全国先进制造技术高层论坛暨第八届制造业自动化与信息化技术研讨会制造加工精度的检测和监控谭李盂清1 周丽2 杨旭静3 周荣安1 赵立宏1陈从桂1 李传乾3( 1 南华大学机械工程学院，4 2 l l ，2 衡阳市解放路, 4 2 1 0 0 0 ，3 湖南大学机械与汽车工程学院，4 l 配)翦要，首先给定制造加工精度的定义和重要意义，然后对制造加工精度的检测方法、检测仪器和系统进行了分析讨论，其中主要是以自己在南华大学机械工程学院自行开发设计的检测仪器和系统为主，大多为面向现场的检测仪器和系统制造加工精度的监控主要讨论统计质量监控，包括大批量生产的m e d i a n 管理图监控，多品种中小批量的单值管理图监控，单品种中小批量的a J s U M 管理图监控关键词：制造加工精度；检测仪器和系统；统计质量监控M e a s u r e m e n ta n dM o n i t o r i n go fM a c h i n i n gp r e c i s i o nT a n L iM e n g q i n 9 1Z h o uL i zY a n gX u j i n 9 3Z h o uR o n g a n lZ h a oL i h o n 9 1C h e n c o n g g u i lL iC h u a n q i a n 3( 1 S c h o o lo fM e c h E n g ，N a n h u aU n i v e r s i t y ，2 H e n g y a n gL i b e r a t i o nR o a d ，H u n a n , 3 S c h o o lo fM e c h & A u t o m o b i l eE n g ，H u n a nU n i v e r s i t y )A b s t r a c t ：T h ed e f i n i t i o na n di m p o r t a n c eo lm a c h i n i n gp r e c i s i o ni sg i v e nf i s t l y m e a s u r e m e n tm e t h o d ，m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ta n ds y s t e mi sd i s c u s s e dr e s p e c t i v e l y t h em e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ta n ds y s t e md e s i g n e db ym y s e l fi sf o c u s e d ，a n dm o r ea 他t h em e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ta n ds y s t e mf o rs h 叩T h es t a t i s t i cq u a l i t ym o n i t o r i n gi st h em a i ni s s u ef o rm o n i t o r i n go fm a c h i n i n gp r e c i s i o ni nt h i sp a p e r , i n c l u d i n gm e d i a nc o n t r o lc h a r tf o rn 埘嘲m a n u f a c t u r i n g , s i n g l cc o n t r o lc h a r ta n dC U S U Mc o n t r o lc h a r tf o rm i d d l e s m a l lb a t c h K e y w o r d ：m a c h i n i n gp r e c i s i o n ；m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ta n ds y s t e m ；s t a t i s t i cq u a l i t ym o n i t o r i n gl 制造加工精度 1 , 2 1为了满足产品制造的功能，提高性能和质量，在正确合理设计其精度与制造工艺的同时，还必须对零件和整机在制造过程中和制造完成后的精度进行检测和监控。而判定机械产品的几何精度是否达到设计和使用要求，最有效的方式就是检验与检测。检测监控技术是制造业发展的先决条件和不可缺少的技术基础，即使是现代制造技术高度发展的今天，在“设计、制造、检测”这三大支柱中，检测也占有很重要的地位。制造加工精度是指零件制造加工后在尺寸、形状、表面相互位置等几何参数和理想零件的相满足程度，一般由尺寸精度、形状精度、位置精度组成。在生产中加工精度的高低是用加工误差的大小来衡量的。制造加工精度直接决定了产品的性能和质量，制造加工精度是伴随产品制造过程的产生而产生的。制造加工精度的误差来源主要有：加工原理误差，工件安装误差，机床和夹具误差，刀具制造和磨损误差，调整误差，工艺系统的几何误差，工艺系统受力变形引起的误差，工艺系统热变形引起的误差，工件内应力引起的误差和检测误差。2 制造加工精度的检测【3 ，4 1制造加工精度的检测直接量化反应加工精度的数值。随着科学技术的发展，制造加工精度的检测思想、检测原理、检测方法、检测仪器和设备都有了快速发展。检测过程实际就是一个比较的过程，也就是将被测量与标准的单位量进行比较，确定其比值的过程。若被检测的量为L ，计量单位为u ，确定的比值为q ，则检测结果表示为L ；q 事U( 1 )2 0 0 9 一0 7 【1 6 5 1全国先进制造技术高层论坛暨第八届制造业自动化与信息化技术研讨会通过对产品加工精度进行检测得到的实际数据，不仅能判断其合格性，还为分析产品制造过程中的质量状况提供最直接可靠的依据。制造加工精度的检测原理、检测方法一般可分为：( 1 ) 直接测量法和间接测量法，( 2 ) 相对( 微量) 测量法和直接比较法，( 3 ) 接触测量法和非接触测量法，( 4 ) 序后测量法和在线在序测量法。制造加工精度的检测仪器和设备主要分为：零件检测仪器设备，成品检测仪器设备，其中又可细分为序后检测仪器设备和在线检测仪器设备。为了加强制造加工精度的现场检测水平，满足生产现场的需要，设计和制作面向现场的制造加工精度检测仪器和设备具有十分重要意义。为了实现以上目标，本人在南华大学机械工程学院的支持下，建起了一整套面向现场的制造加工精度检测仪器和系统，详见图l 。面向现场的制造加工精度检测仪器和系统I：器和系统成品检测仪器和系统l零件检测尺寸检测仪器和系统回转体轴径 加工精度检 测系统轴承内圈内 径加工精度 检测系统形位检测仪器和系统回转体径向跳动 和端面全跳动加工精度检测系统图1 面向现场的制造加工精度检测仪器和系统3 制造加工精度的统计质量监控制造加工精度监控一般运用统计质量监控的方法。大批量生产的加工精度检测用抽检的方法，以节省成本、提高效率，常见的监控管理图有m e d i a n 管理图。中小批量生产制造加工精度监控用相似工序法和C U S U M 方法。制造加工精度统计质量检测监控系统的框图模型见图2 。其中，检测装置包括前述的回转体轴径加工精度检测装置、轴承内圈内径加工精度检测装置、回转体径向跳动和端面全跳动加工精度检测装置、1 3 0 4 轴承径向跳动和端面全跳动加工精度检测装置。管理图软件包括：大批量生产的m e d i a n 管理图软件，多品种中小批量的单值管理图软件，单品种中小批量的C U S U M 管理图软件。加工精度叫箍坌凳阿一愿一阿墓“：uu ：。- - 图2 轴承内圈内径加工精度统计质量监控的框图图3 加工精度检测监控的工作框图全! 生型墼查塑堡壅塑星塑些! 垫些墅墼垫查型鱼在图2 框图模型中，因为工序的所有要素都影响加工精度为提高制造加工精度，要将工序的结果通过反馈支路反过来监控工序管理的输八或者影响要素也就是工序的输出对工序的输入实施反馈。在该框母髓型中，以“检测装置8 检测加工误差。然后反馈送给“管理图监控软件”判断工序过程是否受控：随后将判别的结果信息送到“人工分析处理单元”，在该单元由人工从人员、设备、材料、工艺方法、环境等影响要素上进行原因分析，依据分析结果将保持工序继续受控的措埔反馈送回工序的输入端，更正加工指令，对工序执行反馈控制。加工糟度检测监控的工作框图详见图3 其中，加工检测装置为自行设计，数字量表由中原量仪和上量提供3 1 大批量生产的质量监控p q丈批量生产的质量监控是以概率论为基础的制造加工精度和制造加工精度的影响要素是变异的统计量这种变异的统计量是满足一定规律性，或者说是满足某种概率分布的。大批量生产的质量监控的目标就是通过对样本的抽检依据其概率分布的特性对制造加工精度变化的规律性进行分析识别然后用有效的措施实篪质量监控- 将这种变异限制在一定的数值之内，杜绝生产工序加工过程异常的发生。大批量生产质量监控的执行界面见图4 0 ) 。3 0 中小批量生产盼质量监控I在大批量生产方式下，过去基于休哈特管理图的s P c 技术得到了广泛的应用取得了良好的效果。但是随着客户对产品的需求呈多样化和个性化的发展，企业已开始打破阻往单一大批量的生产方式，中小批量的生产的比重越来越犬。因为中小批量生产在相同工况下的周一种产品的数量非常有限，报难保证以往s P c 所要求的样本容量，所以面向中小批量生产的统计工序监控不能照抄过去基于休哈特管理图的$ P C 。为了将s P c 技术继续用在中小批量的生产中主要途径就是想方设法得到大量的样本数据。目前国内主要用相似工序法来取得大量的样本鼓据。相似工序法要求工序的相似性，具体体现是：( a ) 同一类型的质量指标；( b ) 同一台或相似的机床或加1 二设备：( c ) 相似的加工工件；( d ) 相似的同种类型的工人；( e ) 同一种类型的加工方法；( f ) 相似的加工条件。同时，这些年发明了多种新的面向中小批量生产的管理图- 这些管理圈技术主要的一个不同是把质量监控的焦点转向生产过程的数量值。工序过程模型的质量管理图技术得到了较快的发展。目前固内主要有两种统计质量监控方法：单值管理图监控和o J s M 管理图监控。匕三= = 耋三二兰i = = = = j = = = i = = = = i = 言( a )z E 口，口i i 口z j i i 自亘 ( 1 ) 单值管理图的质量监控在现夸的中小批量生产中，单值管理目的用途比较广。单值管理图是一种重要的计量值管理圈，用 在计量值数据的质量监控之中。尤其在加工时间长，测量成本高，测量费时( 需长时间才能测出一个数2 0 0 9 0 7 【1 6 7 】全国先进制造技术高层论坛暨第八届制造业自动化与信息化技术研讨会= 1一：= 一一。 I l _ u - l m u _ j t - L L = 丰；畸、，4 ，广_ 蔫卜七t 芏尘生三；j ；苫卜一2 2 2 ；i 一一I = _ 一( 0( d )图4 质量监控的执行界面据) 或样品数据不便分组时用的更多。为此，以单值管理崮工具为基础实现面向中小批量生产的质量监控有比较重要的意义。面向中小批量生产的单值管理倒质量监控的执行界面见图4 ( b ) ，( 0 。 ( 2 ) c U S 哪管理图的质量监控在中小批量生产的质量监控中，c u s 咖管理图( 累计和管理图) 也是其中主要的一种。c U s 删管理图的主要优势有：( a ) 提高了讽别工序波动的能力，对小的过程质量漂移更具敏感性；( b ) 可以解决过程数据的局部错报问题。C U S U M 管理