第九章計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量系統(tǒng)技術(shù)

1、計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量系統(tǒng)技術(shù)9.1 概述n9.1.1 與質(zhì)量有關(guān)的概念1 質(zhì)量： 是反映實(shí)體（產(chǎn)品或服務(wù)）滿足明 確和隱含需要能力的特征和特性的總和。狹義：產(chǎn)品質(zhì)量廣義：還包括產(chǎn)品或服務(wù)形成和實(shí)現(xiàn)過程 的質(zhì)量。要求：在“正確的時(shí)間”、“正確的地點(diǎn)” ”做正確的事“ 是指為了實(shí)現(xiàn)質(zhì)量目標(biāo)，而進(jìn)行的所有管理性質(zhì)的活動。 主要任務(wù)：制訂質(zhì)量方針和目標(biāo)，并建立相應(yīng)的質(zhì)量體系已確保質(zhì)量方針和目標(biāo)的實(shí)施。質(zhì)量管理經(jīng)歷了產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)質(zhì)量管理和全面質(zhì)量管理三個(gè)主要階段。2 質(zhì)量管理：2 質(zhì)量保證（Quality Assurance）n指為使人們確信某一產(chǎn)品、過程或服務(wù)的質(zhì)量所必須的全部有計(jì)劃有組織的活動。 n

2、核心： “使人們確信”n可分為，內(nèi)部質(zhì)量保證和外部質(zhì)量保證4 質(zhì)量控制 為達(dá)到產(chǎn)品或服務(wù)的質(zhì)量要求所采取的作業(yè)技術(shù)和活動。強(qiáng)調(diào)：“質(zhì)量要求”應(yīng)轉(zhuǎn)化為質(zhì)量特性，這些特性應(yīng)能用定量的或定性的規(guī)范表示，以便于作為質(zhì)量控制時(shí)的依據(jù)。 5 質(zhì)量體系n指為保證產(chǎn)品、過程或服務(wù)質(zhì)量，滿足規(guī)定（或潛有）的要求，由組織機(jī)構(gòu)、職責(zé)、程序、活動、能力和資源等構(gòu)成的有機(jī)整體。 n質(zhì)量體系按體系目的可分為質(zhì)量管理體系和質(zhì)量保證體系兩類。 比如國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO） ISO9000等9.1.2 傳統(tǒng)質(zhì)量系統(tǒng)存在的問題n傳統(tǒng)的質(zhì)量系統(tǒng)中缺乏高效的質(zhì)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(zhì)量檢驗(yàn)效率低

3、，無法實(shí)現(xiàn)全面的質(zhì)量檢驗(yàn)；大多數(shù)采用事后檢驗(yàn)，不利于質(zhì)量責(zé)任制的落實(shí)和質(zhì)量的改進(jìn)，成本高。9.1.3 計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量系統(tǒng)及其作用n計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量系統(tǒng)（CAQ）是以計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫為手段，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的信息處理和數(shù)據(jù)存儲、管理能力，協(xié)助人們完成質(zhì)量管理、質(zhì)量保證和質(zhì)量控制中的各項(xiàng)工作，以克服傳統(tǒng)手工質(zhì)量系統(tǒng)存在的不足，提高產(chǎn)品質(zhì)量及質(zhì)量管理水平和效率，降低質(zhì)量保證和質(zhì)量管理的成本。CAQ具體任務(wù)n1 質(zhì)量計(jì)劃的制定n2 質(zhì)量檢驗(yàn)與數(shù)據(jù)采集n3 質(zhì)量評價(jià)與控制n4 質(zhì)量綜合管理1 質(zhì)量計(jì)劃的制定n利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和CAD/CAM及MRP系統(tǒng)提供的有關(guān)產(chǎn)品和生產(chǎn)過程的信息，完成產(chǎn)品計(jì)劃編制和質(zhì)檢

4、計(jì)劃的生成。2 質(zhì)量檢驗(yàn)與數(shù)據(jù)采集n在CAQ系統(tǒng)中，質(zhì)量檢測及質(zhì)量數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的功能就是在質(zhì)量計(jì)劃子系統(tǒng)的指導(dǎo)下，采集制造過程不同階段與產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)的數(shù)據(jù)，包括外購原材料及零部件檢測數(shù)據(jù)、零件制造過程檢測數(shù)據(jù)和最終檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，制造系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、裝配過程檢測數(shù)據(jù)、成品試驗(yàn)數(shù)據(jù)及產(chǎn)品使用過程故障數(shù)據(jù)等。3 質(zhì)量評價(jià)與控制n質(zhì)量評價(jià)與控制包括：1 制造過程質(zhì)量評價(jià)、診斷與控制。2 進(jìn)貨及供貨商質(zhì)量評價(jià)與控制。 制造過程質(zhì)量評價(jià)、診斷與控制控制器控制變量執(zhí)行機(jī)構(gòu)制造計(jì)劃和調(diào)度生產(chǎn)設(shè)備制造過程質(zhì)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)評價(jià)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量規(guī)范成品狀態(tài)信息實(shí)際質(zhì)量質(zhì)量評價(jià)與控制進(jìn)貨及供貨商質(zhì)量評價(jià)與控制。n由供應(yīng)商

5、或協(xié)助廠來提供部分零件部。進(jìn)貨質(zhì)量評價(jià)與控制應(yīng)是“動態(tài)”的，即根據(jù)進(jìn)貨的質(zhì)量、供應(yīng)商的歷史狀況更改檢測計(jì)劃。對于長期供貨且質(zhì)量穩(wěn)定的供貨商，可減小抽檢范圍；而對新的、供貨質(zhì)量不穩(wěn)定的供貨商所提供的零部件的抽檢范圍要擴(kuò)大4 質(zhì)量綜合管理n質(zhì)量綜合管理子系統(tǒng)包括如下功能：（1） 質(zhì)量成本管理（2） 計(jì)量器具質(zhì)量管理（3）質(zhì)量指標(biāo)綜合統(tǒng)計(jì)分析及質(zhì)量決策支持（4）工具、工裝和設(shè)備質(zhì)量管理（5）產(chǎn)品使用過程質(zhì)量信息管理9.2 計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)n9.2.1 CAQ系統(tǒng)基本組成共享數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)質(zhì)量追蹤系統(tǒng)總控市場需求及信息用戶反饋意見維修點(diǎn)信息質(zhì)量計(jì)劃外部質(zhì)量控制與評價(jià)質(zhì)量評審計(jì)量器具管理其他管理信

6、息系統(tǒng)軟件接口綜合質(zhì)量管理提供給用戶的質(zhì)量文件質(zhì)量報(bào)告自動監(jiān)控工作站檢測站成品半成品制造過程工作質(zhì)量決策支持質(zhì)量指標(biāo)質(zhì)量成本9.2.2 CAQ系統(tǒng)的信息流程市場調(diào)查質(zhì)量功能展開CADCAPP仿真CAQ產(chǎn)品檢驗(yàn)計(jì)劃工序控制計(jì)劃工序質(zhì)量控制產(chǎn)品制造產(chǎn)品檢驗(yàn)儲運(yùn)售后服務(wù)信息反饋質(zhì)量成本統(tǒng)計(jì)質(zhì)量改進(jìn)9.2.3 CAQ系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與分析n五大功能子系統(tǒng)（1）質(zhì)量計(jì)劃子系統(tǒng)（2）質(zhì)量檢測（3）質(zhì)量評價(jià)與控制（4）質(zhì)量信息綜合管理（5）軟件系統(tǒng)運(yùn)行管理9.2.4 CAQ系統(tǒng)結(jié)構(gòu)nP 2399.3 質(zhì)量信息采集方法n1 手工n2 半自動n3 自動檢測9.4 質(zhì)量控制與分析方法n質(zhì)量控制與分析主要是：通過分析、

7、處理生產(chǎn)實(shí)際中獲取的各種數(shù)據(jù)和信息來判別系統(tǒng)的質(zhì)量狀況、發(fā)展趨勢和產(chǎn)生質(zhì)量問題的原因，從而達(dá)到質(zhì)量預(yù)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(diào)查表法、排列圖法、關(guān)聯(lián)圖法、KJ法、系統(tǒng)圖法、矩陣圖法、矩陣數(shù)據(jù)分析法、PDPC法和箭頭法等。9.4.1 控制圖法n通過采集生產(chǎn)過程中的質(zhì)量數(shù)據(jù)、進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而進(jìn)行質(zhì)量控制管理。n它吧質(zhì)量數(shù)據(jù)域計(jì)算確定的控制界限相比較，判斷生產(chǎn)過程是否穩(wěn)定，是否出現(xiàn)系統(tǒng)性差異，進(jìn)而采取措施，達(dá)到控制生產(chǎn)或服務(wù)過程、保證質(zhì)量的目的。質(zhì)量統(tǒng)計(jì)控制圖控制圖作用n評價(jià)加工過程的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)并及時(shí)消除生產(chǎn)過程中的

8、失調(diào)現(xiàn)象，從而起到保證質(zhì)量、防患與未然的作用。n減少廢品和返工，從而提高生產(chǎn)效率、降低成本、提高生產(chǎn)能力。n可以區(qū)分質(zhì)量的偶然波動與異常波動，使操作者減少不必要的過程調(diào)整。n提供重要的過程參數(shù)數(shù)據(jù)以及它們的時(shí)間穩(wěn)定性。控制圖原理（統(tǒng)計(jì)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(jù)確定的抽樣數(shù)求出樣本數(shù)據(jù)的中心線X和標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)的形式畫在圖上，觀察它的發(fā)展趨勢。中心線x的計(jì)算公式nxnxxxxniin121.X樣本號N樣本總數(shù)I 樣本號標(biāo)準(zhǔn)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(jù)質(zhì)量數(shù)據(jù)的類型可分為計(jì)量值控制圖和計(jì)數(shù)值控制圖。這些控制圖各有各的用途，應(yīng)根據(jù)所控制質(zhì)量指標(biāo)的情況和數(shù)據(jù)性質(zhì)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(zhì)量數(shù)據(jù)按各類控制圖的要求處理后標(biāo)到控制圖上，最后根據(jù)標(biāo)入控制圖上點(diǎn)的分布狀態(tài)做出質(zhì)量狀況的判斷。判斷規(guī)則：n1 控制圖中的測量數(shù)據(jù)點(diǎn)不超過控制界限。如果超過判斷為生產(chǎn)過程發(fā)生異常變化。n2測量數(shù)據(jù)點(diǎn)的控制圖中的排列沒有缺陷。以下為缺陷表現(xiàn)。數(shù)據(jù)缺陷表現(xiàn)（p246）n1、 數(shù)據(jù)點(diǎn)在中心線一側(cè)連續(xù)出現(xiàn)7次以上。n2、 連續(xù)7個(gè)以上的數(shù)據(jù)點(diǎn)上升或下降】n3 、數(shù)據(jù)點(diǎn)在中心線一側(cè)多次出現(xiàn)，如果連續(xù)

10、11個(gè)點(diǎn)中有10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)在中心線同側(cè)。n4、 連續(xù)3個(gè)點(diǎn)中，至少有2個(gè)點(diǎn)在上方或下方的2 橫線以外n5、數(shù)據(jù)點(diǎn)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(shù)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(yùn)行、保質(zhì)保量完成生產(chǎn)任務(wù)的重要保證,是CAQ系統(tǒng)中制造過程質(zhì)量保證的重要內(nèi)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(jì)算機(jī)進(jìn)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(chǎn)生異常的原因，從而保證系統(tǒng)正常安全運(yùn)行，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)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(chǎn)生

11、和設(shè)備損壞，提高設(shè)備利用率和智能化水平，縮短生產(chǎn)輔助時(shí)間。據(jù)估計(jì)，采用加工工況實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)，可將人為或技術(shù)因素引起的故障停機(jī)時(shí)間減少75%，有效加工時(shí)間由無監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)的10%提高到65%，機(jī)床利用率提高50%以上，加工費(fèi)用降低30%以上。加工工況監(jiān)測的主要內(nèi)容加工工況監(jiān)測的主要內(nèi)容n 加工工況監(jiān)測包括的主要內(nèi)容有加工設(shè)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(zhì)量監(jiān)測、加工系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境監(jiān)測等5個(gè)方面。具體內(nèi)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(shù)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(nèi)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(jì)分析、NN，統(tǒng)計(jì)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(jì)分析，NN）沖擊磨損（時(shí)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(shí)序模型），破損（有門限報(bào)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(jì)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(shí)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(jì)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(jì)分析，門限值）。加工系統(tǒng)工況監(jiān)測應(yīng)用實(shí)例加工系統(tǒng)工況監(jiān)測應(yīng)用實(shí)例n用加工尺寸變化作為判據(jù)的監(jiān)控方法來判別生產(chǎn)過程是否正常，在大批量生產(chǎn)中應(yīng)用最廣。通常，在自動化機(jī)床上用三維測頭、在 FMS中配置坐標(biāo)測量機(jī)或?qū)ｉT的檢測工作站進(jìn)行在線尺寸自動測量等，都是以尺寸為判據(jù)，同時(shí)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，完成質(zhì)量控制的預(yù)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(jìn)行自動測量的示意圖。測頭在計(jì)算機(jī)控制下，由參考位置進(jìn)人測量點(diǎn)，計(jì)算機(jī)記錄測量結(jié)果并進(jìn)行處理，測頭自動復(fù)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(nèi)，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(dāng)?shù)毒咭淮巫叩锻旰?，將裝在工作臺某個(gè)位置的探針或接觸開關(guān)移到刀尖附近，當(dāng)?shù)毒撸▓D中的鉆頭尖）碰到探針時(shí)，利用機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)記下刀尖的坐標(biāo)，并計(jì)算出刀具長度 L，調(diào)用子程序比較L與存儲在計(jì)算機(jī)中的刀具標(biāo)準(zhǔn)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(bào)

15、廢，需要換刀，l為刀具的允許磨損量。 電機(jī)功率和聲發(fā)射信號進(jìn)行刀具狀態(tài)監(jiān)測 n用電機(jī)功率和聲發(fā)射信號進(jìn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。由傳感器檢測的聲發(fā)射信號和電機(jī)功率信號經(jīng)小波分析處理后，得到與刀具磨損密切相關(guān)的特征參數(shù) x1、x2、x3、x4，將其輸入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行處理，得到刀具磨損破損狀態(tài)；

16、同時(shí)，將切削參數(shù)、切削時(shí)間和刀具材料等參數(shù)輸入刀具磨損預(yù)測模型（刀具壽命公式）進(jìn)行分析計(jì)算，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)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(gè)模型進(jìn)行判別的刀具狀態(tài)結(jié)論輸入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)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(jié)果。9.5.4 加工系統(tǒng)故障診斷技術(shù)加工系統(tǒng)故障診斷技術(shù)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(shí)，要通過故障診斷，分析出導(dǎo)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(shù)指標(biāo)（如精度）達(dá)不到要求時(shí)，要通過故障診，分析導(dǎo)致技術(shù)指標(biāo)超差的原因。 9.6 質(zhì)量的在線檢測與補(bǔ)

17、償技術(shù)n保證零件加工精度的途徑：1母性原則：機(jī)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(jī)床上利用誤差補(bǔ)償技術(shù)來提高精度。加工誤差組成誤差補(bǔ)償?shù)幕驹?n根據(jù)誤差補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性，誤差補(bǔ)償可以分為非實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償和實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償。非實(shí)時(shí)誤差補(bǔ)償只能補(bǔ)償加工中的系統(tǒng)誤差，又稱為靜態(tài)誤差補(bǔ)償。實(shí)時(shí)補(bǔ)償是指在加工過程中對誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并隨后緊接著進(jìn)行誤差補(bǔ)償，也就是在線誤差補(bǔ)償，又稱動態(tài)誤差補(bǔ)償，實(shí)時(shí)補(bǔ)償不僅能補(bǔ)償加工過程中的系統(tǒng)誤差而且還能補(bǔ)償隨機(jī)誤差。誤差補(bǔ)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(xì)長軸。 n數(shù)控車床上加工如圖a所示的細(xì)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(chǎn)生變形。同時(shí)，由于機(jī)床導(dǎo)軌運(yùn)動系統(tǒng)誤差的共同作用，常常會產(chǎn)生較大的誤差。為減小加工誤差，先對機(jī)床運(yùn)動系統(tǒng)誤差進(jìn)行標(biāo)定，建立起機(jī)床運(yùn)動誤差與機(jī)床坐標(biāo)系統(tǒng)之間的關(guān)系，同時(shí)建立起切削力模型和加工系統(tǒng)剛度模型，由此可計(jì)算出各加工點(diǎn)由切削力產(chǎn)生的變形誤差，將兩個(gè)模型進(jìn)行融合，建立綜合誤差模型。在加工前通過仿真，計(jì)算出刀具軌跡的誤差，然后進(jìn)行刀具軌跡修正，補(bǔ)償加工誤差，圖 b是補(bǔ)償前后的加工誤差大小分布，由圖可看出，通過補(bǔ)償可使加工誤差大大減小。 專用誤差補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)誤差補(bǔ)償誤差預(yù)報(bào)補(bǔ)償控制原理 n20世紀(jì)80年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、時(shí)序分析方法及動態(tài)數(shù)據(jù)建模理論的發(fā)展，在動態(tài)數(shù)據(jù)系統(tǒng)（Dynamic Data System ，DDS）建模方法的基礎(chǔ)上，創(chuàng)立了誤差預(yù)報(bào)補(bǔ)償控制（Forecasting Co