ISO 22514-8 · 多状态生产过程的机器性能

一模多腔、多夹具、热处理炉内不同位置——一个生产过程会自然分成多个"状态",每个状态一个分布
ISO 22514-8:2014(E)

1 · 什么是"多状态"过程

当同一个生产工具产出多个明显不同的分布时

第 3 册(ISO 22514-3)的机器性能 Pm/Pmk 假设过程是单模态的。但现实中很多过程天然多模态:

多腔模具:一模同时出多个件,每腔一个分布 多夹具:不同夹具装夹带来系统偏差 批量热处理:炉内不同位置温度不同 多工位/多转塔加工

标准把每个"造成显著差异的来源 × 其某个水平"称为一个过程状态(process state)。每个状态生成一个统计分布,整个过程的分布是所有状态分布的混合。

一句话:多状态过程的机器性能,就是把各状态的散布宽度各状态位置的差异一起,合成一个"全局固有散布",再算 Pm/Pmk。

2 · 局部固有散布 与 全局固有散布

标准 3.7 / 3.11 / 3.12:先分后合
Dij = X99.865%,j − X0.135%,j  (状态 j 的局部固有散布宽度,正态下 ≈ 6σj
Dig = 由各 Dij 与状态间位置差 m 合成得到的全局固有散布宽度

位置差 m 是最远两个状态均值之差(如最大均值 − 最小均值)。若各状态均值相等则 m=0。

Box-Cox 思想也用得上:若某特性偏态,应先做变换(如对数)再按正态处理——但本册示例大多直接按正态。测量不确定度按 95.44% 置信(k=2 等效)评估。

3 · 5 种全局固有散布类型(标准表 1)

分类取决于"宽度相等否"和"位置差 m 是否为零"
类型局部宽度 Dij位置差 m形态
Type 1相等=0单模态
Type 2相等≠0(恒定)单模态(偏移)
Type 3相等≠0(可变)单模态(偏移可变)
Type 4不等=0(恒定)多模态
Type 5不等≠0(可变)多模态

不同类型的 Pm/Pmk 计算公式不同(标准表 2)。核心思路统一为:Pm = 公差带 / 全局固有散布宽度Pmk = 取上、下边界中最严的一个

判断走哪条公式,靠统计检验:Bartlett 检验判各状态宽度是否相等,Fisher 检验判各状态位置是否相等(m=0?)。

4 · 算例 A.1:真空镀膜旋转钟(3 状态)

标准 Annex A.1:一模多腔(外缘/中圈/中心)三个状态

目标:机器性能指数 > 1.33。测得 3 个状态各 10 次(循环取样):

状态均值标准差
外缘 P26.7100.997
中圈 I31.1601.143
中心 C36.3600.922

Bartlett 检验:标准差可合并估计为 σ ≈ 1.01(宽度相等)。位置差 m = 36.360 − 26.710 = 9.65。公差 T = 20。

Pm = (T − m) / (6σ) = (20 − 9.65) / (6×1.01) ≈ 1.69
Pmk = (最差状态均值 − L) / (3σ) = (26.71 − 25) / (3×1.01) ≈ 0.56
判定:Pm=1.69 看似合格,但 Pmk=0.56 ≪ 1.33 → 不合格。原因:三个状态位置差太大(m=9.65),离下规格限最近的外缘状态把能力拖垮。这正是多状态分析与单状态的区别。

5 · 互动计算器:复现 A.1(等宽、m≠0 情形)

标准表 2 中 Type 2/3 的简化算法

多状态 Pm / Pmk 计算器(等宽假设)

默认填入 A.1 数据:T=20、m=9.65、σ=1.01、最差均值=26.71 → 应得 Pm≈1.69、Pmk≈0.56
本计算器对应"各状态宽度相等"的情形(Type 2/3):Pm=(T−m)/(6σ);Pmk 取下边界 (worst−L)/(3σ) 与上边界 (U−best)/(3σ) 之较小者。若宽度不等则需按 Type 4/5 取 max(Dij) 处理。

6 · 算例 A.2:连续炉热处理(瞬态 vs 稳态)

标准 Annex A.2:炉内左/中/右位置 × 炉次起/止

对"奥氏体化"硬度特性 [55, 60] HRC 做资格认证。Bartlett + Fisher 检验均通过(宽度、位置均可视为相等),合并 σ≈0.216(稳态)/0.371(瞬态)。标准表 A.8 结果:

瞬态 Pm
2.58
稳态 Pm
2.25
稳态 Pmk
1.91
判定:Pm=2.25、Pmk=1.91 均 > 1.33 → 热处理过程完全有资格。注意这里把"炉次开始"和"炉次结束"当成两个状态,证明多状态框架能处理时间维度。

7 · 算例 A.3:多工位加工(含离群值效应)

标准 Annex A.3:6 个适配器,各 5 件

公差 20 ± 0.2 mm。各适配器均值从 20.024 到 20.120 不等,标准差各异。检测到一处离群值(19.95,偏离 −0.17),按标准并入"局部散布修正"。结果:

Pm
1.25
Pmk
1.08
离群效应 a
0.17
判定:目标 Pmk ≥ 1.3,实际 Pmk=1.08 < 1.3 → 资格被拒。说明适配器间的平行度差异(系统偏移)是主因,需先改善夹具/适配器一致性再重测。

8 · 怎么决定走哪条公式:三个统计检验

标准 Annex B:Grubbs / Bartlett / Fisher
检验用途默认显著性
Grubbs检测/剔除离群值5%
Bartlett各状态宽度 Dij 是否相等5%
Fisher (F 检验)各状态位置是否相等(m=0?)5%

流程:先用 Grubbs 清离群 → Bartlett 判宽度 → Fisher 判位置 → 由此选定 Type 1–5 → 套表 2 公式。样本量建议每状态 ≥30(或总 N = n·k 足够),n=30 时 Pm 的置信区间约为 ±26%。

Bartlett 要求样本量差异不超过 50% 且每组 ≥3;否则可用 Levene 检验替代。Fisher 用于均值齐性;若方差不齐则结论要谨慎。

9 · 所以呢?(落地建议)

遇到"一模多件/多工位"时

① 先拆状态,再算能力。别把多腔/多夹具的数据混成一个分布硬算 Pm——会严重高估。先按内在因素(腔、夹具、炉位)定义状态。

② 看 Pmk 而非只看 Pm。A.1 中 Pm=1.69 看着不错,但 Pmk=0.56 暴露了状态间位置差过大。多状态下 Pmk(最严边界)才是真实底线。

③ 离群值别急着删。先判断是录入错、测量错、还是物理真实(如 A.3 的 −0.17 偏移)——真实离群要并入散布修正,而不是简单丢弃。

10 · 数据来源与说明

透明可追溯

本页公式与算例来自 ISO 22514-8:2014(E)(BSI 等同采用)。原文件为扫描版,经 130 DPI 渲染 + PaddleOCR v4 识别;三类 Annex A 算例(Pm/Pmk = 1.69/0.56、2.25/1.91、1.25/1.08)及 5 种类型划分、三检验用途已与原文核对。第 5 节计算器复现 A.1 算法,可离线复算。

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