三坐标测量机的数据处理和分析

1、1引言我国汽车工业经过多年的快速发展,其生产已初具规模,各汽车生产厂家在提高产量,增加品种的同时,也在力图使用更为科学的方法对产品质量进行控制,其中三坐标测量机是必不可少的设备之一。福田汽车先后从四川中测量仪所购进多台大型悬臂式三坐标测量机,在产品研发和生产过程中发挥了巨大作用。该机器配备了功能强大的PowerInspect 测量软件,不但可以完成各种复杂零件的测量任务,而且还可应用于焊装生产线的统计过程控制。众所周知,汽车车身大多是由形状复杂的模压件组焊装配而成,在生产过程中尺寸存在很大的波动性,而三坐标的重要任务之一,就是通过对同一对象的重复测量,运用数理统计的方法,找出波动的原因并使其稳

2、定在合理的范围内,该方法常被称作SPC技术(Statistical process control。而目前较为流行的六西格玛方法,其核心内容实际也是SPC技术,都是一种基于过程的控制方法。同单件测量相比,批量检测的数据处理和分析涉及到的技术和方法要复杂得多。2测量数据处理2.1汇总数据的格式批量检测中,对零件的某个特征点进行分析之前,必须要对该点的所有测量数据进行汇总。对于几乎所有的测量机而言,每完成一次测量,数据都是被单独保存在一个测量报告文件中,即使对多个相同零件相同位置的重复测量,测量软件一般也不会自动汇总。有些测量软件虽然可以汇总,但汇总结果只供其自带分析软件使用,用户无法得到汇总文件

3、,这对于希望使用第三方软件来分析测量结果的用户显得很不方便,而且很多测量软件自身并无分析软件可用,只能使用第三方软件,如通用的Excel或比较专业的统计分析软件。这些分析软件通常都要求汇总后的数据应该具有图1所示的格式。事实上,即使不使用任何分析软件,这样的格式也会使人对数据总体情况有一个非常直观的了解,这种汇总格式是进行批量数据分析的基础性格式,有着非常重要的意义。如果用手工的方法进行汇总,对于表1所示60台白车身测量报告中的一个铰链孔测量数据进第33卷第4期2007年7月中国测试技术CHINA MEASUREMENT TECHNOLOGYJuly.2007三坐标测量机的数据处理和分析公茂才

4、(北汽福田欧曼重卡,北京101400摘要:数据处理和分析是三坐标测量机应用的核心工作,而基于统计过程控制的SPC技术,则是测量机应用的高级阶段,SPC技术应用的基础性工作是对大量数据的汇总处理。本文提出了一种利用程序方法对数据进行汇总的数学模型和编程思路,结合工作中的经验,对SPC技术的实际应用进行了一些粗浅的探讨。通过使用这些技术和方法,可以实现数据采集、数据处理和数据分析的全程自动化。关键词:测量机;数据;分析;SPC技术;控制图中图分类号:TP274+.2文献标识码:A文章编号:1672-4984(200704-0053-03Data processing and analysis of

5、 coordinate measuring machineGONG Mao-cai(Beiqi Foton Auman Heavy Truck,Beijing101400,ChinaAbstract:Data processing and analysis is a kernel work of CMM application,and SPC technique based on statistical process control is a high level stage of CMM application,collection for mass data is a foundatio

6、nal task for SPC technique.This paper introduces the mathematical model and some ideas on how to collect data by using of the programming method,and discusses actual application of SPC technique according to working experiment.Using these techniques and methods can realize full automation for data a

7、cquisition,data processing and data analysis.Key words:CMM(coordinate measuring machine;Data;Analysis;SPC technique;Control chart收稿日期:2007-02-06;收到修改稿日期:2007-04-17作者简介:公茂才(1965-,男,工程师,主要从事三坐标测量技术和各种薄壁零件测量方法的研究。2007年7月中国测试技术行汇总,即便用拷贝粘贴的方法,其操作次数也有近万次之多。如果要对白车身上多个关键测量点进行分析,其工作量将大的无法完成,因此必须使用程序的方法解决问题。2

8、.2程序的数学模型以表1所示60台白车身测量数据为例,每个车身上有86个测量点,程序设计目标是将分布在60个测量报告中的86个相同位置的测量点分别提取出来,并按表1所示格式存于各自汇总文件中。我们可以将分布在同一测量报告中不同位置的测量点看作图1矩阵A 中的列,而分布在不同测量报告中相同位置的测量点看作矩阵A 中的行,于是该问题可以通过对矩阵A 中的行列互换这样一个简单数学模型来解决。图1矩阵A 显示了经过一段时间已经积累了Fm 台车的测量数据,每台车共有Pn 个测量点;矩阵B 显示了经过程序转换,矩阵A 中的行变成了矩阵B 中的列,分布在不同测量报告中相同位置的测量点已经被写进各自文件中,共

9、有Pn 个汇总文件,每个文件中包含了Fm 个相同位置的测量数据,其格式如图1所示。2.3编程中的一些问题该程序界面如图2所示,编程时在输出格式栏中可根据需要加入更多的输出选项,如平均值、极差、均方差、Cp 等各种统计量,也可以输出一些常用的统计图形,如直方图等。该程序加入更多的输出选项后,通过更为复杂的计算和编程技术,也可以作为一个独立的分析软件使用。但由于该转换程序只是为SPSS 或其它电子表格类高级分析软件提供一个基本的数据转换接口,所以不需要太多的输出选项,这样可以大大减少程序代码的数量。以常用的VB 语言为例,由于程序的数学模型是一个简单的矩阵行列互换问题,编程时多数人会想到利用循环语

10、句对图2列于框中的文件进行扫描,然后将需要处理的数据读入到静态或动态数组中,经过矩阵变换后写入到目标文件中。但实际上这种方法在数据量较小时没有问题,但如果数据量很大时,用数组变量存取数据会消耗大量的内存空间,使得计算速度变得很慢,严重影响转换效率,这种情况在VB 中显得尤为突出。而利用简单变量将数据写入到临时文件中,用临时文件代替数组作为数据的中转站,使用时将数据由临时文件读入内存进行处理,通过对300个文件(每个文件中包含200个测量数据的对比测试表明,这种方法可大幅度提高数据的处理速度。值得一提是,虽然使用Excel 自带的VB 宏程序也可以实现编程目的,但不如独立的VB语言灵活方便。3测

11、量数据分析3.1SPC 技术的数学背景基于SPC 技术的质量控制方法实际上是一种统计推断的方法。实践证明,当生产条件正常,过程处于受控状态时,偶然因素是引起质量特性波动的主要原因,其波动符合正态分布规律。图3所示的正态分布函数曲线性质表明,此时质量特性值将有99.73%落入±3范围内,落入±3范围以外的概率只有0.27%,这显然是一个小概率事件。根据小概率事件原理,在一次实践中发生超出±3范围的小概率事件几乎是不可能的,一旦发生了,说明有系统因素在影响过程,提示我们及早采取预防措施,使过程恢复到稳定的受控状态。正是根据以上基本原理,人们才能利用控制图来判断过程是否

12、稳定受控,而无论3或6,其原理并无明显区别,只是控制标准不同而已。3.2由汇总数据到控制图测量机属于计算机化的测量工具,这为测量数F1P1F2P1FmP1F1P2F2P2FmP2F1Pn F2PnFmPn矩阵AF1P1F1P2FmPn F2P1F2P2FmPn FmP1FmP2FmPn矩阵B!图1矩阵行列互换图2程序界面序号X 实测X 偏差Y 实测Y 偏差Z 实测Z 偏差总偏差0.39表1铰链孔汇总数据54第33卷第4期99.73%0+1+2+3-3-2-1图3正态分布函数曲线据自动处理提供了极大的方便,人们不必再把大量的时间花费在数据记录和数据汇总上面。各种控制图可以根据汇总数据,利用类似S

13、PSS这样的一些专业统计分析软件自动绘制。目前常用的控制图有xR(均值极差控制图和xRs(单值移动极差控制图,而其它几种控制图的工作原理也基本大同小异。其中以xR控制图效果最好,对系统的异常波动比较敏感,但该控制图要求必须采用样本组的方式抽样,每次抽取的样本数目应在35个之间,花费的测量时间比单件样本要长。对于汽车白车身而言,测量点少则几十个,多则几百个,如果采用样本组的方式测量,测量效率会大幅下降。这时可以使用xRs控制图,如图4所示,该控制图用单一测量值和前后相邻两个测量点的差分别代替xR控制图中的组内均值和组内极差,虽然其灵敏度不及xR控制图高,但完全可以满足焊装生产线对过程控制的要求。

14、而对于其它需要控制的重要零件,可根据实际情况确定样本数量和采样频率。无论使用何种控制图,前期的重要工作是稳定工序和改善数据,虽然此时也可以利用汇总数据绘制控制图,但绘制控制图并非用于监控目的,而是通过对人、机、料、法、环等因素的综合分析来判定工序是否处于正常状态。此时数据可能会很不稳定,如图4所示,这时就应该利用其它分析方法查找原因,采取措施加以解决。当影响工序稳定的异常因素全部被消除,工序处于正常状态后,才可以利用控制图进行监控。稳定工序的过程实际也是产品质量持续改进过程的重要环节。对于监控用控制图,由于图中上、下控制线(UCL,LCL和均值线(CL都是根据过去在工序处于稳定状态下某一段时间

15、的数据计算出来的,当利用SPSS软件绘制控制图时,应修改软件的默认设置,使新的样本数据不参与这三条线的计算,否则这三条线会出现微小的波动,有时会严重影响监控效果。作为SPC技术应用的成功案例,利用白车身关键点控制图,我们曾多次发现因焊装夹具定位销出现松动而产生的尺寸异常波动现象,故障排除后,测量点波动又回到正常状态。对于大量采用机器人焊接的自动生产线,这种控制图的预警作用非常重要。把错误消除在萌芽状态中,不但能够使产品质量始终稳定在一个较高的水平上,而且还能提前发现设备的异常情况,避免安全事故的发生。由枯燥无味的数字到令人一目了然的控制图,与其说是数据表现形式的变化,不如说是质量控制方法的一场

16、革命。而测量机的广泛使用和数据处理分析的自动化,使这种控制方法变得更加简单易行。4结束语使用程序和软件的方法对数据进行自动处理和分析,为测量机的深入应用提供了广阔空间,测量机的使用价值也因此得到质的飞跃。测量数据的处理和分析是SPC技术的核心内容,对于包括PowerIn-spect在内的大部分主流测量软件,数据处理和分析功能相对于测量功能较弱。几年来的应用实践表明,通过自行编制简单的数据接口程序对测量数据格式进行转换处理,借助功能更加强大的第三方软件作复杂的数据分析,可起到事半功倍的效果。实际上,本文所提供的方法具有更广泛的拓展性,它可以应用于任何以文件作为测量结果输出载体的计量检测设备,从而实现数据采集、数据处理和数据分析的全程自动化。参考文