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計算機輔助質量控制

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計算機輔助質量控制,是產品試製與批生產過程的計算機輔助質量管理分為試製與批量管理。試製質量管理注重產品零部件的加工質量,排除產品試生產階段性能的不確定性;批生產過程的質量控制強調降低廢品率。計算機輔助質量管理系統由系統運行管理、基礎框架服務、基礎質量信息支持平台、系統功能層組成,分為需求分析,系統設計、開發和實施等步驟。

1 計算機輔助質量控制 -概述

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在生產過程中,人們常常對實際加工出來的一批工件進行檢查測量,運用數理統計方法加以處理和分析,從中找出規律,找出解決加工精度問題的途徑,並控制工藝過程的正常進行。人工檢驗和統計分析是質量控制的傳統方法,這是一項精細、單調而且費時的工作。在統計採樣處理中會有少量不合格品漏檢而進入合格品中。實際上,在生產和檢測過程中統計採樣處理經常讓平均不合格率保持在某一百分比以下,這就是說允許工件合格率百分比略低於100%。
傳統質量檢驗的另一個問題是事後檢驗,即零件質量是在加工完后確定的。如果零件不合格,就需要返工或報廢,而返工費用往往比正常加工費用大。
日益激烈的市場競爭和日趨複雜的產品質量需求清楚地表明,必須將信息技術、計算機技術引入到企業質量管理與控制當中,才能真正有效地實現企業現代化質量管理與質量保證.近年來,以計算機技術應用為基礎,以先進的質量控制技術、信息處理手段和現代質量管理方法緊密結合為特點的計算機輔助質量控制(Computer Aided Quality Control) 和計算機輔助質量控制系統(CAQ,Computer Aided Quality System)已經成為企業中的有機組成部分,構成了現代質量管理的新特點.在企業保證產品質量,提高企業素質,贏得市場競爭等方面正發揮著越來越重要的作用.

2 計算機輔助質量控制 -發展

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計算機輔助質量管理顧名思義,是應用現代計算機技術為依據設計和運作的一整套質量管理技術體系。它是現代質量管理和計算機技術相結合的產物。隨著電腦技術和能力的迅猛發展,特別是散電腦/機的問世和普及它的應用延伸到了幾乎所有的領域。例如在製造領域,計算機輔助設計,計算機輔助製造和計算機輔助測試等項技術早巳陸續得到廣泛應用。在管理領域,由於各項管理因素及其影響的複雜性不定性甚至不可知性,在相當長一段時間內計算機的應用停滯不前。
現代模糊技術的突破不但消除了這種障礙,還充分顯示計算機在解決管理性問題上的巨大優勢,產生了計算機輔助信息分析,計算機輔助決策,計算機模擬方案評價等管理技術,並得到日益廣泛的應用。在質量管理領域,人們把控制圖,相關圖和試驗設計等各種質量管理工具與計算機的應用結合起來,大大提高了應用效率。不過那時由於質量管理技術本身的系統性還不是銀強以及計算機硬體普及性的限制等,與其它領域比,計算機在質量管理上的應用顯得有點"零打碎敲",還有快形成系統的技術。8年代中後期質量體系概念的最終形成,特別是ISO9000質量體系國際標準的制訂頒布,為計算機在質量管理方面的系統應用即提供了框架。

3 計算機輔助質量控制 -優勢

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計算機與感測器技術的結合使檢驗過程實現了自動化。檢驗工作都是在100%的基礎上在線進行,可以把它當作生產工序中的一部分。100%的在線檢驗結果作為反饋數據用於補償和調整製造過程。
1、計算機輔助質量控制與傳統方法比有以下優點:
(1)可對零件100%在線檢測和測試,而不象傳統方法那樣抽樣,為生產過程式控制制提供精確的控制參數。
(2)將生產過程中的檢驗集成到某一道工序,而不必另設檢驗工序,提高了工作效率。
(3)由於採用了100%的在線檢驗,既能判別超差工件,又能實時給出質量控制圖,判別工藝系統的穩定性,並給出相應的調整措施。
2、傳統質量控制圖及參數修正對於生產過程質量控制主要是採用點圖分析法,傳統分析步驟是:
(1)按加工先後順序隨機抽取一批樣本N,每組為m件(4或5件)計算X、、和σR以及上下控制線。
X為樣本組平均值的數學期望,j為樣本組平均值,為樣本極差的數學期望,Rj為樣本極差的平均值,為分佈的標準偏差,σR為R分佈的標準偏差
(2)按一定的次序選取子樣本(m=4~5)計算j和Rj,並將點描繪在控制圖上。
(3)根據點的正常波動和異常波動的標誌來判斷工藝過程是否穩定,如果不穩定就要對其影響因素進行分析,並給出相應的措施。
由此可見X、、和σR同樣本的容量有關,樣本容量越大,其參數越接近實際情況,估計誤差越小。在傳統的加工質量控制中所使用的參數X、、、和σR從理論上講應在無窮大樣本中得出,但在實際應用中是不可能的,它們只是從足夠大的樣本上計算出來的。隨著加工的進行,樣本空間逐漸增大。如果把測得的數據都作為原始樣本數據處理,那麼就增加了質量控制的可靠性,這對於傳統的加工質量控制方法是無法實現的。而對計算機輔助加工質量控制系統是可行的。因此,應在生產過程中不斷地修正X、、和σR,以增加其可靠性,同時也克服了在選擇樣本時由於工藝處在某種狀態所引起的隨機誤差的影響。
Xi-1為包含第i-1組在內的所有樣組平均值的數學期望,i-1為包含第i-1組在內的所有樣組極差的數學期望,為包含第i-1組在內的所有分佈的標準偏差,σRi-1為包含第i-1組在內的所有R分佈的標準偏差
上述方法控制生產過程優越於傳統方法。採用計算機測試系統對工件進行在線檢測,實時統計分析。它可以精確地提供該工序中誤差的性質和變化規律,給出工件加工誤差的變化趨勢,判斷工藝過程是否處於控制狀態,如工藝過程處於不穩定狀態時便給出分析結果及調整措施。計算機輔助質量控制系統每測試一組數據,就要重新修正一次控制參數,並在此基礎上對所有採集點重新進行判斷,並給出評價結果。
3、系統硬體組成
計算機輔助質量控制系統採用接觸式測量,其原理是通過感測器及測微儀將工件的加工誤差轉換成電信號,由計算機控制A/D板將模擬量轉換成數字信號,並對採集數據進行系統分析,輸出分析結果。給出相應的調整信息,當工藝系統不穩定時,發出報警信號。
4、系統應用軟體設計
本系統採用混合編程方式,數據採集子程序用80486彙編語言編寫,統計分析程序用C語言編寫。本系統應用軟體採用模塊式結構。該程序具有如下功能:
(1)對所採集的數據進行統計分析,給出實際分布圖、質量控制圖,可供在線監控。
(2)判斷工藝系統的穩定性,工藝系統不穩定時並給出改善措施。

4 計算機輔助質量控制 -關鍵技術

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在21世紀這個高速發展的信息時代,計算機集成製造(CIM)正逐漸成為現代製造企業的一種哲理,代表著現代製造技術發展的主要方向。作為計算機集成製造系統(CIMS)中一個不可缺少的組成部分——計算機輔助質量系統(CAQ),正日益受到重視。而就製造業的質量管理與控制而言,到目前為止尚沒有一套較為系統、實用,既具有較好的智能性,又具良好的集成性和二次開發性的軟體系統。
1、研究技術工作
(1)在對抽樣檢驗的理論和應用技術深入研究的基礎上,實現抽樣檢驗方法及應用嚮導的程序化;
(2)對多品種小批量生產模式下的質量管理與控制策略及應用技術進行較為系統地研究,並對部分小批量質量控制方法實現了程序化;
(3)在對控制圖的理論及應用技術深入研究的基礎上,對通用控制圖進行了研究,並實現程序化;
(4)深入研究選控圖的理論及其應用技術;
(5)對實驗設計、可靠性分析的理論及其應用技術進行了研究和探討。
2、抽樣檢驗的研究
對抽樣檢驗的研究,創始於20世紀20年代。抽樣檢驗的目的是「通過樣本判斷總體」,而其期望則在於「用盡量少的樣本量來儘可能準確的判斷總體(批)的質量」。統計抽樣檢驗的優越性體現在可以儘可能低的檢驗費用(經濟性),有效的保證產品質量水平(科學性),且對產品質量檢驗或評估結論可靠(可靠性),而且實施過程又很簡便(可用性)。目前,抽樣檢驗的應用領域已深入到機械、電子等國民經濟的各個部門。 本論文在對抽樣檢驗的理論及系列標準的深入研究的基礎上,進一步剖析了常用抽樣檢驗方法的特點以及相關規律性,基於C++Builder的面向對象技術以及Access資料庫開發技術等,實現了常用的抽樣檢驗標準及應用嚮導的程序化,建立了計算機輔助抽樣檢驗及應用嚮導的模塊及系統,並提供系統 的在線幫助功能,不僅填補了國內對此類研究的一項空白,而且方便用戶使用 抽樣檢驗標準,提高產品的生產質量,促進抽樣檢驗的推廣應用。
3、多品種小批量生產模式下質量管理與控制的研究
市場競爭日趨激烈,顧客對產品的需求日益呈現出多樣化和個性化的發 展趨勢,促進企業打破傳統的單一品種、大批量生產模式,轉向了多品種、小批量生產。 針對多品種小批量的生產特點:加工零件少,樣本數據量少,不足以構 成足夠的數據進行質量控制,如繪製控制圖等,在本論文中提出生產加工過程 數據繼承的觀點。根據成組技術的原理,利用加工過程的相似性,將加工零件分類成族,測量得到同一加工族的產品數據。如果本次加工的零件的數據量不 足,就採用繼承的方法,從歷史的數據中調取一部分數據進行補充,使單件小 批量的生產模式可以採用大批大量生產模式下的各種質量控制方法。 在利用成組技術構建數據模型的基礎上,對小批量控制圖的理論及其應 用技術進行了研究,並利用面向對象技術對其實現程序化。
4、控制圖的理論及其應用技術研究
在對控制圖的原理及其作用深入研究的基礎上,進一步優化控制圖應用技術,實現了通用控制圖的變換處理及其程序化。所謂的通用控制圖, 就是利用統計學的方法,對質量控制數據進行標準變換,以此改變控制圖界限 非直線的問題,使控制圖更加簡潔、方便、直觀。 在對控制圖應用特點進行全面系統分析的基礎上,對其應用嚮導也進行 了研究開發。車間製造過程是產品質量管理的重要環節,是產品質量問題的主要來源之一。傳統的車間製造過程質量管理存在質量體系不健全、質量數據有效性差、過程統計技術應用不夠、質量監督和質量責任追究不力以及質量決策滯后等問題。這些問題給企業造成了嚴重的質量損失,因此,企業質量管理部門迫切地希望採用一種新的質量管理方法來輔助車間質量管理,提高車間製造過程的質量管理水平。

5 計算機輔助質量控制 -質量數據採集

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1、 數據採集技術
製造過程質量數據主要來自兩個方面:對零件和產品的檢測和對製造過程的監控。開展質量管理,就是要用數據來提出和解決產品質量的問題,用數據來反映或描述產品質量的變化規律,因此及時準確地獲取質量數據是質量管理取得成功的關鍵。基於MES的車間製造過程動態質量管理系統充分考慮了先進的數據採集技術和工廠的實際情況,採用具有高度適應性和可擴充性數據採集方式,包括自動採集、手工錄入和數據轉換與共享。 
(1) 自動採集
系統設有各種介面與不同的數據採集裝置(如計量器、測量器、條碼讀卡機、無線射頻掃描儀與各類儀器儀錶等)相連接,完成各種質量數據(包括外購原材料及零/部件檢測數據、零件加工過程中在線檢測和序后檢測數據、過程狀態監測數據、零件最終檢測數據、裝配過程檢測數據和成品試驗數據等)的自動採集及處理,還可以將分析結果自動反饋到生產設備的控制裝置,實現閉環的質量控制。
(2)手工錄入
考慮到設備、現場條件和成本等因素,並不是所有的產品質檢數據和生產線運行狀態數據都能夠做到自動採集和實時監控,這就需要利用各種手動計量儀或「目測」的方式來進行檢測。系統設定相關質量信息錄入功能,檢測人員「目測」計量儀的讀數,然後通過電腦或信息交互終端進行數據的錄入、處理、傳輸和存儲。
(3)數據轉換與共享
系統之間高度數據共享,可以方便地將產品的CAD、CAPP等各類信息轉換至本系統,或通過共享數據的方式實現對產品質量的全面管理和監控。全面高效的數據轉換與共享能力,可實時地將產品數據存入指定的資料庫,或從資料庫直接讀取所需信息,數據存取時間周期由用戶根據實施需要自行設置。
1)質量參數獲取:在車間製造過程中,要系統地識別、分析產品或零/部件工藝流程,找出影響產品質量的因素,並根據各工序對最終產品質量影響程度的大小及相互關係,繪製關鍵工序流程圖;根據該圖確定質量控制點及關鍵參數,繪製工序質量管理網路圖,對影響產品質量的關鍵工序實施監控。在確定了關鍵工序及其參數后,就要對這些參數進行及時準確地採集和處理,為後續計算、控制和分析診斷做準備。
2)繪製控制圖:根據控制圖使用的目的不同,可分為分析用和控制用兩個階段,因此要分別繪製分析用和控制用控制圖。一道工序的初期或進行系統改進后,總存在不穩定因素,因此,先要繪製分析用控制圖來判斷過程是否受控。在分析用控制圖階段,點出萬方數據界說明過程有異因存在,應積極採取措施分析原因,調整過程,直到剔除所有異因,過程受控。如果過程能力充足,就用穩態下控制圖的控制線控制生產過程;如果過程能力不充足,則要採取措施分析原因,調整過程,然後重新進行過程判斷和過程能力評價。

6 計算機輔助質量控制 -質量控制方法 

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產品質量是其質量特徵滿足顧客需求的程度,質量控制就是採取一定的方法使產品的質量特徵在規定的標準範圍內。對於機械加工系統而言,常用的質量控制方法包括過程改進,在線質量控制和序后質量控制三種。下面對這三種方法作一個介紹和比較。
過程改進是一種消除產生質量缺陷的可能性的質量控制方法。它是通過消除引起過程變化的原因,使過程始終穩定,來保證產品質量特徵在規定的範圍內,達到質量控制的目的。過程改進是控制產品質量的積極方法,也是控制產品質量的最直接的途徑。因為它消除了產生過程變化的根源。一般對於經過改進的過程,不必再進行在線質量控制或序后質量控制。
上述的過程改進是進行質量控制的最佳途徑,但並不是所有的過程變化都可以通過過程改進被消除。對於不能消除的過程變化而言,為了達到優良的質量特徵,往往需要採用在線質量控制技術對過程變化并行控制。所謂在線質量控制就是在生產過程中控制產品質量,即在線地監測過程參數和檢測質量特徵,在線地調整過程參數,使產品的質量特徵在一定的範圍之內。對於經過在線質量控制的過程一般不再需要序后質量控制。
所謂序后質量控制就是序后檢驗和測試,它是在工序完成後對零件進行檢測,剔除不合格品來保證產品質量的控制方法。
在線質量控制方法中,最關鍵的是在線質量數據的採集和過程參數的在線調整。在線質量數據採集完成過程信息和產品信息的收集,經過信號的預處理和數據介面送入控制計算機。計算機根據質量特徵和過程參數的關係,做出對過程參數進行調整的決策,然後控制器通過執行元件完成過程參數調整,實現在線質量控制。在線質量控制系統的框圖6-6所示。
在線質量數據採集方法包括過程參數的監測和在線產品質量檢驗。過程參數監測是通過測量與產品質量特徵有關的參數來實現的,在線產品質量檢驗是在加工過程中或加工工步間隔直接測量產品的質量特徵來實現的。常見的過程測量參數包括切削力,溫度,主軸電機電流變化,振動雜訊信號等。對於在線質量控制一般應建立過程參數和最終產品質量特徵之間的相互關係,通過參數的調整,來保證最終的產品質量。

7 計算機輔助質量控制 -質量控制實例

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CNC機床的在線循環測量大部分的CNC機床都安裝有閉環的位置反饋控制系統,即由安裝在導軌或移動部件的位置感測器測量實際的移動位置,然後反饋到機床的控制器。如果存在偏差,控制器將自動調節驅動電機的脈衝信號,消除位置誤差。初看起來,這似乎是一種自動過程式控制制。在每次程序運行中,都能保證零件的正確尺寸。實際上,要保證零件的正確尺寸,除了機床本身的位置精度外,還有許多因素需要考慮,例如,實際上,要保證零件的正確尺寸,除了機床本身的位置精度外,還有許多因素需要考慮,例如,切削刀具的位置,尺寸,形狀也是引起加工質量的主要因素。因此有關刀具狀況的信息也應該及時進入機床控制器,並進行及時的刀具補償,如果做不到這一點,那麼由於刀具磨損,破損,切削力引起的變形等因素產生的影響將導致零件的尺寸誤差。
為了保證生產合格的零件,人們採用了不同的在線質量檢測與控制方法。例如:切削過程的振動和雜訊信號可以用來判定刀具的磨損狀況和破損的產生;主軸電流的變化也可以用作決定刀具狀況的過程參數;也許最有用的是直接測量工件或刀具的尺寸的在線循環測量技術,它是在線質量控制的一個典型實例。
在線循環測量是利用安裝在CNC機應酬上的三維測頭來進行在線質量數據測量和質量控制的。三維測頭是一種表面接觸測量裝置,控制器根據機床的三個方向的位置移動坐標,得到被測工件的測量結果。圖6-7是安裝在CNC機床上的三維測頭,三維測頭就像數控機床的刀具一樣,平時放在機床的刀庫中,需要檢測時,由機械手取出,安裝在主軸孔中,進行檢測。
在線循環質量控制的原理是在每次關鍵的切削之前,首先測量工件的位置,然後把測量結果送入控制器,控制器根據比較,通過宏指令修改機床存儲器中的補償表,達到在線補償的目的。在線循環測量利用CNC機床的坐標控制功能,把零件的加工和檢測集成在一起,可以實現在加工間隔進行在線測量,並可根據測量結果,進行加工補償,實現在線質量控制。
三維測頭除了可以進行在線質量補償控制外,還可以在序前決定工作在機床上的精確定位和工件的位姿,測量毛坯的余量,決定加工過程的進給量。
在線循環測量的缺點是加工和檢測應用相同的坐標系統,對於由於機床定位誤差產生的加工誤差難以檢測。此外,在加工過程中增加檢測工步,因而增加了加工循環的時間。
CNC機床的熱變形在線補償控制對於CNC機床而言,熱變形是引起機床加工誤差的最主要因素之一。據統計,由於熱變形引起的加工誤差占機床總誤差的40%~70%。消除減小熱變形誤差 的方法包括改進機床結構,增加複雜熱源控制裝置,選用熱穩定性高的材料和採用先進電機和軸承等等。這些方法一般需要對機床進行大的改進,投資很大。另一種方法是軟體創成精度方法,即在機床的硬體結構不變的情況下,通過檢測機床的熱狀況,並通過軟體的方式對由於熱變形引起的機床加工誤差進行補償。
補償機床的熱變形誤差目前前沒有完全被工業界所接收,這是因為目前的CNC機床的控制器一般不具備複雜的實時誤差補償能力,另一方面要進行機床熱誤差的在線測量和建立機床的熱誤差模型都是十分複雜困難的問題。
近年來,人們通過增加外部微機來在線測量機床的熱狀態,並通過軟體創成精度的方法實現了機床熱變形誤差的補償控制。
在線熱變補償控制原理是首先測量機床的熱狀況,把測量結果送入計算機,根據熱誤差模型計算熱變形補償量,然後把補償信號送入機床的控制器,通過執行文件完成熱變形誤差補償控制。熱變形補償控制的實施主要有兩種方法,一是通過模擬量直接修改機床伺服系統迴路的模擬電壓信號,另一種方法是通過CNC的數字串列口修改機床的數控程序。 它是通過分佈在機床上的熱電偶在線實時測量機床的熱狀況,並建立基於神經網路的熱誤差模型來進行熱誤差補償控制的。實驗證明,該熱變形在線補償系統取得了較好的補償效果。



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