第九章计算机辅助质量系统技术

1、计算机辅助质量系统技术9.1 概述n9.1.1 与质量有关的概念1 质量： 是反映实体（产品或服务）满足明 确和隐含需要能力的特征和特性的总和。狭义：产品质量广义：还包括产品或服务形成和实现过程 的质量。要求：在“正确的时间”、“正确的地点” ”做正确的事“ 是指为了实现质量目标，而进行的所有管理性质的活动。 主要任务：制订质量方针和目标，并建立相应的质量体系已确保质量方针和目标的实施。质量管理经历了产品质量检验、统计质量管理和全面质量管理三个主要阶段。2 质量管理：2 质量保证（Quality Assurance）n指为使人们确信某一产品、过程或服务的质量所必须的全部有计划有组织的活动。 n

2、核心： “使人们确信”n可分为，内部质量保证和外部质量保证4 质量控制 为达到产品或服务的质量要求所采取的作业技术和活动。强调：“质量要求”应转化为质量特性，这些特性应能用定量的或定性的规范表示，以便于作为质量控制时的依据。 5 质量体系n指为保证产品、过程或服务质量，满足规定（或潜有）的要求，由组织机构、职责、程序、活动、能力和资源等构成的有机整体。 n质量体系按体系目的可分为质量管理体系和质量保证体系两类。 比如国际标准化组织（ISO） ISO9000等9.1.2 传统质量系统存在的问题n传统的质量系统中缺乏高效的质量信息 采集、处理和管理手段，存在一系列的问题和不足，如由于质量检验效率低

3、，无法实现全面的质量检验；大多数采用事后检验，不利于质量责任制的落实和质量的改进，成本高。9.1.3 计算机辅助质量系统及其作用n计算机辅助质量系统（CAQ）是以计算机、网络和数据库为手段，充分发挥计算机的信息处理和数据存储、管理能力，协助人们完成质量管理、质量保证和质量控制中的各项工作，以克服传统手工质量系统存在的不足，提高产品质量及质量管理水平和效率，降低质量保证和质量管理的成本。CAQ具体任务n1 质量计划的制定n2 质量检验与数据采集n3 质量评价与控制n4 质量综合管理1 质量计划的制定n利用计算机系统和CAD/CAM及MRP系统提供的有关产品和生产过程的信息，完成产品计划编制和质检

4、计划的生成。2 质量检验与数据采集n在CAQ系统中，质量检测及质量数据采集子系统的功能就是在质量计划子系统的指导下，采集制造过程不同阶段与产品质量有关的数据，包括外购原材料及零部件检测数据、零件制造过程检测数据和最终检验数据，制造系统运行状态数据、装配过程检测数据、成品试验数据及产品使用过程故障数据等。3 质量评价与控制n质量评价与控制包括：1 制造过程质量评价、诊断与控制。2 进货及供货商质量评价与控制。 制造过程质量评价、诊断与控制控制器控制变量执行机构制造计划和调度生产设备制造过程质量数据采集系统评价质量标准质量规范成品状态信息实际质量质量评价与控制进货及供货商质量评价与控制。n由供应商

5、或协助厂来提供部分零件部。进货质量评价与控制应是“动态”的，即根据进货的质量、供应商的历史状况更改检测计划。对于长期供货且质量稳定的供货商，可减小抽检范围；而对新的、供货质量不稳定的供货商所提供的零部件的抽检范围要扩大4 质量综合管理n质量综合管理子系统包括如下功能：（1） 质量成本管理（2） 计量器具质量管理（3）质量指标综合统计分析及质量决策支持（4）工具、工装和设备质量管理（5）产品使用过程质量信息管理9.2 计算机辅助质量系统设计n9.2.1 CAQ系统基本组成共享数据库网络系统质量追踪系统总控市场需求及信息用户反馈意见维修点信息质量计划外部质量控制与评价质量评审计量器具管理其他管理信

6、息系统软件接口综合质量管理提供给用户的质量文件质量报告自动监控工作站检测站成品半成品制造过程工作质量决策支持质量指标质量成本9.2.2 CAQ系统的信息流程市场调查质量功能展开CADCAPP仿真CAQ产品检验计划工序控制计划工序质量控制产品制造产品检验储运售后服务信息反馈质量成本统计质量改进9.2.3 CAQ系统功能设计与分析n五大功能子系统（1）质量计划子系统（2）质量检测（3）质量评价与控制（4）质量信息综合管理（5）软件系统运行管理9.2.4 CAQ系统结构nP 2399.3 质量信息采集方法n1 手工n2 半自动n3 自动检测9.4 质量控制与分析方法n质量控制与分析主要是：通过分析、

7、处理生产实际中获取的各种数据和信息来判别系统的质量状况、发展趋势和产生质量问题的原因，从而达到质量预测与控制的目的，是执行全面管理的基本手段。n常用方法：控制图表法、分层法、因果分析法、散布图法、直方图法、调查表法、排列图法、关联图法、KJ法、系统图法、矩阵图法、矩阵数据分析法、PDPC法和箭头法等。9.4.1 控制图法n通过采集生产过程中的质量数据、进行统计分析，从而进行质量控制管理。n它吧质量数据域计算确定的控制界限相比较，判断生产过程是否稳定，是否出现系统性差异，进而采取措施，达到控制生产或服务过程、保证质量的目的。质量统计控制图控制图作用n评价加工过程的状态，发现并及时消除生产过程中的

8、失调现象，从而起到保证质量、防患与未然的作用。n减少废品和返工，从而提高生产效率、降低成本、提高生产能力。n可以区分质量的偶然波动与异常波动，使操作者减少不必要的过程调整。n提供重要的过程参数数据以及它们的时间稳定性。控制图原理（统计分析）2 控制线算法n不同类型的控制图，其控制线的算法也不相同。 X图为例：根据确定的抽样数求出样本数据的中心线X和标准偏差 ，以及上下控制界限，作出X控制图（9.12），然后能直接将测得的工件的被控制以点的形式画在图上，观察它的发展趋势。中心线x的计算公式nxnxxxxniin121.X样本号N样本总数I 样本号标准差公式1)(12nxxnii上下控制界限lll

9、h和3x3 控制图的种类及选用n控制图表根据质量数据的类型可分为计量值控制图和计数值控制图。这些控制图各有各的用途，应根据所控制质量指标的情况和数据性质加以选择。4 控制图的判断规则n在做好控制图后，即可将质量数据按各类控制图的要求处理后标到控制图上，最后根据标入控制图上点的分布状态做出质量状况的判断。判断规则：n1 控制图中的测量数据点不超过控制界限。如果超过判断为生产过程发生异常变化。n2测量数据点的控制图中的排列没有缺陷。以下为缺陷表现。数据缺陷表现（p246）n1、 数据点在中心线一侧连续出现7次以上。n2、 连续7个以上的数据点上升或下降】n3 、数据点在中心线一侧多次出现，如果连续

10、11个点中有10个数据点在中心线同侧。n4、 连续3个点中，至少有2个点在上方或下方的2 横线以外n5、数据点出现连续的周期性变化。 9.4.2 因果分析法9.5 加工系统工艺检测技术n加工系统工况监测的作用加工系统工况监测的作用 n 加工系统工况监测是加工系统正常运行、保质保量完成生产任务的重要保证,是CAQ系统中制造过程质量保证的重要内容，其基本原理是通过自动采集加工过程中的各种信息（如切削力、切削温度、振动等），由计算机进行系统的信号分析和处理，来识别加工过程是否正常及产生异常的原因，从而保证系统正常安全运行，生产出合格的产品。 加工系统工况监测可以避免加工过程中事故的发生，避免废品产生

11、和设备损坏，提高设备利用率和智能化水平，缩短生产辅助时间。据估计，采用加工工况实时监控技术，可将人为或技术因素引起的故障停机时间减少75%，有效加工时间由无监控系统时的10%提高到65%，机床利用率提高50%以上，加工费用降低30%以上。加工工况监测的主要内容加工工况监测的主要内容n 加工工况监测包括的主要内容有加工设备状态监测、刀具状态监测、加工过程监测、加工工件质量监测、加工系统运行环境监测等5个方面。具体内容如下图所示。其中刀具状态监测和加工过程监测是技术难度最大、也是研究人员投入精力最多的加工工况监测内容。9.5.2 加工系统工监测的一般方法加工系统工况监测中常用的传感器 加工系统工况

12、监测中特征信号的获取方法 加工工况监测的决策方法 n力+振动传感器可以监控磨损（信号处理及决策方法有FFT、统计分析、NN，统计分析、门限，动态切削力建模）冲击（信号处理及决策方法有FFT、统计分析，NN）冲击磨损（时序建模）破损（门限值）。n力+AE传感器可以监控磨损(信号处理及决策方法有门限值、NN磨损模型)磨削过程监控(有门限值,专家系统，时序模型），破损（有门限报警）。n其他组合。AE+电流可以监控磨损（信号处理及决策方法有模糊模式识别、NN），磨削过程监控（信号处理及决策方法有门限值）；力+电流可以监控磨损、破损冲击（信号处理及决策方法有门限）；噪声+电流可以监控磨损、破损（信号处理

13、及决策方法有模糊识别）；AE+振动可以监控磨损、破损（信号处理及决策方法有统计分析、NN）； AE+ 超声可以监控磨损监控(信号处理及决策方法有时序分析)；力+声音可以监控冲击（信号处理及决策方法有统计分析、门限值）电流、力、振动可以监控破损（信号处理及决策方法有统计分析，门限值）。加工系统工况监测应用实例加工系统工况监测应用实例n用加工尺寸变化作为判据的监控方法来判别生产过程是否正常，在大批量生产中应用最广。通常，在自动化机床上用三维测头、在 FMS中配置坐标测量机或专门的检测工作站进行在线尺寸自动测量等，都是以尺寸为判据，同时用计算机进行数据处理，完成质量控制的预测工作。图为在CNC车床上

14、用三维测头对工件上孔的尺寸进行自动测量的示意图。测头在计算机控制下，由参考位置进人测量点，计算机记录测量结果并进行处理，测头自动复位。图中的箭头为测头中心移动的方向。 n用探针监测刀尖位置是一种非连续的直接检测刀具破损的方法。它是在加工间歇内，使用加工中心的尺寸检测系统来检测刀具的长度或切削刃的位置，如图所示。当刀具一次走刀完后，将装在工作台某个位置的探针或接触开关移到刀尖附近，当刀具（图中的钻头尖）碰到探针时，利用机床坐标系统记下刀尖的坐标，并计算出刀具长度 L，调用子程序比较L与存储在计算机中的刀具标准长度Ls，如果L Ls一l，则说明刀具没有折断或破损，如果 L Ls一l，则说明刀具已报

15、废，需要换刀，l为刀具的允许磨损量。 电机功率和声发射信号进行刀具状态监测 n用电机功率和声发射信号进行刀具状态监测。在该系统中，采用小波分析提取刀具磨损与破损的特征信号，采用模糊神经网络进行刀具磨损破损状态的识别。 刀具磨损状态隶属函数 n刀具磨损状态分类的隶属函数将刀具磨损破损状态分为初期磨损A、正常磨损早期B、正常磨损中期C、正常磨损后期D、急剧磨损E和刀具破损F。 智能融合模型 n建立的刀具磨损破损检测的神经网络模型。由传感器检测的声发射信号和电机功率信号经小波分析处理后，得到与刀具磨损密切相关的特征参数 x1、x2、x3、x4，将其输入模糊神经网络模型进行处理，得到刀具磨损破损状态；

16、同时，将切削参数、切削时间和刀具材料等参数输入刀具磨损预测模型（刀具寿命公式）进行分析计算，并对计算结果进行模糊分类，得到第二组刀具磨损破损状态 A2、B2、C2、F2，两个模型进行判别的刀具状态结论输入模糊神经网络模型进行最后决策处理，即得到刀具磨损破损状态识别的最后结果。9.5.4 加工系统故障诊断技术加工系统故障诊断技术n加工系统故障诊断可分为两大类，一类是在系统工作异常时，要通过故障诊断，分析出导致这种异常的原因和部位（子系统、部件、元件及其位置）；另一类是在加工系统中出现被加工零件的技术指标（如精度）达不到要求时，要通过故障诊，分析导致技术指标超差的原因。 9.6 质量的在线检测与补

17、偿技术n保证零件加工精度的途径：1母性原则：机床的精度高于工件所要求的精度。2创造性原则：在精度低于工件的机床上利用误差补偿技术来提高精度。加工误差组成误差补偿的基本原理 n根据误差补偿的实时性，误差补偿可以分为非实时误差补偿和实时误差补偿。非实时误差补偿只能补偿加工中的系统误差，又称为静态误差补偿。实时补偿是指在加工过程中对误差进行实时检测，并随后紧接着进行误差补偿，也就是在线误差补偿，又称动态误差补偿，实时补偿不仅能补偿加工过程中的系统误差而且还能补偿随机误差。误差补偿系统的基本组成及工作原理见下图。 例：数控车床上加工细长轴。 n数控车床上加工如图a所示的细长轴，毛坯棒料的尺寸为27x2

18、20，材料为45号钢，由于系统刚度低，在切削力作用下要产生变形。同时，由于机床导轨运动系统误差的共同作用，常常会产生较大的误差。为减小加工误差，先对机床运动系统误差进行标定，建立起机床运动误差与机床坐标系统之间的关系，同时建立起切削力模型和加工系统刚度模型，由此可计算出各加工点由切削力产生的变形误差，将两个模型进行融合，建立综合误差模型。在加工前通过仿真，计算出刀具轨迹的误差，然后进行刀具轨迹修正，补偿加工误差，图 b是补偿前后的加工误差大小分布，由图可看出，通过补偿可使加工误差大大减小。 专用误差补偿装置实现误差补偿误差预报补偿控制原理 n20世纪80年代，随着计算机技术、时序分析方法及动态数据建模理论的发展，在动态数据系统（Dynamic Data System ，DDS）建模方法的基础上，创立了误差预报补偿控制（Forecasting Co