打标对比度与附着力测量的 Cpk 和 Gage R&R

打标对比度与附着力测量的 Cpk 和 Gage R&R

核心要点

• 应先验证测量，再验证工艺。用能力不足的量具计算出的能力指数只是算术，而不是信息。
• 破坏性测试需要采用配对样品的设计，因为同一试样无法被测量两次。
• 计数型方法也有自己的一致性研究：分级方案同样是量具。
• 能力以稳定性为前提。Cpk 应在受控的过程上计算，否则该数值所描述的内容无法重复。

针对装饰和打标工艺的能力研究，往往做得很认真，却被错误地解读，原因是跳过了一个步骤：默认测量系统足够胜任，根据观测到的波动计算能力，然后将不理想的指数归咎于工艺。而往往大部分波动其实来自量具。

观测到的波动有两个来源

每一次测量都包含了过程波动和测量波动的叠加。当测量占总波动的比例较大时，会立即产生若干实际后果：能力指数偏悲观，合格零件被拒收而不合格零件被接受，工艺变更无法被可靠检出，而针对工艺的改进努力因噪声占主导而看不到任何成果。

确定两者的比例，正是测量系统分析的目的，先做这一步会改变后续工作的内容。测量占用了大部分公差的工艺，目前并没有工艺问题，而是有计量问题，解决它通常成本更低。

破坏性测试的问题

标准的量具重复性和再现性研究依赖于对同一零件多次测量。附着力测试会破坏试样，因此设计必须改变。

通常的做法是采用配对样品：在尽可能相同的条件下相邻生产的零件，被视为名义上等效的一组试样，分析则将组内波动与操作员之间和组之间的波动进行比较。组内等效性的假设是承重的前提，其中任何真实存在的零件间差异都会被归入测量系统。

这是一项应予说明而不应掩盖的局限。它意味着破坏性测试的量具研究得出的是测量波动的上限而非精确值，但这仍然有用：只要上限可以接受，测量就是足够的。

计数型方法同样是量具

附着力分级方案和目视标记评定都是测量系统，同样值得严格审视。计数型一致性分析向评定人员提供一组跨越验收边界的零件，以随机顺序重复呈现，并记录每位评定人员在重复呈现时是否与自己一致，以及是否与其他评定人员一致。

临界零件上的结果通常比人们预期的更差，而这恰恰是作出验收决定的区域。一致性差时，可采取的纠正措施包括：更好的参照标准、更清晰的分级准则、依据已知样品进行培训，或用仪器方法取代计数型方法。

具体的测量

标记对比度。只要条件固定，仪器测量是可重现的：仪器类型、照明几何条件、孔径，以及相对于标记和规定背景参照的测量位置。表面纹理、曲率和光泽都会影响读数，因此带有三维打标表面的零件需要把规定的夹持方式作为方法的一部分。

码验证。依据公认标准对机器可读码分级，是该领域表现较好的测量之一，因为标准对孔径、波长和几何条件有严格规定。重复性通常良好；不同型号验证仪之间的再现性则较差，因此规范应指明设备类别。

附着力。胶带和划格方法对胶带批次、施压压力、停留时间以及剥离速率和角度都很敏感。拉拔测试更具定量性，但对拉拔头对中、胶粘剂固化和加载速率敏感。两者都能从消除操作员技巧对结果影响的夹持装置中获益良多。

表面能。达因测试快速、廉价，且主要取决于操作技巧：墨水的存放时间、涂布量、读数间隔，以及操作员对膜何时破裂的判断，都会改变结果，而且墨水系列的分级性质限制了分辨率。当表面能是窗口很窄的受控参数时，接触角仪器可提供达因墨水无法达到的分辨率和重复性。

能力以稳定性为前提

在不稳定的过程上计算出的能力指数，描述的是多种状态的混合，而不是一个工艺，也无法预测未来的产出。在一段时间内对测量进行控制图监控，确认不存在偏移、趋势和特殊原因，是先决条件，而不是锦上添花。

分布形状同样重要。附着力和对比度数据常常呈偏态或有界：分级量表有上限，对比度有物理极限，而将基于正态理论的指数用于强烈非正态的数据，可能在任一方向上产生很大偏差。在计算任何指标之前先绘制数据图，是成本最低的保障。

这里的大多数要求是单侧的：对比度高于最小值，附着力高于阈值，表面能高于某一水平。应采用相应的单侧指数，并且值得明确说明评估的是哪一侧限值，而不是报告对照一个虚设上限计算的双侧数值。

结果不佳时怎么办

能力结果薄弱可能有三种归属，分析应找出是哪一种。如果测量波动占主导，就改进测量：夹持装置、方法规范、更好的仪器、培训。如果过程均值靠近限值，就将其居中，这通常是三者中成本最低的。如果过程波动确实很宽，就必须找出来源，对于这些工艺而言，通常是材料批次差异、处理覆盖范围和一致性、零件间的几何差异，以及维护周期之间的漂移。

区分这三种情形，正是先做测量分析的全部价值。没有它，每个不佳的能力数值都会引发相同的反应，即收紧工艺，而大约有三分之一的时候，这种反应针对的是错误的对象。

反映真实波动来源的抽样

能力研究的代表性取决于所用的零件，而装饰生产线上的研究经常只在一次生产中、同一树脂批次、同一班次、同一操作员、同一周内进行。由此得出的指数描述的是那一次生产，而不是工艺本身。

这些生产线上真正重要的波动，存在于树脂和着色剂批次之间、多腔模具的各型腔之间、夹具位置之间、班次和操作员之间，以及各个维护周期之间。有意跨越这些来源的抽样方案，可得出能预测未来产出的能力数值；而把它们全部保持不变的方案，得出的则是无法复现的乐观数字。

实用的做法是合理分组方案：以足够高的频率抽取小样本组以捕捉短期波动，并持续足够长的时间以涵盖批次和维护周期。它比单次生产研究耗时更长，但这正是支持决策的数字与仅支持报告的数字之间的差别。

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常见问题

为什么测量系统分析要先于能力分析？

因为观测到的波动是过程波动与测量波动之和。如果测量系统占用了公差的很大一部分，计算出的能力指数主要描述的就是量具，针对工艺的改进努力也无法使其改变。先验证测量，才能知道您实际面对的是哪一种问题。

破坏性测试如何进行 Gage R&R？

用配对样品代替重复测量。在相同条件下相邻生产的零件被视为名义上相同，分析则比较组内波动和操作员之间的波动。组内成员等效的假设起着实际作用，应予说明，因为组内的零件间差异会表现为测量波动。

目视分级方法也需要这样处理吗？

需要。划格附着力评级之类的分级方案就是一种量具，计数型一致性分析可确定评定人员之间以及各自重复观察时是否一致。临界零件上的分歧率往往很高，在将该方法用于验收之前，值得先了解这一点。

表面能测量为什么难以验证？

达因测试快速但依赖操作技巧：墨水存放时间、涂布量、读数时间和操作员的判断都会改变结果，而且测量是阶梯式而非连续的，这限制了分辨率。在应用有必要时，接触角仪器可提供更好的分辨率和重复性。

Cpk 对单侧规范有意义吗？

有意义，采用相应的单侧指数即可，因为大多数打标和附着力要求都只有下限：对比度高于某一阈值，附着力高于某一数值。更重要的是过程要稳定、分布要被了解，因为附着力和对比度数据常呈偏态，基于正态的指数可能产生误导。

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