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MSA方法在功能测试平台稳定性分析中的应用.pdf
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1、中国新技术新产品2024 NO.2(下)-41-工 业 技 术功能测试平台是大规模生产中用于验证电路板产品功能符合性的重要自制测试设备。该设备是一个复杂的半自动化集成测试系统,包括电子负载、测试机箱夹具、串口通信机箱、网络交换机、程控电源、电流表、网络测试仪以及基于美国国家仪器(NI)有限公司(National Instruments)PXI 工控计算机定制开发的控制机箱,并使用线束、端子集成在一起。由于各种设备和连接线路的可靠性影响了功能测试平台本身的测试稳定性,因此导致测试结果的准确性和可信度不高。目前自制测试平台并没有可供参考的第三方测量系统校准方案,只能对系统集成的测量仪表仪器进行第三
2、方计量校准,无法对整个功能测试平台的稳定性进行评估。本文阐述了如何利用 MSA 测量系统分析、评估功能测试平台稳定性,并对具体过程进行针对性改进。1 MSA 理论研究和分析准备MSA 英文全称为 Measurement System Analysis,其使用数理统计的方法对测量系统的重复精度能力和准确精度能力进行分析,以评估测量系统的分辨率和误差对被测量的参数来说是否合适,并分析测量系统误差的主要因素1。功能测试平台属于计量型半自动化量测系统,通过评估功能测试平台的每个测试输出参数的量具能力 Cg和检具能力指数Cgk是否1.33来判定MSA是否通过。Cg是Capability Gage 的简称
3、,代表检具检测能力,即测量设备保证测量准确可靠程度的能力。Cgk 是 Capability Gage Index 的简称,代表检具能力指数,即测量设备保证测量准确可靠程度的能力指数。Cg与 Cgk这 2 个指标统称量具设备能力,是用来评估一个检测设备的测量能力是否满足被测质量特性的公差要求的方法,主要用来评估量具内部的变差对整个公差带的影响。Cg主要是评估量具自身的重复性。重复性是量具对同一部件进行一致性测量的能力,需要比较每个测试参数规格上、下限公差与实际测试的变差;而 Cgk主要是用来评估量具自身的偏移和偏倚,即量具平均测量值与参考标准值间的差异。同时用 Cg和 Cgk这 2 个指标进行判
4、定的目的是如果 Cgk1.33 或 Cg1.33,可以判定问题主要由测量标准件的重复性导致,还是主要由测量系统的偏倚导致。Cg和 Cgk与被测特性的公差 T 相关联,即使是同样的标准差和极差,只要被测特征的公差 T 足够大,该测量系统的测量能力也是可以接受的2;反之,如果被测特性的公差T 较小,则该测量系统的量具能力不可接受。使用功能测试平台测试电路板的过程可看作一个完整的测量系统,通常测量系统稳定性(包括设备本身)的特性影响因素、操作人员的人为误差因素以及环境变化影响因素导致的测试误差。分析功能测试平台的稳定性之前,需要确定这些因素的影响度,详细分析如下。1)人员操作影响因素分析。确定人员操
5、作在测试过程中的变差影响。自制的功能测试平台是半自动化测试系统,在每次测试操作过程中,所设计的测试夹具只需要将电路板安装插入测试机箱,测试机箱背板连接器与电路板上的对插连接器是否稳定、可靠连接。测试过程由控制机箱上位机软件自动执行,测试过程无须人员干预。对整个测试系统来说,人员操作的因素仅是安装和拆卸电路板,可以确认操作人员每次的安装、拆卸电路板操作产生的变差影响较小,如存在人员操作的误差影响,例如测试夹具需要人工辅助固定或者测试夹具本身有稳定性问题,则本文评估方法并不适用。2)外界环境影响分析。功能测试平台非单一量具,是包括多个功能参数检测能力的复杂系统。在一个完整的 MSA 分析循环中,测
6、试系统是固定不动的,设备的特性参数,如外部供电电压、电磁环境、网络环境、温度和压力等稳定。即确定测试过程中的设备是恒定的,不会因外部条件环境变化而引入新的变差。3)设备特性分析。功能测试平台通过软件自动控制测试电路板的每个测试参数,该测试过程并不会发生机械位移、物理形态变化和环境变化等。功能测试平台本身是由PXI工控计算机为上位机并使用程控软件控制测试机箱和仪器,通过外加电源、电子负载等测试待测电路板的每个通道的输出值。功能测试平台的硬件和软件是固定不变的,变差影响来自2 个方面。第一,功能测试平台测量仪器、电子负载自身因精度、仪器稳定性存在的误差。基于此风险,要求功能测试平台集成的测试仪器也
7、必须是经过计量检定合格的测试仪器,这也是评价功能测试平台稳定性的必要条件。MSA方法在功能测试平台稳定性分析中的应用余强曹杰赵辉(卡斯柯信号有限公司,上海 200040)摘 要:功能测试平台是公司自主开发用来测试电路板功能输出参数的一种半自动化测试系统,测试平台的稳定性决定了电路板测试结果的信赖度。本文利用 MSA 理论方法对功能测试平台每个输出参数的检具能力和检具能力指数进行分析,并根据分析结果针对性地改进功能测试平台,为复杂功能测试系统稳定性评估提供了一定参考。关键词:MSA;功能测试平台;检具能力;检具能力指数中图分类号:TN407文献标志码:A中国新技术新产品2024 NO.2(下)-
8、42-工 业 技 术第二,功能测试平台内部集成的设备、仪器、线缆和电阻负载间的连接是否稳定可靠。4)待测样品分析。需要准备测试金样电路板,被选取的金样必须使用高精度(精度选择通常要大于功能测试平台内部集成的测量仪器精度的 10倍)且已经被上一级计量单位校准合格的测量仪器和设备,并搭建手动测试环境,对挑选的电路板金样进行多次测试,获取待测金样电路板每个输出参数的真值,将其作为进一步 MSA 分析的基准值。基于以上对人员、环境、待测金样电路板和功能测试平台设备本身特性的分析,分析整个测试系统稳定性时无须进行整个系统的测量系统重复性和再现性分析,只需要分析Cg、Cgk和功能测试平台自身设备的稳定性即
9、可。而影响功能测试平台稳定性的因素来自功能测试平台自身的硬件稳定性,如端子接线稳定性、电子器件稳定,这些因素会影响每次测试结果的误差。硬件特性稳定性产生的测试结果属于随机误差,而系统误差受功能测试平台自身测量仪器、仪表和各种器件的精度影响。本文主要分析确认系统误差和随机误差的原因,并针对性地改进功能测试平台硬件,直至满足稳定性测试需求。2 分析过程功能测试平台每次测试输出 665 个不同参数值,需要分析测试出的数据,分为 3 个阶段。第一阶段,确定标准件金样每个参数的基准值和规格上下限;第二阶段,根据统计规律,对同一测量特性进行无限重复测量可以有效降低测量偏差的平均值。本文使用标准件金样,在功
10、能测试平台上连续测试至少 25 次以上(通常 50 次最佳),每个参数值将获得25 个测试数据,计算并评估 665 个测试参数每个参数的量具能力(Cg)和检具能力指数(Cgk)。利用数据统计筛选出 Cg或 Cgk 1.33 的参数,根据测试参数对其测试电路原理进行分析、评价,确定不达标的原因,并针对性地改进功能测试平台相关测试设备。第三阶段,重复第二阶段的测试和分析方法,直至 665 个测试参数满足接受条件。2.1 金样电路板基准值分析通过评估功能测试平台 665 个测试参数实际输出值来分析稳定性。挑选一片质量已知、功能良好的电路板金样,将其作为标准件。根据已被计量校准过的稳压电源、电压表、电
11、流表和电子负载搭建测试环境,手动精确测量每个测试参数的输出值,每个输出值需要测定至少 10 次。每次测定不进行测试夹具拆卸,避免因每次夹具装配位置的差异而引入额外变量,从而影响测试值。多次测定只测定电路板金样本身的硬件电路特性输出值。需要确保针对每个输出参数的每次测量操作只是电路电源开、关的操作,当测量仪器显示的数值稳定后再读取数值。将测试规格上下限、每个参数的 10 次测试数据填入表1,基准值收集统计表见表 1。根据测试值计算出每个测试参数的标准件真值,用 Xm表示,如公式(1)所示。(标准件测试值 1+标准件测试值 2.+标准件测试值 10)10Xm=(1)2.2 检具能力 Cg和检具能力
12、指数 Cgk分析将 2.1 节已经测量确定的电路板金样装入待验证的功能测试平台测试机箱夹具中。连续进行至少25 次以上的测试,每个测试参数获取 25 个测试数据,分别获得每个测试参数的平均值,用 Xi表示,标准差用 Sg表示,6 个标准差用 6Sg表示,规格全距用 T 表示,偏倚用 Bi表示,计算出 Cg和 Cgk,并计算每个测试参数的测试平均值,用X表示,如公式(2)所示,会得到 665 个测试输出参数的各自平均值。X=(测试值 1+测试值 2.+测试值 25)25 (2)计算规格全距,使用 665 个测试输出参数的各自的规格上限值减去各自的规格下限值,得到每个规格值的全距(即公差),即 T
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- 关 键 词:
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