基于Minitab軟件的纖維力學(xué)指標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)分析

陶明東，周夢(mèng)璐

(江蘇奧神新材料股份有限公司，江蘇 連云港 222000)

0 引言

纖維力學(xué)指標(biāo)的測(cè)量需要測(cè)量纖維細(xì)度、強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)等指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出力學(xué)性能數(shù)據(jù)。上海新纖儀器有限公司提供的以XQ-1A型纖維強(qiáng)伸度儀、XD-1型振動(dòng)式細(xì)度儀構(gòu)成的纖維力學(xué)指標(biāo)測(cè)試裝置是適應(yīng)國(guó)際纖維檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的新型儀器，采用計(jì)算機(jī)程序控制，具有操作簡(jiǎn)便、精度高的特點(diǎn)，在纖維測(cè)試機(jī)構(gòu)、化纖制造企業(yè)廣泛應(yīng)用。

纖維力學(xué)指標(biāo)是纖維品質(zhì)判斷的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對(duì)于化纖生產(chǎn)企業(yè)質(zhì)量控制尤其重要。因此，力學(xué)指標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的精度極為重要，需定期評(píng)估其精度與可靠性。測(cè)量是一種用來(lái)獲得測(cè)量結(jié)果的過(guò)程，主要由測(cè)量?jī)x器、標(biāo)準(zhǔn)、人員、環(huán)境等組成[1]，這些要素都對(duì)測(cè)量系統(tǒng)本身的精度與可靠性具有重大影響，隨著時(shí)間推移，測(cè)量系統(tǒng)精度也會(huì)退化。測(cè)量系統(tǒng)分析是指運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，在合適的特性位置測(cè)量正確的參數(shù)，了解影響測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)來(lái)源及其分布，并確認(rèn)測(cè)量系統(tǒng)是否符合工程需求[2]。

1 可靠性評(píng)估試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)儀器與人員準(zhǔn)備

試驗(yàn)儀器采用上海新纖XQ-1A型纖維強(qiáng)伸度儀、XD-1型振動(dòng)式細(xì)度儀構(gòu)成的纖維力學(xué)指標(biāo)測(cè)試裝置，采用系統(tǒng)配套軟件進(jìn)行測(cè)試過(guò)程控制和測(cè)試數(shù)據(jù)記錄。

XQ-1A型纖維強(qiáng)伸度儀采用氣動(dòng)自動(dòng)夾持，計(jì)算機(jī)程序控制拉伸試樣直至斷裂，并測(cè)量斷裂時(shí)的力和伸長(zhǎng)率。XD-1型振動(dòng)式細(xì)度儀采用弦振動(dòng)原理，測(cè)量在一定振弦長(zhǎng)度和張力下的纖維固有振動(dòng)頻率，由弦振動(dòng)公式自動(dòng)計(jì)算單根纖維線密度。

檢驗(yàn)人員4名，均具有豐富操作經(jīng)驗(yàn)。

系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行接近一年，需進(jìn)行可靠性評(píng)估。

1.2 試驗(yàn)樣品準(zhǔn)備

(1)纖維細(xì)度測(cè)試樣品準(zhǔn)備。纖維細(xì)度測(cè)試過(guò)程對(duì)樣品本身無(wú)破壞，樣品可重復(fù)使用。取A規(guī)格纖維4根，作為4個(gè)測(cè)試部件(以下稱細(xì)度測(cè)試部件)，分別編號(hào)A1～A4。

(2)強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)測(cè)試樣品準(zhǔn)備。取B規(guī)格纖維5根(連續(xù)長(zhǎng)纖維)，每根長(zhǎng)60 cm，作為5個(gè)測(cè)試部件，分別賦予部件編號(hào)B1～B5。每一部件按10 cm長(zhǎng)截?cái)啵?根。按6西格瑪理論，該破壞性試驗(yàn)共有5個(gè)強(qiáng)度與伸長(zhǎng)測(cè)試部件(B1～B5)，每一個(gè)部件有6個(gè)仿形，如對(duì)部件B1，仿形試驗(yàn)件編號(hào)為B1-1，B1-2，…，B1-6。將這6個(gè)仿形隨機(jī)分成2組，每組3根。

1.3 試驗(yàn)與分析方法

(1)纖維細(xì)度測(cè)試。4名檢驗(yàn)員用同一臺(tái)XD-1型振動(dòng)式細(xì)度儀對(duì)4個(gè)細(xì)度測(cè)試部件分別進(jìn)行細(xì)度測(cè)量，每人每細(xì)度測(cè)試部件重復(fù)測(cè)試3次，4人共計(jì)48次。

(2)纖維斷裂強(qiáng)力與斷裂伸長(zhǎng)測(cè)試。從4名檢驗(yàn)員中隨機(jī)抽取2名檢驗(yàn)員，用同一臺(tái)XQ-1A型纖維強(qiáng)伸度儀對(duì)5個(gè)強(qiáng)度與伸長(zhǎng)測(cè)試部件(每部件6個(gè)仿形)進(jìn)行測(cè)試，由于每次測(cè)試被測(cè)纖維都會(huì)被拉斷，對(duì)部件多次重復(fù)測(cè)量是不可能的，屬于破壞性測(cè)試，因此需要進(jìn)行破壞性試驗(yàn)的測(cè)量系統(tǒng)分析[2-3]，共計(jì)30次測(cè)試。

(3)采用重復(fù)性與再現(xiàn)性評(píng)估方法。采用Minitab軟件，基于六西格瑪測(cè)量系統(tǒng)R&R分析方法進(jìn)行纖維力學(xué)指標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性與再現(xiàn)性評(píng)估[4]。

重復(fù)性誤差通常稱為設(shè)備波動(dòng)(Equipment variation,EV)，如將過(guò)程總波動(dòng)設(shè)為TV(Total Variation)，設(shè)備波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差與過(guò)程總波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差的比值可描述測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性。

再現(xiàn)性也稱為人員波動(dòng)(appraiser variation，AV)，通常用再現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)差與過(guò)程總波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差的比值來(lái)描述測(cè)量系統(tǒng)的再現(xiàn)性。

(4)精確度分析方法。

判斷標(biāo)準(zhǔn)見表1[4]。

表1 判斷標(biāo)準(zhǔn)表

1.4 試驗(yàn)要求

(1)測(cè)試樣品隨機(jī)分配。

(2)測(cè)試順序隨機(jī)排列。

(3)樣品及儀器設(shè)備在測(cè)試環(huán)境條件下經(jīng)過(guò)充分平衡。

(4)測(cè)試前對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查，確保設(shè)備處于正常工作狀態(tài)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 纖維細(xì)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)及方差分析

纖維細(xì)度測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 纖維細(xì)度測(cè)試數(shù)據(jù)

采用Minitab軟件中量具研究功能對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

表3 包含交互作用的雙因子方差分析表

刪除交互作用項(xiàng)選定的 Alpha=0.25。量具 R&R 分析表—方差分量貢獻(xiàn)率見表4。

表4 量具 R&R 分析表—方差分量貢獻(xiàn)率

設(shè)定過(guò)程公差為 0.3，經(jīng)Minitab計(jì)算，量具精度分析結(jié)果見表5。

表5 纖維細(xì)度儀精度分析結(jié)果

計(jì)算得到可區(qū)分的類別數(shù)ndc = 6。

從精度分析結(jié)果來(lái)看，重復(fù)性方差為0.000 366 7，檢驗(yàn)員方差為0，合計(jì)量具R&R(重復(fù)性與再現(xiàn)性)方差貢獻(xiàn)率僅為5.08%，%Gage R&R為22.53%<30%，重復(fù)性與再現(xiàn)性較好；可區(qū)分的類別數(shù)ndc=6>5，儀器具有較好分辨率；檢驗(yàn)員方差貢獻(xiàn)占比0%，可以認(rèn)為人員操作對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)沒(méi)有影響。

在無(wú)標(biāo)樣情況下，采用定長(zhǎng)稱重法進(jìn)行纖維纖度計(jì)算值為1.249 7dtex，纖維細(xì)度儀測(cè)量均值為1.25 dtex，標(biāo)準(zhǔn)差0.08，具有很好的符合性。這說(shuō)明此方法可以在無(wú)標(biāo)樣情況下測(cè)量纖維細(xì)度。

2.2 纖維強(qiáng)力、斷裂伸長(zhǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

纖維強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)見表6。

表6 纖維強(qiáng)力及斷裂伸長(zhǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

(1)纖維強(qiáng)力測(cè)試數(shù)據(jù)分析。采用Minitab軟件中量具研究功能對(duì)表6中的斷裂強(qiáng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表7、表8。

設(shè)定過(guò)程公差=2，經(jīng)Minitab計(jì)算，量具精度分析結(jié)果見表9。

表7 包含交互作用的雙因子方差分析表

表8 量具R&R分析表—方差分量貢獻(xiàn)率

表9 纖維強(qiáng)伸度儀精度分析結(jié)果

計(jì)算得到可區(qū)分的類別數(shù)ndc=4。

從精度分析結(jié)果來(lái)看，重復(fù)性方差為0.005 503 3，再現(xiàn)性方差為0，可以認(rèn)為人員操作對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)沒(méi)有影響；合計(jì)量具R&R(重復(fù)性與再現(xiàn)性)方差貢獻(xiàn)率為10.89%，%Gage R&R為33.00%，略大于30%，%P/T為22.26%<30%，強(qiáng)力檢測(cè)精度處于勉強(qiáng)可用狀態(tài)；可區(qū)分的類別數(shù)ndc=4>3，儀器分辨率勉強(qiáng)可用。

(2)纖維斷裂伸長(zhǎng)數(shù)據(jù)分析。采用Minitab軟件中量具研究功能對(duì)表2中的斷裂伸長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表10、表11。

表10 包含交互作用的雙因子方差分析表

表11 量具 R&R 分析表—方差分量貢獻(xiàn)率

設(shè)定過(guò)程公差=2，經(jīng)Minitab計(jì)算，量具精度分析結(jié)果見表12。

表12 纖維強(qiáng)伸度儀精度分析結(jié)果

計(jì)算得到可區(qū)分的類別數(shù)ndc = 2。

從精度分析結(jié)果來(lái)看，重復(fù)性方差為0.003 189，再現(xiàn)性方差為0，可以認(rèn)為人員操作對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)沒(méi)有影響；合計(jì)量具R&R(重復(fù)性與再現(xiàn)性)方差貢獻(xiàn)率為18.52%，%Gage R&R為43.00%>30%，%P/T為53.57%>30%，斷裂伸長(zhǎng)檢測(cè)精度已經(jīng)無(wú)法滿足要求；可區(qū)分的類別數(shù)ndc=2<3，儀器分辨率不達(dá)標(biāo)。

3 總結(jié)

(1)采用方差分析方法可以在標(biāo)樣缺失情況下進(jìn)行纖維力學(xué)檢測(cè)儀器精度和可靠性分析，通過(guò)Minitab軟件可以極其方便進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)重復(fù)性與再現(xiàn)性評(píng)估。

(2)通過(guò)取樣方法設(shè)計(jì)，可以對(duì)破壞性測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行分析。

(3)操作人員的操作差異在本測(cè)量系統(tǒng)中幾乎可以忽略，該測(cè)量系統(tǒng)屬于數(shù)字化系統(tǒng)，精度基本由儀器本身決定。

(4)經(jīng)過(guò)1年的運(yùn)行，纖維細(xì)度儀仍然具有較高的測(cè)量精度；強(qiáng)伸儀的強(qiáng)力測(cè)試精度勉強(qiáng)可用，已經(jīng)較難滿足高質(zhì)量生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制需求，需要進(jìn)一步校準(zhǔn)；強(qiáng)伸儀斷裂伸長(zhǎng)的測(cè)量精度較差，難以滿足高品質(zhì)生產(chǎn)系統(tǒng)的要求。

(5)鑒于XD-1型振動(dòng)式細(xì)度儀和XQ-1A型纖維強(qiáng)伸度儀經(jīng)過(guò)1年運(yùn)行后測(cè)量精度差異較大，建議生產(chǎn)廠家做進(jìn)一步研究，并對(duì)用戶使用與校準(zhǔn)提供更多支持。

(6)補(bǔ)充說(shuō)明：在本分析完成后，經(jīng)與儀器生產(chǎn)廠家溝通，進(jìn)行儀器調(diào)整，儀器測(cè)量精度%Gage R&R均達(dá)到30%以下，分辨率達(dá)到7以上，可滿足較高品質(zhì)生產(chǎn)控制要求。