（机械制造及其自动化专业论文）基于sov的多阶段制造系统尺寸偏差建模.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：量塞! ! 童 指导教师签名：主叠塞皇 日期：兰翌! ! ：篁：! 占 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着技术的进步，现代制造业对产品质量提出了更高的要求。对于很多产品，其尺寸 偏差程度决定了产品的质量水平。这些产品的制造系统一般都是多阶段制造系统，各个阶 段的偏差因素互相影响耦合，给产品的尺寸偏差分析、控制与预测带来了难度。 本文根据多阶段制造系统特点，对多阶段制造系统中的尺寸偏差的来源进行了分类分 析，通过对设计过程和制造过程两方面产品尺寸偏差分析，基于偏差流理论建立了包含设 计过程偏差控制和制造过程偏差控制的尺寸偏差控制系统模型。并对产品尺寸检测的基本 技术、设备和检测数据分析方法进行了初步探讨，为多阶段制造系统的尺寸偏差控制的研 究提供了基础。 针对制造过程中产品尺寸偏差在各个阶段间传播和影响，应用向量公差模型建立了产 品的描述模型和偏差描述模型，以及产品制造过程中定位和夹紧两个过程的偏差模型，运 用状态空间理论建立了制造过程中的偏差传递模型，为多阶段制造系统的尺寸偏差控制和 预测提供了理论基础。通过对白车身制造中装配工艺的分析，以车门为例，建立了装配过 程的尺寸偏差传递模型，对其他制造过程的偏差传播建模也具有借鉴意义。 关键词：多阶段制造系统，偏差流，尺寸偏差，建模 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , t h eq u a l i t yd e m a n d sf o rm o d e mm a n u f a c t u r i n g b e c o m eh i g h e r f o rm a n y p r o d u c t i o n s ，t h eq u a l i t yl e v e li sm a i n l yd e t e r m i n e db y t h ev a r i a t i o n so f d i m e n s i o n m o s t l y , t h em a n u f a c t u r i n gs y s t e m so ft h e s ep r o d u c t i o n s a r ec o n s i d e r e da sm u l t i - s t a g e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m s i np r o d u c t i o np r o c e s s ，v a r i a t i o nf a c t o r sf r o me a c hs t a g ei n f l u e n c eo t h e r s ， c a u s e st h ec o n t r o la n df o r e c a s to fd i m e n s i o nv a r i a t i o n sb e c o m em o r ec o m p l i c a t e d t h ed i s s e r t a t i o nb a s e do nc h a r a c t e r i s t i c so ft h em u l t i - s t a g em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，a n a l y z e d t h es o u r c e sa n ds o r t so ft h ed i m e n s i o nv a r i a t i o n s ，a n di n t r o d u t e dt h eb a s i ca p p a r a t u sa n d t e c h n o l o g yi nd i m e n s i o nm e a s u r ep r o c e s s b ya n a l y z i n gt h ev a r i a t i o n sc o n t r o li nd e s i g np r o c e s s a n d p r o d u c t i o np r o c e s s ，e s t a b l i s h e dt h ed i m e n s i o nv a r i a t i o n sc o n t r o lm o d e l b a s e do ns o v t h e o r y , l a i db a s i sf o rt h er e s e a r c ho fm m sd i m e n s i o nv a r i a t i o n sc o n t r 0 1 s p e c i f i ct ot h ed i m e n s i o nv a r i a t i o n st r a n s m i s s i o ni ne a c hs t a g e ，e s t a b l i s h e dt h eg e o m e t r y d i m e n s i o nm o d e la n dd i m e n s i o nv a r i a t i o nm o d e lo ft h ep r o d u c tb yv e c t o r i a lt o l e r a n c i n gm o d e l ， t l l el o c a t i o nv a r i a t i o nm o d e la n dc l a m pv a r i a t i o nm o d e li np r o d u c t i o np r o c e s s ，a n dt h ev a r i a t i o n t r a n s m i s s i o nm o d e lb yu s i n gs t a t es p a c et h e o r y b ya n a l y z i n gt h ea s s e m b l yp r o c e s so fb o d yi n w h i t e ，e s t a b l i s h e dt h et r a n s m i s s i o nm o d e lo ft h ed o o ra s s e m b l yp r o c e s s ，i ta l s oc a n b eu s e df o r o t h e rp r o d u c t i o np r o c e s sm o d e l i n g k e y w o r d ：m u l t i - s t a g em a n u f a c t u r i n gs y s t e m s ，s t r e a mo fv a r i a t i o n , d i m e n s i o nv a r i a t i o n , m o d e l i n g 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s 仃a c t 。 第一章绪论1 1 1研究背景l 1 1 1 多阶段制造系统l 1 1 2 偏差流理论2 1 2相关领域的研究现状4 1 2 1m m s 偏差控制的研究现状4 1 2 2s o v 理论的研究现状5 1 3本文的研究内容与意义5 1 3 1 研究内容5 1 3 2 研究意义6 第二章m m s 尺寸偏差控制模型7 2 1m m s 的尺寸偏差分析：。7 2 1 1 尺寸偏差的定义7 2 1 2 偏差的分布规律8 2 1 3 尺寸偏差的来源。9 2 1 4 尺寸偏差的分类l o 2 2 面向设计的尺寸偏差控制1 1 2 2 1 产品的设计流程一1 1 2 2 2 面向偏差控制的设计技术1 l 2 2 3 设计过程偏差控制模型1 2 2 3 面向制造的尺寸偏差控制1 4 2 3 1 制造过程控制简述1 4 2 3 2 制造偏差控制技术1 4 2 3 3 制造过程偏差控制模型1 5 2 4 基于s o v 理论的偏差控制模型1 7 2 5 本章小结1 8 第三章m m s 尺寸质量检测与分析1 9 3 1 制造尺寸检测技术l9 3 1 1 尺寸检测技术简述1 9 3 1 2 产品尺寸检测设备1 9 3 1 3 质量控制检测点的布置2 l 3 2 检测数据分析技术2 l 3 2 1 时间序列分析2 2 第页武汉科技大学 3 2 2 小波分析 3 3 本章小结 第四章基于s o v 理论的偏差传递模型。 4 1 定义坐标系 4 2 零件及偏差的描述模型 4 2 1 各种面的v t m 描述 4 2 2 零件及其偏差的v t m 模型 4 2 3 描述模型的坐标变换 4 3 夹具偏差描述模型 4 3 1 夹具定位偏差模型 4 3 2 夹紧偏差模型3 l 4 4 偏差传递的状态空间模型3 2 4 4 1 状态空间理论的基本概念3 2 4 4 2 控制系统的状态空间描述3 3 4 4 3m m s 偏差传递的基本模型。：3 6 4 5 本章小结3 7 第五章汽车白车身尺寸偏差分析3 8 5 1 白车身制造概述3 8 5 2 白车身制造工艺3 9 5 2 1 冲压成形工艺3 9 5 2 2 焊接与装配工艺4 0 5 3 车门装配尺寸偏差建模4 2 5 3 1 白车身装配中的偏差传播4 2 5 3 2 车门结构及装配过程4 2 5 3 3 车门装配过程偏差传递模型4 4 5 4 本章小结4 7 第六章总结与展望4 8 6 1 总结4 8 6 2 展望4 8 参考文献5 0 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 研究背景 1 1 1 多阶段制造系统 第一章绪论 制造活动是社会最基本的活动，随着社会的进步和制造活动的发展，人们对制造的认 识也在不断的发展。制造中的各种活动都是相互关联的，他们处于一个系统中。如今，为 了以最有效的活动方式，实现从原材料到产品的转换，人们用系统论的观点来分析和研究 制造过程，提出了制造系统的概念。 关于制造系统的概念，目前尚无统一的定义。一般来说，一个制造企业就是一个完整 意义的制造系统。国际生产工程学会( c i r p ) 对制造系统的定义是：制造系统是制造业中 形成制造生产的有机整体，具有设计、生产、发运和销售的一体化功斛。华中科技大学 的李培根院士对制造系统的定义是：制造系统是一个复杂的、可辨别的动态实体。它由为 “把原材料变换成所需的有用产品这一目的而进行不同特征活动的一些相互关联、相互 依赖的子系统所组成。其整体活动( 生产活动) 能保持稳定性，并能适应市场变化等外界 影响【2 1 。 多阶段制造系统( m u l t i s t a g em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，m m s ) 顾名思义，即在产品制造 过程中，需要在多个工位、多阶段操作才能加工完成的制造系统，如图1 1 。， 图1 1m m s 的制造过程示意图 很多常见的制造系统都是m m s ，如汽车制造系统、机床制造系统、电子产品制造系 统等。m m s 是离散型的制造系统，其产品实可数的，通常可用件，台等单位进行计量， 其生产方式一般是通过零件加工，部件装配等离散过程来制造出完整的产品。相比一般的 制造系统，m m s 的自动化和优化管理与控制所涉及的领域和相关问题要复杂的多。 汽车制造系统是典型的m m s 。以汽车车身制造为例，要经过冲压、焊装总成、喷漆 制造过程中的参数分为过程参数和质量特性参数。过程参数包括设备属性、设备状态、材 料属性和材料状态，例如在机床加工过程中，机床的结构尺寸、刀具速率、切削力、表面 温度、材料硬度等都可以认为是过程参数；质量特性参数是衡量产品质量的参数，如产品 形状、尺寸、位置等。过程参数与质量特性参数的影响关系是复杂的，产品质量特性参数 即直接受到过程参数的影响，也可能受其他质量特性的影响，即间接受其他过程参数的影 响：产品的尺寸质量偏差，即可能来源于本工序，也可能来源于前面某个工序【4 】。 例如图1 3 中：立铣刀加工平面q ，影响偏差的直接原因可能有两个，一是定位基准 面1 3 的偏差( 图1 3 a ) ，属于受到质量特性参数的影响，即源于之前加工1 3 面的某个工序； 一是夹具定位块f 的偏差( 图1 3 b ) ，属于受到过程参数影响，即源于本工序的装夹过程。 这种现象称之为多因素耦合【5 1 ，即制造过程中各过程参数共同对产品质量特性的影响，不 同过程参数在各个工序之间和同一工序上两个方向同时相互叠加耦合。 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 基准面 夹具俯 图1 3 不同过程参数影响偏差产生 偏差流理论( s 骶锄o f v 撕a f i o n ，s o v ) ，正是针对多工序、多阶段制造系统中这种多 因素耦合现象所提出的偏差诊断和预报的理论和方法。偏差流理论认为，在制造系统的运 动流理论中除了通常所说的物料流、能量流、信息流，还存在着偏差流，如图1 4 。偏差 流理论表现了产品的尺寸偏差以产品为载体，随着生产制造流程在不同工序上传递、变化 的过程，各种偏差在制造过程中耦合、传播和积累形成产品的综合偏差，犹如纵横交错的 溪流汇入滔滔江河【6 】。知 互至多= = = ：j 匀至至雪二二二二：兰： 圜冷 3 0 ，约占o 3 。 实际上，一批产品的偏差并非按标准正态分布。e 的平均值巨并不为零，即这批产 品的实际尺寸均值五：偏离基本尺寸d ，巨的绝对值越大，表明这批产品的整体尺寸质量 越差。仃则反映了产品尺寸的波动水平，o - 值越小，表明这批产品的整体尺寸精度越高， 著名的“2 m m 工程 就是将6 仃控制在2 m m 之内。总的来说，要获得高尺寸质量的产品， 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 既要使波动6 0 小，又要使偏差均值瓦小。 2 1 3 尺寸偏差的来源 在m m s 中，产品的尺寸偏差在制造系统中受到各种偏差源的影响，随着产品制造流 程，尺寸偏差不断地产生、相互影响、传递并积累，形成最终的产品尺寸偏差。一般来说， 可以导致偏差产生的因素有： ( 1 ) 设计阶段因素 产品的尺寸设计时产品设计的重要内容，产品尺寸必须要满足该产品的功能要求， 还必须考虑产品的生产工艺条件，组成产品的部分零件在装配时候不会互相干扰。设计者 要对条件综合考虑，设计合理的零件参数，制造工艺流程，装配流程等。当这些设计出现 不合理甚至错误之处时，就会导致最终产品的尺寸偏差。 m m s 所制造的产品零件多、结构复杂、制造工艺复杂，往往需要设计团队才能完成 整个产品的设计工作，团队成员间的人员组织、团队配合、交流合作会影响产品的设计过 程，众多不确定因素更加增加了产品设计原因导致尺寸偏差的可能性。 产品的设计阶段是偏差产生的第一道环节，因此，在的产品设计阶段应尽量考虑到会 导致偏差产生的因素，减少因设计原因导致的尺寸偏差。为此，很多的产品开发过程中包 括试生产阶段，通过试生产发现问题并加以解决，完善产品设计。虽然经过了试生产阶段， 但仍然可能有一些多细小的，不易发觉的设计问题未被发现，这些问题就只能带到产品批 量生产的过程中了。因此在产品制造过程质量控制时，应及时发现这些设计问题，反馈给 设计部门及时修改相关设计方案。 ( 2 ) 制造阶段因素 制造阶段是物化产品尺寸偏差的主要阶段，产品在制造阶段被加工成设计要求的尺 寸，偏差也随之产生。在产品的制造过程中，偏差是不可以避免的。一般来说，在制造过 程中，偏差主要来自于六个方面，即通常所说的5 m 1 e ： 操作者( m a n ) ，操作工人的情绪、技术水平、质量意识等； 材料( m a t e r i a l ) ，构成产品的原材料和生产中使用的辅助材料； 设备( m a c h i n e ) ，机床、辅助装置、夹具模具的精度和状况； 工艺方法( m e t h o d ) ，加工工艺流程和方法等是否合理； 测量( m e a s u r e ) ，测量仪器的精度和测量方法是否合理； 环境( e n v i r o n m e n t ) ，合适的温度、光线、清洁、有序的生产环境。 在产品某一的工序或制造阶段中，这六个因素并不一定同时起作用，起同等的作用。 因此，应当运用专业技术和经验分析制造过程，找出各个阶段、各个工序中起主要作用的 因素作为偏差控制的重点。 在制造过程中，制造偏差的产生是众多因素相互影响、耦合、传递、共同作用产生的。、 制造过程涉及众多的工序，每一道工序中产生偏差都传入下一道工序，并积累在零件和产 第1 0 页 ( 3 ) 其他因素 产品在摆放位置、装卸过程也都会影响产品尺寸。如产品和产品之间的相互挤压、碰撞导 致产品表面形变，产品由于振动过大造成的内部零件位移甚至脱落，产品搬运装卸时的夹 持力过大导致产品发生变形等。这些因素也是不能忽视的部分，但只要加以注意是可以避 免的，因此只是偏差产生的次要因素。 2 1 4 尺寸偏差的分类 在生产实际中，各种偏差因素总是同时存在、相互影响，使产品的尺寸偏差分析错综 复杂。实践证明，运用数理统计方法可以成功的解决大批量制造中的尺寸偏差分析和偏差 控制问题。依据一批产品中各种偏差出现的规律，可将偏差分为系统偏差和随机偏差： ( 1 ) 系统偏差，在加工一批零件的过程中，始终保持不变或呈一定规律变化的偏差称 为系统偏差，系统偏差可分为常值系统偏差和变值系统偏差。常值系统偏差包括加工工具、 夹具、量具的制造调整引起的偏差，加工工具、夹具、量具在短时间内的磨损等；变值系 统偏差包括加工工具、夹具的热变形，加工工具、夹具的有规律磨损等。对于系统偏差， 可以采用相应的工艺调整、设备检修、偏差补偿等办法来解决。 ( 2 ) 随机偏差，在加工一批零件的过程中，那些随机的、无规律变化的偏差称为随机 偏差。产品原料偏差、定位偏差、夹紧偏差等偏差都属于随机偏差。随机偏差虽然没有规 律，但也可用数理统计的方法对零件整体的制造偏差进行分析。随机偏差是无法完全消除 的，但可以采取动态监测与闭环控制的方法减少其影响。 在对产品尺寸偏差进行控制的时候，根据偏差诊断、分析和控制的需要，会从不同的 角度将偏差分类，例如。 可校正偏差与不可校正偏差：在零件加工完成后，其实际偏差可能超过规定的极限偏 差，需要通过后续工序加以校正，使其符合产品的尺寸要求。那些可以通过校正工序修整 合格的偏差称为可校正偏差，不能修整合格的偏差为不可校正偏差。 稳态偏差和非稳态偏差：稳态偏差是指一直处于比较稳定的水平的产品或零件偏差， 表明产品的尺寸保持稳定，这一类偏差相对比较容易控制。非稳态偏差是指随着批次的变 化，时间的变化而出现波动的产品或零件偏差，这类偏差对于产品的偏差控制是不利的， 偏差溯源工作的不确定因素多，排除影响因素的过程较长。 制造偏差和非制造偏差：顾名思义，制造偏差是指产品在制造过程中产生的偏差，非 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 制造偏差是那些在制造过程之外产生的偏差。制造偏差是不可避免的，对制造偏差的控制 是偏差控制的主要内容；非制造偏差大多数则是可以避免的，如前面所说的运输过程、存 储过程造成的偏差。 2 2 面向设计的尺寸偏差控制 2 2 1 产品的设计流程 产品的设计决定了由制造过程引入的偏差水平，产品的设计阶段对最终产品质量和成 本起着重要作用，要保证产品的设计质量就必须从分析产品设计偏差形成的过程入手，产 品的设计过程也就是产品设计偏差形成的过程。 产品设计是在明确设计任务与要求以后，通过一系列工作，确定产品的具体结构和使 用性能的过程。一般产品设计过程包括：方案设计、技术设计和工作图设计( 施工设计) ， 如图2 2 所示。方案设计是根据设计任务书找出主要问题，确定技术原理、技术过程、技 术系统和功能结构；技术设计的主要内容有选择材料，设计计算，确定主要结构、技术要 求，检查可装配性、加工性，经济分析等；工作图设计的主要内容包括定出全部结构，绘 制图样，编写技术资料等。 、 ( 上一过程爿 图2 2 产品的设计流程 据调查，一般产品的设计缺陷导致的质量问题约占全部质量问题的4 0 7 0 【2 1 7 1 。在 产品的设计阶段，通常依据过去的图纸、传统的规则、供应商提供的信息或经验来确定产 品参数、工艺参数及技术规范，存在着较大的偏差和错误，所以正确确定及优化参数成为 设计阶段需要解决的问题。由于参数及影响参数的因素很多、工作量大，因此要用有效的 方法研究和解决这些多因素复杂问题。1 9 7 9 年，田口玄一提出了三次设计，将产品的设计 分为了系统设计、参数设计和容差设计三部分。如今，三次设计法在制造业中广为使用， 其中参数设计和容差设计作为产品设计偏差控制的主要方法，得到了广泛的应用于研究。 2 2 2 面向偏差控制的设计技术 ( 1 ) 参数设计 参数设计是产品设计的核心【2 引，在系统设计之后进行。参数设计的基本思想是通过选 择系统中各可控制因素的最佳水平( 即最佳参数) 组合，从而尽量减少各种干扰的影响， 使产品的尺寸波动小。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 在参数设计阶段，一般用波动大的廉价零件来进行设计，使产品在质量和成本两个方 面得到改善。参数设计时一个多因素优选问题，一般用正交实验设计法莱安排实验方案， 用偏差因素来模拟各种干扰，用性噪比作为产品尺寸稳定性指标来加以择优，信噪比最大 的方案就是最优设计方案。参数设计的实质是非线性效用的利用。通常产品的尺寸d 与各 零件参数之间存在非线性关系。 如图2 3 所示：某产品的某一尺寸d 目标值为d 。，若某零件的参数d 选取为d 。，其波 动为d ，由该零件引起d 尺寸偏差为e 。通过参数设计，将零件参数由d 变为d ，则 此时的对于同样的零件参数波动大小a d 。，产品尺寸偏差e ， 淞 断 t n l 输巨孚q 、： w l 仪c y k n +1 其他环节其他环节 图2 6 某一阶段的偏差控制模型 若某m m s 制造过程包含以个制造阶段s l ，s 2 ，s 疗，对产品的偏差控制应始终贯 穿于每个制造阶段。在制造之初，就应确定好每一个阶段的输入要求与输出要求。要在每 一个制造阶段对产品或零件进行在线检测，对检测数据进行分析诊断，寻找偏差产生原因， 对本阶段内的偏差源及时调整，对本阶段外的偏差源应及时反馈给相关环节；在该阶段制 造完成之后，对产品进行离线检测，分析并诊断偏差源，对不符合输出标准的产品进行返 工或其他处理，对符合输出标准的产品交付下一阶段。阶段s t 的偏差控模型如图2 6 所示， 整个m m s 制造过程偏差控制模型如图2 7 所示。 图2 7 面向制造的偏差控制模型 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 2 4 基于s o v 理论的偏差控制模型 在m m s 系统偏差控制中，不仅包括产品本身的设计偏差控制，也应该包括制造工艺 设计中偏差控制，包括制造工序设计、加工工艺设计、装配工艺设计、模具设计、夹具设 计等。产品设计偏差控制、工艺设计偏差控制和制造过程偏差控制三者相互作用、互相影 响，如图2 8 所示。只有先确定产品的设计方案，才能确定产品的制造工艺方案；产品设 计和工艺设计完成之后，才能开始产品的制造过程；而在制造过程中可以发现产品设计和 制造工艺的不合理之处，产品的设计也应与工艺流程和工艺水平相适应。 ，一。- ，设计过程、i 、。- - 一， 图2 8 设计过程与制造过程的关系 产品设计的过程决定了产品的性能水平，制造过程是实现设计水平的实践环节。在 m m s 尺寸偏差控制过程中必须始终基于并行工程的理念，将产品的设计过程与制造过程 进行并行、集成化处理。在产品的开发阶段就考虑到产品全生命周期内各个阶段的因素， 设计部门与制造部门之间协同工作、建立有效的交流，在设计过程中考虑产品的制造工艺 和制造过程，在制造过程中及时反馈设计中存在的问题。在偏差流理论中，制造系统的输 入偏差经过面向设计的偏差控制和面向制造过程的偏差控制，偏差的总体水平逐渐减小， 输出产品的最终尺寸偏差，如图2 9 所示。 图2 9 基于s o y 理论的偏差控制模型 武汉科技大学硕士学位论文 析了多阶段制造系统中的尺寸偏差，介绍尺寸偏差的定义、分布规律和来 和控制的需要对偏差进行了分类。然后从设计过程和制造过程两个方面对 行建模，分析了产品的设计流程、设计技术、制造流程和偏差控制技术。 制造过程分析的基础上，建立了基于偏差流理论的尺寸偏差控制模型。为 的尺寸偏差控制研究指明了方向，以及研究制造过程中的尺寸偏差传播打 武汉科技大学硕士学位论文第1 9 页 第三章m m s 尺寸质量检测与分析 3 1 制造尺寸检测技术 3 1 1 尺寸检测技术简述 产品的尺寸质量控制离不开对产品的尺寸质量的检测，选用何种检测方法决定了对产 品尺寸质量控制的精确性和有效性。对检测技术的研究包括：检测工具设备的研究与选用， 检测工序与检测点的选择与布置，对产品离线检测和在线检测，检测样本的确定等。检测 技术的选择与运用直接影响检测数据，在实际生产中应视具体产品特点和生产条件确定。 测量是按照某种规律，用数据来描述观察到的对象，即对事物作出量化描述。在对事 物的测量的过程中，不仅要运用数据描述事物的待测要素，也要比较事物的实际数据与理 想数据的差异。在产品的尺寸偏差测量上，也包括测量和评定两个阶段，测量阶段根据被 测要素的形位特征，选取采样的点、线、面，并通过一定标准将测量数值转换为统一基准 值；评定阶段根据测量数据特点用特定的方法对数据进行变换，对变换后数据进行分析获 取所需的信息。 检测系统是_ 个总体，含了对被测对象的特征量进行检出、变换、传输、分析处理等 各个环节。典型的检测系统如图3 1 所示。 厂 广 厂 广 l 测量对象卜叫特征量检出卜叫数据变换卜叫结果分析i i一【，j 1，j i。一 图3 1 检测系统原理示意图 在实际检测中，测量的基准要素不可能如理论上的理想要素，总有一定形位偏差，应 通过一定的方法尽量减小其对测量结果的影响。比如：用精度足够高的测量工具上的要素 代替基准要素；对实际基准要素进行测量，通过最小条件判别准则确定基准要素的位置。 在测量精度足够高的情况下，就可直接用基准要素作为测量基准。一般选取有限的特征测 量数据来表达被测物体的表面或轮廓特征。对于大量的要素可以采用一定的方法予以简 化，或通过其他测量要素计算得出。比如孔用轴或定位点表示。 3 1 2 产品尺寸检测设备 m m s 产品制造批量大、制造过程复杂，怎样高效、精确的测量其表面特征，一直是 制造质量控制中的关键技术之一。产品尺寸检测设备的研究与发展一直紧跟计算机、自动 化控制、精密机械等技术的发展，从上世纪7 0 年代三坐标测量仪的应用，到9 0 年代各种 在线检测设备的开发应用，产品尺寸检测设备正朝着非接触、高精度、高效率、高柔性、 高智能的趋势发展。 第2 0 页武汉科技大学硕士学位论文 1 三坐标测量仪 三坐标测量仪( 3 dc o o r d m a t em e 枷n gm a c h i n e 3 dc m m ) 也叫三次元测量仪，是 伴随着计算机、控制、传感技术的发展产生的自动测量设备。其原理是：将待测物体置于 测量空间内，通过探测传感器( 探头) 在测量空间x 、y 、z 轴线上的运动，获得被测物体 表面测点的空间几何位置，经过一定的数学计算对所测点分析拟合，最后还原出被测物体 表面的三维尺寸数据。 图3 2 固定桥式三坐标测量仪 常见的三坐标测量仪根据移动方式可分为固定式和移动式测量仪，根据结构可分为悬 臂式、桥式、龙门式、l 式三坐标测量仪，图3 2 为典型的固定桥式三坐标测量仪。三坐 标测量仪的测量精度可达到0 0 0 1 0 0 1 m m ，可测量复杂形状的机械零部件和各种曲面，测 量过程可由编程控制，自动化程度高。 对于m m s 制造过程中的尺寸质量控制，三坐标测量仪也存在着不足之处。三坐标测 量仪成本高、对检测环境温度和振动的要求高、而且体积较大，一般无法在生产线上在线 布置。因此，三坐标测量仪一般使用在单件产品的测量上。 2 光学坐标测量仪 光学坐标测量仪( o p t i e a lc 0 0 r d i n a t em e 枷n gm a c l l i n e ，o c m m ) 是为在线检测产品 的尺寸变化而开发的检测系统。以机器视觉测量技术为基础，集合了激光技术、计算机视 觉技术、数字摄像技术。光学坐标测量仪最早运用在汽车车身制造的在线尺寸检测中，在 “2 m m ”工程中的成功运用使其成为了制造尺寸检测技术的重要手段和发展方向。 光学坐标测量仪的主要元件包括激光发射器、测量镜头、反光镜和c c d 图像传感器。 检测时，激光器发出激光束，经光学镜头转变为激光平面，激光平面投射到待测物体表面 后形成明亮的激光线条。线条随着被测物体的表面而变化，c c d 图像传感器感应到此线条， 经过计算机处理后得到物体的表面几何数据。基本上任何物体的表面几何信息都可以由光 学成像方法得到，该方法弥补了接触式三坐标测量仪在检测对象和检测范围的限制。 在实际生产过程中，待测工件由生产线的传送系统送入在线检测站，首先由定位传感 器测量工件特征，修正工件位置，并将工件位置数据传至计算机。计算机根据测量程序自 动控制各测头对工件的特征尺寸进行测量，同时存储测量数据，并自动分析生产线运行状 武汉科技大学硕士学位论文第2 1 页 况，及时显示和预报可能出现的故障。目前，在国际上，光学坐标测量仪的实际应用日渐 成熟，被许多大型制造企业如通用、福特等使用；在国内，光学坐标测量仪仅有少数企业 联合高校进行研究，均处在研制阶段，无成熟的工业应用。光学坐标测量仪能极大地提高 了产品尺寸检测效率，但是投资大、成本高，只适合对产品尺寸精度要求高的大规模、大 批量的自动化流水线生产。 3 1 3 质量控制检测点的布置 1 质量控制检测点的分类 在制造过程中，检测的目的获取产品质量信息并不断改进生产过程。因此在布置检测 点时，应使检测点即要考虑产品的设计功能和设计要求的结构造型、尺寸形状，又要考虑 产品的生产方式、制造工艺和质量诊断。将常见的检测点按其功能可分成三类【3 1 】： 主要定位基准检测点( p r i n c i p l el o c a t i n gp o i n t s ，p l p ) ，是应首先考虑的检测点，要有 最高的测量可靠性。该类检测点能反映某阶段加工的定位状态，是主要的定位基准检测点。 这类测点有助于对在定位过程中产生的产品尺寸偏差进行识别和诊断。 关键产品特征检测点( k e yp r o d u c tc h a r a c t e r i s t i c s ，k p c ) ，由产品本身的设计功能和结 构决定。该类检测点能反映产品的关键特征的变化，其变化关系到产品的制造属性是否符 合设计标准。 关键控制特征检测点( k e yc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c s ，k c c ) ，由产品本身与生产工艺共同 决定。该类检测点即影响了产品的关键特征，又影响过程控制参数。关系到制造过程中准 确的进行故障诊断，确定问题发生的主要工位，便于及时提出解决方案。 2 检测点的布置原则 检测点的布置是一项复杂的工作，合理的检测点布置一方面需要设计者有丰富的经验 积累，另一方面要综合运用到产品设计、制造工艺、材料形变、检测技术、故障诊断等多 方面知识。检测点布置的内容包括确定检测点的数目、位置和名义值。 在检测点布置时，一般要遵循两条原则：一、检测点的数目，能以最少的数量测点正 确反映生产变差对零件和产品质量特征的影响，以减少检测时间，提高检测效率，减低检 测成本；二、采用由大到小的原则，先确定产品整体的检测点布置方案，再确定各部分和 零件的检测点布置，以保证产品的整体装配关系并顾及各零件形状尺寸、设计结构和制造 工艺等。 3 2 检测数据分析技术 在制造过程中，对检测数据的处理包括下面三个方面的内容：一、在生产过程中对产 品抽样，用抽检样本的检测数据来进行指标评估，通过样本制造质量反映产品的整体制造 质量；二、通过分析检测数据对产品的质量问题进行诊断，依据诊断结果及时调整生产， 达到质量控制的目的；三、对已有的检测数据进行预测性分析，预测可能出现的质量问题， 第2 2 页武汉科技大学硕士学位论文 提前调整以避免产品质量问题的出现。 随着m m s 产品结构与制造工艺不断发展，检测数据的处理手段也在不断变化。自上 世纪8 0 年代以来，随着在线检测技术的发展，新的检测工具的应用，检测到的产品尺寸 数据样本也越来越多。针对这一情况，多元数理统计方法广泛的运用到检测数据处理中， 如小波分析、时间序列分析、专家系统等。 3 2 1 时间序列分析 时间序列分析( t i m es 舐e s 删y s i s ) 是一种动态数据处理的统计方法，起源于市场经 济和社会科学问题的预测，是数理统计学的一个重要分支。时间序列是按时间顺序的一组 数字序列，时间序列分析就是将时间序列应用数理统计的方法加以处理，以预测事物的未 来发展。 以往的尺寸质量控制方法基于概率统计理论，以控制图作为主要分析手段，只能对已 完成的产品进行统计分析，具有时间上的滞后性。对于质量问题做出的诊断与调整都是在 质量问题产生之后，无法对可能出现的质量问题提早判别及预防。通常m m s 制造批量大， 生产率高，使用传统的质量控制图方法可能出现如下情况：当某个产品质量问题被发现时， 已经有成百上千的产品已经生产出来，需要很大的代价来再加工来弥补这些制造缺陷，甚 至一部分产品质量问题已经无法弥补而成为次品。因此使用时间序列分析作为产品尺寸质 量数据处理与分析方法，对产品尺寸质量做预测分析，有助于进一步提高产品质量，降低 成本，减少次品率。 在制造过程中，产品尺寸偏差数据的时间序列可分为两类，一是周期过程序列，如材 料、加工设备的周期性变化导致的尺寸偏差；一是渐变过程序列，如刀具的逐渐磨损，定 位元件的磨损直至失效。对于周期性事件序列可以通过小波分析对检测数据进行波形分析 找出，通过时间序列预测下一个周期结点；对于渐变过程序列可通过时间序列预测，在质 量问题产生前提前发现。 时间序列的基本模型是自回归滑动平均模型( a u t or e c e s s i v em o v i n ga v e r a g e ， a r m a ) 。在a r m a 模型中，x t 为观测时间序列，a ，为白噪声，受之前n 个值x t 一，、x t 一：、 i 。和m 个干扰值口川、a 一、a ，m 的影响，其基本模型如下： 一 m = 纪置一，一e 墨一，+ q i = 1 j = l b 为后移算子，b x t = - l ，带入式( 3 1 ) 中有： 缈( b ) = o ( b ) a ， 公式( 3 1 ) 公式( 3 2 ) 式( 3 1 ) 与( 3 2 ) 称为为a r m a ( n ，m ) 模型，其中，仍、嘭分别为自回归部分和滑动平均 武汉科技大学硕士学位论文第2 3 页 的参数，n 取零则得到n 阶自回归模型a r ( n ) ，m 取零则得到m 阶滑动平均模型m a ( m ) 。 在实际工程中，a r m a 存在着参数多、建模复杂、计算困难等缺点，因此人们往往使用的 是他的衍生模型如a r 、m a 、a r v 等。 3 2 2 小波分析 小波分析( w a v e l e ta n m y s i s ) 是指用有限长或快速衰减的、称为母小波( w a v e l e t a n a l y s i s ) 的震荡波形来表示信号，母小波被缩放和评议以匹配输入的信号。小波分析的 变换方式主要包括离散小波变换( d 、t ) 和连续小波变换( c w t ) ，离散变换采用所用缩 放和平移值的特定子集，连续变换在所有可能的缩放和平移上操作。 小波分析是由m o f l a 和研o s s m m 在1 9 8 0 年提出的，近几十年的探索研究，其形式化 体系已经建立，与傅立叶变换相比，小波变换在时域和频域都是局部的，能有效地从信号 中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析，解决了傅立 叶变换变换不能解决的许多困难问题，因而被誉为“数学显微镜。近年来，小波分析理 论的被不断应用到数学及其它工程技术领域，如：信号处理、图象处理、地震勘探、量子 物理、模式识别、故障诊断及非线性科学等领域。 ； 由于在数据信号处理和分析上所具有的无可比拟的广泛适用性和分析能力，小波分析 也逐渐用于产品检测数据分析领域，如在汽车制造中的车身制造尺寸检测数据处理和故障 诊断。美国密西根大学的学者将h m 小波分析用于车身覆盖件冲压过程中检测数据处理， 并由分析结果进行故障诊断。上海交通大学黄文振、周志革将小波变换用于车身尺寸检测 数据的周期检测【3 2 1 ，从中获取数据变化的趋势项规律和车身尺寸变化与材料、工艺改变的 对应关系。 j 3 3 本章小结 本章首先介绍产品制造尺寸的基本检测技术，包括尺寸检测设备和检测点的布置。然 后介绍检测数据处理的主要内容，和检测数据分析的常用方法。对某个产品制造质量的评 价，必须对该产品进行检测与分析后才能做出。在m m s 的尺寸质量控制体