《智能制造系統(tǒng)感知分析與決策 》 課件 第5、6章 智能制造過程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量管理、設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理

2024第5章智能制造過程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量管理加工工藝技術(shù)01加工在線監(jiān)測(cè)02目錄03040506工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析工藝優(yōu)化質(zhì)量管理系統(tǒng)本章小結(jié)智能制造過程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量管理導(dǎo)讀加工是智能制造系統(tǒng)的核心步驟，精準(zhǔn)的加工過程在線監(jiān)測(cè)與工藝-質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵分析技術(shù)，基于此可以實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化改善，提升產(chǎn)品質(zhì)量性能。本章將圍繞制造加工過程，介紹常見的加工工藝類型、加工在線監(jiān)測(cè)技術(shù)手段、工藝-質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析、基于優(yōu)化的工藝優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工藝改善提升以及質(zhì)量管理系統(tǒng)。通過對(duì)這些技術(shù)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，讀者將能夠掌握在智能制造過程中如何利用大數(shù)據(jù)及優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行加工質(zhì)量的分析與工藝提升。智能制造過程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量管理?工藝優(yōu)化分析技術(shù)流程，設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)、回歸設(shè)計(jì)、穩(wěn)健設(shè)計(jì)及多目標(biāo)優(yōu)化問題3124?常見的加工工藝技術(shù)類型?加工在線監(jiān)測(cè)方法，包括無損缺陷檢測(cè)與機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)?工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量缺陷根源的定位本章知識(shí)點(diǎn)：01PARTONE加工工藝技術(shù)1加工工藝技術(shù)加工工藝技術(shù)是使用特定的加工方法，按照預(yù)先設(shè)定的需求改變?cè)牧系男螤?、尺寸、性能或相?duì)位置，使之成為成品或半成品的加工方法和技術(shù)。加工工藝技術(shù)的實(shí)質(zhì)是與物料處理過程相關(guān)的技術(shù)，機(jī)械產(chǎn)品的制造過程就是一類典型的物料處理過程。機(jī)械制造過程需要多個(gè)工藝環(huán)節(jié)，包括原材料及能源準(zhǔn)備、零件毛坯成形、毛坯切削加工、表面改性與處理、裝配、包裝以及成品質(zhì)量檢測(cè)控制等。其中零件毛坯的成形環(huán)節(jié)包括原材料切割、焊接、鑄造、鍛壓等加工成形技術(shù)；表面改性與處理包括熱處理、電鍍、化學(xué)鍍、涂裝、熱噴涂等。1加工工藝技術(shù)按照加工工藝技術(shù)中成品或半成品的成形原理，可以將加工工藝大致分為下列三類：（1）受迫成形(CompelledForming)。受迫成形是塑性加工工藝，通過模具或壓力將半固化材料成形，包括鑄造、鍛壓、擠壓等。此工藝材料利用率高，但能耗大，難以制造復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，材料流動(dòng)性差時(shí)成形更難，能耗增加。（2）去除成形(DislodgeForming)。去除成形是機(jī)械或特種加工方法，通過移除材料滿足設(shè)計(jì)需求，包括車、銑、刨、磨和激光、線切割等。此方法能耗大，材料浪費(fèi)多。1加工工藝技術(shù)（3）添加成形(AddingForming)。添加成形是材料累加制造過程，通過計(jì)算機(jī)模型和自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)分層制造，具有高靈活性。能快速制造復(fù)雜零件，縮短周期，提高材料利用率，減少能耗。但材料選擇有限，適合樣品制造，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。1加工工藝技術(shù)1.1經(jīng)典加工工藝經(jīng)典加工工藝是經(jīng)過長(zhǎng)期的發(fā)展和完善，已經(jīng)基本成熟可靠并廣泛應(yīng)用于各種制造業(yè)領(lǐng)域的加工工藝。經(jīng)典加工工藝以受迫成形和去除成形方法為主，主要包括熱加工工藝、切削加工工藝和特種加工工藝三類。1.1加工工藝技術(shù)1.1.1熱加工工藝熱加工是將原材料進(jìn)行加熱、保溫、冷卻，改變?cè)牧系奈锢砘蚧瘜W(xué)性質(zhì)，從而達(dá)到預(yù)期的形狀或性能要求的一種金屬加工過程。常用的熱加工工藝包括鑄造、塑性成形和焊接等。1.1加工工藝技術(shù)鑄造鑄造是將液態(tài)金屬倒入鑄型，冷卻后制成毛坯或零件的方法，分為砂型鑄造和特種鑄造。優(yōu)點(diǎn)包括適應(yīng)性強(qiáng)和成本低。鑄造可制造復(fù)雜形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件，設(shè)備簡(jiǎn)單，原材料易得。常見缺陷有氣孔、澆不足、夾渣和裂紋，會(huì)影響力學(xué)性能。1加工工藝技術(shù)塑性成形塑性成形是通過外力使金屬原料塑性變形，以獲得所需形狀、尺寸和力學(xué)性能的零件或毛坯。包括自由鍛造、沖壓、軋制和模型鍛造等。這種方法比鑄造件有更好的力學(xué)性能，因?yàn)樗芗?xì)化晶粒并減少內(nèi)部缺陷。1加工工藝技術(shù)焊接焊接是經(jīng)典加工工藝中的一類添加成形方法，它是利用加熱或加壓手段將分離的金屬材料連接在一起的加工工藝焊接可以分為熔焊、壓焊和釬焊三類。與其他連接方法相比具有氣密性好、節(jié)約金屬材料等優(yōu)點(diǎn)。1加工工藝技術(shù)1.1.2切削加工工藝切削加工在機(jī)械制造過程中占有十分重要的地位，是典型的去除成形方法。切削加工是用不同刀具從毛坯等原材料上去除多余材料，使零件達(dá)到設(shè)計(jì)需要的形狀、尺寸、公差及表面質(zhì)量的加工過程。傳統(tǒng)的切削加工方法有車削、銑削、刨削、磨削和鉆削等。1加工工藝技術(shù)車削車削是應(yīng)用非常普遍的一種切削加工方法，在車削加工中主運(yùn)動(dòng)是工件回轉(zhuǎn)，車刀作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，一般用于加工機(jī)械零件的回轉(zhuǎn)表面。1加工工藝技術(shù)銑削銑削加工中銑刀旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)，待加工工件作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。銑刀是多刃刀具，每個(gè)刀齒相當(dāng)于一把車刀，在銑削加工過程中根據(jù)加工表面需要選擇不同的銑刀刃進(jìn)行加工。1加工工藝技術(shù)刨削刨削和銑削都是加工平面和溝槽表面的常用方法，刨削是用刨刀在工件待加工表面作水平相對(duì)直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)進(jìn)行切削的加工方法。1加工工藝技術(shù)鉆削鉆削是常用的孔加工方法，是用鉆頭或鉸刀、锪刀在工件上加工孔的切削加工技術(shù)。鉆削的加工場(chǎng)所可以是臺(tái)式、立式或搖臂鉆床，也可以在車床銑床等設(shè)備上進(jìn)行加工。1加工工藝技術(shù)磨削磨削是用磨具對(duì)工件表面進(jìn)行材料去除，以達(dá)到更高的表面精度的一類加工方法。磨削加工屬于精加工，去除材料量較少，但有更高的加工精度。1加工工藝技術(shù)1.1.3特種加工工藝特種加工工藝是利用聲、光、電、磁或化學(xué)等能量形式去除多余材料，改變材料形狀及性能的非傳統(tǒng)加工方法。常見的特種加工包括激光加工、電火花加工、線切割等。1加工工藝技術(shù)1.2先進(jìn)加工工藝先進(jìn)加工工藝是機(jī)械工藝技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物，包含優(yōu)化的傳統(tǒng)工藝和新型加工方法。它是先進(jìn)制造發(fā)展的關(guān)鍵，具有質(zhì)量高、效率高、能耗低、清潔和靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)。1加工工藝技術(shù)1.2.1超高速加工技術(shù)超高速加工技術(shù)使用超硬刀具和高自動(dòng)化設(shè)備，以極高切削速度提高材料切除率、加工精度和質(zhì)量。超高速加工技術(shù)與常規(guī)切削加工工藝的顯著區(qū)別就是加工效率大幅提升，同時(shí)能量消耗、刀具磨損等指標(biāo)都優(yōu)于常規(guī)切削加工的指標(biāo)。1加工工藝技術(shù)1.2.2超精密加工技術(shù)01超精密加工技術(shù)是指加工精度小于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.01μm的加工方法，包括超精密切削加工和超精密磨料加工。02超精密切削加工主要采用金剛石刀具進(jìn)行超精密車削加工，常用于有色金屬材料及其合金、以及石材、光學(xué)玻璃、碳素纖維等非金屬材料的加工。03超精密磨料加工是利用細(xì)粒度的磨?；蛭⒎勰チ线M(jìn)行砂輪磨削、砂帶磨削、研磨、拋光等超精密加工的總稱，即利用磨料進(jìn)行的超精密加工。1加工工藝技術(shù)1.2.3快速原型制造技術(shù)快速原型制造技術(shù)(RapidPrototypingManufacturing，RPM)的出現(xiàn)是對(duì)傳統(tǒng)加工思想的突破，RPM技術(shù)綜合利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)等相關(guān)制造原理和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了零件從建模設(shè)計(jì)到實(shí)體成形制造的一體化。1加工工藝技術(shù)1.2.3快速原型制造技術(shù)按照成形原理可以將RPM技術(shù)分為基于激光或其他光源的成形技術(shù)和基于噴射的成形技術(shù)。其中，基于激光的成形技術(shù)主要包括立體印刷法、分層實(shí)體制造、選擇性激光燒結(jié)等；基于噴射的成形技術(shù)主要包括熔融沉積制造和三維打印制造等。1加工工藝技術(shù)立體印刷法在一定強(qiáng)度的紫外激光照射下液態(tài)光固化樹脂會(huì)在一定區(qū)域內(nèi)固化，立體印刷法就是利用液態(tài)光固化樹脂的這一特性實(shí)現(xiàn)快速成形制造的。1加工工藝技術(shù)分層實(shí)體制造分層實(shí)體制造設(shè)備是由計(jì)算機(jī)、送料機(jī)構(gòu)、熱粘壓機(jī)構(gòu)、激光切割系統(tǒng)、工作平臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)等組成的，它是利用激光或刀具等對(duì)待加工材料進(jìn)行切割，并將切割得到的層片粘連實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體的分層制造的。1加工工藝技術(shù)選擇性激光燒結(jié)選擇性激光燒結(jié)（SLS）和立體印刷法（SLA）都基于材料在特定條件下固化的原理。它們的主要區(qū)別在于材料類型：SLA使用液態(tài)光固化樹脂，而SLS使用粉末材料。粉末材料的使用使SLS能夠快速原型制造多種可熔粉末，應(yīng)用范圍更廣。1加工工藝技術(shù)熔融沉積成形熔融沉積成形方法是基于噴射的一類快速原型制造技術(shù)，它是將絲狀熱熔性材料加熱融化后通過由計(jì)算機(jī)控制的噴頭和工作臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)各層的成形加工。為了保證熱熔性材料能夠與前一層面粘連，在加工過程中需要保證熱熔性材料的溫度高于固化溫度，而已成形部分溫度略低于固化溫度。1加工工藝技術(shù)三維打印工藝三維打印工藝也是基于噴射的快速原型制造技術(shù)，它是使用噴頭噴出粘連劑，選擇性的將材料進(jìn)行粘連，三維打印工藝常用的原材料有石膏粉、淀粉或熱塑材料等。1加工工藝技術(shù)1.2.4現(xiàn)代特種加工技術(shù)近年來，激光加工、電子束、離子束加工以及超聲波加工技術(shù)等特種加工技術(shù)發(fā)展迅速，在先進(jìn)制造領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。1加工工藝技術(shù)激光加工激光加工技術(shù)的原理是材料在激光聚焦照射下會(huì)瞬時(shí)發(fā)生急劇熔化汽化，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)沖擊波，進(jìn)而使被融化的物質(zhì)產(chǎn)生噴濺。激光加工技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于打孔、切割、表面處理和焊接等加工制造過程。1加工工藝技術(shù)電子束加工電子束加工是在真空條件下，在極短時(shí)間內(nèi)將聚焦后的高能電子束以極高的速度沖擊到待加工表面的極小面積上，使工件表面局部達(dá)到幾千攝氏度以上的高溫，引起局部材料的熔化汽化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加工需求的加工方法。1加工工藝技術(shù)離子束加工離子束加工原理與電子束加工相似，是利用離子束對(duì)工件完成表面加工或局部成形的技術(shù)。1加工工藝技術(shù)超聲波加工超聲波加工是利用懸浮液磨料在振動(dòng)頻率超過16000Hz的工具頭作用下對(duì)工件進(jìn)行成形加工的特種加工方法。超聲波加工方法非常適用于硬脆材料的加工成形，因此目前超聲波加工技術(shù)主要應(yīng)用于對(duì)硬脆材料的孔加工及硬脆半導(dǎo)體材料的切削加工過程。1加工工藝技術(shù)1.2.5微細(xì)加工技術(shù)微型機(jī)械是包括微型機(jī)構(gòu)、傳感器、執(zhí)行器等微型結(jié)構(gòu)在內(nèi)的一體化微型系統(tǒng)。微細(xì)加工技術(shù)就是生產(chǎn)制造這類機(jī)械設(shè)備的技術(shù)，微細(xì)加工尺度根據(jù)具體需要，包括從微米到原子分子量級(jí)。常見的微細(xì)加工工藝包括光刻加工、微細(xì)電火花加工、光刻電鑄技術(shù)、體加工技術(shù)、面加工技術(shù)等。02PARTTWO加工在線監(jiān)測(cè)2加工在線監(jiān)測(cè)在生產(chǎn)制造中，機(jī)械加工過程并非總是理想狀態(tài)。工件形狀和性質(zhì)的變化會(huì)引起加工幾何誤差、系統(tǒng)振動(dòng)等復(fù)雜變化，這些因素都可能導(dǎo)致加工誤差，誤差累積可能導(dǎo)致加工過程失控，引發(fā)質(zhì)量問題。在自動(dòng)化程度高的智能制造中，高速切削加工增加了故障可能性，影響加工穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)增加了設(shè)備故障和維修成本。為了確保自動(dòng)化設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量，需要對(duì)加工過程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，主要通過對(duì)制造系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估。2加工在線監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)以專家領(lǐng)域知識(shí)為主要依據(jù)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)逐漸擺脫對(duì)專家領(lǐng)域知識(shí)的依賴，通過多傳感器獲取在制造系統(tǒng)不同環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)信息，并利用數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)獲取的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度的整合，進(jìn)而挖掘深層次的系統(tǒng)狀態(tài)信息。2加工在線監(jiān)測(cè)2.1無損缺陷檢測(cè)技術(shù)無損檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)在于檢測(cè)過程中不會(huì)對(duì)被檢對(duì)象造成損傷，它通過檢測(cè)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異?；蛉毕菀鸬奈锢砘蚧瘜W(xué)變化，使用現(xiàn)代化技術(shù)和設(shè)備對(duì)試件內(nèi)部及表面進(jìn)行檢查和測(cè)試，以判斷產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備壽命。無損檢測(cè)技術(shù)可以劃分為常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)和非常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)。2加工在線監(jiān)測(cè)2.1無損缺陷檢測(cè)技術(shù)常見的常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)包括超聲波檢測(cè)、射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)和渦流檢測(cè)等；非常規(guī)無損檢測(cè)技術(shù)包括有聲發(fā)射、激光全息檢測(cè)以及紅外線檢測(cè)等技術(shù)。2加工在線監(jiān)測(cè)超聲波檢測(cè)超聲波檢測(cè)技術(shù)通過分析超聲波在物質(zhì)中傳播時(shí)遇到的反射、透射和散射現(xiàn)象來探測(cè)物體。超聲波探傷技術(shù)在工業(yè)檢驗(yàn)中廣泛應(yīng)用。如今，超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用于檢測(cè)金屬材料、非金屬材料和復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，如焊縫、鑄件和板材檢測(cè)。2加工在線監(jiān)測(cè)超聲波檢測(cè)常見的超聲波檢測(cè)方法：（1）接觸法與液浸法：接觸法是在探頭與工件表面之間通過耦合劑直接接觸進(jìn)行檢測(cè)，接觸法操作簡(jiǎn)單，對(duì)工件表面粗糙度要求較高；液浸法是在探頭與工件表面之間以液體作為能量傳播介質(zhì)的檢測(cè)，探頭與工件不進(jìn)行直接接觸，對(duì)表面粗糙度要求較低。（2）縱波脈沖反射法：以底波為依據(jù)的檢測(cè)方法，基本原理是對(duì)超聲波在被檢對(duì)象內(nèi)傳播過程中獲得的發(fā)射波、缺陷波與底波進(jìn)行分析處理得到被檢對(duì)象內(nèi)部缺陷情況。（3）橫波探傷法：將超聲波以特定角度入射工件中，通過波形變換后利用橫波進(jìn)行檢測(cè)。2加工在線監(jiān)測(cè)超聲波檢測(cè)（4）表面波探傷法：沿著工件表面利用超聲波檢測(cè)缺陷，此方法對(duì)于工件表面的光潔度有較高的要求。（5）蘭姆波探傷法：蘭姆波探傷法是使蘭姆波沿著薄板兩表面及內(nèi)部傳播進(jìn)行探傷的方法。當(dāng)工件中有缺陷時(shí)會(huì)在缺陷處產(chǎn)生反射，進(jìn)而出現(xiàn)缺陷波。（6）穿透法檢測(cè)：穿透法是將超聲波穿透工件，通過檢測(cè)接收能量變化判斷內(nèi)部缺陷情況的方法。當(dāng)工件內(nèi)部無缺陷時(shí)接受能量大，工件內(nèi)部缺陷越大吸收的能量越多，接收的聲能就越小。該方法檢測(cè)靈敏度不高，無法檢測(cè)細(xì)小缺陷，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)工件內(nèi)部缺陷的定位。2加工在線監(jiān)測(cè)射線檢測(cè)射線檢測(cè)技術(shù)主要包括X射線、中子射線和γ射線檢測(cè)。這些射線在通過被檢對(duì)象時(shí)，因?qū)ο髢?nèi)部材質(zhì)、厚度和缺陷的不同而衰減程度不一，導(dǎo)致膠片上形成不同黑度的圖像。X射線檢測(cè)通常采用照相法，通過將感光材料置于被檢對(duì)象后，接收穿過對(duì)象的射線。曝光和處理后的感光材料能顯示物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。由于射線衰減不同，通過分析影像的黑度和形狀變化，可以評(píng)估被檢對(duì)象內(nèi)部的不均勻性或缺陷。2加工在線監(jiān)測(cè)射線檢測(cè)X在工業(yè)領(lǐng)域，X射線檢測(cè)主要在質(zhì)量檢測(cè)、厚度檢測(cè)方面被廣泛使用。在質(zhì)量檢測(cè)方面，X射線檢測(cè)可以用于鑄造或焊接工藝的加工缺陷檢測(cè)、也應(yīng)用于鋰電池、電子半導(dǎo)體等領(lǐng)域。在厚度檢測(cè)中可用于對(duì)工件進(jìn)行實(shí)時(shí)和非接觸的厚度測(cè)量。射線檢測(cè)技術(shù)還在物品檢查、動(dòng)態(tài)過程研究等方面發(fā)揮重要作用。2加工在線監(jiān)測(cè)磁粉檢測(cè)磁粉檢測(cè)是一種無損檢測(cè)方法，利用漏磁現(xiàn)象檢測(cè)鐵磁性材料表面或近表面缺陷。當(dāng)磁力線穿過材料時(shí)，在磁性不連續(xù)處形成漏磁場(chǎng)和局部磁極。使用干磁粉或磁懸液等介質(zhì)，可以觀察到吸附磁粉的磁痕，從而顯示材料表面的缺陷狀況。磁粉檢測(cè)適用于檢測(cè)氣孔、夾雜等體積性缺陷，以及由熱處理、鑄造引起的裂紋等面積性缺陷。磁粉檢測(cè)對(duì)面積性缺陷更為敏感，廣泛應(yīng)用于檢測(cè)焊接件、大型鍛件和鑄件等在制造過程中可能出現(xiàn)的缺陷。2加工在線監(jiān)測(cè)2.2機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)機(jī)器視覺是利用光學(xué)裝置和傳感器自動(dòng)采集物體圖像，并通過算法處理圖像以獲取信息，為系統(tǒng)提供決策支持或直接控制的檢測(cè)技術(shù)。廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、圖像掃描、工業(yè)測(cè)量和自動(dòng)控制設(shè)備。機(jī)器視覺系統(tǒng)提高了產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和生產(chǎn)線自動(dòng)化水平。主要應(yīng)用于人工檢測(cè)難以達(dá)到的精度或工作量要求的危險(xiǎn)場(chǎng)所和崗位。實(shí)踐中，機(jī)器視覺在檢測(cè)效率和精度上優(yōu)于人工檢測(cè)。2加工在線監(jiān)測(cè)2.2機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)機(jī)器視覺系統(tǒng)獲取和處理圖像信息的基本流程一般包括：（1）圖像采集：通過光學(xué)系統(tǒng)采集真實(shí)圖像，并將采集到的圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式存儲(chǔ)在系統(tǒng)中；（2）圖像處理：系統(tǒng)處理器根據(jù)設(shè)定好的算法對(duì)圖像進(jìn)行分析檢測(cè)；（3）特征提?。禾幚砥髯R(shí)別并向控制程序輸出圖像的關(guān)鍵特征，如數(shù)量、邊緣、位置等；（4）決策控制：系統(tǒng)控制程序根據(jù)圖像特征數(shù)據(jù)進(jìn)行決策判斷并控制相關(guān)機(jī)構(gòu)執(zhí)行操作。2加工在線監(jiān)測(cè)2.2機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)一般包括：光源、鏡頭、相機(jī)、圖像處理單元（或圖像采集卡)、圖像處理軟件、監(jiān)視器以及通信/輸入輸出單元等組成部分。2加工在線監(jiān)測(cè)光源光源照明會(huì)影響系統(tǒng)采集到的圖像質(zhì)量，因此對(duì)機(jī)器視覺系統(tǒng)整體性能的好壞起到關(guān)鍵性作用。機(jī)器視覺系統(tǒng)中的光源一般應(yīng)具備：①足夠的亮度和穩(wěn)定程度；②照明技術(shù)能盡量突出目標(biāo)的關(guān)鍵特征，增加對(duì)比度；③照明范圍盡量廣，保證成像質(zhì)量不受目標(biāo)物體所在位置影響。2加工在線監(jiān)測(cè)鏡頭鏡頭是影響成像質(zhì)量的另一個(gè)關(guān)鍵因素，一般用像差的大小衡量鏡頭成像質(zhì)量的優(yōu)劣。為了選擇符合要求的鏡頭，一般需要考慮：①成像面積：成像面積是入射光通過鏡頭后成像的圓形平面，機(jī)器視覺系統(tǒng)一般選擇CCD相機(jī)，在選用鏡頭時(shí)要考慮鏡頭成像面與CCD相機(jī)的適配性；②焦距、視角、工作距離、視野：焦距越小，視角越大，最小工作距離越短，視野越大。2加工在線監(jiān)測(cè)相機(jī)CCD（ChargeCoupledDevice）是一種半導(dǎo)體光學(xué)器件，具有信息存儲(chǔ)、延時(shí)等功能，在固體圖像傳感、信息儲(chǔ)存和處理等方面廣泛應(yīng)用。按其使用的器件分為線陣式和面陣式CCD，線陣式相機(jī)每次只能獲得圖像的一行信息，面陣式可以一次獲得整體圖像信息，目前機(jī)器視覺系統(tǒng)多使用面陣式CCD相機(jī)。2加工在線監(jiān)測(cè)圖像采集卡圖像采集卡是機(jī)器視覺系統(tǒng)中圖像采集和圖像處理部分的接口。一般具有以下的功能模塊：②攝像機(jī)控制輸入輸出接口，主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)攝像機(jī)進(jìn)行同步或?qū)崿F(xiàn)異步重置拍照、定時(shí)拍照等。①圖像信號(hào)的接收與A-D轉(zhuǎn)換模塊，負(fù)責(zé)圖像信號(hào)的放大與數(shù)字化。③總線接口，負(fù)責(zé)通過PC內(nèi)部總線高速輸出數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。2加工在線監(jiān)測(cè)圖像處理軟件圖像處理是機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心技術(shù)，圖像信息處理一般包括圖像增強(qiáng)、圖像編碼與傳輸、邊緣分割、特征提取和圖像識(shí)別等內(nèi)容，經(jīng)過圖像處理后，輸入圖像質(zhì)量得到提升，便于后續(xù)的分析和識(shí)別。2加工在線監(jiān)測(cè)機(jī)器視覺工程應(yīng)用刀具磨損狀態(tài)的機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)基于機(jī)器視覺的刀具磨損檢測(cè)系統(tǒng)主要包括CCD相機(jī)、鏡頭、光源、支架等。2加工在線監(jiān)測(cè)機(jī)器視覺工程應(yīng)用檢測(cè)系統(tǒng)分為刀具狀態(tài)檢測(cè)和刀具狀態(tài)識(shí)別兩個(gè)階段，右圖所示。刀具狀態(tài)檢測(cè)包括采集圖像、預(yù)處理、邊緣檢測(cè)和特征提取，目的是從原始圖像中提取刀具磨損特征數(shù)據(jù)。狀態(tài)識(shí)別階段則根據(jù)規(guī)則對(duì)磨損信息分類，識(shí)別磨損狀態(tài)并預(yù)測(cè)趨勢(shì)。當(dāng)檢測(cè)到嚴(yán)重磨損時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出預(yù)警，提示更換刀具以保證加工質(zhì)量。03PARTTHREE工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析3工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析關(guān)聯(lián)分析是一種數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，用于在大數(shù)據(jù)集中識(shí)別頻繁模式、關(guān)聯(lián)和相關(guān)性。它能揭示不同數(shù)據(jù)項(xiàng)之間的關(guān)聯(lián)性，描述屬性或特征同時(shí)出現(xiàn)的規(guī)律。這種技術(shù)在多個(gè)行業(yè)中有廣泛應(yīng)用。在工業(yè)領(lǐng)域，關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘技術(shù)能識(shí)別故障發(fā)生前后關(guān)鍵參數(shù)的異常，發(fā)現(xiàn)過程參數(shù)與故障之間的相關(guān)性。這有助于確定故障發(fā)生的關(guān)鍵參數(shù)和取值范圍，從而進(jìn)行準(zhǔn)確的故障診斷和快速排除故障。3工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析是從產(chǎn)品全生命周期的角度入手，尋找工藝過程參數(shù)等設(shè)置與故障事件類型之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而判斷出表征故障發(fā)生的關(guān)鍵參數(shù)，并以這些關(guān)聯(lián)關(guān)系為基礎(chǔ)建立故障規(guī)則庫，這些故障規(guī)則可以提供給決策者，用以輔助決策過程，指導(dǎo)故障的檢測(cè)與定位，并對(duì)潛在的故障做出預(yù)測(cè)的研究方法。3工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析3.1工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析步驟工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析涉及處理和分析工業(yè)系統(tǒng)中眾多工藝環(huán)節(jié)和設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)、系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)及外界環(huán)境參數(shù)等。由于數(shù)據(jù)量大且復(fù)雜，直接分析難以識(shí)別潛在關(guān)聯(lián)規(guī)則，因此需要先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取關(guān)鍵信息。3工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析3.1工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析步驟工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析流程如圖所示，主要包括數(shù)據(jù)處理、關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘、規(guī)則獲取和規(guī)則應(yīng)用幾個(gè)階段，在獲取到工藝參數(shù)與故障類別的關(guān)聯(lián)規(guī)則后，就可以基于這些關(guān)聯(lián)規(guī)則對(duì)工業(yè)過程進(jìn)行故障診斷、故障預(yù)測(cè)等下游任務(wù)進(jìn)行分析判斷。3工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù)預(yù)處理關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的訓(xùn)練樣本由工業(yè)過程監(jiān)測(cè)參數(shù)、已知故障類別、歷史數(shù)據(jù)記錄組成。工業(yè)過程檢測(cè)參數(shù)體量非常大，為了提升關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法的效率，需要對(duì)原始的工業(yè)過程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，整理出故障發(fā)生時(shí)的歷史數(shù)據(jù)記錄，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行格式和數(shù)值規(guī)范化處理，形成完整規(guī)范的故障數(shù)據(jù)集，作為關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘的依據(jù)。3工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘步驟是利用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘算法對(duì)已有的故障事件數(shù)據(jù)集進(jìn)行挖掘，發(fā)現(xiàn)工業(yè)過程參數(shù)與故障事件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。由于工藝參數(shù)類型包括離散型參數(shù)和連續(xù)型參數(shù)，在進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘之前需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化處理。3工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析規(guī)則獲取經(jīng)過關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘出的規(guī)則中可能存在一定的冗余，因此需要根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行衡量，并刪除一些與目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景無關(guān)的規(guī)則，同時(shí)要將相似相鄰的規(guī)則進(jìn)行合并，經(jīng)過刪減合并后的關(guān)聯(lián)規(guī)則就構(gòu)成了一個(gè)故障規(guī)則庫。3工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析規(guī)則應(yīng)用獲取故障規(guī)則庫后，需要首先根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)等知識(shí)對(duì)故障規(guī)則庫進(jìn)行分析，判斷其可信性和合理性，并結(jié)合專家知識(shí)進(jìn)行優(yōu)化，之后就可以在這個(gè)故障規(guī)則庫的基礎(chǔ)上對(duì)后續(xù)工業(yè)過程的故障診斷、故障預(yù)測(cè)等需求提供決策支持。3工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析3.2工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析實(shí)例TE過程仿真模型是一個(gè)以實(shí)際化工反應(yīng)過程為基礎(chǔ)開發(fā)的仿真平臺(tái)，該過程需要的設(shè)備包括反應(yīng)器、冷凝器、汽提塔、壓縮機(jī)和汽/液分離器五個(gè)單元。TE過程工藝流程如圖所示，該過程包含8種化學(xué)物質(zhì)，主要發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：式中A、C、D、E——生產(chǎn)原料；B——惰性氣體（催化劑）；G、H——生產(chǎn)的產(chǎn)品；F——副產(chǎn)物。3工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析3.2工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析實(shí)例TE過程工藝流程圖3工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析3.2工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析實(shí)例TE過程共有52個(gè)可控的過程變量，包括41個(gè)測(cè)量變量（其中22個(gè)是連續(xù)變量，19個(gè)是成分變量）和12個(gè)操作變量（其中第12個(gè)操作變量攪拌速度為恒定值），各變量的信息情況見表5-2至表5-4。在表5-2中，22個(gè)測(cè)量變量代表連續(xù)變量，如流量、溫度、液位和壓力，每3分鐘進(jìn)行一次采樣。在表5-3中，19個(gè)測(cè)量變量都是成分變量，流6和流9都是6分鐘的采樣間隔與時(shí)間延遲，而流11是15分鐘。在表5-4中，12個(gè)操作變量均與調(diào)解閥的開度相關(guān)。表5-2TE過程測(cè)量連續(xù)變量表5-3TE過程成分測(cè)量變量表5-4TE過程操作變量3工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析3.2工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析實(shí)例TE過程共有21個(gè)預(yù)先設(shè)定的故障，包括16個(gè)已知故障（故障1-15和故障2（1）和5個(gè)未知故障（故障16-2（1），各故障的詳細(xì)情況見表5-5。故障1-7是與過程變量的階躍變化有關(guān)的；故障8-12是與過程變量的隨機(jī)變化有關(guān)的；故障13表示反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中的緩慢漂移；而故障14和15與閥門粘住有關(guān)。表5-5TE過程故障描述按照5.3.1中提出的分析流程，采用聚類分析劃分法對(duì)參數(shù)進(jìn)行離散化處理，首先對(duì)關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行聚類分析，將聚類結(jié)果分別投影到每個(gè)參數(shù)所在的域，確定各個(gè)過程變量的劃分區(qū)間，完成工業(yè)過程緩變參數(shù)的離散化。隨后利用Apriori算法對(duì)故障數(shù)據(jù)集進(jìn)行故障規(guī)則挖掘，可以得到部分故障規(guī)則如表5-63工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析3.2工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析實(shí)例表5-6故障規(guī)則反布爾化結(jié)果對(duì)上述故障規(guī)則進(jìn)行語義化處理得到故障規(guī)則挖掘語義化結(jié)果如表5-7：表5-7故障規(guī)則語義化結(jié)果比如第一條規(guī)則的含義是，若參數(shù)“反應(yīng)器冷卻水流量”的取值范圍在43.55~46.31m3/h之間，則會(huì)發(fā)生故障“反應(yīng)器冷卻水入口溫度變化”，該規(guī)則的可信度為99.53%，即在新的數(shù)據(jù)記錄中，參數(shù)“反應(yīng)器冷卻水流量”的數(shù)據(jù)變化在這個(gè)范圍之內(nèi)，則此時(shí)有99.53%的可能會(huì)發(fā)生故障“反應(yīng)器冷卻水入口溫度變化”。通過以上的故障規(guī)則語義化結(jié)果可以對(duì)工藝質(zhì)量與生產(chǎn)設(shè)置的故障關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行分析并服務(wù)于工藝過程的故障預(yù)測(cè)及過程監(jiān)測(cè)。3工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析3.2工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析實(shí)例04PARTFOUR工藝優(yōu)化4工藝優(yōu)化工藝優(yōu)化涉及調(diào)整工藝流程和參數(shù)以提高效率、降低成本和增強(qiáng)性能，是提升生產(chǎn)效率、降低成本的關(guān)鍵，也是企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中保持優(yōu)勢(shì)的手段。工藝優(yōu)化使企業(yè)能精細(xì)管理生產(chǎn)，提高質(zhì)量，縮短周期，滿足市場(chǎng)需求。它還有助于減少資源消耗和環(huán)境污染，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。4工藝優(yōu)化4.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）是數(shù)理統(tǒng)計(jì)的一個(gè)分支，專注于如何在自變量的變化范圍內(nèi)設(shè)計(jì)一系列有規(guī)律的試驗(yàn)點(diǎn)，以便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更適合進(jìn)行回歸分析，從而得出真實(shí)有效的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。常用的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法包括正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和拉丁超立方采樣。在進(jìn)行工藝優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，需要同時(shí)考慮當(dāng)前實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和每次實(shí)驗(yàn)對(duì)整體優(yōu)化問題的貢獻(xiàn)，既要尋求局部最優(yōu)解，也要確定下一步試驗(yàn)的優(yōu)化方向。4工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4工藝優(yōu)化均勻分散性均勻分散性是指試驗(yàn)點(diǎn)在自變量變化范圍的空間內(nèi)分布的均勻性。具有均勻分散性的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案可以使得至少有一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)接近局部最優(yōu)位置，另外還有利于根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建對(duì)整個(gè)參數(shù)范圍都具有較好擬合效果的方程。4工藝優(yōu)化整齊可比性整齊可比性是要求在正交表中保證各因素不同水平的出現(xiàn)次數(shù)相同，使得每個(gè)因素在取各水平值時(shí)，其他因素恰好取到不同水平值，以通過平均取消其他因素的影響。4工藝優(yōu)化獨(dú)立可分辨性（1）可以利用極差分析方法分清出表中各因素的重要程度；（2）通過極差分析，可以判斷各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的顯著程度；（3）通過極查分析和趨勢(shì)圖判斷試驗(yàn)因素的最優(yōu)水平和最佳組合；（4）通過多元非線性回歸分析得出試驗(yàn)因素與指標(biāo)之間的擬合經(jīng)驗(yàn)公式。正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)主要分為：4工藝優(yōu)化拉丁超立方采樣拉丁超立方采樣技術(shù)（LHS）也成為分層采樣，是一種確保沒有重疊設(shè)計(jì)的多變量采樣方法。其基本步驟：（1）將每個(gè)隨機(jī)變量分布函數(shù)劃分為等概率的n個(gè)區(qū)間；（2）根據(jù)概率密度函數(shù)隨即從各個(gè)區(qū)間任取一個(gè)值；（3）對(duì)所有隨機(jī)變量依次重復(fù)以上步驟，得到所有隨機(jī)變量的區(qū)間取值；（4）將每個(gè)隨機(jī)變量的n個(gè)值與其他隨機(jī)變量進(jìn)行隨機(jī)組合共得到n個(gè)配對(duì)的采樣點(diǎn)。拉丁超立方采樣方法可以推廣到n維空間，該方法的優(yōu)勢(shì)在于可以根據(jù)實(shí)際需求靈活設(shè)置樣本數(shù)量，同時(shí)還能保證樣本的分層采樣。但傳統(tǒng)的拉丁超立方采樣采用的隨機(jī)配對(duì)是一種無約束的配對(duì)方法，這樣產(chǎn)生的n個(gè)采樣點(diǎn)可能變得高度相關(guān)，如圖所示。4工藝優(yōu)化拉丁超立方采樣為了避免出現(xiàn)高度相關(guān)的采樣點(diǎn)，拉丁超立方采樣引入優(yōu)化的約束配對(duì)算法，優(yōu)化的約束拉丁超立方采樣結(jié)果如圖5-8(b)所示，約束配對(duì)算法的引入使得樣本點(diǎn)集的結(jié)構(gòu)相關(guān)性得到了控制。圖為拉丁超立方采樣的基本步驟（兩變量五水平）4工藝優(yōu)化4.2回歸設(shè)計(jì)正交設(shè)計(jì)是一種高效的試驗(yàn)方法，它能夠以最少的試驗(yàn)次數(shù)評(píng)估各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度。然而，正交設(shè)計(jì)無法在參數(shù)變化范圍內(nèi)確定變量間的相關(guān)關(guān)系和回歸方程。為了解決這一問題，回歸設(shè)計(jì)被引入，它旨在以較少的試驗(yàn)點(diǎn)建立有效的回歸方程?；貧w設(shè)計(jì)，也稱作響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)，旨在探索試驗(yàn)結(jié)果與自變量之間的定量關(guān)系。這種方法基于多元回歸，通過精心設(shè)計(jì)的試驗(yàn)點(diǎn)來獲得擬合效果更佳的回歸方程。將回歸設(shè)計(jì)與正交設(shè)計(jì)結(jié)合，形成了回歸正交設(shè)計(jì)，這是應(yīng)用最廣泛的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法之一?；貧w設(shè)計(jì)根據(jù)回歸方程的性質(zhì)，可以分為一次回歸設(shè)計(jì)和二次回歸設(shè)計(jì)。一次回歸正交設(shè)計(jì)用于解決回歸模型中變量最高次數(shù)為一次的多元回歸問題。4工藝優(yōu)化4.2回歸設(shè)計(jì)其數(shù)學(xué)模型為：式中

的一個(gè)函數(shù)，稱為響應(yīng)函數(shù)。響應(yīng)函數(shù)的圖形就是響應(yīng)曲面，隨機(jī)變量x可能的取值空間稱為因子空間，響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)的任務(wù)就是根據(jù)響應(yīng)函數(shù)在因子空間找到使得yi均值最優(yōu)的點(diǎn)。4工藝優(yōu)化4.2回歸設(shè)計(jì)響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)主要方法包括：中心復(fù)合設(shè)計(jì)（CentralCompositeDesign,CCD）。CCD是最常用的響應(yīng)面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，它包括中心點(diǎn)和軸點(diǎn)（星形點(diǎn)），用于估計(jì)模型的彎曲；Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)。當(dāng)因子設(shè)置不能超過各因子的高水平和低水平范圍時(shí)經(jīng)常使用；有界中心復(fù)合設(shè)計(jì)（BoundedCentralCompositeDesign,BCCD），當(dāng)實(shí)驗(yàn)水平不能超過特定范圍時(shí)，這種設(shè)計(jì)通過設(shè)置α=1或-1來限制試驗(yàn)點(diǎn)在立方體內(nèi)。4工藝優(yōu)化4.3穩(wěn)健設(shè)計(jì)穩(wěn)健設(shè)計(jì)以信噪比和試驗(yàn)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，旨在提高產(chǎn)品質(zhì)量，通過在產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計(jì)中引入穩(wěn)健性，減少產(chǎn)品受生產(chǎn)和應(yīng)用中噪聲的影響。由于在設(shè)計(jì)階段考慮了噪聲，后續(xù)設(shè)計(jì)可以減少對(duì)此類因素的余量預(yù)留和補(bǔ)償，降低全生命周期成本。穩(wěn)健設(shè)計(jì)包含三個(gè)階段：系統(tǒng)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)和容差設(shè)計(jì)，核心是參數(shù)設(shè)計(jì)。這種方法的有效性已在多個(gè)行業(yè)得到驗(yàn)證，對(duì)企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和質(zhì)量提升有重要作用。4工藝優(yōu)化4.3穩(wěn)健設(shè)計(jì)田口穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法因混淆了可控因素對(duì)產(chǎn)品性能均值和方差的影響而受到爭(zhēng)議。隨著理論的發(fā)展，出現(xiàn)了基于工程模型的穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，這些方法通過數(shù)學(xué)詮釋和優(yōu)化計(jì)算，提前控制產(chǎn)品質(zhì)量特性?？紤]用產(chǎn)品質(zhì)量特性與目標(biāo)值之間的接近程度來評(píng)定產(chǎn)品的質(zhì)量特性，當(dāng)產(chǎn)品質(zhì)量特性與目標(biāo)值越接近時(shí)說明產(chǎn)品質(zhì)量越好，反之代表產(chǎn)品質(zhì)量差，設(shè)產(chǎn)品質(zhì)量特性為y，目標(biāo)值為y0，則有4工藝優(yōu)化4.3穩(wěn)健設(shè)計(jì)式中??=Ey——產(chǎn)品質(zhì)量特性y的均值或期望值；

——產(chǎn)品質(zhì)量特性的方差，它表示了產(chǎn)品質(zhì)量特性的變異程度，也反映了產(chǎn)品質(zhì)量特性的穩(wěn)健性；

——產(chǎn)品質(zhì)量特性的絕對(duì)偏差，也稱為靈敏度。得出穩(wěn)健設(shè)計(jì)的兩個(gè)目標(biāo)：（1）減小偏差，使產(chǎn)品質(zhì)量特性的均值盡可能達(dá)到目標(biāo)值；（2）減小波動(dòng)，使由各種干擾因素引起的功能特性波動(dòng)的方差盡量小。一般將致力于減小波動(dòng)的設(shè)計(jì)稱為方差穩(wěn)健性和分析，在控制波動(dòng)的前提下再以減小偏差為目標(biāo)進(jìn)行靈敏度設(shè)計(jì)和分析，這一設(shè)計(jì)也被稱為靈敏度穩(wěn)健性設(shè)計(jì)。4工藝優(yōu)化4.4多目標(biāo)優(yōu)化工藝優(yōu)化問題通常屬于多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。多目標(biāo)優(yōu)化旨在解決決策過程中多個(gè)可能相互沖突的優(yōu)化目標(biāo)，尋找平衡這些目標(biāo)的最佳解。它需要在多個(gè)目標(biāo)函數(shù)中找到可接受的最優(yōu)解。由于目標(biāo)間可能存在沖突，多目標(biāo)優(yōu)化是一個(gè)復(fù)雜問題，通常不存在單一最優(yōu)解，而是一系列可行解集。最終解通過權(quán)衡各目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重來確定。4工藝優(yōu)化4.4多目標(biāo)優(yōu)化多目標(biāo)優(yōu)化問題的基本概念：（1）目標(biāo)函數(shù)、決策變量和約束條件：目標(biāo)函數(shù)是優(yōu)化問題中需要最大化或最小化的指標(biāo)，與待優(yōu)化變量有函數(shù)關(guān)系。決策變量是待確定的值，與約束條件和目標(biāo)函數(shù)相關(guān)。約束條件是問題的數(shù)學(xué)定義，確保在求解過程中決策變量和目標(biāo)函數(shù)滿足這些限制。（2）目標(biāo)函數(shù)的不相關(guān)關(guān)系：在多目標(biāo)優(yōu)化問題中，不相關(guān)關(guān)系指的是兩個(gè)或多個(gè)目標(biāo)函數(shù)之間的表現(xiàn)沒有直接的相互影響，即當(dāng)一個(gè)目標(biāo)函數(shù)的值發(fā)生變化時(shí)，另一個(gè)目標(biāo)函數(shù)的值并不會(huì)因此受到直接的影響。4工藝優(yōu)化4.4多目標(biāo)優(yōu)化（3）個(gè)體之間的關(guān)系：在多目標(biāo)優(yōu)化中，個(gè)體間的關(guān)系通過它們?cè)诓煌繕?biāo)函數(shù)上的表現(xiàn)來定義。由于個(gè)體在多個(gè)目標(biāo)上可能有不同的屬性值，不能簡(jiǎn)單地通過大小關(guān)系比較優(yōu)劣。如果一個(gè)個(gè)體在所有目標(biāo)函數(shù)上都優(yōu)于另一個(gè)，則稱其支配后者。然而，大多數(shù)情況下，個(gè)體間不存在完全支配關(guān)系。（4）最優(yōu)邊界：最優(yōu)邊界，也稱為Pareto最優(yōu)邊界是多目標(biāo)優(yōu)化問題的一個(gè)核心概念。它是多目標(biāo)優(yōu)化問題的Pareto最優(yōu)解在其目標(biāo)函數(shù)空間中的表現(xiàn)形式。4工藝優(yōu)化4.4多目標(biāo)優(yōu)化多目標(biāo)優(yōu)化問題主要包括優(yōu)化和決策兩個(gè)過程，根據(jù)這兩個(gè)過程的先后順序，一般將多目標(biāo)優(yōu)化問題劃分為三類：（1）先驗(yàn)優(yōu)先權(quán)法：是一種先決策后優(yōu)化的方法，在進(jìn)行問題尋優(yōu)之前先對(duì)各目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重進(jìn)行事先設(shè)置，將多個(gè)目標(biāo)函數(shù)加權(quán)得到一個(gè)整體的目標(biāo)函數(shù)，將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題。（2）后驗(yàn)優(yōu)先權(quán)法：是一種先優(yōu)化后決策的方法，即先對(duì)求解空間進(jìn)行搜索，之后在對(duì)求解得到的可行解集中進(jìn)行決策選擇。（3）交互式方法：決策與優(yōu)化過程交替進(jìn)行的方法。在這種方法中，優(yōu)先權(quán)決策器與非劣解集搜索過程優(yōu)化器相互配合，通過不斷調(diào)整優(yōu)先權(quán)來獲取變化的非劣解集。05PARTFIVE質(zhì)量管理系統(tǒng)5質(zhì)量管理系統(tǒng)在智能制造中，質(zhì)量是決定產(chǎn)品生命和運(yùn)營(yíng)績(jī)效的關(guān)鍵因素。質(zhì)量管理是智能制造系統(tǒng)管理的關(guān)鍵組成部分，對(duì)產(chǎn)品全生命周期管理至關(guān)重要。質(zhì)量管理包括制定質(zhì)量方針和目標(biāo)，以及通過質(zhì)量策劃、控制、保證和改進(jìn)等過程實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。本節(jié)將重點(diǎn)介紹智能制造過程中的質(zhì)量管理，包括全面質(zhì)量管理、過程質(zhì)量控制和質(zhì)量成本管理三個(gè)方面。5質(zhì)量管理系統(tǒng)全面質(zhì)量管理的含義全面質(zhì)量管理（TQM）涵蓋組織所有職能和各級(jí)員工，包括供應(yīng)鏈和顧客鏈。它要求企業(yè)持續(xù)學(xué)習(xí)和適應(yīng)變化，以實(shí)現(xiàn)整體成功。ISO9000標(biāo)準(zhǔn)定義TQM為中心化質(zhì)量、全員參與，目標(biāo)是顧客滿意和成員社會(huì)受益，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期成功。2005年，ISO進(jìn)一步將TQM定義為基于全員參與的質(zhì)量管理形式。5質(zhì)量管理系統(tǒng)全面質(zhì)量管理的特點(diǎn)全面質(zhì)量管理的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在全員參與、全過程管理、以及管理對(duì)象、管理方法和經(jīng)濟(jì)效益的全面性這幾個(gè)方面。5質(zhì)量管理系統(tǒng)全員參與的質(zhì)量管理全員參與是全面質(zhì)量管理（TQM）的核心特征，要求企業(yè)所有員工積極參與質(zhì)量管理活動(dòng)，共同提升產(chǎn)品質(zhì)量。產(chǎn)品質(zhì)量是多個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)和管理工作的共同結(jié)果，因此質(zhì)量管理是全員責(zé)任而非僅限于質(zhì)量部門。TQM的全員參與強(qiáng)調(diào)跨部門合作，這種合作不僅在企業(yè)內(nèi)部，還擴(kuò)展到與供應(yīng)商和消費(fèi)者的上下游關(guān)系，形成一個(gè)廣泛的質(zhì)量管理網(wǎng)絡(luò)。5質(zhì)量管理系統(tǒng)全過程的質(zhì)量管理全面質(zhì)量管理中的“全過程”特性強(qiáng)調(diào)了產(chǎn)品質(zhì)量管理的連續(xù)性和系統(tǒng)性。它要求企業(yè)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到售后服務(wù)的每一個(gè)環(huán)節(jié)都進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，以確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定和提升。產(chǎn)品質(zhì)量在設(shè)計(jì)過程中已初步形成；隨后，經(jīng)過加工裝配等制造階段，產(chǎn)品得以具體實(shí)現(xiàn)；最終，產(chǎn)品傳遞到用戶手中，完成其價(jià)值的實(shí)現(xiàn)。5質(zhì)量管理系統(tǒng)管理對(duì)象的全面性管理對(duì)象全面性核心在于廣義質(zhì)量控制。提升工作質(zhì)量是職業(yè)發(fā)展和提升產(chǎn)品服務(wù)的關(guān)鍵。全面控制影響質(zhì)量的因素：人員、設(shè)備、材料、工藝、環(huán)境和檢測(cè)，確保最佳狀態(tài)，以提升產(chǎn)品質(zhì)量和工作質(zhì)量。5質(zhì)量管理系統(tǒng)管理方法的全面性全面質(zhì)量管理的全面性體現(xiàn)在綜合運(yùn)用多種技術(shù)和理念。靈活運(yùn)用現(xiàn)代管理方法如質(zhì)量設(shè)計(jì)、反饋控制、最優(yōu)化技術(shù)等，系統(tǒng)控制影響因素，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌管理，提升產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量。5質(zhì)量管理系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的全面性全面質(zhì)量管理的經(jīng)濟(jì)效益全面性，不僅追求企業(yè)內(nèi)部利益最大化，還考慮社會(huì)和產(chǎn)品全生命周期的效益。目標(biāo)擴(kuò)展至社會(huì)層面和產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到報(bào)廢的全過程，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的廣泛提升。5質(zhì)量管理系統(tǒng)用戶至上全面質(zhì)量管理（TQM）強(qiáng)調(diào)用戶至上，這是確保企業(yè)滿足用戶需求、提升產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量的核心理念。TQM中的用戶分為企業(yè)內(nèi)用戶和企業(yè)外用戶。在TQM框架下，用戶需求至關(guān)重要，影響企業(yè)生產(chǎn)流程和持續(xù)發(fā)展。內(nèi)部用戶至上體現(xiàn)為“為下道工序服務(wù)”的思想，每一道工序都是前一道工序的用戶，確保工作質(zhì)量符合下一道工序的要求。外部用戶是企業(yè)生存和發(fā)展的關(guān)鍵。滿足外部用戶需求是企業(yè)贏得市場(chǎng)和利潤(rùn)的關(guān)鍵。TQM強(qiáng)調(diào)深入了解和精準(zhǔn)把握用戶需求，關(guān)注最終用戶和公共用戶需求。5質(zhì)量管理系統(tǒng)一切憑數(shù)據(jù)說話在質(zhì)量管理中，應(yīng)依據(jù)事實(shí)和數(shù)據(jù)來確保管理的科學(xué)性和有效性。數(shù)據(jù)的客觀性和直觀性使其成為問題判斷、原因分析、措施制定和效果評(píng)估的關(guān)鍵。通過收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可以全面了解生產(chǎn)情況并及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法處理數(shù)據(jù)，揭示內(nèi)在規(guī)律和關(guān)聯(lián)性，幫助識(shí)別影響質(zhì)量、成本和交貨期的關(guān)鍵因素，為改進(jìn)提供依據(jù)。ISO9000標(biāo)準(zhǔn)中的“基于事實(shí)的決策方法”與此觀點(diǎn)一致，都強(qiáng)調(diào)以事實(shí)和數(shù)據(jù)為決策和管理的依據(jù)，確保質(zhì)量管理的有效和可靠。5質(zhì)量管理系統(tǒng)以預(yù)防為主“以預(yù)防為主”強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)和制造階段確保產(chǎn)品質(zhì)量，通過科學(xué)預(yù)防和控制避免質(zhì)量問題。TQM倡導(dǎo)從檢驗(yàn)轉(zhuǎn)向預(yù)防，通過分析控制性能、可靠性和安全性因素，及早解決潛在問題，預(yù)防質(zhì)量問題發(fā)生。5質(zhì)量管理系統(tǒng)以質(zhì)量求效益“以質(zhì)量求效益”觀點(diǎn)認(rèn)為產(chǎn)品質(zhì)量直接關(guān)聯(lián)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，提升質(zhì)量可帶來額外收益和可持續(xù)發(fā)展。IBM的案例顯示質(zhì)量問題可導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失和聲譽(yù)損害，而質(zhì)量改進(jìn)能降低不良品率和成本，提高效率，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。5質(zhì)量管理系統(tǒng)過程質(zhì)量控制生產(chǎn)線質(zhì)量差異由原材料、設(shè)備、操作技能等引起的變異性。4M1E（材料、設(shè)備、方法、操作者、環(huán)境）分析其原因，分為偶然性和系統(tǒng)性因素。偶然性因素隨機(jī)，如材料不均勻、設(shè)備振動(dòng)，普遍存在但難以消除。系統(tǒng)性因素表明過程失控，如刀具磨損、違規(guī)操作，有趨勢(shì)，可避免檢測(cè)，必須識(shí)別處理。5質(zhì)量管理系統(tǒng)質(zhì)量數(shù)據(jù)的類型質(zhì)量數(shù)據(jù)是描述質(zhì)量特性的定量元素，對(duì)質(zhì)量管理至關(guān)重要。沒有數(shù)據(jù)支持和量化分析，質(zhì)量管理的科學(xué)性和有效性會(huì)降低。企業(yè)質(zhì)量管理基于質(zhì)量數(shù)據(jù)，為管理和決策提供依據(jù)。質(zhì)量數(shù)據(jù)分為計(jì)數(shù)值和計(jì)量值。計(jì)數(shù)值是整數(shù)形式的離散數(shù)據(jù)，如合格品與不合格品數(shù)量，是離散型隨機(jī)變量。計(jì)量值是連續(xù)數(shù)據(jù)，反映質(zhì)量特性的連續(xù)變化，適用于需要高精度測(cè)量的情況。5質(zhì)量管理系統(tǒng)超幾何分布概率①超幾何分布(hypergeometricdistribution)超幾何分布是統(tǒng)計(jì)學(xué)上一種離散概率分布，它可用于描述從有限總體中抽取樣本的情況。當(dāng)總體容量N很大，且M≈N時(shí)，超幾何分布可以近似為二項(xiàng)分布。5質(zhì)量管理系統(tǒng)超幾何分布概率②二項(xiàng)分布(binomialprobabilitydistribution)二項(xiàng)分布描述了在一系列獨(dú)立且只有兩種可能結(jié)果的伯努利試驗(yàn)中，成功次數(shù)的概率分布。在n次這樣的試驗(yàn)中，成功的次數(shù)服從二項(xiàng)分布。在生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制中，如果每個(gè)產(chǎn)品的不合格率為p，那么在n個(gè)產(chǎn)品中不合格品的數(shù)量就服從二項(xiàng)分布。5質(zhì)量管理系統(tǒng)超幾何分布概率③泊松分布(Poissondistribution)泊松分布用于描述某一時(shí)間段內(nèi)隨機(jī)事件發(fā)生的次數(shù)分布。在質(zhì)量管理問題中，泊松分布常用于研究具有計(jì)點(diǎn)特征的質(zhì)量特性。松分布是一種特殊的連續(xù)概率分布，它的特征是概率值在所有可能結(jié)果之間都是相等的，即在每一個(gè)可能結(jié)果中概率均相同。5質(zhì)量管理系統(tǒng)計(jì)量值的變化規(guī)律及度量在企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中最常用的一種概率分布是正態(tài)分布。在機(jī)械制造及加工過程中，對(duì)于具有計(jì)量特性的質(zhì)量特性數(shù)據(jù)一般使用正態(tài)分布對(duì)其變化規(guī)律進(jìn)行研究和控制，正態(tài)分布還應(yīng)用于包括制造公差確定、工序能力分析、產(chǎn)品質(zhì)量控制等環(huán)節(jié)。正態(tài)分布的概率計(jì)算公式為：式中μ——正態(tài)分布的均值；σ——總體標(biāo)準(zhǔn)差。5質(zhì)量管理系統(tǒng)計(jì)量值的變化規(guī)律及度量若隨機(jī)變量X為計(jì)量質(zhì)量特性值，用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布研究實(shí)際問題是十分方便的，可以借助標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表計(jì)算分布概率。因此在各類利用正態(tài)分布研究的問題中都需要先將實(shí)際正態(tài)分布變換為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布規(guī)律可以計(jì)算得到：查標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表得：5質(zhì)量管理系統(tǒng)生產(chǎn)過程的質(zhì)量狀態(tài)在實(shí)際的質(zhì)量管理過程中，通常對(duì)生產(chǎn)過程整體進(jìn)行隨機(jī)抽樣，隨后使用抽樣樣本的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差作為μ和σ的估計(jì)值。生產(chǎn)過程狀態(tài)以μ和σ的情況為依據(jù)，可以分為兩種表現(xiàn)形式：不穩(wěn)定狀態(tài)——μ和σ其中之一或兩者隨時(shí)間變化,但不符合質(zhì)量規(guī)格要求。5質(zhì)量管理系統(tǒng)控制狀態(tài)(incontrol)控制狀態(tài)的特點(diǎn)是μ和σ在質(zhì)量規(guī)格范圍內(nèi)，且不隨時(shí)間變化，這種狀態(tài)也稱為穩(wěn)定狀態(tài)。μ0和σ0是生產(chǎn)過程的理想狀態(tài)。從圖中可見隨時(shí)間推移，生產(chǎn)過程抽樣得到的質(zhì)量特性值及其統(tǒng)計(jì)量均在上下控制界限之內(nèi),且無連續(xù)上升或下降趨勢(shì)，這就是生產(chǎn)過程中理想的穩(wěn)定狀態(tài)。5質(zhì)量管理系統(tǒng)失控狀態(tài)(outofcontrol)①假穩(wěn)定狀態(tài)假穩(wěn)定狀態(tài)的特點(diǎn)是μ和σ不隨時(shí)間變化，但質(zhì)量特性或其統(tǒng)計(jì)量的分布超出了質(zhì)量規(guī)格范圍，圖中的質(zhì)量特性值超出了上控制限，此時(shí)雖然μ和σ是穩(wěn)定的，但生產(chǎn)過程存在系統(tǒng)性因素，屬于失控狀態(tài)，需要排查原因并對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行調(diào)整控制使其回到理想狀態(tài)。5質(zhì)量管理系統(tǒng)失控狀態(tài)(outofcontrol)②不穩(wěn)定狀態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài)的表現(xiàn)是μ和σ之一或兩者均隨時(shí)間變化，且不符合質(zhì)量規(guī)格范圍。圖為μ逐漸變大的不穩(wěn)定狀態(tài)，在實(shí)際生產(chǎn)中可能是由于刀具的異常磨損等系統(tǒng)性因素導(dǎo)致的失控。5質(zhì)量管理系統(tǒng)過程能力過程能力是衡量過程加工質(zhì)量穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，反映在穩(wěn)態(tài)下，即僅受偶然原因影響時(shí)，過程的最小波動(dòng)和內(nèi)在一致性。這種一致性是確保產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。過程能力指數(shù)是量化過程能力滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（如規(guī)格、規(guī)范、公差）的指標(biāo)，它衡量過程在生產(chǎn)中達(dá)到質(zhì)量要求的能力。一般用符號(hào)Cp表示，即：式中T——加工過程的公差；σ——產(chǎn)品總體標(biāo)準(zhǔn)差，有時(shí)用樣本標(biāo)準(zhǔn)差S進(jìn)行代替。5質(zhì)量管理系統(tǒng)過程質(zhì)量控制圖過程質(zhì)量控制圖是企業(yè)在生產(chǎn)過程中用于監(jiān)控工序狀態(tài)、確保產(chǎn)品質(zhì)量的重要工具。它通過對(duì)工序過程狀態(tài)進(jìn)行深入的分析、預(yù)測(cè)、判斷、監(jiān)控和改進(jìn)，幫助企業(yè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正生產(chǎn)過程中的異常波動(dòng)，確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。如下單值控制圖就是一般控制圖的基本模式，控制圖的核心要素包括中心線和上、下控制界限，中心線通常表示質(zhì)量特性值的長(zhǎng)期平均水平。當(dāng)樣本點(diǎn)落在控制界限內(nèi)時(shí)，通常認(rèn)為工序處于受控狀態(tài)；而當(dāng)樣本點(diǎn)超出控制界限時(shí)，則可能意味著工序出現(xiàn)了異常波動(dòng)，需要采取措施進(jìn)行調(diào)查和改進(jìn)。5質(zhì)量管理系統(tǒng)5.3質(zhì)量成本管理質(zhì)量成本管理是一種將產(chǎn)品質(zhì)量與企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益結(jié)合的管理方法，強(qiáng)調(diào)從經(jīng)營(yíng)角度衡量質(zhì)量體系有效性。核心在于關(guān)注制造、質(zhì)量控制活動(dòng)的成本。通過識(shí)別、計(jì)量和控制質(zhì)量相關(guān)成本，企業(yè)能評(píng)估質(zhì)量管理體系效率。質(zhì)量成本管理旨在評(píng)定質(zhì)量體系有效性，為企業(yè)質(zhì)量改進(jìn)和成本降低提供依據(jù)。通過分析質(zhì)量成本，企業(yè)能發(fā)現(xiàn)改進(jìn)關(guān)鍵領(lǐng)域，制定措施，提升質(zhì)量，降低不良品率和質(zhì)量損失，提高經(jīng)濟(jì)效益。5質(zhì)量管理系統(tǒng)質(zhì)量成本的含義及組成質(zhì)量成本是確保產(chǎn)品質(zhì)量符合要求所需成本，或因質(zhì)量不良造成的損失。從應(yīng)用視角理解質(zhì)量成本，即不良質(zhì)量造成的損失，有助于企業(yè)降低成本和提升經(jīng)濟(jì)效益。質(zhì)量成本包括運(yùn)行質(zhì)量成本和外部質(zhì)量保證成本。運(yùn)行質(zhì)量成本涵蓋保證和提升產(chǎn)品質(zhì)量的費(fèi)用及質(zhì)量故障損失，而外部質(zhì)量保證成本則是為了滿足用戶或外部標(biāo)準(zhǔn)要求，提供證據(jù)的費(fèi)用。5質(zhì)量管理系統(tǒng)預(yù)防成本預(yù)防成本是為了預(yù)防不良產(chǎn)品或服務(wù)發(fā)生所產(chǎn)生的成本，包括質(zhì)量計(jì)劃工作費(fèi)用、質(zhì)量教育培訓(xùn)費(fèi)用、質(zhì)量改進(jìn)措施費(fèi)用等。這些成本一般發(fā)生在生產(chǎn)之前，目的是通過提高產(chǎn)品質(zhì)量來降低后續(xù)可能出現(xiàn)的故障成本。5質(zhì)量管理系統(tǒng)鑒定成本鑒定成本是用于評(píng)定產(chǎn)品是否滿足規(guī)定的質(zhì)量水平所需的費(fèi)用，一般包括：進(jìn)貨檢驗(yàn)費(fèi)、工序檢驗(yàn)費(fèi)、成品檢驗(yàn)費(fèi)、檢測(cè)試驗(yàn)設(shè)備的校準(zhǔn)維護(hù)費(fèi)、專職人員工資及附加費(fèi)等。5質(zhì)量管理系統(tǒng)內(nèi)部損失成本內(nèi)部損失成本是指產(chǎn)品在出廠前因不滿足規(guī)定的質(zhì)量要求而造成的損失，包括廢品損失、返工損失、停工損失等，這些成本是由于生產(chǎn)過程中的質(zhì)量問題導(dǎo)致的。5質(zhì)量管理系統(tǒng)外部損失成本外部損失成本是指產(chǎn)品售出后因質(zhì)量問題而產(chǎn)生的一切損失和費(fèi)用，如索賠損失、退貨或退換損失、保修費(fèi)用等。5質(zhì)量管理系統(tǒng)外部質(zhì)量保證成本A1）為提供特殊附加的質(zhì)量保證措施、程序、數(shù)據(jù)等所支付的費(fèi)用，例如特定的質(zhì)量認(rèn)證或檢驗(yàn)流程。B2）產(chǎn)品的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和評(píng)定的費(fèi)用，例如由第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行的產(chǎn)品測(cè)試或安全性能檢測(cè)。C3）為滿足用戶要求,進(jìn)行質(zhì)量體系認(rèn)證所發(fā)生的費(fèi)用等，例如ISO9001質(zhì)量管理體系認(rèn)證等。5質(zhì)量管理系統(tǒng)質(zhì)量成本的分類質(zhì)量的成本費(fèi)用項(xiàng)目種類很多,為了進(jìn)行合理的管理和有效的控制,對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的分類是十分必要的。質(zhì)量費(fèi)用的分類有不同的標(biāo)準(zhǔn),通?？砂聪铝蟹椒ㄟM(jìn)行分類。5質(zhì)量管理系統(tǒng)控制成本和損失成本按照質(zhì)量成本的作用可以分為控制成本和損失成本?？刂瞥杀景A(yù)防成本和鑒定成本，是確保產(chǎn)品質(zhì)量的必要支出。預(yù)防成本涉及質(zhì)量規(guī)劃、培訓(xùn)和改進(jìn)，旨在減少未來損失。鑒定成本包括檢驗(yàn)、測(cè)試和驗(yàn)證產(chǎn)品的費(fèi)用。損失成本，或稱控制失效成本，是由于質(zhì)量控制不足導(dǎo)致的不合格品或故障的損失費(fèi)用。它分為內(nèi)部損失和外部損失。內(nèi)部損失影響生產(chǎn)效率和成本，而外部損失發(fā)生在產(chǎn)品售后，影響企業(yè)聲譽(yù)和客戶滿意度。5質(zhì)量管理系統(tǒng)顯式成本和隱含成本按照質(zhì)量成本的存在形式可以劃分為顯式成本和隱含成本。顯式成本是企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中實(shí)際支付的、需計(jì)入產(chǎn)品成本的有形損失，如廢品損失、修復(fù)費(fèi)用、培訓(xùn)費(fèi)用、索賠和退貨損失等。這些成本可直接衡量和記錄，通常納入成本核算體系。隱含成本是由產(chǎn)品質(zhì)量問題導(dǎo)致的潛在或無形經(jīng)濟(jì)損失，如因質(zhì)量不達(dá)標(biāo)導(dǎo)致的降價(jià)、銷量減少或聲譽(yù)損害。這些成本不通過實(shí)際貨幣支出產(chǎn)生，難以量化且常被忽視，但對(duì)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益有重大影響。5質(zhì)量管理系統(tǒng)直接成本和間接成本按質(zhì)量成本與產(chǎn)品的聯(lián)系可分為直接成本與間接成本。直接成本涉及產(chǎn)品或服務(wù)制造和銷售過程中的直接費(fèi)用，如原材料、直接人工和直接銷售費(fèi)用。這些成本可直接關(guān)聯(lián)到特定產(chǎn)品或服務(wù)的生產(chǎn)，對(duì)評(píng)估和控制質(zhì)量成本至關(guān)重要。間接成本則是與制造和銷售過程間接相關(guān)的費(fèi)用，無法直接追溯至特定產(chǎn)品或服務(wù)，需通過分配標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)偂ｉg接質(zhì)量成本，如無形質(zhì)量成本、顧客質(zhì)量成本、供應(yīng)商質(zhì)量成本和設(shè)備質(zhì)量成本，都屬于此類。5質(zhì)量管理系統(tǒng)階段成本按照質(zhì)量成本費(fèi)用的形成過程可分為設(shè)計(jì)、采購(gòu)、制造和銷售等各不同階段的成本類型。按形成過程進(jìn)行質(zhì)量成本分類，有利于實(shí)行分階段的質(zhì)量成本控制，即在不同的階段分別制訂計(jì)劃和進(jìn)行監(jiān)督，以達(dá)到全過程的整體質(zhì)量成本優(yōu)化目標(biāo)。5質(zhì)量管理系統(tǒng)質(zhì)量成本預(yù)測(cè)質(zhì)量成本預(yù)測(cè)分析歷史數(shù)據(jù)和經(jīng)濟(jì)信息，研究影響因素與成本關(guān)系，結(jié)合目標(biāo)，用觀察數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)方法，定量描述和邏輯判斷未來成本趨勢(shì)。常用方法有經(jīng)驗(yàn)判斷、計(jì)算分析和比例測(cè)算。5質(zhì)量管理系統(tǒng)質(zhì)量成本計(jì)劃質(zhì)量成本計(jì)劃基于預(yù)測(cè)，確定生產(chǎn)合格產(chǎn)品所需質(zhì)量費(fèi)用，是企業(yè)質(zhì)量管理的關(guān)鍵，幫助實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、成本和效益平衡。5質(zhì)量管理系統(tǒng)質(zhì)量成本分析質(zhì)量成本分析是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過核算數(shù)據(jù)剖析成本原因和趨勢(shì)，揭示關(guān)鍵因素和管理不足。包括總額、構(gòu)成和比較基數(shù)的分析。5質(zhì)量管理系統(tǒng)質(zhì)量成本報(bào)告質(zhì)量成本報(bào)告是一種衡量和控制質(zhì)量成本的管理工具。它通過對(duì)質(zhì)量成本的收集、分類、分析和報(bào)告，為企業(yè)優(yōu)化產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量、降低質(zhì)量成本提供決策依據(jù)。5質(zhì)量管理系統(tǒng)質(zhì)量成本控制質(zhì)量成本控制是維護(hù)質(zhì)量與成本有效平衡的管理手段，旨在實(shí)現(xiàn)組織目標(biāo)，節(jié)約成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。5質(zhì)量管理系統(tǒng)質(zhì)量成本考核質(zhì)量成本考核就是定期對(duì)質(zhì)量成本責(zé)任單位和個(gè)人考核其質(zhì)量成本指標(biāo)完成情況評(píng)價(jià)其質(zhì)量成本管理的成效,并與獎(jiǎng)懲掛鉤以達(dá)到鼓勵(lì)鞭策,共同提高的目的。因此,質(zhì)量成本考核是實(shí)行質(zhì)量成本管理的關(guān)鍵之一。06PARTSIX本章小結(jié)6本章小結(jié)本章對(duì)智能制造過程中的監(jiān)測(cè)與質(zhì)量管理相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)梳理。從加工工藝技術(shù)、加工在線監(jiān)測(cè)、工藝質(zhì)量關(guān)聯(lián)分析、工藝優(yōu)化和質(zhì)量管理多個(gè)方面，對(duì)智能制造中從產(chǎn)品加工制造、產(chǎn)品的加工質(zhì)量監(jiān)測(cè)到整個(gè)生產(chǎn)制造過程以及智能制造產(chǎn)品全生命周期的質(zhì)量管理內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。通過學(xué)習(xí)本章內(nèi)容，讀者能夠全面了解智能制造過程監(jiān)測(cè)與質(zhì)量管理各個(gè)階段所需的關(guān)鍵技術(shù)和方法。7項(xiàng)目單元本章的項(xiàng)目單元實(shí)踐主題為【基于YoloV5的工件表面缺陷檢測(cè)】。精準(zhǔn)且自動(dòng)化的質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)有助于提升質(zhì)量管理效果，機(jī)器視覺在如今的制造系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用于質(zhì)量檢測(cè)問題。本實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)基于經(jīng)典深度學(xué)習(xí)機(jī)器視覺模型——YoloV5模型，實(shí)現(xiàn)工件表面缺陷的自動(dòng)檢測(cè)與定位。具體實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)請(qǐng)掃描下方二維碼查看。本章習(xí)題本章習(xí)題5-1按照材料成型原理可以將加工工藝分為哪幾類？5-2先進(jìn)加工工藝與經(jīng)典加工工藝相比有哪些優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)？5-3磁粉檢測(cè)技術(shù)的在無損檢測(cè)中的應(yīng)用場(chǎng)景有哪些？5-4簡(jiǎn)述機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本處理流程和主要設(shè)備構(gòu)成及作用。5-5關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘中常用的量化屬性離散化方法有哪些？它們的優(yōu)缺點(diǎn)分別是什么？5-6為什么要對(duì)拉丁超立方采樣引入約束配對(duì)算法？5-7簡(jiǎn)述穩(wěn)健設(shè)計(jì)的兩個(gè)目標(biāo)以及實(shí)現(xiàn)方法。5-8多目標(biāo)優(yōu)化問題與單目標(biāo)優(yōu)化問題的區(qū)別是什么？5-9生產(chǎn)過程中的不穩(wěn)定狀態(tài)有哪些表現(xiàn)形式？5-10控制圖的兩類錯(cuò)誤分別是什么？2024謝謝第6章設(shè)備故障預(yù)測(cè)和健康管理01設(shè)備健康管理概述02設(shè)備故障診斷與預(yù)測(cè)03

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)04

設(shè)備剩余壽命預(yù)測(cè)目錄本章首先從設(shè)備健康管理的概念出發(fā)，分析故障預(yù)測(cè)和健康管理對(duì)于現(xiàn)代化設(shè)備的重要作用，引出智能故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、剩余壽命預(yù)測(cè)以及運(yùn)維決策的概念。然后介紹在信息化革命的推動(dòng)下及產(chǎn)業(yè)變革的需求牽引下，基于大數(shù)據(jù)的智能設(shè)備產(chǎn)生的時(shí)代背景，分析智能設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和健康管理方法的發(fā)展過程、內(nèi)涵與特性、任務(wù)目標(biāo)以及應(yīng)用價(jià)值。01PARTONE設(shè)備健康管理概述設(shè)備健康管理概述設(shè)備健康管理背景：隨著技術(shù)發(fā)展，工程系統(tǒng)復(fù)雜度增加，導(dǎo)致成本上升和故障概率增大。高端裝備的智能運(yùn)維和健康管理（PHM）變得重要，以提高可靠性和經(jīng)濟(jì)性。PHM技術(shù)促進(jìn)了全球維修保障體制的變革，對(duì)軍事強(qiáng)國(guó)至關(guān)重要，有助于降低維護(hù)成本和提高系統(tǒng)效益。設(shè)備健康管理概述PHM技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代中期，從基于傳感器的診斷逐漸演變?yōu)榛谥悄芟到y(tǒng)的預(yù)測(cè)，并展現(xiàn)出蓬勃的發(fā)展態(tài)勢(shì)。PHM技術(shù)包括故障預(yù)測(cè)和健康管理，利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)系統(tǒng)健康狀態(tài)和故障，以及基于診斷信息進(jìn)行維修和保障活動(dòng)的規(guī)劃和決策。它推動(dòng)了裝備管理從被動(dòng)維護(hù)到主動(dòng)防護(hù)，再到預(yù)測(cè)性維護(hù)的轉(zhuǎn)變。PHM旨在提高裝備可靠性，降低成本，并實(shí)現(xiàn)信息化與工業(yè)化的融合。設(shè)備健康管理概述PHM技術(shù)在多個(gè)行業(yè)受到關(guān)注，用于機(jī)械、電子、航空等領(lǐng)域。故障預(yù)測(cè)為控制調(diào)參、任務(wù)規(guī)劃和維護(hù)決策提供依據(jù)，是提升裝備性能和降低成本的關(guān)鍵。故障是一個(gè)涉及狀態(tài)和過程的概念，其退化過程具有隨機(jī)性，尤其在復(fù)雜環(huán)境中。狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件隨時(shí)間變化，這些變化反映在數(shù)據(jù)中。因此，基于數(shù)據(jù)的多狀態(tài)退化建模是評(píng)估裝備健康狀態(tài)和預(yù)測(cè)性能衰退的基礎(chǔ)。設(shè)備健康管理概述故障預(yù)測(cè)相比故障診斷，能估計(jì)裝備當(dāng)前健康狀態(tài)并預(yù)測(cè)維修前的時(shí)間，為調(diào)整控制器參數(shù)和規(guī)劃中期任務(wù)提供依據(jù)。預(yù)測(cè)的時(shí)間允許優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃，減少停機(jī)時(shí)間。機(jī)械設(shè)備隨使用年限增加，故障不可避免。傳統(tǒng)的基于失效時(shí)間的可靠性評(píng)估難以獲取足夠樣本，限制了其在多變工況和環(huán)境中的應(yīng)用。為解決這些問題，發(fā)展了基于退化的剩余壽命預(yù)測(cè)方法。設(shè)備健康管理概述經(jīng)典的PHM架構(gòu)通常包括以下幾個(gè)關(guān)鍵組成部分：健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)：這一部分涉及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括傳感器數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)處理和分析，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異?；蚬收?。故障診斷：一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在問題，故障診斷模塊會(huì)利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和故障特征識(shí)別技術(shù)來確定故障的原因和類型。剩余壽命預(yù)測(cè)：基于設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)，剩余壽命預(yù)測(cè)模塊會(huì)預(yù)測(cè)設(shè)備在未來的運(yùn)行中剩余的可用壽命。決策支持：根據(jù)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷和剩余壽命預(yù)測(cè)的結(jié)果，決策支持模塊可以提供維修建議、維護(hù)計(jì)劃或設(shè)備更換建議，幫助優(yōu)化設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)策略。健康管理：PHM技術(shù)通過整合健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、剩余壽命預(yù)測(cè)和決策支持，全面管理和優(yōu)化設(shè)備健康狀態(tài)，幫助企業(yè)提升設(shè)備可靠性，降低維護(hù)成本，減少停機(jī)時(shí)間。設(shè)備健康管理概述故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）技術(shù)起源于航空航天和國(guó)防工業(yè)，考慮到安全性和高昂的維修成本，其發(fā)展歷程備受關(guān)注。以勞斯萊斯工業(yè)（Rolls-RoyceIndustrial）為例，故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)應(yīng)用于確保設(shè)備的可靠性和優(yōu)化維護(hù)策略，保證了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的高效運(yùn)行及整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性?；诖罅康臍v史運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障案例建立了精確的故障預(yù)測(cè)模型，成功預(yù)測(cè)了TrentXWB發(fā)動(dòng)機(jī)的剩余使用壽命（RUL），從而指導(dǎo)預(yù)防性維護(hù)。02PARTTWO設(shè)備故障診斷與預(yù)測(cè)設(shè)備故障診斷與預(yù)測(cè)設(shè)備故障預(yù)測(cè)是PHM的一部分，它通過分析系統(tǒng)當(dāng)前或歷史的性能狀態(tài)來預(yù)測(cè)部件或系統(tǒng)未來的健康狀態(tài)。基于工業(yè)數(shù)據(jù)分析的智能故障診斷，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控機(jī)械設(shè)備的健康狀態(tài)，為智能運(yùn)維提供支持，確保設(shè)備的安全高效運(yùn)行，其重要性日益凸顯。設(shè)備故障診斷與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)分析與智能故障診斷大數(shù)據(jù)時(shí)代的興起改變了事件之間因果關(guān)系的固定模式，凸顯了相關(guān)關(guān)系的重要性?？焖贉?zhǔn)確的相關(guān)關(guān)系使得數(shù)據(jù)挖掘在工業(yè)大數(shù)據(jù)中更為實(shí)用。工業(yè)大數(shù)據(jù)的智能故障診斷正是一種基于大數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系分析的方法。設(shè)備故障診斷與預(yù)測(cè)工業(yè)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下智能故障診斷框架構(gòu)成：1.數(shù)據(jù)質(zhì)量改善：面對(duì)大規(guī)模且分散的機(jī)械數(shù)據(jù)，需根據(jù)性能標(biāo)準(zhǔn)篩選，去除冗余和噪聲數(shù)據(jù)，以改善數(shù)據(jù)質(zhì)量。2.數(shù)據(jù)健康監(jiān)測(cè)：應(yīng)用時(shí)域、頻域和時(shí)頻域分析方法，提取信號(hào)特征，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，設(shè)定故障閾值，判定機(jī)械健康狀態(tài)。3.數(shù)據(jù)智能診斷：引入智能算法進(jìn)行故障診斷，通過知識(shí)挖掘獲取診斷規(guī)則，準(zhǔn)確識(shí)別故障狀態(tài)，制定維修策略，保障設(shè)備運(yùn)行。典型故障類型不對(duì)中故障不平衡故障碰摩故障磨損故障裂紋故障磨損故障在重大裝備的使用過程中，磨損故障是指由于摩擦、沖擊、振動(dòng)、疲勞、腐蝕和變形等因素導(dǎo)致相應(yīng)零部件形態(tài)發(fā)生變化，逐漸或突然降低功能甚至完全失效的現(xiàn)象。發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車故障以及提前換發(fā)事故的有很大部分都是由于發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪、軸承等部件的異常磨損故障引起的。裂紋故障裂紋故障指的是在零部件受到應(yīng)力或環(huán)境作用下，其表面或內(nèi)部的完整性或連續(xù)性被破壞，從而產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象。這些裂紋在持續(xù)受到應(yīng)力和環(huán)境影響下會(huì)逐漸擴(kuò)展，最終達(dá)到一定程度，導(dǎo)致零部件的斷裂。根據(jù)裂紋的形態(tài)，裂紋可以分為閉合裂紋、開放裂紋和混合裂紋。碰摩故障碰摩故障的產(chǎn)生是因?yàn)檗D(zhuǎn)子某處的變形量和預(yù)期振動(dòng)量之和大于預(yù)留的動(dòng)靜間隙，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和定子發(fā)生摩擦以及間隙增大，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸等部件發(fā)生彎曲和變形。根據(jù)機(jī)組發(fā)生碰摩故障的碰摩方向進(jìn)行分類，可將其分為徑向碰摩、軸向碰摩和組合碰摩。不平衡故障不平衡故障指的是在大型旋轉(zhuǎn)裝備中，轉(zhuǎn)子受到材料、質(zhì)量、加工、裝配以及運(yùn)行等多種因素的綜合影響，導(dǎo)致其質(zhì)量中心與旋轉(zhuǎn)中心線之間存在一定程度的偏心現(xiàn)象。根據(jù)不平衡故障的故障機(jī)理，可將其分為靜不平衡故障、偶不平衡故障以及動(dòng)不平衡故障。不對(duì)中故障不對(duì)中故障是指在機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間的連接對(duì)中超出正常范圍，無法形成良好的油膜和適當(dāng)?shù)妮S承負(fù)荷，從而引發(fā)機(jī)器振動(dòng)或聯(lián)軸節(jié)、軸承損壞等現(xiàn)象。根據(jù)不對(duì)中故障的形式，可將其分類為角度不對(duì)中故障、平行不對(duì)中故障和綜合不對(duì)中故障?；诳煽啃阅Ｐ偷墓收显\斷與預(yù)測(cè)整個(gè)PHM方法體系中，預(yù)測(cè)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備性能退化狀態(tài)和剩余壽命預(yù)測(cè)的核心方法，故障預(yù)測(cè)方法的分類按照主流技術(shù)和應(yīng)用研究有如下三類：基于可靠性模型的方法、基于物理模型的方法、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法?；诳煽啃阅Ｐ偷墓收显\斷與預(yù)測(cè)基于可靠性模型或概率的PHM方法通過分析故障歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性來進(jìn)行故障預(yù)測(cè)。這種方法需要較少的細(xì)節(jié)信息，因?yàn)轭A(yù)測(cè)信息包含在概率密度函數(shù)中，不依賴特定數(shù)據(jù)或模型。其優(yōu)勢(shì)在于能夠通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析獲得概率密度函數(shù)，為預(yù)測(cè)提供支持，并給出含有置信度的預(yù)測(cè)結(jié)果，有效表征預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度?；诳煽啃阅Ｐ偷墓收显\斷與預(yù)測(cè)典型的基于統(tǒng)計(jì)可靠性的故障概率曲線是著名的“浴盆曲線”，該模型分為初期故障期、隨機(jī)故障期、耗損故障期三個(gè)階段。它具有如下特點(diǎn)：1）在設(shè)備或系統(tǒng)運(yùn)行之初，故障率相對(duì)較高。2）經(jīng)過一段時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行后故障率可以保持在相對(duì)較低的水準(zhǔn)。3）再經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，故障率又開始增加，直到所有部件或設(shè)備出現(xiàn)故障或失效?；诳煽啃阅Ｐ偷墓收显\斷與預(yù)測(cè)基于可靠性的故障預(yù)測(cè)方法應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，其概率密度函數(shù)可以表示為：這種分布適用于描述設(shè)備或系統(tǒng)的壽命分布。在具體應(yīng)用中，可以通過對(duì)歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，擬合出最適合的概率密度函數(shù)，并據(jù)此進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和可靠性分析。基于物理模型的故障診斷與預(yù)測(cè)在實(shí)際應(yīng)用中，可以使用失效物理模型對(duì)產(chǎn)品可靠性進(jìn)行預(yù)測(cè)。使用的失效物理模型應(yīng)具備以下功能：①能夠提供可重復(fù)的結(jié)果；②能夠反映引起故障的變量和相互作用；③能夠預(yù)測(cè)產(chǎn)品在其整個(gè)應(yīng)用條件范圍內(nèi)的可靠性。以電子產(chǎn)品的故障分析為例，有許多失效物理模型能夠描述元件的行為。下圖總結(jié)了用于計(jì)算溫度和振動(dòng)載荷引起損傷的失效物理模型?；谖锢砟Ｐ偷墓收显\斷與預(yù)測(cè)基于物理模型的故障預(yù)測(cè)方法的基本假設(shè)是存在描述損傷或退化演化的物理模型，因此通常稱為退化模型。如果有一個(gè)準(zhǔn)確的物理模型能夠?qū)p傷退化描述為時(shí)間函數(shù)，那么故障預(yù)測(cè)就基本完成，因?yàn)閾p傷未來行為可以由退化模型確定。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，退化模型不完備且未來使用條件不確定，因此關(guān)鍵問題在于提高模型準(zhǔn)確性并考慮未來不確定性。退化模型表示為以下函數(shù)基于物理模型的故障診斷與預(yù)測(cè)這種方法通過計(jì)算功能損傷來評(píng)估關(guān)鍵零部件的損耗程度，實(shí)現(xiàn)設(shè)備壽命預(yù)測(cè)，如筆記本電腦電池。它與物理、電氣屬性緊密相關(guān)，適用于物理模型成熟的對(duì)象，如機(jī)械材料、旋轉(zhuǎn)部件、鋰離子電池和大功率電子元器件，但對(duì)復(fù)雜電子系統(tǒng)效果有限。基于可靠性模型的故障診斷與預(yù)測(cè)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，使用搭載式傳感器和執(zhí)行器來測(cè)量損傷增長(zhǎng)，基于物理模型的故障預(yù)測(cè)方法利用測(cè)量數(shù)據(jù)來降低退化模型參數(shù)的不確定性。通常，可以利用貝葉斯框架基于測(cè)量數(shù)據(jù)降低參數(shù)不確定性，大多數(shù)方法都以貝葉斯推斷為基礎(chǔ)?；诳煽啃阅Ｐ偷墓收显\斷與預(yù)測(cè)整體貝葉斯方法（BM）用于估計(jì)模型參數(shù)的概率密度函數(shù)（PDF），它利用所有測(cè)量數(shù)據(jù)來確定參數(shù)的后驗(yàn)分布。馬爾可夫鏈蒙特卡羅（MCMC）法是實(shí)現(xiàn)這一過程的有效抽樣方法，通過從后驗(yàn)分布中獲取參數(shù)樣本，可以預(yù)測(cè)退化行為并計(jì)算剩余使用壽命。MCMC基于隨機(jī)游走的馬爾可夫鏈模型，從舊樣本中提取新樣本，并通過接受準(zhǔn)則比較和選擇樣本，重復(fù)此過程直至獲得足夠樣本。為了生成樣本，使用Metropolis-Hastings(M-H)算法。馬爾可夫鏈蒙特卡羅法（MCMC）的模擬結(jié)果受初值和建議分布的影響。若初始值與真實(shí)值差異大，需多次迭代才能收斂。建議分布過窄或過寬均可能導(dǎo)致抽樣結(jié)果不穩(wěn)定或重復(fù)?；诳煽啃阅Ｐ偷墓收显\斷與預(yù)測(cè)基于物理模型的故障預(yù)測(cè)方法有優(yōu)點(diǎn)：能進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，數(shù)據(jù)需求相對(duì)較少。一旦參數(shù)識(shí)別準(zhǔn)確，可預(yù)測(cè)設(shè)備壽命。但實(shí)際中，因數(shù)據(jù)噪聲和參數(shù)不敏感性，通常需更多數(shù)據(jù)。另一方面，基于物理模型的故障預(yù)測(cè)方法面臨以下三個(gè)重要的現(xiàn)實(shí)問題：

模型充分性

參數(shù)估計(jì)退化數(shù)據(jù)質(zhì)量模型充分性模型充分性指的是所選物理模型是否能充分描述系統(tǒng)的退化過程及其影響因素。如果模型過于簡(jiǎn)化，可能無法準(zhǔn)確反映實(shí)際的退化行為；如果模型過于復(fù)雜，則可能導(dǎo)致難以確定參數(shù)和計(jì)算成本過高。參數(shù)估計(jì)物理模型參數(shù)通常通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)估計(jì)，但數(shù)據(jù)中的噪聲和非線性退化過程使估計(jì)復(fù)雜化，且不同參數(shù)對(duì)模型輸出的影響程度不一，導(dǎo)致部分參數(shù)難以準(zhǔn)確估計(jì)，影響模型預(yù)測(cè)的可靠性。退化數(shù)據(jù)質(zhì)量退化數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響模型參數(shù)的識(shí)別和壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)質(zhì)量問題主要包括數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)噪聲和數(shù)據(jù)量不足，影響參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性。如果數(shù)據(jù)量不足反應(yīng)真實(shí)模型，就無法保證模型參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障預(yù)測(cè)方法通過分析觀測(cè)數(shù)據(jù)來識(shí)別退化特征并預(yù)測(cè)未來狀態(tài)需要特定數(shù)學(xué)模型。與基于物理模型的方法相比，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法需要額外的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，包括完整的退化數(shù)據(jù)集和當(dāng)前系統(tǒng)數(shù)據(jù)。盡管物理模型方法可能更準(zhǔn)確，因?yàn)樗鼈儼嘈畔?，但在?shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法更常見，因?yàn)槲锢砟Ｐ筒⒉豢偸强捎??；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)故障診斷與預(yù)測(cè)的過程包括信號(hào)處理、特征提取、特征降維和模式識(shí)別，將高維特征向量降維處理轉(zhuǎn)換為判別性狀態(tài)標(biāo)識(shí)，再輸入模式識(shí)別分類器，實(shí)現(xiàn)故障狀態(tài)識(shí)別和分類。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法需要大量歷史數(shù)據(jù)和樣本特征來訓(xùn)練故障診斷模型，可以通過有監(jiān)督學(xué)習(xí)或無監(jiān)督學(xué)習(xí)進(jìn)行訓(xùn)練。按照分析方法的角度不同，可以分為基于定性分析方法的故障診斷、基于模型分析的故障診斷和基于定量分析方法的故障診斷三類。基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷與預(yù)測(cè)基于定性分析方法的故障診斷主要通過對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理、故障特性以及故障行為與成因之間因果關(guān)系等先驗(yàn)信息的分析，然后利用邏輯推理的方法實(shí)現(xiàn)與分類。定性分析方法中常見的有專家系統(tǒng)、圖搜索、定性仿真?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷與預(yù)測(cè)基于定性分析方法的故障診斷主要通過對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理、故障特性以及故障行為與成因之間因果關(guān)系等先驗(yàn)信息的分析，然后利用邏輯推理的方法實(shí)現(xiàn)與分類。定性分析方法中常見的有專家系統(tǒng)、圖搜索、定性仿真。專家系統(tǒng)通過構(gòu)建知識(shí)庫實(shí)現(xiàn)故障診斷，易于使用且直觀，但存在知識(shí)庫構(gòu)建困難和規(guī)則沖突等問題。圖論方法通過圖形描述設(shè)備關(guān)系進(jìn)行故障診斷，建模簡(jiǎn)單，但對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的診斷精度可能降低。定性仿真通過構(gòu)建定性模型和仿真手段描述系統(tǒng)行為，能推理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為，但難以準(zhǔn)確診斷未知故障?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷與預(yù)測(cè)基于定量分析的故障診斷方法可以分為兩種，其一是基于分析模型的方法——通過被研究對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和可觀測(cè)輸入輸出量構(gòu)造殘差信號(hào)，其二是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法——通過對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而在無精準(zhǔn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型情況下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷與預(yù)測(cè)基于定量分析的故障診斷方法主要包括以下具體方法：支持向量機(jī)（SVM）：該方法適合小樣本和高維非線性模式識(shí)別，通過核函數(shù)將低維特征映射到高維空間，實(shí)現(xiàn)多分類問題的解決。非常適合解決小樣本與高維非線性模式識(shí)別問題，在故障診斷領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用。自組織特征映射（SOM）：SOM是一類無監(jiān)督學(xué)習(xí)模型，一般的用法是將高維的輸入數(shù)據(jù)在低維空間表示，因此SOM天然是一種降維方法。除了降維，SOM還可以用于數(shù)據(jù)可視化以及聚類等應(yīng)用。這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)如下圖所示?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷與預(yù)測(cè)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)：貝葉斯網(wǎng)絡(luò)結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，形成條件概率以描述事件間的因果關(guān)系。它使用圖模型結(jié)構(gòu)化表達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)的所有可能情況，無需數(shù)據(jù)先驗(yàn)知識(shí)。在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)代表隨機(jī)變量，邊表示條件依賴，通過統(tǒng)計(jì)依賴關(guān)系得出條件概率分布圖。這種方法有效地整合了專家經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分析?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷與預(yù)測(cè)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷與預(yù)測(cè)雖然在大樣本數(shù)據(jù)集中能夠取得良好的效果，但仍然存在以下問題：1.在定義神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型時(shí)，確定隱藏節(jié)點(diǎn)數(shù)、層數(shù)和輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)是關(guān)鍵。輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)的確定尤其具有挑戰(zhàn)性，需要考慮時(shí)間、負(fù)載和退化數(shù)據(jù)等信息。2.數(shù)據(jù)退化對(duì)故障預(yù)測(cè)至關(guān)重要，偏差和噪聲會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)不確定性。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法難以處理偏差，因?yàn)槿鄙賲?shù)。雖然大量數(shù)據(jù)能提高精度，但對(duì)高斯過程并非總是有效。解決方案包括使用部分?jǐn)?shù)據(jù)集或采用協(xié)方差矩陣/函數(shù)近似。3.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)中，由于測(cè)量噪聲、數(shù)據(jù)量小和損傷增長(zhǎng)復(fù)雜性，找到參數(shù)的全局最優(yōu)解困難，導(dǎo)致預(yù)測(cè)誤差較大。03PARTTHREE設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)為適應(yīng)工業(yè)4.0和中國(guó)制造2025，我國(guó)提出技術(shù)發(fā)展要求：創(chuàng)新整合光機(jī)電一體化、信息化、智能化技術(shù)，融合互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算，發(fā)展現(xiàn)代設(shè)備工程管理、監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)、故障診斷預(yù)警、綠色潤(rùn)滑、設(shè)備修復(fù)及更新改造技術(shù)，保障設(shè)備高效、安全、綠色運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)科學(xué)維護(hù)和智能監(jiān)控。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)智能監(jiān)控安全智能檢測(cè)監(jiān)控融合了先進(jìn)監(jiān)控技術(shù)和人工智能，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)和工藝流程，利用云計(jì)算進(jìn)行智能分析，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)檢測(cè)和智能預(yù)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并提出維修對(duì)策，確保設(shè)備安全、可靠、高效運(yùn)行。隨著工業(yè)智能化發(fā)展，該技術(shù)在設(shè)備安全管理、檢測(cè)、監(jiān)控和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面不斷進(jìn)步。設(shè)備安全信息化管理是智能監(jiān)控的基礎(chǔ)，涵蓋點(diǎn)檢、工藝和軟件管理三方面。設(shè)備點(diǎn)檢管理設(shè)備點(diǎn)檢管理對(duì)保障設(shè)備安全和提升工程水平至關(guān)重要。它要求操作人員具備相應(yīng)技能，以充分發(fā)揮設(shè)備技術(shù)優(yōu)勢(shì)并延長(zhǎng)使用壽命。點(diǎn)檢技術(shù)發(fā)展為崗位和專業(yè)點(diǎn)檢，分別負(fù)責(zé)日常巡檢和全周期管理。作業(yè)工藝管理設(shè)備安全信息化管理旨在提升設(shè)備效益和功能。管理人員認(rèn)識(shí)到，提升設(shè)備效益需結(jié)合生產(chǎn)、質(zhì)量、安全等多層面。設(shè)備管理與這些方面結(jié)合，才能持續(xù)改進(jìn)現(xiàn)代設(shè)備工程的安全信息化體系。改進(jìn)重點(diǎn)在于優(yōu)化作業(yè)工藝管理，包括制定、應(yīng)用和改進(jìn)工藝表。作業(yè)工藝QC表是將生產(chǎn)零部件及設(shè)備作業(yè)的各道工序用圖表與數(shù)據(jù)表示出來，使生產(chǎn)員工明確了解工藝要求、品質(zhì)要求、設(shè)備運(yùn)行和安全維護(hù)要求等，確?，F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的安全可靠進(jìn)行。作業(yè)工藝QC表是指導(dǎo)操作的工藝管理文件，明確設(shè)備操作的技術(shù)要求，確保操作人員按規(guī)程執(zhí)行。表中包含設(shè)備圖片、操作細(xì)節(jié)和儀表顯示，幫助理解操作重點(diǎn)。作業(yè)工藝表規(guī)定了設(shè)備操作的三個(gè)階段（作業(yè)前、中、后）的具體規(guī)程，以及設(shè)備使用、刀具和品質(zhì)檢驗(yàn)的指導(dǎo)內(nèi)容，以保證加工品質(zhì)。對(duì)重點(diǎn)工序，要在“管理重點(diǎn)”欄目里填寫清楚。信息化管理開發(fā)設(shè)備軟件管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息化。整合點(diǎn)檢與在線監(jiān)測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)管理信息化，并與ERP等系統(tǒng)交換共享數(shù)據(jù)，解決基礎(chǔ)狀態(tài)數(shù)據(jù)缺失問題實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能點(diǎn)檢和預(yù)知維修?？梢宰钣行У貙?shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)受控，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)預(yù)知維修。實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。借助系統(tǒng)提供的綜合點(diǎn)檢儀，可以使