bilim.techО проекте

Нормальное распределение

Почему валы одной партии чуть разные и сколько из них уйдет в брак? Меряй детали, строй гистограмму и смотри, как она превращается в колокол.

01 Что это такое

Когда на результат влияет много мелких случайных причин, разброс складывается в колокол.

Станок точит валы одного размера, но каждый вал выходит чуть другим: резец немного изнашивается, заготовка греется, вибрирует шпиндель. Каждая причина сдвигает размер на сотые доли миллиметра то в плюс, то в минус. Большинство деталей оказывается около среднего, а сильно отличающихся мало. Если нарисовать, сколько деталей попало в каждый узкий интервал размеров, получится колокол. Его центр это среднее μ, а ширина задается разбросом σ.

μμ − σμ + σμ − 2σμ + 2σ68 % деталейразмер валасколько деталей такого размераширина 2σ
Каждая точка снизу это один измеренный вал. Около среднего μ их больше всего. Между μ − σ и μ + σ лежит примерно 68 % всех деталей.
μ
Среднее. Центр колокола: размер, около которого собираются детали. Его задает настройка станка.
σ
Стандартное отклонение. Насколько в среднем детали отличаются от μ. Чем больше σ, тем шире и ниже колокол.
±δ
Допуск. Насколько размер может отличаться от номинала, чтобы деталь была годной. Все, что за границами, уходит в брак.
02 Опыт
Измеряй валы партиями. Смотри, как гистограмма превращается в колокол. РАСЧЕТ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ
ВЕРОЯТНОСТЬ И СТАТИСТИКА

Сколько валов уйдет в брак?

Рис. 7.3
СЛУЧАЙ
Брак по теории
Брак в партии
Индекс Cpk

ⓘ Размер каждого вала это случайное число, полученное методом Бокса-Мюллера из двух равномерных случайных чисел. Доля брака по теории считается через функцию ошибок erf, для нее взято приближение с точностью около 10⁻⁷.

03 Формулы по буквам

Колокол, сигмы и доля брака

Первая формула описывает форму колокола. Вторая переводит любой размер в «сколько сигм от среднего». Третья по этим сигмам дает долю брака и оценку станка. Под каждой формулой числа из опыта.

Как часто встречается размер x?

f(x) = 1σ√(2π) · e−(x − μ)² / (2σ²)

(x − μ) это отход от среднего. Он возводится в квадрат, поэтому отход в плюс и в минус дает одно и то же: колокол симметричен. Деление на 2σ² задает ширину. Экспонента с минусом быстро падает к нулю, поэтому дальние размеры редки. Множитель 1/(σ√(2π)) делает площадь под кривой равной единице.

f(x)
плотность: доля деталей на 1 мм размера около x
μ, σ
среднее и стандартное отклонение, в мм
e, π
постоянные: e ≈ 2,718, π ≈ 3,1416

На сколько сигм граница отстоит от среднего?

z = x − μσ

Стандартизация убирает миллиметры: z показывает отход в сигмах. После нее любой колокол становится одним и тем же, с центром 0 и шириной 1, и одна таблица годится для любых деталей.

z
отход от среднего в сигмах, без единиц
LSL, USL
нижняя и верхняя границы допуска: 50 − δ и 50 + δ
|z| ≥ 3
деталь дальше трех сигм: такое бывает реже чем 3 раза на 1000

Сколько брака и хорош ли станок?

P = Φ(zн) + 1 − Φ(zв),   Cpk = min(USL − μ, μ − LSL)3σ

Φ(z) это доля деталей левее z, площадь под колоколом. Слева от нижней границы брак Φ(zн), справа от верхней 1 − Φ(zв). Cpk показывает, сколько раз по 3σ помещается от среднего до ближней границы. Cpk ≥ 1,33 считают хорошим процессом.

Φ(z)
доля деталей меньше z: Φ(z) = ½ · (1 + erf(z / √2))
zн, zв
нижняя и верхняя границы допуска в сигмах
Cpk
индекс пригодности процесса: 1 это брак около 0,3 %, 2 это шесть сигм

Откуда берется колокол

Доска Гальтона: шарик падает сквозь ряды штырей и на каждом отскакивает влево или вправо с равной вероятностью. Чтобы попасть в крайнюю ячейку, нужно 8 раз подряд отскочить в одну сторону, это случается 1 раз из 256. В среднюю ячейку ведет 70 разных путей из 256, поэтому туда попадает больше всего шариков. Размер вала устроен так же: каждая мелкая причина сдвигает его чуть влево или вправо, и сумма многих таких сдвигов дает колокол. Это утверждение называется центральной предельной теоремой.

По измерениям μ и σ оценивают так: среднее равно сумме размеров, деленной на их число. Разброс равен корню из среднего квадрата отходов. Делят на N − 1, а не на N, потому что одна степень свободы ушла на расчет среднего.

x̄ = (x₁ + … + xN) / N
выборочное среднее, оценка μ
s = √(Σ(xᵢ − x̄)² / (N − 1))
выборочное стандартное отклонение, оценка σ
μ ± σ
около 68 % деталей
μ ± 2σ
около 95 % деталей
μ ± 3σ
около 99,7 % деталей
0,43,110,921,927,321,910,93,10,48 рядов штырей:влево или вправос вероятностью ½% шариков
Цифры под столбиками: какая доля шариков попадает в ячейку. Колокол почти точно ложится на столбики.
04 Где и зачем это применяют

Везде, где есть разброс и допуск

Допущения модели+

Считается, что причины разброса мелкие, независимые и ни одна не главная. Если станок постепенно изнашивается во время партии, или в партии смешаны детали с двух станков, гистограмма уже не колокол: она смещается или получает два горба. Хвосты реальных распределений часто толще нормальных, поэтому при очень малом браке, порядка долей на миллион, расчет по формуле дает только оценку. Для ресурса шин и подшипников часто лучше подходит распределение Вейбулла.

Еще в направлении «Математика»

Все темы направления «Математика» →