（机械制造及其自动化专业论文）协同制造的过程质量保证技术研究.pdf

摘要 本文从制造过程实际出发，在过程质量特性上，定义和求解了适用 性更强的设备能力，工序质量水平比率和工序质量重要度三大过程质量 特性及其相关过程质量要素，对过程质量要素的关联性予以分析，对质 量特性做了响应面法分析；并对误差这一造成和表征质量变异的主要因 素从制造误差和测量误差分离的角度给以分析求解并提出控制方法。在 过程质量优化上，在对过程质量特性利用遗传算法进行优化基础上，对 质量冲突的解决应用t r i z 原理和5 m 1 e 的质量规划。分解原理。在过程 质量的经济特性上，对过程质量从质量成本，质量稳定性和ko 质量水 平三方面进行质量评价，建立过程质量的质量功能配置和基于b p 算法 的神经网络质量预测模型。最后针对上述的过程质量的三个方面，提出 了协同制造的过程质量保证技术模型，即闭环质量控制模型，质量保证 工作流过程模型，质量保证工作流状态模型和基于网络的协同质量保证 工作流控制模型。 关键词： 质量保证质量功能配置遗传算法t r i z5 m 1 e 响应面法b p 算法 神经网络工作流 a b s t r a c t b a s e do ns h o pm a n u f a c t u r i n gt e c h n i c s ，c a p a c i t yo fe q u i p m e n t ，p r o c e s s t o l e r a n c ea n dp r o c e s ss t a t u sw h i c ha r ep r i m a r yq u a l i t yc h a r a c t e r st o g e t h e r w i t hr e l a t i v em a n u f a c t u r i n gq u a l i t ye l e m e n t sw e r ed i f i n e da n de v a l u a t e di n t h i sd i s s e r t a t i o n c o r r e l a t i o n so f q u a l i t ye l e m e n t sa n dq u a l i t yc h a r a c t e r sw e r e d e c i p h e r e d a n d a n a l y z e d b ya r i t h m e t i c a la p a r t i n g o f m a n u f a c t u r i n g t o l e r a n c ea n dm e a s u r i n gt o l e r a n c e p r o c e s sq u a i l t yv a r i a t i o nw a sa n a l z e d a n di t se f f e c t sc o n t r o l l i n gm e t h o dw a so f f e r e d g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) m e t h o d a n d r e s p o n d a n c es u r f a c em e t h o d ( r s ) w e r ei n t r o d u c e df o r o p t i m i z i n o fq u a l i t yc h a r a c t e r s t r i zm e t h o dw a sa l s oi n t r o d u c e df o r s o l v i n go fp r o c e s sq u a l i t yc o n f l i c t i o na n d od e c o m p o u n d i n ga c c o r d i n gt o 5 m 1 ew a sf o rq u a l i t yp r o g r a m m i n g p r o c e s sq u a l i t yw a se v a l u a t e db e n c h i n g q u a l i t yc o s t q u a l i t ys t a b i l i t y a n dkos t a t i s t i c a l q u a l i t yc o n t r o l ；q u a l i t y f u n c t i o nd e p l o y m e n tm e t h o dw a su s e df o rt h el a y o u to fp r o c e s sq u a h t ya n d p r o c e s sq u a l i t yf o r e c a s t i n gm o d e lb a s e do nn e r v e n e ts t r u c t u r eu s i n gb a c k p r o m u l g a t i o n ( b p ) a r i t h m e t i cw a sd i s c u s s e d f o r c o o p e r a t i v e m a n u f a c t u r i n g ，c l o s e dl o o pq u a l i t y c o n t r o l m o d e l ，q u a l i t y i n s u r a n c e w o r k f l o wp r o c e s sm o d e l q u a l i t yi n s u r a n c ew o r k f l o ws t r u c t u r em o d e la n d w e b b a s e dc o o p e r a t i v eq u a l i t yc o n t r o lw o r k f l o wm o d e lw e r eo f f e r e di nt h i s d i s s e r t a t i o n k e yw o r d s ： q u a l i t y i n s u r a n c e q u a u t y f u n c t i o n d e p l o y m e n t ( q f d ) a l g o r i t l u n ( g a ) t r i z 5 m i e r e s p o n d a n c es u r f a c em e t h o d ( r s ) p r o m u l g a t i o n ( b p ) a r i t h m e t i c n e r v e - n e t ( n n )w o r k t l o w g e n e t i c b a c k 第一章绪论 1 1 先进制造技术与协同制造 当今世界竞争的核心是科学技术的竞争，而制造能力是科学技术竞 争能力和发展状态的基本体现。先进制造技术是利用现代加工制造方法 和控制原理方法，寻求高效率低成本，高精度宽广度的加工制造模式。 它从传统的自动化技术，数控技术，到综合运用现代信息技术和控制技 术的计算机辅助制造，集成制造技术；从传统的面向生产的核心企业生 产，批量加工理念到现代面向需求的敏捷制造，精良生产；从传统的加 工制造手段到现代精密超精密加工制造。基于需求驱动和精良生产理 念，综合现代精密超精密加工，敏捷制造和集成制造技术，形成现代协 同制造技术。 现代先进制造技术，宏观上向可加工制造的广度发展，微观上向可 加工制造的深度发展，而又共同致力于需求，以求更好的时效和质量。 协同制造技术涵盖现代先进制造技术的宏观和微观发展的两大方面，是 现代先进制造技术的综合性体现。 1 2 制造过程与产品质量 制造过程即通过一系列加工制造手段，形成产品特性的过程。 在i s 0 2 0 0 0 中，定义产品的质量为产品满足顾客需求的能力n ，。一 般来讲，产品产生或形成的实际过程就是产品的生产制造过程。在产品 生产制造之先的设计过程对产品来说虽然具有原理形态，特性功能，技 术方法上的先决作用，但并不是产品的实际物化形成过程，也不是产品 质量的物化实现过程，因而，在实际的产品质量损失评价和产品成本核 算当中，制造过程所占的权重一般要比设计过程所占的权重大”1 。 1 2 1 制造过程对产品质量的决定性 制造过程形成了真实的产品，进而也形成了真实的产品质量。制造 过程对产品质量具有现实的决定性。根据全面质量管理的基本思想，产 品质量控制可分为三个有机的部分：产品检验、制造过程质量控制和产 品工艺设计改进。产品检验仅是发现不合格产品，其本身并不能改进 产品的固有质量；制造过程质量控制可以尽量使产品符合设计要求，达 到设计标准，进而满足使用要求，其前提是产品的设计必须合理；产品 工艺设计改进能减小制造缺陷，使产品质量特性对制造与操作环境变 化不敏感，但其也只是减少对制造过程中质量监测与控制的依赖。从中 可以看出，设计是产品符合使用要求的前提条件，制造是控制质量合格 的关键，而检验则是产品质量的保证。 1 2 2 质量科学的形成与发展 制造产品的质量是人类社会一直关注的问题，人类对质量控制理论 和技术的发展是逐渐由定性走向定量，由被动走向主动，由局部走向全 面的过程。回顾人类对质量控制的发展历史，其大致可分为三个阶段“1 5 】【6 】【7 【8 】： 第一阶段是质量检验阶段，也叫事后检验阶段。它是质量控制的初 级阶段。一般以2 0 世纪初至4 0 年代末为界。其主要特点是产品的检查 同制造过程分开，产品检验成为一道独立的工序，基本采取全数检查， 作出合格与不合格的判断，并挑出不合格品。这种做法有利于保证出厂 产品质量，但这种检验机制使检验工作量大、周期长、费用高，而且是 事后检验，不能预防废次品的产生，且造成原材料、人工和费用成本等 方面所造成的损失己无可挽回。因此，越来越不能适应当时经济发展的 要求，需要改进和发展。 第二阶段是统计质量控制( s t a r i s t i c sq u a l i t yc o n t r o l ，简称s q c ) 阶段。这一阶段的时间从2 0 世纪4 0 年代末至5 0 年代末。其主要特点 是：从单纯依靠质量检验事后把关，发展到工序控制，突出了质量的预 防性控制与事后检验相结合的管理方式。统计质量控制实现了从被动的 事后把关到生产过程的积极预防的转变，相对于检验把关的传统管理来 说，统计质量控制是观念的更新，检查职能的更新，是质量控制和管理 方法上的一次飞跃。 但是，现代化大规模生产十分复杂，影响产品质量的因素是多种多 样的，单纯依靠统计控制方法不可能解决一切质量管理问题。随着大规 模系统的涌现和系统科学的发展，质量控制也走向系统工程的道路。所 以自6 0 年代以来，全面质量管理应运而生。 第三阶段是全面质量管理阶段。这一阶段从6 0 年代开始一直延续 至今。6 0 年代初美国通用电气公司a v f e i g e n b a u m 提出“总体质量 控制”的思想。1 ，接着j m j u r a n 提出“全面质量管理”( t o t a lq u a l i t y c o n t r o l ：简称t q c ) 的概念“”。其特点是充分利用数理统计学作为 控制生产过程的手段，同时还结合运筹学、价值分析、系统工程、线性 规划等科学对企业进行组织。质量控制工作不仅限于产品的制造过程， 也包括决策、设计、使用、服务等环节。所以i s 0 8 4 0 2 1 9 9 4 质量管 理和质量保证术语中将全面质量管理定义为：一个组织以质量为中心， 以全员参与为基础，目的在于通过让顾客满意和本组织所有成员及社会 受益而达到长期成功的管理途径。自6 0 年代以来，全面质量管理的观 念逐步被世界各国所接受，在实践中得到了丰富和发展，形成了整套 的理论、技术和方法。 2 1 3 协同制造的过程质量实现与控制方法概述 协同制造的过程质量实现一般包括硬件系统实现，软件系统实现， 系统原理实现。硬件系统实现是指现代控制设备设施系统，检测监视设 备设施系统和操作设备设施系统；软件系统实现是指各类控制，检测， 监视和操作系统的应用性软件；系统原理实现是指构建硬件系统，软件 系统所依据的原理标准，实现其物理结构和逻辑结构所应用的技术原 理，以及形成软硬件系统和物理结构内部相关联系，相互关系所应用和 依据的原理标准，技术方法。 1 3 1 研究协同制造的过程质量保证技术的意义 协同制造的过程质量保证技术，是质量技术开发与运用的现代阶 段。 由于协同制造过程一般利用现代加工制造技术，对产品的技术要求 一般比较高，或者具备加工规模比较大的特征，例如飞机的协同制造， 航天器，汽车和一些大型的机械设备的制造过程在现代制造技术领域往 往采用协同制造的方式，再考虑制造过程的效率性和经济性，针对“顾 客”需求和“产品”质量，就要对制造的过程质量予以重视和研究：即 过程质量控制和过程质量保证。因而，过程质量保证是保证产品质量， 满足顾客需求，实现效率性和经济性的重要一环，它包含技术实现和管 理实现两大方面。 1 3 2 协同制造的过程质量保证技术原理 协同制造的过程质量保证技术侧重于过程质量保证的技术实现，其 原理型技术包括加工技术过程与理论分析，数理技术，现代测控技术应 用和信息网络技术即集成技术应用几个方面。加工技术过程与理论分析 是从源头上分析加工制造原理方法，加工制造设备实现的原理方法，材 料加工成型原理方法以及设备材料作用机理和相互影响，从而深入认识 过程质量的本源：数理技术是利用现代数理统计技术，分析过程质量的 常规特性和奇异特性，从而深入认识过程质量的一般表现规律；现代测 控技术是过程质量的测度方法和度量依据，利用现代检测和控制技术， 对制造的过程质量实现动态的监测和控制：信息网络技术即集成技术是 实现资源和技术协同，取得良好效率和经济性的途径所在。 1 3 3 协同制造的过程质量保证的实现与控制 协同制造的过程质量保证实现与控制包括技术实现和管理控制实 现，也可概括为物理实现和逻辑实现。常见的具体实现方式有： 1 统计过程控制( s p c ：s t a t i s t i e sp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 与企业资 源计划( e r p ) 结合的过程质量控制实现“” 统计过程控制是质量分析的有利工具，它用统计的方法对过程各个 阶段进行监控和诊断，从而达到改进和保证产品质量的目的。 企业资源计划将企业的物流，资金，材料，设备，技术，信息和时 间等各项资源综合平衡和充分考虑。企业资源计划对质量管理有了进一 步的深入与扩展，包含了全面质量管理和质量体系的思想。 2 质量功能配置( q f d ) ( q u a l i t yf u n c t i o nd e p l o y m e n t ) 为保证产品能为顾客所接受，企业必须认真研究和分析顾客需求， 并将这些要求转换成产品的特性，配置到制造程过程的生产计划和各工 序当中去，这样的质量过程称为质量功能配置( q f d ) 。 质量功能配置( q f d ) 的核心方法是质量功能配置矩阵，又质量关联 矩阵。其一般的构建方法是：以定量的工艺质量要素为一组，以量化的 质量特性和工艺质量要素重要度水平为一组，以这两组量化数据组建成 矩阵，称之为关联矩阵，在质量功能配置当中，也称之为质量功能配置 关联矩阵，简称配置矩阵或关联矩阵。针对求解对象，建立目标函数， 确定约束条件，从而建立数学优化模型。对求解对象应用这一数学优化 模型求解，即完成一步“配置”或“规划”。 传统的q f d 模型“4 以a s i ( a m e r i c a ns u p p l i e ri n s t i t u t e ) 模型为 代表，称其为狭义的q f d 。狭义的q f d 分为四个阶段“”：产品规划、零 部件展开、工艺规划和生产规划。在狭义的o f d 模型基础上，增加了质 量任务展开模块，形成广义的o f d 模型。 q f d 的结果是否抓住了产品质量保证的关键因素，主要从以下两方 面来考虑“： ( 1 ) 从技术和产品的结构及实现手段等方面，考察哪些是关键的和 要重点保证的环节： ( 2 ) 从实现方面考察哪些零件子部件难于实现，哪些环节如工艺过 程不易控制，需要采取措施及重点关注予以保证。这与以往的经验及目 前工厂环境运行稳定性等有关。 3 利用产品数据资料管理( p d m ) 工作流 现代生产当中，为产品研发，生产效率，质量控制和成本控制等管 理而构建的产品数据资料管理( p d m ) 系统，涵盖了质量标准，生产过程 的要求1 。 利用p d m 的工作流管理功能“，实现了质量管理体系中产品实现过 程的控制。同时实现了p d m 与质量管理体系的集成，这种集成不仅提高 了质量管理的效率，而且也扩展了p d m 的应用范围。由于p d m 本身已经 具备了与c a d c a e c a m 系统的集成能力；p d m 与企业资源计划( e r p ) 系统的集成应用也在不断成热。p d m 系统的开放特点使得它与很多信息 系统的集成与通讯变得十分简便。 4 基于q f d 和s p c 的产品设计与制造质量控制的集成 4 质量功能配置( q f d ) 和统计过程控制( s p c ) 分别是产品设计和制造 过程的重要质量控制工具。为了获得产品生命周期质量控制的最优化结 果。提出了基于q f d 和s p c 的产品设计与制造质量控制的集成思想。建 立了产品制造过程质量控制与q f d 的集成原理和模型。经过应用。集成 模型能够及时地根据制造质量状况的变化优化和调整产品的设计质量 和制造质量的控制要求。q f d 与s p c 的集成包括两个内容“：一是在q f d 各阶段应用s p c 。如在零件配置阶段用潜在失效模式和故障模式分析对 初步设计方案进行可能存在的故障分析。在工艺规划和工艺质量控制 配置阶段用控制图、相关分析等。一是产品设计通过q f d 向制造过程的 s p c 提出要求。s p c 按照q f d 的要求进行控制的同时还要向q f d 反馈有 关制造质量信息。q f d 在满足用户需求的基础上也要满足制造过程的要 求。还要根据制造过程的变化情况改变其设计结果。q f d 与s p c 集成有 以下五个特点“： ( 1 ) 产品设计通过q f d 向制造提出质量控制要求。制造控制活动要 严格按照设计的要求进行。 ( 2 ) q f d 在配置计算和制定质量参数目标时在满足顾客需求的基础 上也要以实际制造能力为依据。 ( 3 ) q f d 不但要以制造过程的历史数据为依据。更重要的是要考虑 制造过程在进行中的实际能力及其变化。并以此为依据改变对制造质量 控制的要求。 ( 4 ) 制造过程通过s p c 向q f d 反馈有关制造过程质量实际状况的信 息。 ( 5 ) 通过设计与制造质量保证的集成。组成质量持续改进的闭环控 制系统。 q f d 与s p c 的集成有两个层次。第一层是s p c 与工艺规划和工艺 质量控制矩阵的集成。通过该层次的集成，实现制造质量控制的最优化。 第二层是s p c 与产品规划和零件配置矩阵的集成。该层次的集成旨在实 现产品质量的优化、提高与改进。该层次的集成也是产品设计质量保证 及q f d 与制造质量控制集成的更高的一个层次。 集成系统的信息交换包括“： 1 q f d 提供给s p c 的信息 ( 1 ) 关键工序( 工艺过程) 信息，关键工序指对产品零件特性起重要 作用的工序。q f d 提出对各关键工序质量控制要求、具体措施和质量指 标。制造过程必须对这些工序按要求进行重点控制。 ( 2 ) 关键质量控制参数信息，q f d 将关键工序转换成制造过程关键 工艺质量参数，并给出其具体技术指标。确定其控制点与控制方法、 检验方法、样本容量、检验设备及对检验设备的要求等。 ( 3 ) 制造过程和设备的监测信息，q f d 应给出对关键工序质量参数 起主要作用的设备及过程参数的监测要求。 2 s p c 反馈给q f d 的信息 ( 1 ) 重要程度：指某工序质量参数对产品质量的影响程度。 ( 2 ) 困难程度：困难环节指制造过程难度较大的工序或难以控制的 工艺质量参数。 ( 3 ) 熟练程度：主要考虑操作者对关键工序的熟练程度。 1 4 课题来源及研究的目的和意义 本论文为中国兵器工业集团第五五研究所承担的“十一五”武器装 备预先研究项目：快速响应制造综合验证系统( 专题编号：5 1 3 1 8 0 1 0 6 ) 的质量保证部分的子课题。 针对现代市场需求的多样化，制造业的生产要适应多品种变批量的 生产要求；另一方面，现代市场竞争是效率和质量的竞争。快速响应制 造是“效率”制造的基本要求，是敏捷制造的基本体现，而基于快速响 应的协同制造，是敏捷制造下精良生产的现代实现方式。制造质量是制 造技术和方法得以“生存发展”基本要求。因此，对协同制造的过程质 量保证技术进行实践性和应用性研究，是实地开发和推广应用协同制造 技术的关键环节。 1 5 质量保证技术研究现状及本论文的主要研究内容 对于质量保证技术的研究开发和实地运用，目前各国所作的研究多 侧重于“事前性”，“管理态”和“事后性”。事前性是指制造过程发生 之前，对于事前性研究如保质设计研究，工艺设计和优化研究，这种事 前性质量保证技术实质上是对制造的过程质量预见性确定，不能代表实 际的过程质量，从而更不是实际的产品质量；管理态是指从全面质量管 理的角度出发，综合运用现代管理手段和信息技术，对质量信息进行全 面的监控管理，如计算机辅助质量管理系统( c a q ：c o m p u t e ra i d e d q u a l i t y ) 管理态质量保证技术只能对质量状态进行“监视”，从而更 有利于人为的质量控制活动。可见，管理态质量保证技术不能对质量的 形成和实现过程进行实时控制；事后性是指制造过程发生之后，对于事 后性研究如抽样检验研究，质量水平评定和质量统计研究，这类技术对 质量状态进行测评分析，从而更好的指导事前质量设计和过程质量控 制，同样也缺乏对质量的形成和实现过程进行实时控制的性能。 目前所作的基于过程的质量保证技术研究有计算机支持协同工作 机制( c s c w ： c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i r ew o r k ) 和集成质量保证 系统( i q a s ：i n t e g r a t e dq u a l i t ya s s u r a n c es y s t e m ) 。计算机支持协 6 同工作机制c s c w ( c o m p u t e rs u p p o r t e dc o o p e r a t i v ew o r k ) 的研究适应 了信息化社会中人们工作方式的群体性、交互性、分布性和协作性特点， 因此被认为是未来社会中广泛采用的技术。其特点是能支持在空间上分 布、时间上不同步的群体成员协同完成任务。在质量信息中，有属于技 术方面的，有属于管理方面的，有企业内部的，也有企业外部的。这些 信息结构类型差别很大，大量信息在系统内部和外部交换，需要进行信 息的采集、处理、存贮、传递和更新。只有利用计算机技术作为手段来 处理，才能达到集成、实时和高速的目的，这样的系统称为计算机集成 质量系统。 计算机集成质量系统与制造过程c a d c a p p c a m 集成，完成对制造 过程和产品自动检测、按照产品试验规范及相关零件设计要求，反馈过 程能力指数分析状态及产品实际质量状况，评审和改进产品质量设计， 合理安排生产工序；与企业信息管理系统集成，获取进货计划、生产作 业计划、各类成本、工装设备等信息，并向信息管理系统反馈统计控制 检验信息、产品零件质量状况报告；与设备监控检测系统集成，获得生 产系统运行状况信息、零部件检测信息，并向监控检测系统提供设备监 控指令、零部件质量分析诊断结果，提出预防和改进措施。这样，就构 建成一个完整的集成质量保证系统( ( i q a s ) 。但是，无论对于计算机支 持协同工作机制，还是计算机集成质量保证系统，其对质量信息的管理 和处理都已经比较完备，对于实际的制造过程的质量状态控制和实际的 过程质量的质量因素溯源研究与应用还很不完善。 因此，本文从制造的过程质量实时控制和过程质量的质量因素溯源 的角度，对协同制造的过程质量保证技术进行研究，主要研究内容包括： ( 1 ) 协同制造的过程质量要素分析。 ( 2 ) 协同制造的过程质量保证规划。 ( 3 ) 过程质量保证技术原理与模型。 ( 4 ) 协同制造的过程质量评价。 第二章协同制造的过程质量要素分析 2 1 质量特性相关要素及其分类 2 1 1 质量特性及其要素的确定 质量特性1 ( q u a l i t yc h a r a c t e r i s t i c s ) 是在产品或零件的一定 总体中，区分各个体之间质量差别的性质、性能与特点。这些质量特性 由企业通过一系列技术转化工作，将用户需求尽可能用质量参数定量化 的表现出来，它是供需方和第三方评价产品质量的依据。 质量要素o ”0 2 1 ( q u a l i t ye l e m e n t s ) 是对质量特性进行描素的一 组定量或定性的工程表述，并可以在制造或装配过程当得以实现和度量 评价。 在协同制造的过程当中，其过程质量的质量特性是过程中存在的影 响或决定产品质量的各类特性，包括：设备能力c 。( c a p a c i t yo f e q u i p m e n t ) ，工序质量水平比率q 。( p r o c e s st o l e r a n c e ) ，工序质量重 要度( 1 ) 。( p r o c e s ss t a t u s ) 。其中，设备能力c 。是设备性能满足工序技 术要求指数和设备自身实际过程能力指数的综合衡量指标；工序质量水 平比率瓴。是工序可达到的质量水平，工序实际加工质量水平和工序实 际完成零件技术质量水平的综合比率衡量指数；工序质量重要度。是 该工序对整体工艺各工序的实际质量权重和该工序对零件加工实际质 量的权重的综合衡量指标。因此，制造过程当中对应质量要素包括设备 性能满足工序技术要求指数，设备自身实际过程能力指数，工序可达到 的质量水平，工序实际加工质量水平，工序实际完成零件技术质量水平， 工序对整体工艺各工序的实际质量权重和工序对零件加工实际质量权 重七个方面。 协同制造的各过程质量特性及其相应的质量要素如图l 所示。 8 过程质量特性 设备能力c i ll工序质量水平比率q 扛 工 序 可 达 到 的 质 量 水 q 。 工 序 实 际 加 工 质 量 水 g 图1 协同制造的过程质量特性和要素 工序质量重要度u 。 工 序 对 构 件 实 际 质 壁 权 重 o 2 1 2 质量特性及其要素求解 ( 1 ) 设备能力c 。( c a p a c i t yo fe q u i p m e n t ) 的求解计算 设备能力c 。是设备性能满足工序技术要求指数c 和设备自身实际过 程能力指数c 。的综合衡量指标。工序技术要求是零件构件的加工制造 或装配在该工序上按设计要求或顾客需求要达到的技术状态，则c - 计算 为： t 一过程公差 设备性能满足工序技术要求指数c - 越大，设备满足工序要求的能力 越差。设备工序技术能力指数判别标准。”参见表1 。 9 工序对工艺实际质量权重 工守实际完成工件质量水平q 设备自身实际过程能力指数q 性能满足工序技术要求指数。 表1设备工序技术能力指数判别标准 工序技术能力等级工序技术能力指数工序技术能力判断 特级 c c - 0 1 6 7 充足 二级0 6 7 c - 0 3 3正常 三级1 c - 0 6 7 不足 四级 1 c 严重不足 过程能力是指在在一定时间，处于控制状态下的实际加工能力。它 是过程固有的能力。对于产品质量的生产过程，这种能力可以用过程质 量特性值的波动范围来衡量。若过程质量特性值的标准差为o ，均值为 u ，则过程能力b = 2 ko ( k 是常系数) 。由正态分布理论可知，当k = 3 时，过程能力b = 6o ，并且p ( x p 3o ) ：9 9 7 3 ，所以6 0 近 似于过程质量特性值的全部波动范围，即为传统的6o 管理。显然，b 越小，过程能力就越强。过程能力指数是表示过程能力满足过程质量标 准要求程度的量值。当尺寸分布中心p 与技术标准中心即设计公差带中 心m 重合时，它用过程质量要求的范围( 公差) 和过程能力的比值表示， 记为c 。即 c ，= 致仃 ( 2 ) 式中：t 一过程公差 。一总体标准差 k 一常系数 过程能力指数c 。越大，过程能力越强。考虑加工的效率和经济性问 题，当尺寸分布中心p 与技术标准中心即设计公差带中心m 重合时，过 程能力指数判别标准。1 如表2 所示。 表2 过程能力指数的判别标准 过程能力等级过程能力指数 过程能力判断 特级 c d 1 6 7 过剩 一级 1 6 7 己 1 3 3螽卜 二级1 3 3 已 1 o o正常 三级1 0 0 c d 0 6 7不足 四级 已 1 3 9 过剩 一级 1 3 9 c 。 0 8 9 充足 二级 0 8 9 c 。 o 3 3 正常 三级 0 3 3 c 。 0 2 2不足 四级 c 。 o 2 2 严重不足 当尺寸分布中心1 1 与技术标准中心即设计公差带中心m 不重合时， 令统计样本总体平均值为牙，公差带中心为t ，此时，过程能力指数 用c 。来表示。引用偏移量e 和偏移系数k ： e ：i t m - x l ，k = 丧= 牮 从而： c 畦= o - k ) c ， ( 4 可见，c 。t 是对g 的事实修正。 当存在偏移系数k 时，对过程能力指数影响的判断准则1 见表4 。 表4 存在偏移系数k 时对过程能力指数的影响判断准则 偏移系数k过程能力指数采取措施 o k 1 3 3不必调整均值 0 2 5 k 1 3 3注意均值变化 0 k o 2 5 l c 。 1 3 3密切观察均值 o 2 5 k o 5 01 0 9 9 7 3 x 。o 9 9 1 8 r x 。0 9 9 7 3 o 9 8 9 2 r x 。o 9 9 1 8 o 9 8 7 1 r x 。0 9 8 9 2 x 不足 0 6 70 9 8 9 2x 。o 9 8 7 1 x 。0 9 8 7 1 x c d 0 6 7r 1 6 7 x 。 x x 。o 9 9 7 3过度 k o 9 9 7 3 1 3 3充分 x 。o 9 9 1 8 1 3 3 o 1 0 0 x 一o 9 9 1 8 x 正常 q f6a z 一x 。o 9 8 9 2 x 0 9 8 9 2 o 6 7不足 x 。0 9 8 7 1 x 0 9 8 7 1 x c d o 6 7严重不足 x 09 8 5 8 工序实际加工技术质量水平是加工制造过程的即时评价。 工序实际完成零件技术质量水平q r ：加工制造的质量水平结果或事 实性评价指标是工序实际完成零件技术质量水平q 。它以工件实际加工 的精度6 。同工件设计精度要求6 。之比来衡量， 即：q r _ 6 。6d ( 7 ) 工序实际完成零件技术质量水平q r 以ko 的质量控制和衡量方法来 评价其优劣。在现代质量控制当中，常用的k o 评价是3o 质量控制和 评价和6o 质量控制和评价”。 从质量控制的ko 方法的量化状态来讲，当服从正态分布质量特性 统计均值u 与公差带中心m 重合时，对于传统的3o 质量控制和评价， 一百万个产品当中的废品个数为2 7 0 0 个，而现代6o 质量控制和评价， 一百万个产品当中的废品个数为0 0 0 2 个。由此可见，现代6o 质量水 平要比传统的30 质量水平产品的合格率提高了许多，在当今质量竞争 和精细加工的市场条件下，6o 质量控制，是加工制造业质量控制大势 所趋1 。 工序实际完成零件技术质量水平是加工制造过程的事后评价。 工序质量水平比率q p 。：工序质量水平比率q 。( p r o c e s st o l e r a n c e ) 包含制造全过程的加工制造精度的质量状态，是一个综合性比率指标， 计算为： 瓯。= q * q r q p ( 8 ) ( 3 ) 工序质量重要度g o 。( p r o c e s ss t a t u s ) 的求解计算 工序质量重要度u 。的定义为工序对整体工艺各工序的实际质量权 重( ( w o r k f l o w ) 和工序对零件构件加工实际质量的权重( i ) 。( p a r t ) 综合衡量指标。 1 4 工序对整体工艺各工序的实际质量权重m 从工序和工艺的成本关 系，该工序对相关工序影响( 工序向上具有要求影响，向下具有质量影 响) 和该工序综合技术指标情况三个方面来衡量。 工序对零件加工实际质量的权重m 。从工序形成质量特征对于工件 质量特性的权重，对工件成本和该工序对于工件质量水平情况三个方面 来衡量。 工序质量重要度u 。是工序对整体工艺各工序的实际质量权重u w 和工序对零件加工实际质量的权重。加权求和，且权值总和为1 ，即工 序质量重要度o 。计算为： 。= k ( i ) + ( 1 一k ) ( ) ， ( 9 ) 工序对整体工艺各工序的实际质量权重。w ：由于在实际制造过程 当中，制造工艺一方面决定制造产品的质量，另一方面也决定制造产品 的成本，并且这两个方面是正相关的，所以，工序对整体工艺各工序的 实际质量权重值以该工序成本对整体工艺各工序的实际总成本的比率 来求解。 首先要对可行性工艺方案实现工序，工艺方案的优选与规划，本文 利用较为简便实用的成本型工艺规划网( p r o c e s sp l a n n i n gn e t ： p p n e t ) 和工序的最佳排序图( w o r k f l o wo p t i m i z a t i o nc h a r t ) 实现 对工序和工艺的选择与规划。 成本型工艺规划网“”“1 ( p p - n e t ) 不考虑刀具的磨损，并将工件的 制造成本分为四类：1 ) 纯加工成本，它由独立的机械加工操作所消耗 的时间决定；2 ) 工件从一台设备到另一台设备的倒运成本；3 ) 设备的 准备时间所需要的成本；4 ) 更换刀具的成本。 成本型工艺规划网( p p - n e t ) 的建立： 以图3 所示的零件来说明p p n e t 的建立与多工艺方案的优化过程。 0 0 3 图3 轴类零件加工工序 ( 1 ) 根据零件的特征信息建立特征关系表，其结构如表7 所示。 表7 零件特征关系表( 工序特征与加工方法) ( 2 ) 根据零件特征关系表画出加工与或图，其结构如图4 所示。 一与一 图4 加工工艺与或图 ( 3 ) 根据零件加工顺序与或图，按照p e t r i 网的模式形成成本型 工艺规划网( p p - n e t ) ，其结构形式如图5 所示。 1 6 图5 工艺规划p p - n e t 除上表列出的纯加工成本外，再定义如下类型的成本： ( 1 ) 改变加工设备的成本，设工件从一台设备输送到另一台设备花 费4 0 时间单元 ( 2 ) 准备时间，改变加工工序将耗费准备时间为5 时间单元 ( 3 ) 刀具更换时间，每次换刀耗费1 时问单元 利用如下启发式搜索算法：启发式算法用估价函数对p p n e t 的结 点进行评价，按宽度优先选择全局最优的结点优先进行深度扩展。 首先设定估价函数： f ( m ) = g ( m ) + h ( m ) ( 1 0 ) 其中，g ( m ) 是加工已付出的成本代价，h ( m ) 是下一步待进行加工估 算的成本代价；当h ( m ) 沿一定可行工艺路径在每一步均取最小的估算 加工成本代价时，最后就求得该工艺路径的总成本估价，比较各可行工 艺路径总成本估价，取小择优。 在求解各可行工艺路径总成本估价时，可以编制程序或利用模块化 的成型计算机软件借助计算机实现。 利用上述算法，可求得该零件在上述加工条件下的最优工艺方案即 工序的最佳排序表： 表8 工序的最佳排序 在确定工艺方案之后，就可以利用估价函数，求得各工序估价成本 和工艺各工序的估价总成本。 此时，工序对整体工艺各工序的实际质量权重。可以求解为： ( 1 ) w = c i c ( c ：c o s t ) ( 1 1 ) 工序对零件加工实际质量的权重。，：这一权重值利用零件加工质 量功能配置( q f d ) ”1 求得。 对上述零件加工，在明确技术和性能要求条件下，按照工序表对质 量特性利用q f d 进行功能配置如下： 左 女 匮 键 盛 环增端 曙右 审 端心柱 柱 柱垲心 面孔面 槽 面 槽 面面 面 面孔 0 1 0 10 20 2 0 1“0 3 0 10 3 0 2 0 6 0 1 车削 铣削o oo 钻孔0 oo 祝值 “ 强相关一般相关弱相关不相关 符号 0 空 权值 图6零件特性q f d 由q f d 表，可求： p 一- - 该工序权重各工序相关权重 此时，可求解工序质量重要度( 1 ) 。( p r o c e s ss t a t u s ) 的求解6 0p s ： 。= k ，+ ( 1 一k ) ( 1 ) 。 ( 1 2 ) 其中：k = ( ) ( ( ) + 。) 2 2 质量特性的关联性分析 由于机械n t 的每个工序都形成零件质量的一部分，同时该工序向 上对坯料或上道工序质量状态具有一定要求，向下对下道工序质量构成 影响。所以决定零件质量的各质量特性之间存在一定的关联性，而且每 质量特性当中的各个质量要素之间也存在一定的关联特性。 2 2 1 质量特性中质量要素间的关联性分析 本文研究制造过程当中对应质量要素包括设备性能满足工序技术 要求指数，设备自身实际过程能力指数，工序可达到的质量水平，工序 实际加工质量水平，工序实际完成零件技术质量水平，工序对整体工艺 各工序的实际质量权重和工序对零件加工实际质量权重七个方面。对这 七个质量要素，对具体的加工工件，他们包含于零件的实体特征当中， 并由前述方法统计计算。利用质量功能配置( o u a l i t yf u n c t i o n d e p l o y m e n t ：q f d ) 的方法对其关联性进行分析。例如对于图3 所示的 零件，按照图7 进行如下q f d 分解。 质量功能配置( q u a l i t yf u n c t i o nd e p l o y m e n t ：o f d ) 利用拓展型 o f d 进行质量关联分析： 螽相关一般相关弱相关不相关 符号 oo 空 权值 图7 拓展q f d 关联性求解计算： 采用平均互信息的概念来分析关联性的问题，具体方法如下： 1 ) 建立质量要求信源( q ：q u a l i t y ) 1 9 i q tq zq m i 【p ( q - ) p ( q ：) p ( q 。) j 2 ) 建立技术要求技术能力信息源( h ：h o w ) ： h i h 2 h 。 【p ( h 。) p ( h ：) p ( h 。) j ( 1 3 ) ( 1 4 ) 质量要求信源q 和技术要求技术能力信息源h 的联合信息源为： 卜q 2 i( 1 5 ) l p 2 1p z 2 p m j 上式中，p ( x ) 表示各种信在q f d 中出现的概率，可以通过数值统计 的方法获得。式中p 。，= p ( x ，) ，( i = l ，2 ，i n ；j = l ，2 ，n ) 表示相应联合 信息量，具体如下： h ( q h ) = h 。g ( b ，) ，p ( r | 2 ) ，p ( r 衄) ) = 一芝np ( r 1 j ) l n ( p ( ) ) ( 1 6 ) ；l j 。l 由于 喜詈2 亡缸= 詈= t 式中：p l = p ( q 。) ，p ，= ( h ，) 因而又可以构成新的随机向量，定义q 。对 h 的条件信息量以及h 。对q ，的条件信向量分别为： h ( h f q 卜z 。；p 。h = - z 薹e 。l ，p ，詈噜= 一善奢h 詈 m ， h 删q ) =。h ( h = ，拿n 导= 一p 扣导 ( 1 7 呻) _ 圳p jx h q h j ) = 一喜参p j 堕p j 一”p , ，l n p p ，j p , j j = li ， h ( q i h ) _ ) - 一p ，一 ( 1 8 ) j = j产l i j 产r 作为h ( 0 h ，) 的加权求和，得q 对h 的条件信息量，记作h ( q h ) ， 同理，可得h 对q 的条件信息量，分别表示如下： h ( q i h ，) = 一妻p j 墅p j ( 1 9 ) l = 堕n = m一一n = 氏一nm一 h ( h i q 卜一言詈n 詈 为了表示q 与h 的关联性， 如下： ( 2 0 ) 在此定义q 与h 的平均互信息，表示 h q h ? 2 竺。型烈刚q , h ) - h ( q ) + h ( h ) - h ( q h ) ( 2 1 ) i ( h ，q ) = h ( h ) 一h ( h l q ) i 。 不难证明，i ( q ，h ) 具有对称性和非负性，能够表示质量要求与工 程特征两信源之间的关联性大小。我们采用关联度l f ，作为衡量指标，即： l f ，= i ( q ，h ) h ( q h ) 1 0 0 ( 2