第九章計算機輔助質量系統(tǒng)技術

1、計算機輔助質量系統(tǒng)技術9.1 概述n9.1.1 與質量有關的概念1 質量： 是反映實體（產品或服務）滿足明 確和隱含需要能力的特征和特性的總和。狹義：產品質量廣義：還包括產品或服務形成和實現(xiàn)過程 的質量。要求：在“正確的時間”、“正確的地點” ”做正確的事“ 是指為了實現(xiàn)質量目標，而進行的所有管理性質的活動。 主要任務：制訂質量方針和目標，并建立相應的質量體系已確保質量方針和目標的實施。質量管理經歷了產品質量檢驗、統(tǒng)計質量管理和全面質量管理三個主要階段。2 質量管理：2 質量保證（Quality Assurance）n指為使人們確信某一產品、過程或服務的質量所必須的全部有計劃有組織的活動。 n

2、核心： “使人們確信”n可分為，內部質量保證和外部質量保證4 質量控制 為達到產品或服務的質量要求所采取的作業(yè)技術和活動。強調：“質量要求”應轉化為質量特性，這些特性應能用定量的或定性的規(guī)范表示，以便于作為質量控制時的依據。 5 質量體系n指為保證產品、過程或服務質量，滿足規(guī)定（或潛有）的要求，由組織機構、職責、程序、活動、能力和資源等構成的有機整體。 n質量體系按體系目的可分為質量管理體系和質量保證體系兩類。 比如國際標準化組織（ISO） ISO9000等9.1.2 傳統(tǒng)質量系統(tǒng)存在的問題n傳統(tǒng)的質量系統(tǒng)中缺乏高效的質量信息 采集、處理和管理手段，存在一系列的問題和不足，如由于質量檢驗效率低

3、，無法實現(xiàn)全面的質量檢驗；大多數(shù)采用事后檢驗，不利于質量責任制的落實和質量的改進，成本高。9.1.3 計算機輔助質量系統(tǒng)及其作用n計算機輔助質量系統(tǒng)（CAQ）是以計算機、網絡和數(shù)據庫為手段，充分發(fā)揮計算機的信息處理和數(shù)據存儲、管理能力，協(xié)助人們完成質量管理、質量保證和質量控制中的各項工作，以克服傳統(tǒng)手工質量系統(tǒng)存在的不足，提高產品質量及質量管理水平和效率，降低質量保證和質量管理的成本。CAQ具體任務n1 質量計劃的制定n2 質量檢驗與數(shù)據采集n3 質量評價與控制n4 質量綜合管理1 質量計劃的制定n利用計算機系統(tǒng)和CAD/CAM及MRP系統(tǒng)提供的有關產品和生產過程的信息，完成產品計劃編制和質檢

4、計劃的生成。2 質量檢驗與數(shù)據采集n在CAQ系統(tǒng)中，質量檢測及質量數(shù)據采集子系統(tǒng)的功能就是在質量計劃子系統(tǒng)的指導下，采集制造過程不同階段與產品質量有關的數(shù)據，包括外購原材料及零部件檢測數(shù)據、零件制造過程檢測數(shù)據和最終檢驗數(shù)據，制造系統(tǒng)運行狀態(tài)數(shù)據、裝配過程檢測數(shù)據、成品試驗數(shù)據及產品使用過程故障數(shù)據等。3 質量評價與控制n質量評價與控制包括：1 制造過程質量評價、診斷與控制。2 進貨及供貨商質量評價與控制。 制造過程質量評價、診斷與控制控制器控制變量執(zhí)行機構制造計劃和調度生產設備制造過程質量數(shù)據采集系統(tǒng)評價質量標準質量規(guī)范成品狀態(tài)信息實際質量質量評價與控制進貨及供貨商質量評價與控制。n由供應商

5、或協(xié)助廠來提供部分零件部。進貨質量評價與控制應是“動態(tài)”的，即根據進貨的質量、供應商的歷史狀況更改檢測計劃。對于長期供貨且質量穩(wěn)定的供貨商，可減小抽檢范圍；而對新的、供貨質量不穩(wěn)定的供貨商所提供的零部件的抽檢范圍要擴大4 質量綜合管理n質量綜合管理子系統(tǒng)包括如下功能：（1） 質量成本管理（2） 計量器具質量管理（3）質量指標綜合統(tǒng)計分析及質量決策支持（4）工具、工裝和設備質量管理（5）產品使用過程質量信息管理9.2 計算機輔助質量系統(tǒng)設計n9.2.1 CAQ系統(tǒng)基本組成共享數(shù)據庫網絡系統(tǒng)質量追蹤系統(tǒng)總控市場需求及信息用戶反饋意見維修點信息質量計劃外部質量控制與評價質量評審計量器具管理其他管理信

6、息系統(tǒng)軟件接口綜合質量管理提供給用戶的質量文件質量報告自動監(jiān)控工作站檢測站成品半成品制造過程工作質量決策支持質量指標質量成本9.2.2 CAQ系統(tǒng)的信息流程市場調查質量功能展開CADCAPP仿真CAQ產品檢驗計劃工序控制計劃工序質量控制產品制造產品檢驗儲運售后服務信息反饋質量成本統(tǒng)計質量改進9.2.3 CAQ系統(tǒng)功能設計與分析n五大功能子系統(tǒng)（1）質量計劃子系統(tǒng)（2）質量檢測（3）質量評價與控制（4）質量信息綜合管理（5）軟件系統(tǒng)運行管理9.2.4 CAQ系統(tǒng)結構nP 2399.3 質量信息采集方法n1 手工n2 半自動n3 自動檢測9.4 質量控制與分析方法n質量控制與分析主要是：通過分析、

7、處理生產實際中獲取的各種數(shù)據和信息來判別系統(tǒng)的質量狀況、發(fā)展趨勢和產生質量問題的原因，從而達到質量預測與控制的目的，是執(zhí)行全面管理的基本手段。n常用方法：控制圖表法、分層法、因果分析法、散布圖法、直方圖法、調查表法、排列圖法、關聯(lián)圖法、KJ法、系統(tǒng)圖法、矩陣圖法、矩陣數(shù)據分析法、PDPC法和箭頭法等。9.4.1 控制圖法n通過采集生產過程中的質量數(shù)據、進行統(tǒng)計分析，從而進行質量控制管理。n它吧質量數(shù)據域計算確定的控制界限相比較，判斷生產過程是否穩(wěn)定，是否出現(xiàn)系統(tǒng)性差異，進而采取措施，達到控制生產或服務過程、保證質量的目的。質量統(tǒng)計控制圖控制圖作用n評價加工過程的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)并及時消除生產過程中的

8、失調現(xiàn)象，從而起到保證質量、防患與未然的作用。n減少廢品和返工，從而提高生產效率、降低成本、提高生產能力。n可以區(qū)分質量的偶然波動與異常波動，使操作者減少不必要的過程調整。n提供重要的過程參數(shù)數(shù)據以及它們的時間穩(wěn)定性?？刂茍D原理（統(tǒng)計分析）2 控制線算法n不同類型的控制圖，其控制線的算法也不相同。 X圖為例：根據確定的抽樣數(shù)求出樣本數(shù)據的中心線X和標準偏差 ，以及上下控制界限，作出X控制圖（9.12），然后能直接將測得的工件的被控制以點的形式畫在圖上，觀察它的發(fā)展趨勢。中心線x的計算公式nxnxxxxniin121.X樣本號N樣本總數(shù)I 樣本號標準差公式1)(12nxxnii上下控制界限lll

9、h和3x3 控制圖的種類及選用n控制圖表根據質量數(shù)據的類型可分為計量值控制圖和計數(shù)值控制圖。這些控制圖各有各的用途，應根據所控制質量指標的情況和數(shù)據性質加以選擇。4 控制圖的判斷規(guī)則n在做好控制圖后，即可將質量數(shù)據按各類控制圖的要求處理后標到控制圖上，最后根據標入控制圖上點的分布狀態(tài)做出質量狀況的判斷。判斷規(guī)則：n1 控制圖中的測量數(shù)據點不超過控制界限。如果超過判斷為生產過程發(fā)生異常變化。n2測量數(shù)據點的控制圖中的排列沒有缺陷。以下為缺陷表現(xiàn)。數(shù)據缺陷表現(xiàn)（p246）n1、 數(shù)據點在中心線一側連續(xù)出現(xiàn)7次以上。n2、 連續(xù)7個以上的數(shù)據點上升或下降】n3 、數(shù)據點在中心線一側多次出現(xiàn)，如果連續(xù)

10、11個點中有10個數(shù)據點在中心線同側。n4、 連續(xù)3個點中，至少有2個點在上方或下方的2 橫線以外n5、數(shù)據點出現(xiàn)連續(xù)的周期性變化。 9.4.2 因果分析法9.5 加工系統(tǒng)工藝檢測技術n加工系統(tǒng)工況監(jiān)測的作用加工系統(tǒng)工況監(jiān)測的作用 n 加工系統(tǒng)工況監(jiān)測是加工系統(tǒng)正常運行、保質保量完成生產任務的重要保證,是CAQ系統(tǒng)中制造過程質量保證的重要內容，其基本原理是通過自動采集加工過程中的各種信息（如切削力、切削溫度、振動等），由計算機進行系統(tǒng)的信號分析和處理，來識別加工過程是否正常及產生異常的原因，從而保證系統(tǒng)正常安全運行，生產出合格的產品。 加工系統(tǒng)工況監(jiān)測可以避免加工過程中事故的發(fā)生，避免廢品產生

11、和設備損壞，提高設備利用率和智能化水平，縮短生產輔助時間。據估計，采用加工工況實時監(jiān)控技術，可將人為或技術因素引起的故障停機時間減少75%，有效加工時間由無監(jiān)控系統(tǒng)時的10%提高到65%，機床利用率提高50%以上，加工費用降低30%以上。加工工況監(jiān)測的主要內容加工工況監(jiān)測的主要內容n 加工工況監(jiān)測包括的主要內容有加工設備狀態(tài)監(jiān)測、刀具狀態(tài)監(jiān)測、加工過程監(jiān)測、加工工件質量監(jiān)測、加工系統(tǒng)運行環(huán)境監(jiān)測等5個方面。具體內容如下圖所示。其中刀具狀態(tài)監(jiān)測和加工過程監(jiān)測是技術難度最大、也是研究人員投入精力最多的加工工況監(jiān)測內容。9.5.2 加工系統(tǒng)工監(jiān)測的一般方法加工系統(tǒng)工況監(jiān)測中常用的傳感器 加工系統(tǒng)工況

12、監(jiān)測中特征信號的獲取方法 加工工況監(jiān)測的決策方法 n力+振動傳感器可以監(jiān)控磨損（信號處理及決策方法有FFT、統(tǒng)計分析、NN，統(tǒng)計分析、門限，動態(tài)切削力建模）沖擊（信號處理及決策方法有FFT、統(tǒng)計分析，NN）沖擊磨損（時序建模）破損（門限值）。n力+AE傳感器可以監(jiān)控磨損(信號處理及決策方法有門限值、NN磨損模型)磨削過程監(jiān)控(有門限值,專家系統(tǒng)，時序模型），破損（有門限報警）。n其他組合。AE+電流可以監(jiān)控磨損（信號處理及決策方法有模糊模式識別、NN），磨削過程監(jiān)控（信號處理及決策方法有門限值）；力+電流可以監(jiān)控磨損、破損沖擊（信號處理及決策方法有門限）；噪聲+電流可以監(jiān)控磨損、破損（信號處理

13、及決策方法有模糊識別）；AE+振動可以監(jiān)控磨損、破損（信號處理及決策方法有統(tǒng)計分析、NN）； AE+ 超聲可以監(jiān)控磨損監(jiān)控(信號處理及決策方法有時序分析)；力+聲音可以監(jiān)控沖擊（信號處理及決策方法有統(tǒng)計分析、門限值）電流、力、振動可以監(jiān)控破損（信號處理及決策方法有統(tǒng)計分析，門限值）。加工系統(tǒng)工況監(jiān)測應用實例加工系統(tǒng)工況監(jiān)測應用實例n用加工尺寸變化作為判據的監(jiān)控方法來判別生產過程是否正常，在大批量生產中應用最廣。通常，在自動化機床上用三維測頭、在 FMS中配置坐標測量機或專門的檢測工作站進行在線尺寸自動測量等，都是以尺寸為判據，同時用計算機進行數(shù)據處理，完成質量控制的預測工作。圖為在CNC車床上

14、用三維測頭對工件上孔的尺寸進行自動測量的示意圖。測頭在計算機控制下，由參考位置進人測量點，計算機記錄測量結果并進行處理，測頭自動復位。圖中的箭頭為測頭中心移動的方向。 n用探針監(jiān)測刀尖位置是一種非連續(xù)的直接檢測刀具破損的方法。它是在加工間歇內，使用加工中心的尺寸檢測系統(tǒng)來檢測刀具的長度或切削刃的位置，如圖所示。當?shù)毒咭淮巫叩锻旰?，將裝在工作臺某個位置的探針或接觸開關移到刀尖附近，當?shù)毒撸▓D中的鉆頭尖）碰到探針時，利用機床坐標系統(tǒng)記下刀尖的坐標，并計算出刀具長度 L，調用子程序比較L與存儲在計算機中的刀具標準長度Ls，如果L Ls一l，則說明刀具沒有折斷或破損，如果 L Ls一l，則說明刀具已報

15、廢，需要換刀，l為刀具的允許磨損量。 電機功率和聲發(fā)射信號進行刀具狀態(tài)監(jiān)測 n用電機功率和聲發(fā)射信號進行刀具狀態(tài)監(jiān)測。在該系統(tǒng)中，采用小波分析提取刀具磨損與破損的特征信號，采用模糊神經網絡進行刀具磨損破損狀態(tài)的識別。 刀具磨損狀態(tài)隸屬函數(shù) n刀具磨損狀態(tài)分類的隸屬函數(shù)將刀具磨損破損狀態(tài)分為初期磨損A、正常磨損早期B、正常磨損中期C、正常磨損后期D、急劇磨損E和刀具破損F。 智能融合模型 n建立的刀具磨損破損檢測的神經網絡模型。由傳感器檢測的聲發(fā)射信號和電機功率信號經小波分析處理后，得到與刀具磨損密切相關的特征參數(shù) x1、x2、x3、x4，將其輸入模糊神經網絡模型進行處理，得到刀具磨損破損狀態(tài)；

16、同時，將切削參數(shù)、切削時間和刀具材料等參數(shù)輸入刀具磨損預測模型（刀具壽命公式）進行分析計算，并對計算結果進行模糊分類，得到第二組刀具磨損破損狀態(tài) A2、B2、C2、F2，兩個模型進行判別的刀具狀態(tài)結論輸入模糊神經網絡模型進行最后決策處理，即得到刀具磨損破損狀態(tài)識別的最后結果。9.5.4 加工系統(tǒng)故障診斷技術加工系統(tǒng)故障診斷技術n加工系統(tǒng)故障診斷可分為兩大類，一類是在系統(tǒng)工作異常時，要通過故障診斷，分析出導致這種異常的原因和部位（子系統(tǒng)、部件、元件及其位置）；另一類是在加工系統(tǒng)中出現(xiàn)被加工零件的技術指標（如精度）達不到要求時，要通過故障診，分析導致技術指標超差的原因。 9.6 質量的在線檢測與補

17、償技術n保證零件加工精度的途徑：1母性原則：機床的精度高于工件所要求的精度。2創(chuàng)造性原則：在精度低于工件的機床上利用誤差補償技術來提高精度。加工誤差組成誤差補償?shù)幕驹?n根據誤差補償?shù)膶崟r性，誤差補償可以分為非實時誤差補償和實時誤差補償。非實時誤差補償只能補償加工中的系統(tǒng)誤差，又稱為靜態(tài)誤差補償。實時補償是指在加工過程中對誤差進行實時檢測，并隨后緊接著進行誤差補償，也就是在線誤差補償，又稱動態(tài)誤差補償，實時補償不僅能補償加工過程中的系統(tǒng)誤差而且還能補償隨機誤差。誤差補償系統(tǒng)的基本組成及工作原理見下圖。 例：數(shù)控車床上加工細長軸。 n數(shù)控車床上加工如圖a所示的細長軸，毛坯棒料的尺寸為27x2

18、20，材料為45號鋼，由于系統(tǒng)剛度低，在切削力作用下要產生變形。同時，由于機床導軌運動系統(tǒng)誤差的共同作用，常常會產生較大的誤差。為減小加工誤差，先對機床運動系統(tǒng)誤差進行標定，建立起機床運動誤差與機床坐標系統(tǒng)之間的關系，同時建立起切削力模型和加工系統(tǒng)剛度模型，由此可計算出各加工點由切削力產生的變形誤差，將兩個模型進行融合，建立綜合誤差模型。在加工前通過仿真，計算出刀具軌跡的誤差，然后進行刀具軌跡修正，補償加工誤差，圖 b是補償前后的加工誤差大小分布，由圖可看出，通過補償可使加工誤差大大減小。 專用誤差補償裝置實現(xiàn)誤差補償誤差預報補償控制原理 n20世紀80年代，隨著計算機技術、時序分析方法及動態(tài)數(shù)據建模理論的發(fā)展，在動態(tài)數(shù)據系統(tǒng)（Dynamic Data System ，DDS）建模方法的基礎上，創(chuàng)立了誤差預報補償控制（Forecasting Co