第9章计算机辅助质量系统技术.doc

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1、第9章 计算机辅助质量系统技术 计算机辅助质量系统是一个新兴的领域，随着世界市场竞争的加剧，产品质量成为企业求得生存、赢得竞争的最有力的战略武器，提高产品质量成为国内外制造企业普遍关注的热点。制造企业为了自身的发展提出了应用先进的技术，特别是信息技术实现质量管理、质量保证和质量控制自动化的需求。本章将主要介绍计算机辅助质量系统的概念、结构、设计方法和质量控制的关键技术。91 概 述9.1.1 与质量有关的基本概念 1质量 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。也就是说，产品或服务必须满足规定或潜在的需要，这种“需要”可能是技术规范中明确规定的，也可能是技术规范中

2、未明确注明、但用户在使用过程中实际存在的需要。 根据质量所涉及的范围的不同，质量的概念又可分为狭义质量和广义质量。狭义质量是指产品质量，广义质量不仅指最终产品的质量，而且包括产品或服务形成和实现过程的质量。它要求我们在“正确的时间”、“正确的地点”做“正确的事情”，这三个“正确”中只要有一个不正确，则质量不合格。 2质量管理 质量管理涉及确定质量方针、目标和职责及在质量体系中通过诸如质量计划、质量控制、质量保证和质量改进等实施的管理职能的所有活动。它是企业管理的重要组成部分，其主要任务是制订质量方针和目标，并建立相应的质量体系以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

3、和全面质量管理三个主要阶段。 3质量保证 质量保证是为使人们确信某个产品或某项服务能满足规定的产品质量要求所必须的全部有计划的活动。它不是仅仅针对某项具体质量要求的活动，其核心是“使人们确信”。质量保证分为内部质量保证和外部质量保证，前者是为使企业的领导者确信本企业提供的产品和服务满足质量要求进行的活动，后者是为了使产品或服务的需求方确信供应方提供的产品或服务满足产品质量要求所进行的活动。 4质量控制 质量控制是指为达到产品或服务的质量要求所采取的作业技术和活动。它强调“质量要求”应转化为质量特性，这些特性应能用定量或定性的规范来表示，以便于作为质量控制时的依据。所采取的作业技术和活动应贯穿于

4、产品形成的全过程，包括营销和市场调查、过程策划与开发、产品设计与采购、提供生产或服务、验证、安装和贮存、销售和分发、安装和投入运行、技术支持和服务、用后处置等各个环节或阶段的质量控制。 5质量体系 质量体系为实施质量管理所需的组织结构、程序、过程和资源。也就是说，质量体系是为了实施质量管理而建立和运行的由组织机构、程序、过程和资源组成的有机整体，每一个企业都客观存在着质量体系。企业领导者的职责是站在系统的高度将影响产品或服务质量的因素作为质量体系的组成部分，使其相互配合、相互促进，实现系统的整体优化，建立和健全企业的质量体系，使之更为完善、科学和有效。 质量体系中的组织结构是质量体系有效运行的

5、保证，它既要有利于领导的统一指挥和分级管理，又要有利于各个部门的分工合作。质量体系的资源包括人才资源和专业技能、设计和研制设备、制造设备、检验和试验设备、仪器、仪表和计算机软件等。91，2 传统的质量系统存在的问题 在制造业中，质量一直为生产组织者所高度重视，只有具备良好的质量管理、控制和保证体系，才能保证产品或服务达到质量要求。在传统的生产过程中，质量系统的工作主要包括质量检验、性能试验和质量管理等几个主要方面，其中质量检验包括原材料和外购件的进厂检验、制造过程中零件部转序(从一道工序到下一道工序、一个部门到另一个部门)的阶段性检验、零部件制造完成后的检验和产品装配后的成品检验等，检验的主要

6、依据是设计技术指标和相关的标准；产品性能试验通常是对产品整机的使用性能进行测试，而将产品置于实际或模拟的使用环境下，测试某性能满足设计要求的程度，主要包括规定工作条件下的常规性能试验、极端条件下的功能试验、寿命试验、过载能力试验、环境适应能力试验和抗破坏性试验等；质量管理主要包括质量数据的收集(填写各种质检单)、质量数据的统计分析、质量数据文档的管理、质量检验器具与设备管理和质量事故的分析与论断等内容。 由于传统的质量系统中缺乏高效的质量信息采集、处理和管理的手段，存在一系列的问题和不足，如由于质量检验效率低，无法实现全面的质量检验；由于大多采用事后检验，不利于质量责任制的落实和质量的改进，成

7、本高。9l3 计算机辅助质量系统及其作用 计算机辅助质量系统(ComputerAidedQuality，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。具体包括： 1质量计划的制定 利用计算机系统和CADCAM及MRP系统提供的有关产品和生产过程的信息，完成产品质量计划编制和质检计划的生成。 编制产品质量计划时，CAQ 系统以产品的历史质量状况、生产技术状况位位基础，以CAD/CAM、MRP提供的产品设计和

8、生产要求为依据，确定要达到的质量目标(包括产品的特性、规范、一致性、可靠性等)，明确产品设计制造各阶段与质量有关的职责、权限及资源分配，制定达到质量目标应采取的程序、方法和作业规程，编制质量手册和质量程序手册等。 生成质检计划时，CAQ系统根据检测对象的质量要求和质检规范、产品模型及质检资源状况，制定具体检测对象(包括产品、部件、零件、外购外协件等)的质检规程与规范，确定具体检测项目、检测方法、检测设备、检测时间与地点等。 2质量检验与数据采集 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

9、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 质量评价与控制主要包括：制造过程质量评价、诊断与控制；进货及供货商质量评价与控制。制造过程质量评价、诊断与控制原理如图91所示，该系统是一个闭环的反馈控制系统。生产系统在被控状态下完成从原材料到成品的转变。该制造过程受到来自人、机器、材料、加工方法等方面的干扰；质量数据采集系统检测成品的实际质量和制造过程的状态信息，将被控变量与预定的质量规范或质量标准进行比较，在众多影响质量的干扰因素中诊断出主要因素，通过控制器和执行机构实现对制造过程的控制，以修正实际质量

10、与质量标准的偏离，确定新的操作变量或调整加工过程。图91 制造过程质量评价与控制原理制造过程质量评价与控制可以在制造过程的不同阶段进行，包括零件的制造过程、部件装配站、成品最终试验等。质量的评价和控制可以是在线的，也可以是离线的。 进货(外购原材料及零部件)及供货商的评价与控制，对企业产品的质量起着重要作用。因为越来越多的企业不再是由其自身生产所有的零部件，而是由供应商或协助厂来提供部分零部件。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则要扩大。控制器

11、 执行机构 生产设备 制造计划 令 制造过程控制变量4质量综合管理 质量综合管理子系统包括如下功能： (1)质量成本管理 包括质量成本发生点和成本负担者的确定、质量成本计划和质量成本核算、从成本优化角度解决质量问题的可能性、成本分类预算和核算。 (2)计量器具质量管理 计量器具包括在产品开发、制造、安装和维修中所使用的量具、仪器、专门的试验设备等。计量器具的质量管理覆盖计量器具计划、设计、采购、待用、监控及投入使用等各个阶段，并形成闭环系统。 (3)质量指标综合统计分析及质量决策支持 质量指标综合统计分析主要完成指标数据的收集、综合和分析，质量指标的分解、下达和各类指标执行状况的考核、奖惩处理

12、等。指标执行情况的汇总统计结果，作为质量计划部门确定质量目标和方针的决策支持。 (4)工具、工装和设备质量管理 包括工具、工装和设备定检计划制定，定检计划执行情况记录，工具、工装和设备规格及质量信息的存储、维护和更新，出入库质量状况及使用过程质量状况跟踪，异常情况处理等， (5)质量检验人员资格印章管理 包括质检人员基本信息、资格、权限及印章更新等。 (6)产品使用过程质量信息管理 包括质量信息的录入、存储、分类、统计、报告生成等。 采用计算机辅助质量系统，不仅克服了传统质量系统存在的不足，提高了质量信息采集处理的自动化程度，而且大大提高了质量信息的反馈控制速度，促进了质量管理水平的提高和质量

13、系统与其它系统的信息集成，降低了质量管理成本。92 计算机辅助质量系统设计 921 CAQ系统的基本组成 CAQ是在共享质量数据库和网络的支持下，实现全面质量管理中各部分信息的集成化管理，其基本组成如图92所示。 9，22 CAQ系统的信息流程 CAQ系统的循环周期是从市场调查阶段开始到售后服务阶段结束的。图93为集成质量系统的信息流。 在市场调查阶段，了解用户的需求和竞争对手的情况，并以调查的结果作为设计阶段的输入信息。以此为基础，利用CAD技术设计出满足用户要求的产品，然后通过CAPP将设计信息转化为生产工艺计划。通过在线仿真系统对加工过程进行模拟，发现可能出现的问题并反馈给CADCAPP

14、系统，进行修改设计，直到将所有设计及工艺等方面的问题全部解决，以保证按工艺计划生产的产品能满足设计要求。 系统根据设计及工艺信息制订工序质量及产品质量监测计划，对产品的加工过程及加工质量进行质量控制，保证产品的质量。产品售出后，通过售后的技术服务收集用户对产品质量的反映，并进行分析和归纳，同时统计产品质量控制的成本。这些信息有助于确定产品实际使用中用户的意见和期望、所反映的问题的性质和范围，可为改进设计和管理提供信息。 CAQ系统组成CAQ系统的信息流程 923 CAQ系统功能设计与分析 CAQ系统的功能设计可以采取图94所示的参考功能模型。根据企业的生产经营过程可将CAQ系统划分成五大功能子

15、系统：图94 CAQ系统的功能参考模型 (1)质量计划子系统 涵盖了质量系统决策层和管理层的部分功能，通常包括质量功能配置(QFD)、质量计划编制和检验计划的自动生成等内容。QFD是从顾客的需求出发，为适应市场的变化和技术的进步，按照技术文件合同协议及技术标准，进行产品质量配置和质量职能的分配，得出质量控制方案；质量计划编制是按照质量体系程序、技术文件和技术标准，参照质量控制方案，制定产品质量计划、质量改进措施和质量审核计划等；检验计划生成是按照产品质量计划、技术文件和技术标准、编制检验流程图、质检指导书和新产品检验方案等。产品质量计划包括设计质量计划、采购质量计划、重点工序质量保证计划、零部

16、件质量计划、成品质量计划、营销质量计划、收回处理质量计划等；质量检测计划包括原材料检验计划、配套件检验计划、重点工序检测计划、零部件质量检验计划、装配过程质量检测计划、成品检验计划、库存检验计划、计量器具检验计划、计量器具需求计划、检测规程生成、检测程序生成等；质量管理计划包括质量目标管理计划、质量体系审核计划、质量成本计划。 (2)质量检测 涵盖执行层和部分质量管理层的职责，主要包括进货检验和试验、过程检验和试验、最终检验和试验以及不合格控制等功能。涉及企业从原材料进厂到产成品出厂的物流全过程中的检验和试验，可能有质量数据的自动采集(与CAM集成的生产过程在线检验与控制)，也有离线检验时质量

17、数据的人工采集(如原材料进厂检验、产成品出厂检验和试验等)。除此之外，还包括不合格产品的控制等内容。 (3)质量评价与控制 主要是对关键业务过程和管理工作的评审与控制，其工作的基准是企业的质量计划、质量标准和质量体系程序。主要包括过程质量分析与控制、外协质量评价与控制、营销质量评价与控制、工作质量评价与控制。过程质量分析与控制包括设计质量评价与控制、重点工序质量评价与控制、零部件质量评价与控制、生产过程评价与控制、装配过程质量评价与控制、成品性能质量评价与控制、库存品质量评价与控制、重大质量事故控制等；外协质量评价与控制包括原材料质量评价、供应商质量信誉评价与考核、配套件质量评价、配套商质量信

18、誉评价与考核等；营销质量评价与控制包括维修站质量评价与考核、代销商质量信誉评价与考核、产品市场质量状况分析、产品市场前景分析等；工作质量评价与控制包括质量成本分析与控制、部门质量指标完成情况考核与控制、个人质量指标完成情况考核与控制、重大质量事故追踪与处理等。 (4)质量信息综合管理 包括质量体系管理、质量分析工具管理、市场及技术信息管理、计量器具及人员管理和设备质量管理等。质量体系管理包括质量体系文件管理、质量体系审核管理、质量保证组织管理、质量控制(Qc)小组管理、质量文化建设管理、人员培训管理等；质量分析工具管理包括质量报表生成、质量统计分析工具管理、综合查询等；市场及技术信息管理包括质

19、量技术标准管理、标准代码管理、行业质量动态管理、用户信息管理等；计量器具及人员管理包括质检人员资格管理、检验印章管理、计量器具出入库管理、计量器具检定管理等；设备质量信息管理包括设备维修管理、设备状态管理、设备报废管理。 (5)软件系统运行管理 通常包括用户帮助、数据备份与恢复、用户权限管理、用户口令更改控制、与其它系统的通讯管理、基础信息管理。924 CAQ系统结构根据图94所示的CAQ系统功能参考模型，建立CAQ软件系统结构的基本参考模型如图95所示。以此模型为基础，逐层分解，进行详细设计，来完成CAQ系统设计，并可进行软件开发。CAQ系统运行的硬件环境主要由计算机和计算机网络设备等构成，

20、其一般结构如图96所示。93 质量信息采集方法 信息采集是CAQ系统工作的基础。在CAQ系统中，与质量直接相关的信息包括生产过程中零部件质量数据、外购外协件及原材料的质检数据、产品性能测试数据、产品用户的使用评价结果等。此外，为保证生产出合格产品，还要监测生产系统中设备及工装工具的状态数据等。从采集的数据类型看，有数值数据(如尺寸大小、材料成分等)，也有状态型数据(如合格与不合格、好与坏、正常与不正常等)。质量信息的采集方法主要有手工采集方法、半自动采集方法、自动采集方法。 1手工检测 手工检测是质检人员使用手动量仪(如卡尺、千分表等)获取要求的质量数据，填写相应的质检单，然后用计算机输人工具

21、(如键盘)将相应的质量数据输入计算机进行处理。这种方法虽然费工费时，且易于出错，但由于操作简单、经济，且在目前情况下，企业的计量器具难以全部自动化和数字化，所以仍是目前CAQ系统获取质量信息的主要手段。 2半自动检测 半自动检测是质检人员使用具有电信号输出能力的量仪进行质检操作，检验结果通过量仪与计算机的接口，以人机交互方式直接输入计算机，不需要质检人员输入检测结果。目前具有电信号输出能力的量仪，主要采用容栅测位移的原理，构成的量仪在外形、结构上与普通量仪(如卡尺、千分表等)相似，操作方法相同，但它具备将位移量转化为脉冲编码的能力，其输出的脉冲编码可通过计算机接口(大多采用RS232串行接口)

22、直接输入计算机(图97)。图97 采用电子量仪的半自动检测原理 这种检测方法符合传统的作业习惯，又克服了手工检测易于出错的缺点，使用灵活方便，不受地点、条件限制，是一种很有发展前途的方法。 3自动检测 自动检测是用自动化量仪或设备(如坐标测量机)与计算机相联接，自动完成检验操作和数据获取的方法，其采集方式可以是在线的，也可以是离线的。目前生产过程中使用的主要有三种方式： (1)应用坐标测量机进行质量检测 坐标测量机一般有三个运动坐标轴，坐标测量机的一般结构如图98所示。由于待测工件的形状、外形尺寸、质量等有很大差异，使用环境也不相同，坐标测量机在结构形式上差别很大。通常，测头可以在横梁上上下运

23、动(Z方向)、也可左右移动(X方向)，横粱可沿着水平导轨前后运动(y方向)。为了使其移动灵活，同时也为了减小导轨表面缺陷对移动精度的影响，坐标测量机采用高精度、无摩擦的空气静压导轨支承，由精密计量元件(如光栅尺、感应同步器、双频激光等)检测各轴的位移。为了得到很高的尺寸稳定性，坐标测量机的测量工作台、导轨、横梁等都用高质量的花岗岩制成。测量机移动部件通常设计成高刚度、小质量部件。坐标测量机在驱动方式上与数控机床有较大区别，一般采用轻型齿轮齿条或同步齿形带等传动方式，驱动电动机采用直流伺服电动机，少数用力矩电动机，也有采用直线电机直接驱动的方式。测量机可配置点位触发测头、扫描测头或非接触光学测头

24、等。 图98 三坐标测量机的运动原理与典型结构图99 接触式测头结构 测头在计算机的控制下沿被测表面移动，移动过程中测头将测量数据送给计算机，计算机根据记录的测量结果计算被测零件形状和尺寸。为减少测头的磨损，在移动过程中，测头并不与被测表面相接触，而只是在检测点才发生接触(只是对接触式测头而言)。测头是坐标测量机中的关键部件之一，坐标测量机之所以能实现高精度测量，在很大程度上归功于高精度测头。测头实质上也是一种传感9S，有接触式和非接触式两类：接触式测头有触发式和模拟式两种；非接触式包括激光三角测量、激光成像和工业摄像机等，均属于光学测量传感器。图99所示是最常见的接触式测头结构。测头的探针处

25、于由三个圆柱棒月和六个球A形成的唯一确定的位置上，用一个高灵敏度的、有一定预紧力的弹簧将探针维持在这一位置。由六个球组成的触点按图中的方式依次连接，并接一恒定电流源。当探针接触被测表面时，就会产生微小的位移，此时六个触点中将有一个或一个以上的触点断开，从而使回路中的电阻迅速增大。当回路中的电阻增大到一定数值时，就会使回路两端产生一定的电压差，向开关电路发出信号，利用此信号触发计算机取当前测量点的坐标值，该坐标值通过计算机进行处理，得到要求的测量指标参数。这种触头的特点是具有三维特性，即探针沿X、y、Z三个方向的偏移均能引起触发。因此，可从不同的方向接触被测表面，而不会影响测量结果。探针的端部是

26、个红宝石球，采用红宝石的主要目的是提高探头的耐磨性。 这种检测方法精度高、自动化程度高、可靠性高，可完成各种复杂零件及复杂曲面零件的检测，但成本高。使用受到设备和检测场所的限制，一般主要用于高精度、复杂结构、复杂曲面零件的检测。 (2)应用三维测头进行质量检测 目前在加工中心上广泛应用的一种尺寸检测系统是将坐标测量机上用的三维测头直接安置于CNC机床上，用测头检测工件的几何精度或标定工件零点和刀具尺寸，检测结果直接进入机床数控系统，修正机床运动参数，保证工件质量。其工作原理如图910所示。具有红外线发射装置的测头的外形与加工中心上使用的刀具外形相似，其柄部和刀具的柄部完全相同。在进行切削加工时

27、，它和其它刀具一样存放于刀具库中，当需要测量时，由换刀机械手将测头装于加工中心主轴孔中，在数控系统控制下开始测量，当测头接触工件时，即发出调制红外线信号，由机床上的接收透镜接收红外光线并聚光后，经光电转换器转换为电信号，送给数控系统处理。在测头接触工件的一瞬间，触发信号进入机床控制系统，记录下此时各轴坐标位置。在数控系统上，有两个或三个坐标尺(光栅尺)，可读出工作台坐标系统的位置，当数控系统接到红外调制信号后，即记录下被测量点的坐标值，然后再次移动驱动轴，使测头与另一被测点接触，同样记录下该点坐标值，由两点的坐标值计算两点的距离。此时，用测量法则进行补偿、运算，即得到实际加工尺寸(如对多个测点

28、数据可调用数控宏程序进行拟合处理，计算孔径和圆心等)，其结果与由CAPP数据库的基准值进行比较，如果差值超过公差范围，便视为异常。测量的误差反馈给数控系统作为误差补偿的根据。 在制造系统中使用三维测头，最主要的效益是提高精度和节省工时。此外，三维测头还可以用于加工过程中的自适应控制系统。由于刀具磨损、夹具问题或其它因素引起的与工件规定尺寸的偏差，可作为系统控制的过程变量，控制系统能在刀具的轨迹方面做出必要的调整来校正这些误差。这种检测方法存在的主要问题是：由于测量在机床上进行，受温度、夹紧力的影响较大，特别是对于低刚度零件，往往在机床上测量的结果与从机床卸下来测量的结果有较大差别，而且检测精度

29、受机床驱动系统精度的限制，其检测结果大多作为加工过程的参考，是否能够进入CAQ系统，需要质检部门认证。 (3)基于传感器的过程信息在线检测 这种方法主要是通过各类数字或模拟传感器(如电感测微仪、电容测微仪、激光干涉仪等)进行质量数据、设备运行状态信息等的检测，其数据采集原理如图91l所示。算由于这种检测方法的传感器大都固定在设备上，所以主要用于设备状态监控、加工误差在线补偿、表面粗糙度测量等。图911 数据采集系统的基本组成94 质量控制与分析方法 质量控制与分析主要是通过分析、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，

30、是执行全面质量管理的基本手段。常用的方法包括控制图法、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法和箭条图法等。限于篇幅，本书仅就控制图法、因果关系法做简单介绍。941 控制图法 控制图法是通过采集生产过程中的质址数据、进行统计分析，从而进行质量控制管理的一种方法。它把质量数据与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，及时消除异常现象，达到控制生产或服务过程、保证质量的目的。图912所示为一控制图，图中有中心线CL、上控制界限UCL和下控制界限LCL，并将按时间顺序抽取的样

31、本统计数值绘制成图。控制图具有以下作用： 1)评定加工过程的状态，发现并及时消除生产过程中的失调现象，从而起到保证质量、防患于未然的作用。 2)减少废品和返工，从而提高生产率、降低成本、提高生产能力。图9，10 用三维测头进行质量检测的工作原理3)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。 4)提供重要的过程参数数据以及它们的时间稳定性。 1控制图原理 任何一个生产过程，不论它是如何精确设计和精心维护，总存在着一定量的固有的或自然的变化。它是由许多偶然因素形成的偶然波动的累积效果。由于这种波动比较小，所以认为这时生产过程处于受控状态或稳态。 此外，在生产过程中有时也发生由

32、异常因素造成的异常波动，如由于设备调整不当、人为差错或原材料缺陷导致的质量波动。与偶然波动相比，这种异常变化要大得多，而且往往表现出一定的趋势和规律，此时认为生产过程处于失控状态。 受控状态是生产过程追求的目标，此时产品的质量是有把握的。图913说明了控制图的控制原理。正常情况下测点值是正态分布的，落在控制界限之内的概率远大于落在控制界限之外的概率。反之，若测点值落在控制界限之外，可能是属于正常情况下的小概率事件发生，也可能是属于过程异常发生，相对来讲，后者发生的概率要大得多。这正是控制图的统计学原理。在采用控制图法时，需要填写相应的控制图表。每一张控制图的制作，都必须标明加工地点、工序名称、

33、加工对象、加工设备、检测工具、操作工人、工艺规范、测量工人等条件，以便做出分析和处理。其基本内容和格式如图914所示。 X X X厂 x X x控制图 X X X号 X车间X工段x小组 工序名称 量 具 零部件编号 测量人 零部件名称 数据收集人 工艺规范 年 月 日图914 控制图的格式上hJ公差上限值乙控制上限值CL，中心线1J控制下限值乙卜公差下限值 2控制线算法 ， 不同类型的控制图，其控制线的算法也不相同，本书仅以单值控制图(x图)为例予以说明，其它控制图的算法请查阅有关文献。 x图是最简单的一种控制图，它不需对抽样测量的数据分组，也不用计算样品组的平均数，只要根据确定的抽样数求出样

34、本数据的中心线x和标准偏差口，以及上、下控制界限，作出x控制图(图912)，然后即能直接将测得工件的被控值以点的形式画在图上，观察它的发展趋势。 中心线x的计算公式为式中：J一样本值； ，2一样本总数； 2，一样本号，i=1，2标准偏差口按下式计算：+工2+9，上、下控制界限值h和1分别等于X36。 x图法一般用于加工时间长、测量费用高和希望发现估计不到的原因并加以消除的生产过 程中。 3控制图的种类及选用 如表91所示，控制图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 在作好控制图后，即可

35、将质量数据按各类控制图的要求 处理后标到控制图上，最后根据标人控制图上点的分布状态 作出质量状况的判断。控制图的一般判断规则有： 1)控制图中的测量数据点不超过控制界限。如果数据 点落到了控制界限之外，应判断生产过程发生了异常变化。 2)测量数据点在控制图中的排列没有缺陷。如果数据 点虽未落到控制界限之外，但在图中的排列有下列缺陷之一 者，也应判断生产过程出现了异常变化： a数据点在中心线一侧连续出现7次以上(图9。15a)； b连续有7个以上的数据点上升或下降(图915b)； c数据点在中心线一侧多次出现，如果连续11个点中， 有10个数据点在中心线同侧(图915c)； d连续3个点中，至少

36、有2个点在上方或下方的2口横 线以外(图915d)； e数据点出现连续的周期性变化(图9，15e)。 94，2 因果分析法 每个质量问题的发生，通常是受多种复杂因素影响的， 要找到真正起主导作用的原因，最简便有效的工具就是因果 分析图。 因果图又称为鱼刺图、树枝图或石J11馨图，一般形式如 图916a所示。主干线表示要解决的质量问题，如操作者、机器、原材料、方法和环境表示造成质量问题的五大要素(称为大原因)。每个大原因可能包括若干个中原因，中原因下还可能有小原因或更小原因等。可以看出，利用因果图可以分门别类地将影响质量的各种因素全部找出来，并在图上一目了然地表示出来。图916b是钻头车间接柄工

37、序废品调查因果图，图中清楚地显示了原因与结果之间的关系，利用这种图可方便地查找影响质量问题的各种因素。在作因果图时，首先明确要解决的质量问题；然后画出主干线和大枝(大原因)，并标记出相应因素的名称，一般是影响质量的人、机、料、法、环、测等因素；接着对大枝进行细分，逐步画出中枝、小枝和细枝；最后还要标记调查时间、调查人员姓名等内容。对于关键要素应该用显著符号标记出来。 在作因果图时，分析人员应熟悉工艺过程，要开质量分析会。大原因并不一定是主要原因，主要原因可以用排列图或投标方法确定，原因分析的层次应细到能采取措施为止。找出所有原因后，要针对主要原因采取措施，最后用排列图检查效果。 95 加工系统

38、工况监测技术 951 加工系统工况监测的作用与监测内容 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

39、，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，具体内容如图9。17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。95。2 加工系统工况监测的一般方法1加工系统工况监测系统的基本结构加工系统工况监测系统的基本组成与工作过程如图918所示。 在加工设备运行过程中，为了监测设备和生产过程的运行状况，要在设备及其辅助装置的选定部位安装上相应的传感器，来检测设备及生产过程的运行状况信息。由传感器输出的信号往往幅值很小，且带有许多噪

40、声和干扰信号，需要对信号进行放大、滤波、整形等预处理。经预处理的信号输入计算机的数据采集接口，进行模数转换、数据格式转换等，将信号转换为计算机接收的格式，由于输入计算机的信号是多种因素综合作用的结果，难以直接用于被监测对象的状态识别，计算机根据要求，采用相应的信号处理方法，从输入的信号中提取出能够表征被监测对象状态变化的特征值，状态判别模块根据相应的判别策略和方法，对输人的状态特征值进行处理(如果采用智能方法，则需要对相关算法进行学习训练)。得出被监测项目的状态，最后交给推理机，推理机根据系统初始状态及相关的知识和数据，做出最后决策，如果需要对系统进行反馈控制和调整，则向执行机构发出控制命令和

41、相关参数。2加工系统工况监测中常用的传感器对于图917所示的每项监测任务，相应地使用不同传感器和信号，表92表示了加工过程 振动、刀具破损、刀具磨损及切屑过程监控和机床故障诊断所常用的信号和传感器。 3加工系统工况监测中特征信号的获取方法 传感器所检测到的信号往往是系统与过程中众多现象的综合反映，要判别某一特定对象是否正常，必须经过复杂的信号处理，从传感器输出的信号中提出代表某项监控对象(如刀具破损)状态变化的特征。目前，发展了许多信号特征的提取方法，如图919所示。图919 加工过程监控的常用信号处理方法 4。加工工况监测的决策方法 由于加工过程中传感器所测得的是多种影响因素综合作用的结果，

42、要通过这些信号准确地判别出某项监测目标的状态，难度是非常大的，即便是通过信号处理获得了状态变化的特征信号，这些特征信号也不是非常准确和可靠地反映状态的变化。为提高监测系统的准确性和可靠性，通常是将多个传感器输出的多个信号特征综合起来判别系统的工作状态，运用智能技术(如模式识别、专家系统、神经网络等)进行决策，最后判别所监控的对象是否正常。表93给出了刀具状态监测中常用的传感器组合和决策方法。 表93 多传感器组合系统在刀具状态监控中的应用实例 953 加工工况监测应用实例 1加工尺寸的在线检测 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

43、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920为在CNC车床上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，由参考位置进入测量点，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。 2刀具状态的在线检测 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921所示。当刀具一次走刀后，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

44、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L。，如果L=L，厶，则说明刀具没有折断或破损，如果LL，厶，则说明 图920 用三维测头在机床上测量工件尺寸 图921 探针离线检测刀具破损的原理 利用三维探针和数控工作台的三维坐标系统，可以检测车刀、镗刀、铣刀等多刃刀具的刀尖及切削刃的位置。这种方法虽然不能对刀具进行实时监控，但可以有效地检测出破损或折断的刀具，避免破损或折断的刀具再次进入切削过程而报废工件。 图9，22所示是用电机功率和声发射信号进行刀具状态监测的基本原理图。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

45、用模糊神经网络进行刀具磨损破损状态的识别。图9，23是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。建立的刀具磨损破损检测的神经网络模型如图924。由传感gS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J ，将其输入图924中左下角的模糊神经网络模型进行处理，得到刀具磨损破损状态卢A：、卢8：、Un；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卢A2、卢m、卢P2，两个模型