精益六西格瑪在在線檢測(cè)設(shè)備測(cè)量精度分析中的應(yīng)用研究

賴涌丹

關(guān)鍵詞：精益六西格瑪;測(cè)量精度分析;測(cè)量系統(tǒng)分析;在線檢測(cè)設(shè)備

0引言

對(duì)于具有測(cè)量功能的設(shè)備，在其新設(shè)備應(yīng)用及長期的設(shè)備維保過程中，需要對(duì)其測(cè)量精度進(jìn)行驗(yàn)證分析，以保證設(shè)備功能正常、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確有效。

以城市軌道交通機(jī)車車輛的輪對(duì)為例，其尺寸測(cè)量方式包括人工測(cè)量及機(jī)器測(cè)量。其中用于輪對(duì)尺寸的測(cè)量設(shè)備主要有傳統(tǒng)的三維坐標(biāo)測(cè)量儀及不落輪鏇床（后文簡稱“鏇床”）外，輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)設(shè)備（后文簡稱“在線設(shè)備”）也逐漸得到應(yīng)用。

在線設(shè)備安裝于正線上，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件較為復(fù)雜;且測(cè)量對(duì)象為客運(yùn)列車，需保證供車率，不利于扣車進(jìn)行試驗(yàn)。在線設(shè)備的特殊性導(dǎo)致其不適合設(shè)計(jì)專門的重復(fù)測(cè)量試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量精度驗(yàn)證和分析。因此，除設(shè)備的調(diào)試驗(yàn)收外，在后續(xù)長期維保過程中，需對(duì)設(shè)備使用過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以作為測(cè)量精度分析的依據(jù)，長期跟蹤設(shè)備測(cè)量性能的變化。

本文將以輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)設(shè)備為例，對(duì)其在長期使用過程中，輪徑測(cè)量精度的分析方法進(jìn)行研究。

1設(shè)備測(cè)量精度分析方法現(xiàn)狀

國內(nèi)外對(duì)設(shè)備測(cè)量精度分析方法開展了大量研究。但目前的設(shè)備測(cè)量精度分析方式主要借助專門的測(cè)量試驗(yàn)獲得一系列測(cè)量值，并對(duì)測(cè)量值與參考值信息比較，計(jì)算出測(cè)量偏差、測(cè)量偏差的平均值及極差等基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，來對(duì)設(shè)備的測(cè)量精度進(jìn)行研究。而對(duì)于輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)設(shè)備的測(cè)量精度分析研究狀況尚且空白。

以輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)設(shè)備為例，采用傳統(tǒng)的方法對(duì)其運(yùn)用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

首先收集其在2020年1-7月所獲取的輪對(duì)數(shù)據(jù)，并以一定時(shí)問內(nèi)該輪對(duì)在不落輪鏇床（后文簡稱“鏇床”）的測(cè)量值為參考值（鏇床的測(cè)量精度需先經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，且其測(cè)量精度應(yīng)高于在線設(shè)備），從而計(jì)算在線設(shè)備每次測(cè)量的測(cè)量偏差。

對(duì)上述所得測(cè)量偏差進(jìn)行基礎(chǔ)的統(tǒng)計(jì)，可得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于未經(jīng)鏇修的輪對(duì)，在線設(shè)備的測(cè)量偏差平均值為-0.70mm，最大達(dá)到2.66mm;

（2）對(duì)于經(jīng)過鏇修的輪對(duì)，在線設(shè)備的測(cè)量偏差平均值為-0.52mm，最大達(dá)到-1.36mm;

（3）由結(jié)論（1）、（2）可知，在線設(shè)備的平均測(cè)量偏差較大，測(cè)量精度不符合要求。

使用這種常規(guī)的分析方法，存在以下不足：

（1）僅能反映測(cè)量偏差的大致情況，且均值與極差易受異常值的影響，無法準(zhǔn)確反應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)的問題所在;

（2）不適用于對(duì)在線設(shè)備日常使用過程中產(chǎn)生的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行研究;

（3）需借助專門的測(cè)量試驗(yàn)，不便于對(duì)設(shè)備測(cè)量精度的長期跟蹤。

因此，常規(guī)的分析方法無法適應(yīng)在線設(shè)備特殊的數(shù)據(jù)分析條件，需要借助精益六西格瑪管理中的數(shù)據(jù)圖形統(tǒng)計(jì)工具與測(cè)量系統(tǒng)分析工具進(jìn)行深入研究。

2設(shè)備測(cè)量精度的六西格瑪分析方法

2.1設(shè)備測(cè)量精度的分析方向

評(píng)價(jià)測(cè)量結(jié)果是否精準(zhǔn)的兩大特征為準(zhǔn)確度和精密度，如圖1所示。

準(zhǔn)確度是指量具的測(cè)量值接近真實(shí)值的程度，表現(xiàn)為測(cè)量偏差的均值;精密度是指測(cè)量值彼此接近的程度，表現(xiàn)為測(cè)量偏差的標(biāo)準(zhǔn)差。

而在精益六西格瑪管理的流程分析技術(shù)DMAIC的過程中，除了對(duì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)之外，測(cè)量（Measure）階段中包含了量具R&R分析、量具的線性與偏倚分析等用于測(cè)量系統(tǒng)分析的工具;在分析（Analyze）階段中也包含了分布直方圖、箱線圖、矩陣圖、時(shí)間序列圖等用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的圖形分析工具。這些工具均可用于測(cè)量系統(tǒng)精密度、準(zhǔn)確度的分析。

本章將結(jié)合精益六西格瑪?shù)南嚓P(guān)工具，從測(cè)量偏差的整體分布情況、測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性與再現(xiàn)性、測(cè)量系統(tǒng)的線性與偏倚等方面入手，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的精密度、準(zhǔn)確度進(jìn)行深入分析。測(cè)量系統(tǒng)研究的過程如表1所示。

2.2測(cè)量偏差的基本統(tǒng)計(jì)

在線設(shè)備在正常使用的過程中，每車次測(cè)量都包含有48個(gè)車輪的數(shù)據(jù)，而同一列車的兩次測(cè)量相隔天數(shù)不等，因此需嚴(yán)格標(biāo)注每組數(shù)據(jù)的測(cè)量時(shí)間，以便從橫向分析其不同車輪的差異，以及從縱向分析其同個(gè)輪對(duì)隨時(shí)間發(fā)生的變化。

以在線設(shè)備導(dǎo)出的輪對(duì)直徑歷史測(cè)量數(shù)據(jù)為測(cè)量值，以鏇床所測(cè)得的輪對(duì)直徑為參考值，根據(jù)輪對(duì)及時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并換算每次測(cè)量的測(cè)量偏差，形成本文中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本。

按測(cè)量日期分組，對(duì)樣本中的測(cè)量偏差進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)，主要獲取其平均值、中位數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差，如圖2所示。從整體上看，測(cè)量偏差的均值和標(biāo)準(zhǔn)差均偏大。而中位數(shù)與均值相差較小，表明其未出現(xiàn)明顯偏差的異常值。

由于箱線圖更能直觀地反映每車次測(cè)量時(shí)各輪對(duì)測(cè)量偏差的分布情況、反映測(cè)量偏差隨時(shí)間的變化情況。因此，根據(jù)不同的測(cè)量日期進(jìn)行分組，繪制測(cè)量偏差的箱線圖。圖3～4所示分別為未鏇修及已鏇修輪對(duì)的箱線圖。由圖可知，無論輪對(duì)是否鏇修，隨著時(shí)間的推移均出現(xiàn)測(cè)量偏差逐漸往“偏小”的方向發(fā)展——即測(cè)量值越來越小于參考值，這符合實(shí)際輪徑因磨耗逐漸變小的規(guī)律。

此外，對(duì)比箱線圖可知，經(jīng)過鏇修的輪對(duì)，其測(cè)量偏差的分布范圍更窄。由于輪對(duì)鏇修后各處更為均勻，因此在圓周上不同點(diǎn)處所測(cè)得的直徑值差值較小，即徑向圓跳動(dòng)（后文簡稱“圓跳動(dòng)”）變小。而在線設(shè)備采用的三點(diǎn)定圓直徑測(cè)量原理受圓跳動(dòng)影響，因此鏇修后的輪對(duì)測(cè)量偏差分布更為集中，符合箱線圖分析結(jié)論。

為避免輪對(duì)磨耗對(duì)數(shù)據(jù)分析帶來干擾，選取最接近鏇輪日期的2次測(cè)量數(shù)據(jù)為研究對(duì)象。統(tǒng)計(jì)得到其輪徑測(cè)量偏差平均值為0.11mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.21mm，如圖5所示。

由于基本統(tǒng)計(jì)所能獲取的信息較少，只能對(duì)其整體表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)估，還需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2.3測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性及再現(xiàn)性

一般評(píng)定測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)劣，主要從其重復(fù)性和再現(xiàn)性兩個(gè)維度去分析。

重復(fù)性，即同一測(cè)量者使用同一測(cè)量設(shè)備在相同條件下對(duì)同組測(cè)量對(duì)象短時(shí)問內(nèi)進(jìn)行多次測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果的一致性。重復(fù)性反映的是因測(cè)量設(shè)備導(dǎo)致的變異。

再現(xiàn)性，即不同測(cè)量者使用同一測(cè)量設(shè)備在相同條件下對(duì)同組測(cè)量對(duì)象短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果的一致性。再現(xiàn)性反映的是因測(cè)量系統(tǒng)導(dǎo)致的變異。

由于在線設(shè)備在正常使用過程中，不會(huì)在短時(shí)問內(nèi)對(duì)同一列車進(jìn)行多次測(cè)量;而且其為全自動(dòng)測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果不受人為因素的影響。因此，無法嚴(yán)格地對(duì)其重復(fù)性及再現(xiàn)性進(jìn)行驗(yàn)證。

選取相隔時(shí)間較短的兩次測(cè)量數(shù)據(jù)（可忽略兩次測(cè)量時(shí)間所帶來的附加影響時(shí)），并使用鏇床測(cè)量數(shù)據(jù)作為對(duì)照數(shù)據(jù)，運(yùn)用量具R&R分析對(duì)在線設(shè)備的重復(fù)性和再現(xiàn)性進(jìn)行模糊分析，結(jié)果如圖6～7所示。

得到量具R&R合計(jì)方差分量貢獻(xiàn)率為0.93%，結(jié)合使用指導(dǎo)原則（表2），可知測(cè)量系統(tǒng)是可接受的。其中，重復(fù)性的貢獻(xiàn)率為0.34%，由不同數(shù)據(jù)來源引起的再現(xiàn)性的貢獻(xiàn)率為0.39%，表明在線設(shè)備的測(cè)量重復(fù)性、再現(xiàn)性良好（實(shí)質(zhì)為在線設(shè)備對(duì)同一對(duì)象的重復(fù)測(cè)量精度高，且接近真值）。

而部件間差異的貢獻(xiàn)率達(dá)99.07%，即在線設(shè)備能區(qū)分不同的輪徑的輪對(duì)。

2.4測(cè)量系統(tǒng)的線性與偏倚

在前述分析過程中，未能體現(xiàn)在線設(shè)備對(duì)不同大小輪對(duì)的輪徑測(cè)量結(jié)果偏移是否保持一致，因此，還需對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的線性與偏移進(jìn)行研究。

將每車次測(cè)量的數(shù)據(jù)作為一組，單獨(dú)進(jìn)行線性與偏倚研究，得到的結(jié)果如圖8所示。量具線性分析結(jié)果中，常量與斜率的P=0.7（遠(yuǎn)大于0.05），因此在線設(shè)備測(cè)量系統(tǒng)不存在線性問題，即在不同的輪徑范圍下具有相同的測(cè)量準(zhǔn)確性。

2.5測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)間飄移

由圖3可知測(cè)量偏差逐漸往負(fù)方向發(fā)展，但該變化規(guī)律可能不完全由實(shí)際輪徑值的變化所引起，因此還需結(jié)合輪對(duì)的磨耗率進(jìn)行綜合分析，以檢驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)是否隨時(shí)間發(fā)生飄移。

對(duì)各個(gè)輪對(duì)每次測(cè)得的輪徑值繪制成時(shí)間序列圖，如圖9所示，可見隨時(shí)間推移，輪對(duì)磨耗后輪徑值逐漸變小。

對(duì)各輪對(duì)的輪徑值進(jìn)行擬合回歸（剔除輪對(duì)鏇修的影響），圖10所示為部分輪對(duì)的擬合結(jié)果，可見R-sq高達(dá)97.52%，而各輪對(duì)的擬合P值則接近于0，表明模型擬合較好。由擬合直線斜率可知輪徑測(cè)量值變化率約為-0.0137 mm/天，即0.411 mm/月。

查詢樣本統(tǒng)計(jì)所在周期內(nèi)，該試驗(yàn)車的輪徑磨耗率約為0.402 mm/月。可知實(shí)際輪徑磨耗率與在線設(shè)備的輪徑測(cè)量值變化率近似相等，證明測(cè)量偏差隨時(shí)間發(fā)生的變化為輪徑磨耗所引起。即在線設(shè)備測(cè)量系統(tǒng)不存在隨時(shí)間的測(cè)量精度飄移。

3測(cè)量精度分析總結(jié)

本文通過對(duì)在線設(shè)備測(cè)量系統(tǒng)的輪徑測(cè)量精度在各個(gè)方面進(jìn)行的一系列分析，可得到以下結(jié)論：

（1）在線設(shè)備輪徑測(cè)量偏差的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差較小;

（2）在線設(shè)備測(cè)量系統(tǒng)不存在線性，且重復(fù)性、再現(xiàn)性良好;

（3）在線設(shè)備輪徑測(cè)量精度不隨時(shí)間產(chǎn)生飄移;

（4）在線設(shè)備輪徑測(cè)量精度受輪對(duì)圓跳動(dòng)影響，對(duì)經(jīng)過鏇修的輪對(duì)的測(cè)量精度更高;

（5）在線設(shè)備能反映輪對(duì)磨耗引起的輪徑變化。

由于本文所述方法是針對(duì)設(shè)備日常使用所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，受選取數(shù)據(jù)的影響，分析結(jié)論存在一定的局限性，僅適合作為設(shè)備測(cè)量精度的長期跟蹤評(píng)估。若需要更為準(zhǔn)確地評(píng)估設(shè)備測(cè)量精度，可開展專項(xiàng)試驗(yàn)，以便獲取最佳實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確分析。

4結(jié)束語

輪對(duì)尺寸在線設(shè)備使用環(huán)境特殊，開展專門的測(cè)量精度試驗(yàn)需要的成本和難度較大，因此需借助其日常使用過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)來進(jìn)行測(cè)量精度分析。

而傳統(tǒng)分析方法不能全面反映測(cè)量系統(tǒng)的各項(xiàng)測(cè)量性能，且難以適應(yīng)影響因子復(fù)雜的數(shù)據(jù)條件，因此需借助精益六西格瑪?shù)母鞣N圖形分析工具及測(cè)量系統(tǒng)分析工具進(jìn)行研究。

本文以2020年3～7月輪對(duì)尺寸在線檢測(cè)設(shè)備所獲取的指定試驗(yàn)車的輪徑值為例，并使用鏇床測(cè)量值為標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用新的測(cè)量精度分析方法，對(duì)在線設(shè)備測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度進(jìn)行了研究并得出一系列結(jié)論。證明了該分析方法的可行性和優(yōu)越性。

該測(cè)量精度分析研究方法更為深入和全面，能夠科學(xué)反映測(cè)量系統(tǒng)的性能，且能夠適應(yīng)復(fù)雜的數(shù)據(jù)條件，為不便于開展專項(xiàng)測(cè)量試驗(yàn)的設(shè)備的測(cè)量精度分析提供了有效的解決辦法。此外，該分析研究方法還具有較高的可推廣性，可應(yīng)用于對(duì)其他輪對(duì)參數(shù)測(cè)量精度或其他設(shè)備的測(cè)量精度分析研究。