研究的工件需要标记测量位置,以确保每次测量的位置相同,进而确定测量系统的重复性、再现性是否良好.T y p e 研 究 通 过 的 标 准 为R&R R F,计 算 公式为:R&R E VR F()其中E V S g,S g公式已在前面T y p e 研究中介绍,R F为测量项的工艺公差.T y p e 研究方法T y p e 研究具体操作方法是,不考虑人为因素影响,采用盲测的方法测量至少个工件(n),每个工件测量 次(r),且必须满足r n;用来做T y p e 研究的工件需要标记测量位置,以确保每次测量的位置相同,进而确定测量系统的重复性、再现性是否良好.T y p e 研究通过的标准为R&R R F,计算公式为:R&R E VR F()其中E V S g,S g公式已在前面T y p e 研究中介绍,R F为测量项的工艺公差.位置度检具测量系统要素及夹紧过程分析确定位置度检具测量系统组成全要素有:位置度检具夹紧系统、测量工控机软件系统、数据采集电子扫描规、曲轴标准件、被测工件、测量人员(采集数据).首先对曲轴法兰螺纹孔位置度检具夹紧系统进行分析,工件夹紧系统如图,夹紧后姿态如图,夹紧流程如 年第 期图所示:图曲轴夹紧系统图工件夹紧后姿态图位置度检具夹紧流程图 位置度检具鱼骨图分析针对T y p e 研究验收数据C g&C g k ,我们用鱼骨图分析如图所示:图鱼骨图分析通过现场初步调查并结合位置度检具夹紧定位过程,由鱼骨图分析可知,最可能造成测量结果稳定性及准确性差的原因是:、测量检具体电子扫描规自身原因,、夹具夹紧状态问题,针对这两个问题点,我们需进行重点分析.对测量检具体电子扫描规的验证分析由于验收数据的采集都是通过电子扫描规测量采集完成,如果检具体上的测量传感器自身稳定性差,也会造成验收数据C g .为此,我们在检具体测头运动顺畅,传感器固定可靠的情况下,对检具体做稳定性测试,将标准件一次夹紧定位,即校准件夹紧之后不再松开,对H 孔 连 续 测 量 次,进 行T y p e 研 究 分析,分析结果如表所示,Y方向C g ,X方向C g ,说明测量检具体自身稳 定 性 良 好,测量检具体不是造成综合检具测量结果稳定性及准确性差的主要原因.表检具体测试数据测量特征H YH X极差R g C g 对夹具夹紧状态进行验证分析通过前述的M S A方法可知,在采集数据进行T y p e 研究分析时,需要对校准件连续测量 次,对于位置度检具验收,每次采集数据都需要松开夹紧校准件,如果夹具状态不好,会造成校准件夹紧姿态不一致(夹偏),为此,我们对初始采集的验收数据进行了列表分析如表.通过表稳定性数据分析发现:、H 和H 孔的X方向C g值最小,极差R g最大,而Y方向C g值最大,极差R g最小,说明标准样件X方向测量数据离散度较大,夹紧不稳定,Y方向C g ,夹紧稳定;、正常夹紧后,H 和H 孔正好在竖直Y方向,结合夹紧定位过程分析内燃机与配件w w w n r j p j c n可知,X方向稳定性主要由P 连杆颈夹具夹紧定位保证,Y方向主要由M 和M 主轴颈夹具夹紧定位保证,由此可见,P 夹具夹紧状态不稳定.表稳定性数据测量特征位置度T P要求(单位:mm)极差R gC gH T P H Y H X H T P H Y H X H T P H Y H X H T P H Y H X H T P H Y H X H T P H Y H X 位置度检具测量系统优化及改进验证通过前述的夹紧流程图可知,由P L C程序控制M 和M 及M 止推面夹具为两步夹紧,第一步采用较小的夹紧力初步定位工件,第二步用大的夹紧力最终夹紧工件;而P 夹具为一步夹紧定位,如果M 和M 夹具初步定位夹紧力过大,P 夹具夹紧时,无法较好的定位P 连杆颈位置,造成校准件X方向定位不稳定;通过分析,该问题可通过调小M 和M 夹具第一步夹紧力,调大P 夹具夹紧力来解决,现场将控制P 夹具的气缸进气压力调整到最大 b a r,在保证M 和M 夹具初步定位夹紧动作正常的前提 下,将 初 步 夹 紧 定 位 压 力 由 b a r调 整 为 b a r,调整完成后,再次采集H 和H 孔 组数据,进行T y p e 研究分析,结果如表所示:表优化位置度检具夹紧压力测试数据测量特征H T PH YH XH T PH YH X极差R g C g 从图的验证结果分析看,调整M 和M 主轴颈夹具初步夹紧力及P 夹具夹紧力后,H 和H 孔X方向验证数据极差R g明显减小,数据稳定性明显改善,但C g还是小于 ,还未达到验收标准;由于M 和M 夹具的第一步夹紧压力无法再调小,P 夹具的夹紧气缸进气压力已经达到最大,也无法再调整;根据气缸工作原理,气缸推力公式:F DP()其中D为气缸直径,P为气缸压力;在气缸压力一定的情况下,只能通过更换更大直径的气缸来增大气缸推力,查看P 夹具气缸缸径为 mm,为提高P 夹具夹紧力,更换缸径为 mm的P 夹具气缸验证,采集 组标准样件数据评估,结果如表所示:表更换P 气缸后测试评估数据测量特征极差R gC gC g kT Y P E 研究评价结果H T P O KH Y O KH X O KH T P O KH Y O KH X O KH T P O KH Y O KH X O KH T P O KH Y O KH X O KH T P O KH Y O KH X O KH T P O KH Y O KH X O K由表测试评估数据可知,通过优化曲轴位置度检具夹紧系统压力,更换P 夹具夹紧气缸后,曲轴位置度检具X方向测量稳定性明显改善,测试数据极差R g进一步减小且C g&C g k ,满足通用M S A验收标准,曲轴法兰螺纹孔位置度检具T y p e 研究验收顺利通过,根据验收规范,又进行了T y p e 研究验收数据的采集分析,结果良好,T y p e 研究一次性通过,曲轴法兰螺纹孔位置度检具顺利达到批量生产测量要求,能有效保障曲轴零件测量品质.总结及测量技术发展展望通过对量具测量系统进行有效的数据分析,采取有理有力的措施减小测量系统的变差,从而使测量系统达到质量控制的要求,为测量尺寸的有效性提供系统性保障;随着智能化,数字化的迅速发展,快速的在线测量,自动测量运用场景将越来越多,测量系统分析(M S A)在实际的应用中也将不断的发展进化,适应新时代,新环境下的测量系统分析及运用,保障测量系统能够满足更高的测量控制要求.参考文献:G l o b a lM a c h i n e r ya n dE q u i p m e n tS p e c i f i c a t i o nD o c u m e n t M e a s u r e m e n t S y s t e m s S p e c i f i c a t i o n D o c u m e n tS:S P Q M S S;V e r s i o n:G P u b l s h e dD a t e:M a y 中国质量协会编著全面质量管理(第三版)M:中国科学技术出版社,