第8章 质量控制与在线监测
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第8章机械制造过程 质量状态识别与控制
杨玉廷
1 概述
在传统的生产环境中，以人为主体，机械制 在传统的生产环境中，以人为主体， 造过程的工况状态， 造过程的工况状态，人们可以很轻易尽兴观察 判断，有故障也很容易排除， 判断，有故障也很容易排除，研究基础相对薄 弱。 随着柔性制造系统和集成制造系统的发展， 随着柔性制造系统和集成制造系统的发展， 计算机的过程控制越来越多， 计算机的过程控制越来越多，但若计算机不能 对过程状态自动识别故障就无法自动排除。 对过程状态自动识别故障就无法自动排除。因 此工况监视与故障诊断技术成为实现机械制造 过程自动化少人化或者无人化的重要技术保证。 过程自动化少人化或者无人化的重要技术保证。
（2）数据采集与数据处理 在线及离线采 集工件在各工序的质量信息和加工过程中与 质量有关的物理信息、成本信息和环境条件 等。 （3）评价与分析诊断 根据所获取的信息 分析工况状态所存在的规律对产品质量进行 评价，对存在的问题进行分析诊断。 （4）控制与调整 根据诊断结果，找到问 题所在进行调整。 （5）设计质量控制 总结实际产品质量和 用户对产品质量的要求，对设计进行控制。
解决办法：应用在线检测和在线识别技术， 在加工过程中在线逐件检测自动识别把不合 格品排除在加工过程中。 （5）基于数理统计对质量过程控制的核心 问题 统计推断，置信区间和假设检验（利 用样本正态分布规律及其数字特征构成各种 图形、区间、假设、特征函数来表达被加工 零件的质量状态）。
4.2典型加工过程的状态识别
（5）人员素质管理 质检人员资格印章管理， 建立质量人员业务素质档案，并对培训考核、 过失处理等情况进行分析处理。 （6）质量成本管理 成本核算和分析
2.3.3 质量控制子系统
质量控制是从设计、采购、制造到售后服务 等全过程的控制，包括原材料、外购外协件、 工件加工过程的试验与监测，以及装配检验、 包装检验等，主要内容如下： （1）过程的检验与监测 加工过程的设备 大多是运动的，传统环境停机和人工测量。
2.2生产环境与质量控制的关系
不同生产环境产品质量的含义不同。传统的质 量只是对产品技术指标是否符合国家标准为原 则，面向的是生产过程的检查和管理人员。 随着全面质量管理以及集成制造系统和敏捷制 造系统的提出，产品质量的内涵涉及范围扩大， 从设计、制造、销售、产品应用到退役全周期 内质量活动。
现在的集成质量系统（IQS）以ISO9000为指 导具有以下特点: (1) 面向对象 生产模式向单件、小批量生产 发展，要求的质量更高，质量控制的目标是 保证满足用户的各种不同的需求。 （2）集成式 敏捷制造系统以集成性为基础， IQS作为子系统也是集成式，质量的内涵式 全过程而不只是产品过程的结果。 （3）分布式 质量控制针对产品生命周期全 过程，系统的分布性与高度的集中性相结合， 保证各项职能合理分布于企业云状全过程的 相关环节。
2.3.2 质量管理子系统
（1）过程质量管理 从设计、采购、制造到 售后服务等生产过程的质量管理。 （2）产品质量跟踪管理 硬件：给原材料、 毛坯、半成品、成品打标记。软件：对实物 进行相应的文字记录和归档，保证计算机文 档管理与实物管理的一致性、快速可查询性。 （3）计量器具质量管理 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。 （4）工装和设备质量管理 工装和设备定检 执行情况记录、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。
颤振时由于刀具与工件接触面阻尼的变化使信 号的主频带从高频段向低频带移动，因此信号 的能量和主频带是描述切削过程状态变化的两 个有效的特征量。
成立，就有97.5%的把握确定是否是正常工况。 研究表明：一般情况下，异常工况样本，大 多数落在上图右上方GEBDH范围右上部分中， 模糊区在B点附近。
监视诊断技术的核心是对动态系统属性的辨 识。所用的方法可以是数学的、物理的、化学 的，也可以是人工智能的。 产品质量是在制造过程中形成的。从系统观 点来看它是制造系统的一个子系统即产品质量 过程。
本章以质量状态识别为主线说明以下问题： （1）以敏捷制造系统为例介绍质量监视与控 制系统的构成，了解监视与控制系统所必须具 备的主要功能； （2）以统计过程控制为基础说明质量控制理 论基础及适用范围； （3）基于动态过程分析对加工过程及质量状 态的研究。
ห้องสมุดไป่ตู้
2.3.2 质量管理子系统
（1）过程质量管理 从设计、采购、制造到 售后服务等生产过程的质量管理。 （2）产品质量跟踪管理 硬件：给原材料、 毛坯、半成品、成品打标记。软件：对实物 进行相应的文字记录和归档，保证计算机文 档管理与实物管理的一致性、快速可查询性。 （3）计量器具质量管理 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。 （4）工装和设备质量管理 工装和设备定检 执行情况记录、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。
4.2.1 一般原理 本节从机械加工的特点出发进一步说明模式识 别方法在解决两类问题的应用。 1.特征提取与聚类性 2.两类问题的特征 3.两类问题识别方法 （3）产品质量与工作环境条件的关系 （4）数理统计方法的特点和局限性 a、从已加工完成的工件抽样检查 b、基础是数据分析结果的可靠性依赖数据
4.2.2 典型加工过程识别示例 1.切削颤振的识别 随着颤振出现发展，振动加强能量加大信号幅 值增大。
2.3.4 质量评价子系统 （1）质量体系审核 对质量体系的现状和适
合性进行评价。 （2）过程质量审核 对加工过程进行质量评 价。 （3）产品质量审核 对成品质量评价。 （4）设计质量评价 产品设计评审和工艺设计 评审。
3 基于数理统计对质量控制的理论基础
及其适用性
3.1 基本概念 （1）质量过程是动态过程 机械制造过程是 动态的，理论均值与样本的实际均值有差别。 （2）统计过程分析必须遵守的原则 统计过 程控制是基于数理统计原理对质量过程进行控 制。随机抽样的原则是必须随机地从同一个总 体中抽取即：独立性和代表性。 （3）产品质量与工作环境条件的关系 （4）数理统计方法的特点和局限性 a、从已加工完成的工件抽样检查 b、基础是数据分析结果的可靠性依赖数据
（3）检验计划 根据设计文件、工艺信息以 及质量标准来制定产品的检验计划。包括原 材料、外购外协件、加工工序、零部件以及 最终产品的检验计划，部件、成品的装配检 验计划及试验计划。检测仪器、检验设备的 检验设计、维修计划。 （4）过程监控计划 制定与选择加工设备、 辅助设备、刀具、生产环境的监控方案。 （5）质量成本计划 根据产品设计、工艺、 检验计划来确定质量工作的各项成本。
2 敏捷制造环境下质量状态识别与
控制系统
2.1敏捷制造环境的概念
计算机集成制造系统（CIMS）在生产中的 应用越来越广泛，但要取代传统的机械加工 模式并获得经济效益还需要一个发展过程， 因此提出敏捷制造环境的概念。敏捷制造的 含义是认为企业形式是可以动态变化的，通 过动态联盟来进行优化重组以适应市场的变 化。
磨屑辐射热就是火花流形成的热流，磨屑火花流 温度形成的机理是氧化与还原过程。
（3）特征量及其聚类分析
1）未烧伤的样本聚类性好，烧伤的样本聚类 性很差。 2）未烧伤时的一步自相关函数大方差小，最 后加工到第40个工件时，砂轮无切削能力， 采集信号是白噪声 3）
2.3敏捷制造环境下集成质量系统的功能结构
2.3.1 质量规划子系统 （1）质量功能配置 从顾客需求出发，按照市 场变化对产品质量配置和职能进行分配得出控 制方案。 （2）质量计划 包括产品的质量目标及实现方 案、措施；分配动态联盟各盟员的责任和权限； 制定采取的程序、方法和作业指导书；确定达 到质量目标的测量方法；质量计划执行情况的 反馈信息的收集和处理。
2.磨削烧伤的在线识别 （1） 意义：磨削表面层物理性质的表征， 实质是磨削表面层金属组织在磨削热作用下 发生应变。 解决办法：一是在实验研究基础上确定典型 零件的磨削工艺，用工艺条件保证磨削质量。 二是抽样检查
（2）特征信号的选择 影响磨削烧伤的直接因素是磨削温度，所以 作为特征信号。传统的测量温度的方法是在工件 或砂轮中埋置热电偶，但在实际生产中，工件不 允许埋置热电偶。 用磨屑热辐射流温度作为特征信号在线检测， 对磨削表面层烧伤进行控制，原理图如下
杨玉廷
1 概述
在传统的生产环境中，以人为主体，机械制 在传统的生产环境中，以人为主体， 造过程的工况状态， 造过程的工况状态，人们可以很轻易尽兴观察 判断，有故障也很容易排除， 判断，有故障也很容易排除，研究基础相对薄 弱。 随着柔性制造系统和集成制造系统的发展， 随着柔性制造系统和集成制造系统的发展， 计算机的过程控制越来越多， 计算机的过程控制越来越多，但若计算机不能 对过程状态自动识别故障就无法自动排除。 对过程状态自动识别故障就无法自动排除。因 此工况监视与故障诊断技术成为实现机械制造 过程自动化少人化或者无人化的重要技术保证。 过程自动化少人化或者无人化的重要技术保证。
（2）数据采集与数据处理 在线及离线采 集工件在各工序的质量信息和加工过程中与 质量有关的物理信息、成本信息和环境条件 等。 （3）评价与分析诊断 根据所获取的信息 分析工况状态所存在的规律对产品质量进行 评价，对存在的问题进行分析诊断。 （4）控制与调整 根据诊断结果，找到问 题所在进行调整。 （5）设计质量控制 总结实际产品质量和 用户对产品质量的要求，对设计进行控制。
解决办法：应用在线检测和在线识别技术， 在加工过程中在线逐件检测自动识别把不合 格品排除在加工过程中。 （5）基于数理统计对质量过程控制的核心 问题 统计推断，置信区间和假设检验（利 用样本正态分布规律及其数字特征构成各种 图形、区间、假设、特征函数来表达被加工 零件的质量状态）。
4.2典型加工过程的状态识别
（5）人员素质管理 质检人员资格印章管理， 建立质量人员业务素质档案，并对培训考核、 过失处理等情况进行分析处理。 （6）质量成本管理 成本核算和分析
2.3.3 质量控制子系统
质量控制是从设计、采购、制造到售后服务 等全过程的控制，包括原材料、外购外协件、 工件加工过程的试验与监测，以及装配检验、 包装检验等，主要内容如下： （1）过程的检验与监测 加工过程的设备 大多是运动的，传统环境停机和人工测量。
2.2生产环境与质量控制的关系
不同生产环境产品质量的含义不同。传统的质 量只是对产品技术指标是否符合国家标准为原 则，面向的是生产过程的检查和管理人员。 随着全面质量管理以及集成制造系统和敏捷制 造系统的提出，产品质量的内涵涉及范围扩大， 从设计、制造、销售、产品应用到退役全周期 内质量活动。
现在的集成质量系统（IQS）以ISO9000为指 导具有以下特点: (1) 面向对象 生产模式向单件、小批量生产 发展，要求的质量更高，质量控制的目标是 保证满足用户的各种不同的需求。 （2）集成式 敏捷制造系统以集成性为基础， IQS作为子系统也是集成式，质量的内涵式 全过程而不只是产品过程的结果。 （3）分布式 质量控制针对产品生命周期全 过程，系统的分布性与高度的集中性相结合， 保证各项职能合理分布于企业云状全过程的 相关环节。
2.3.2 质量管理子系统
（1）过程质量管理 从设计、采购、制造到 售后服务等生产过程的质量管理。 （2）产品质量跟踪管理 硬件：给原材料、 毛坯、半成品、成品打标记。软件：对实物 进行相应的文字记录和归档，保证计算机文 档管理与实物管理的一致性、快速可查询性。 （3）计量器具质量管理 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。 （4）工装和设备质量管理 工装和设备定检 执行情况记录、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。
颤振时由于刀具与工件接触面阻尼的变化使信 号的主频带从高频段向低频带移动，因此信号 的能量和主频带是描述切削过程状态变化的两 个有效的特征量。
成立，就有97.5%的把握确定是否是正常工况。 研究表明：一般情况下，异常工况样本，大 多数落在上图右上方GEBDH范围右上部分中， 模糊区在B点附近。
监视诊断技术的核心是对动态系统属性的辨 识。所用的方法可以是数学的、物理的、化学 的，也可以是人工智能的。 产品质量是在制造过程中形成的。从系统观 点来看它是制造系统的一个子系统即产品质量 过程。
本章以质量状态识别为主线说明以下问题： （1）以敏捷制造系统为例介绍质量监视与控 制系统的构成，了解监视与控制系统所必须具 备的主要功能； （2）以统计过程控制为基础说明质量控制理 论基础及适用范围； （3）基于动态过程分析对加工过程及质量状 态的研究。
ห้องสมุดไป่ตู้
2.3.2 质量管理子系统
（1）过程质量管理 从设计、采购、制造到 售后服务等生产过程的质量管理。 （2）产品质量跟踪管理 硬件：给原材料、 毛坯、半成品、成品打标记。软件：对实物 进行相应的文字记录和归档，保证计算机文 档管理与实物管理的一致性、快速可查询性。 （3）计量器具质量管理 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。 （4）工装和设备质量管理 工装和设备定检 执行情况记录、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。
4.2.1 一般原理 本节从机械加工的特点出发进一步说明模式识 别方法在解决两类问题的应用。 1.特征提取与聚类性 2.两类问题的特征 3.两类问题识别方法 （3）产品质量与工作环境条件的关系 （4）数理统计方法的特点和局限性 a、从已加工完成的工件抽样检查 b、基础是数据分析结果的可靠性依赖数据
4.2.2 典型加工过程识别示例 1.切削颤振的识别 随着颤振出现发展，振动加强能量加大信号幅 值增大。
2.3.4 质量评价子系统 （1）质量体系审核 对质量体系的现状和适
合性进行评价。 （2）过程质量审核 对加工过程进行质量评 价。 （3）产品质量审核 对成品质量评价。 （4）设计质量评价 产品设计评审和工艺设计 评审。
3 基于数理统计对质量控制的理论基础
及其适用性
3.1 基本概念 （1）质量过程是动态过程 机械制造过程是 动态的，理论均值与样本的实际均值有差别。 （2）统计过程分析必须遵守的原则 统计过 程控制是基于数理统计原理对质量过程进行控 制。随机抽样的原则是必须随机地从同一个总 体中抽取即：独立性和代表性。 （3）产品质量与工作环境条件的关系 （4）数理统计方法的特点和局限性 a、从已加工完成的工件抽样检查 b、基础是数据分析结果的可靠性依赖数据
（3）检验计划 根据设计文件、工艺信息以 及质量标准来制定产品的检验计划。包括原 材料、外购外协件、加工工序、零部件以及 最终产品的检验计划，部件、成品的装配检 验计划及试验计划。检测仪器、检验设备的 检验设计、维修计划。 （4）过程监控计划 制定与选择加工设备、 辅助设备、刀具、生产环境的监控方案。 （5）质量成本计划 根据产品设计、工艺、 检验计划来确定质量工作的各项成本。
2 敏捷制造环境下质量状态识别与
控制系统
2.1敏捷制造环境的概念
计算机集成制造系统（CIMS）在生产中的 应用越来越广泛，但要取代传统的机械加工 模式并获得经济效益还需要一个发展过程， 因此提出敏捷制造环境的概念。敏捷制造的 含义是认为企业形式是可以动态变化的，通 过动态联盟来进行优化重组以适应市场的变 化。
磨屑辐射热就是火花流形成的热流，磨屑火花流 温度形成的机理是氧化与还原过程。
（3）特征量及其聚类分析
1）未烧伤的样本聚类性好，烧伤的样本聚类 性很差。 2）未烧伤时的一步自相关函数大方差小，最 后加工到第40个工件时，砂轮无切削能力， 采集信号是白噪声 3）
2.3敏捷制造环境下集成质量系统的功能结构
2.3.1 质量规划子系统 （1）质量功能配置 从顾客需求出发，按照市 场变化对产品质量配置和职能进行分配得出控 制方案。 （2）质量计划 包括产品的质量目标及实现方 案、措施；分配动态联盟各盟员的责任和权限； 制定采取的程序、方法和作业指导书；确定达 到质量目标的测量方法；质量计划执行情况的 反馈信息的收集和处理。
2.磨削烧伤的在线识别 （1） 意义：磨削表面层物理性质的表征， 实质是磨削表面层金属组织在磨削热作用下 发生应变。 解决办法：一是在实验研究基础上确定典型 零件的磨削工艺，用工艺条件保证磨削质量。 二是抽样检查
（2）特征信号的选择 影响磨削烧伤的直接因素是磨削温度，所以 作为特征信号。传统的测量温度的方法是在工件 或砂轮中埋置热电偶，但在实际生产中，工件不 允许埋置热电偶。 用磨屑热辐射流温度作为特征信号在线检测， 对磨削表面层烧伤进行控制，原理图如下