книги из ГПНТБ / Регулирование качества продукции средствами активного контроля

л о cm ь СИСТЕМЫ

Г л а в а V I . СТАТИСТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РАЗМЕРОВ

§ 24. О Б Щ И Е ЗАМЕЧАНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАТИСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Р Е Г У Л И Р О В А Н И Я Р А З М Е Р О В

Рассматриваемые в данной главе вопросы связаны с применени­ ем вероятностных методов при построении, проектировании и ис­ следовании статистических систем активного автоматического контроля и регулирования. Статистическими будем называть такие

ные функции и т. д. Под «обычными» системами активного контро­ ля или САК общего назначения будем понимать все остальные системы, не имеющие вычислительных устройств, работающих по статистическим алгоритмам. Необходимо, однако, иметь в виду, что эти два типа систем не имеют четкой границы и многое из того, что будет рассмотрено, имеет значение как для анализа САК об­ щего назначения, так и для построения статистических систем.

Автоматический активный управляющий контроль, основанный на статистической обработке данных, уже применяется для подна­ ладки (регулировки) шлифовальных станков. То, что подобный контроль был применен прежде всего на шлифовальных станках, объясняется в значительной степени сравнительно быстрым изно­ сом абразивного инструмента и, следовательно, изменениями цент­ ра группирования размеров обрабатываемых деталей. Применение активного статистического контроля на других металлорежущих станках фактически только еще начинается.

Повышение требований к точности изготовления деталей в про­ цессе массового производства вызывают необходимость примене­ ния систем регулирования размеров, так как при фиксированной настройке металлорежущих станков имеется некоторое рассеива­

198

ние размеров обрабатываемых деталей, характеризуемое значе­ ниями мгновенных математического ожидания ХІ И среднего квад­ ратического отклонения а,.

Применение систем регулирования размеров имеет смысл в том случае, когда в процессе производства наряду со случайными флюктуациями размеров изделий наблюдается закономерное систе­ матическое смещение во времени размеров деталей. Это изменение размеров является закономерной функцией от порядкового номера детали.

Наличие такой систематической составляющей вызывается, на­ пример, постепенным износом инструмента, медленными изменения­ ми температуры и т. д.

С целью сохранения значения X,- в заданных границах (или, что все равно, для компенсации смещения систематической составляю­ щей) уровень размерной настройки необходимо подвергать регу­ лированию (подналадке). Эффективность способа формирования

импульса регулирования оценивается по колебанию уровня ХІ. Сле­ дует отметить, что изменяющиеся в зависимости от вида технологи­ ческого процесса и типа станка характер мгновенного распределе­ ния размеров деталей при изменяющемся уровне настройки станка и характер изменения во времени значения ХІ процесса, не подвер­ гавшегося регулированию, существенно влияют на эффективность

вании такой оценки можно произвести регулировку (подналадку) оборудования для наиболее эффективного уменьшения отклонения размера данной детали от заданного номинала. Такая процедура, которая называется статистическим регулированием качества, по­ лучила широкое распространение в массовом производстве. Цель такого регулирования — удержание центра группирования контро­ лируемого размера на определенном уровне. При проектировании систем регулирования необходимо определить способ формирова­ ния подналадочного импульса для подачи команды исполнитель­ ному механизму станка. Зачастую случайные погрешности обработ­ ки, оставшиеся нескомпенсированными и достигшие значительного по сравнению с шириной поля допуска уровня, затрудняют опреде­ ление момента и величины необходимых компенсаций функцио­ нально изменяющихся отклонений. При выборе величины поднала­ дочного импульса и момента его подачи следует учитывать реаль­ ную возможность малых перемещений массивных рабочих органов станка при наличии трения, зазоров и упругих деформаций, а так­ же желательность (во многих случаях) уменьшения числа подна­ ладочных импульсов во избежание преждевременного износа ме­ ханизмов настройки. Так как объект регулирования (обрабатывае-

199

мая деталь) во время обработки находится под воздействием весьма многих факторов, при выборе системы желательно (а во мно­ гих случаях необходимо) проведение предварительного статисти­ ческого анализа производства деталей с техническими условия­ ми, аналогичными проектируемым. Такой анализ нужен для обос­ нования необходимости введения в процесс статистических систем автоматического регулирования точности обработки. Первичный анализ включает определение суммарной дисперсии размеров об­ работанных на станке деталей и среднего уровня его настройки. Помимо оценки составляющих суммарной погрешности необходим анализ изменения точности настройки станка, в частности, путем оценки мгновенных распределений методом статистического пред­ сказания.

При исследовании точности и устойчивости технологических про­ цессов с целью получения исходных данных для разработки систем регулирования процессами часто возникают задачи, для успешно­ го решения которых необходимы автоматические устройства, вы­ полняющие измерительные и счетно-решающие операции.

Опыт показывает, что при использовании неавтоматических из­ мерительных средств точностные исследования высокопроизводи­ тельных технологических процессов требуют непомерно больших затрат труда и времени. Применение автоматических счетно-реша­ ющих устройств оказывается полезным, а часто просто необходи­ мым в автоматических системах активного статистического контро­ ля и регулирования. Эти устройства должны автоматически пере­ рабатывать информацию, поступающую от приборов активного контроля, и должны быть приспособлены для выполнения ряда опе­ раций, связанных с обработкой результатов измерений. Результа­ ты вычислений в счетно-решающем устройстве должны преобразо­ вываться в командные импульсы на регулировку (поднастройку) станков и другого оборудования или могут выдаваться в виде то­ чечной записи на диаграмме. Командные импульсы желательно подавать также на перфоратор для записи результатов на перфо­ карты.

Затем необходима автоматизация определения характеристик центра группирования, например, среднего арифметического значе­ ния и степени разброса, в частности, среднего квадратического от­ клонения. Еще более полную статистическую характеристику вы­ пускаемой продукции можно получить при помощи устройств, ав­ томатически определяющих полигоны или гистограммы распреде­ ления, т. е. графические изображения законов распределения. Эти устройства могут быть использованы также с целью повышения активности автоматов, применяемых для приемочного (пассивного) контроля размеров изделий. Приемочные автоматы, снабженные подобными устройствами, могут накапливать весьма ценную ин­ формацию о ходе технологического процесса. В зависимости от структуры автоматической или поточной линии эта информация может быть использована либо для оперативного управления про-

200

иессом обработки изделий, либо для его последующей корректиров­ ки. Систематическое получение информации о характере распреде­ ления размеров в виде гистограмм имеет важное значение при из­ готовлении деталей в условиях селективной сборки. В этом случае цель регулирования уровня настройки станка — не только получе­ ние размеров деталей в пределах допуска (обычно достаточно большого), но и главным образом обеспечение распределения этих размеров по заданному закону. Это может быть обеспечено соот­ ветствующим выбором схемы регулирования. Так, применяя раз­ личные способы формирования сигналов на подналадку и варь­ ируя величины регулировочных импульсов, можно существенно из­ менить характер суммарного распределения размеров, почти не из­ меняя величины зоны рассеивания.

Быстрое развитие вычислительной техники, высокая степень надежности применяемых в ней элементов дают возможность созда­ вать относительно простые и надежные устройства для определения статистических характеристик, являющихся одним из важных средств при решении задач комплексной автоматизации.

Статистический контроль и регулирование — одна из совершен­ ных форм управления технологическим процессом. Статистиче­ ское регулирование является активной формой контроля, предназ­ наченной для предупреждения брака путем своевременного вмеша­ тельства в технологический процесс (своевременное проведение подналадки оборудования, корректировка физико-химического сос­ тава, изменение температурного режима и т. п.). В отличие от обычного регулирования, статистическое регулирование происходит только тогда, когда статистическая характеристика (средняя ариф­ метическая, медиана и т. д.) выходит за сигнальный (настроечный) размер. В этом случае удобно разделить отклонения размеров де­ талей на активные и неактивные. Неактивные отклонения—-те, которые сами не вызывают команды на регулирование процесса, а только учитываются запоминающим органом измерительного при­ бора. Активные отклонения — это такие, при появлении которых возникает вероятность команды на изменение положения регули­

осуществляется без изменения цикла выпуска изделий, и второй — системы, в которых для осуществления подналадки требуется оста­ новка технологического процесса в промежутке между процесса­ ми изготовления изделий.

Ниже рассматриваются различные статистические системы кон­ троля и регулирования размеров и проводится анализ различных способов формирования команд на подналадку (регулировку). Этот вопрос имеет весьма существенное значение при разработке таких систем, так как оценивать технологический процесс и пода­ вать команду на подналадку (регулировку) можно по различным статистическим параметрам.

201

Формированием команды на подналадку будем называть спо­ соб образования команды на подналадку в зависимости от после­ довательности, количества или величины сигналов (превышения текущих размеров по абсолютной величине или количества выхо­ дов размеров детали за пределы установленного уровня, при кото­ ром величина отклонения размера детали от сигнального не учиты­ вается), являющихся параметрами схемы формирования. Выбран­ ный способ формирования сигналов-команд дает возможность оп­ ределить структуру проектируемой системы и основные требования к ее отдельным звеньям.

Способ формирования команды определяет собой основную за­ кономерность изменения частоты импульсов на подналадку при изменении смещения размерной настройки. В зависимости от спо­ соба формирования команды для получения уравновешивающей частоты импульсов необходимо различное положение поля рас­ пределения случайных погрешностей обработки относительно контрольно-подналадочной границы. Вариации интенсивности из­

детали, повторным импульсам и скользящему среднему арифмети­ ческому и медиане относительно одной обобщенной границы под­ наладки. При этом необходимо свести до нуля расстояние между границами подналадки. Аппаратура для такой подналадки значи­ тельно упрощается по сравнению с аналогичными способами по двум границам подналадки.

§ 25. П Р И Н Ц И П Д Е Й С Т В И Я И ОПИСАНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Р Е Г У Л И Р О В А Н И Я Р А З М Е Р О В

Системы с формированием команд на подналадку по одной де­

тали. Способ подналадки с формированием команд по одной детали является весьма простым, он не требует специальной аппаратуры и сложных электрических схем. Однако система при подналадке по

Примером применения данного способа подналадки может слу­ жить система автоматического регулирования размерной настройки при алмазной расточке отверстий под палец в поршнях [7].

Системы с формированием команд по повторным импульсам.

В настоящее время наибольшее распространение получили системы, которые осуществляют команду на подналадку в том случае, когда

202

размер обработанной детали выходит за установленный сигнальный предел (границу) несколько раз подряд, т. е. после появления повторных смежных (следующих один за другим) сигналов, незави­ симо от их величины. Число повторений может быть различным: от двух до пяти (наиболее часто применяют системы с числом повторений, равным трем). В мировой литературе этот способ иног­ да называют способом итераций [176]. Частным случаем подналад­ ки по повторным импульсам является подналадка по одной детали. Разновидностью подналадки по повторным импульсам является так­ же подналадка по суммарно набранному счету из п деталей, раз-

I

-J

Рис. 72. Блок-схема автоподналадчика к бесцентро- во-шлифовальному станку мод. 3182

мер которых достиг настроечной подналадочной границы (в этом случае порядок следования указанных деталей не имеет значения).

На рис. 72 приведена блок-схема автоподналадчика конструк­ ции 3-ий ГПЗ к бесцентрово-шлифовальному станку мод. 3182, на ко­ тором широким кругом шлифуются наружные кольца подшипни­ ков диаметром от 40 до 80 мм. Детали 5 после обработки на стан­ ке 4 выборочно измеряются электроконтактным датчиком 6. В слу­ чае выхода размера за контрольный предел импульс датчика, уси­ ленный в блоке 7, подается в счетчик 8. В то же время каждая из­ меряемая деталь воздействует на кольцевой выключатель 2, ко­ торый посылает импульсы в счетчик 1. После каждых трех деталей, прошедших через измерительную станцию, этот счетчик посылает импульс, который сбрасывает показания счетчика 8, если они не достигли трех. Если все три детали превысили контрольный размер, то показания счетчиков 1 и 8 совпадают, и последний посылает им­ пульс в исполнительное устройство 3, которое производит подналадку положения шлифовального круга. Таким образом, периоди­ чески рассматриваются выборки по три детали, причем подналадка производится только в том случае, если все три детали имеют раз­ мер выше контрольного. Электроконтактный датчик включен по схеме сеточного контакта. Импульс в счетчик числа отклонений по­ сылается электронным реле, играющим роль усилителя. В первом

203

варианте анализатора в качестве счетчиков использованы шаговые искатели. В настоящее время разработана схема на бесконтактных элементах с использованием в счетных ячейках тиратронов МТХ-90.

Примененный метод подналадки соответствует одному из самых распространенных методов: «подналадки по трем отклонениям под­ ряд». Он дает хорошие результаты в случае неизменного направле­ ния разладки процесса шлифования (стабильное преобладание из­ носа круга над температурными деформациями) и достаточно вы­ сокой точности процесса по сравнению с полем допуска на деталь. Сравнительно большие затраты времени на измерение одной дета­ ли вызвали необходимость применения выборочного контроля, что несколько снизило точность определения момента подналадки.

На точность систем регулирования с формированием команд по повторным импульсам в меньшей степени влияют грубые погрешно­ сти обработки и измерения. Подналадка по повторным импульсам может оказаться достаточной для гарантии производства от попа­ дания в партию годных деталей большого количества бракованных. При этом она значительно уменьшает вероятность подачи непра­ вильной команды исполнительному механизму станка (особенно по сравнению с подналадкой по одной детали). Однако в этом случае может произойти запаздывание сигнала подналадки и появление деталей, размер которых выходит за границу поля допуска. К тому же система при этом по-прежнему остается в большой зависимости от действия случайных причин.

Системы с формированием команд по среднему и скользящему среднему арифметическому. Дальнейшим развитием статистических систем регулирования размеров являются системы управления станком по результатам измерения выборки деталей с обработкой этих измерений по законам теории вероятностей и математической статистики. Подналадка станка по среднему арифметическому или медиане выборки деталей (так называемые усредненные подна­ ладки) будет несравненно более устойчивой по сравнению с други­ ми способами, так как эти величины более постоянны и в значи­ тельно меньшей степени подвержены действию случайных погреш­ ностей.

При постоянном числе деталей в скользящей выборке в качестве

ли выборки. В настоящее время для выполнения операций сумми­ рования часто используется преобразование контролируемого раз­ мера в определенное число электрических импульсов или в код с последующим выполнением суммирования при помощи электро­ механических или электронных счетчиков. Такие же устройства мо­ гут быть применены для определения средних квадратических зна­ чений. Для одновременного выполнения операции суммирования параметров небольшой партии деталей может быть использован

204

руемых размеров преобразуются в величины электрических сопро­ тивлений Rn при помощи датчиков Ди Дг, • • • > Дп. Сумма опре­ деляется по указателю, связанному с движком переменного сопро­ тивления R2, являющегося плечом сравнения моста. Равновесие моста обеспечивается обычным путем при помощи устройства урав-

Рис. 73. Схемы систем для определения средних арифметических значений размеров

новешивания УУ. Автоматическое деление суммы показаний датчи­ ков на их число для определения среднего арифметического легко осуществляется соответствующим выбором значений плеч отноше­ ния R3 и Ri. При последовательном во времени определении сред­ них арифметических значений сложение результатов измерений выполняется при помощи какого-либо сумматора.

Примером механического преобразования показаний измери­ тельного устройства может служить статистический анализатор конструкции Б. С. Байбурова, который строит диаграмму рас­ сеивания и показывает среднее арифметическое значение результа­ тов измерения, выраженных в номерах групп сортировки.

2 0 5

На рис. 73,6 показана разработанная в Станкине принци­ пиальная схема пневматического прибора для определения среднего арифметического размера деталей выборки [99], который может быть использован в статистических системах контроля и регулиро­ вания. Размер контролируемой детали /, поступающей на измери­ тельную позицию, определяет величину зазора Z, в зависимости от которого в нижней камере пневматического самописца 3 устанав­ ливается определенное измерительное давление ht, являющееся ме­ рой контролируемой детали. Данное давление устанавливается так­ же через клапан 2 в камере 4 следящего блока 5. Распределитель­ ное устройство 8 по мере поступления деталей па позицию измере­ ния поочередно открывает клапан 2 путем создания сетевого дав­ ления Рс в камере 9 ( Р с > hi). При отключении давления Рс кла­ пан 2 запирает камеру 4 с измерительным давлением hi.

После измерения всех деталей выборки открывается канал сло­ жения 7. Давление Рс поступает на вход всех следящих блоков 5, количество которых равно количеству деталей выборки плюс блок сложения. Давление на выходе следящего блока будет равно дав­ лению hi или khi в камере 4. Выходы всех следящих блоков вклю­ чены в камеру-сумматор 6 блока сложения, которая представляет собой дроссельный сумматор с компенсационным дросселем. В ка­ мере-сумматоре 6 устанавливается давление, пропорциональное среднему арифметическому давлению в камерах 4 всех блоков:

А , - . ± 2 А,

Выход блока сложения, где устанавливается давление h-., включен в аналогичный пневматический самописец. Таким образом, самописец 3 фиксирует диапазон рассеивания деталей выборок, а самописец выхода — диапазон рассеивания средних арифметиче­ ских выборок. Точность соответствия давления на выходах следя­ щих блоков 5 измерительному давлению hi определяется точностью следящих блоков и величиной падения давления в камерах 4 за промежуток времени с момента закрытия клапана 2 до момента регистрации среднего арифметического выборки на выходном са­ мописце. Погрешность следящего блока, в качестве которого ис­ пользуется высокоточный стабилизатор давления завода «Калибр», практически равна нулю. Следовательно, точность получения сред­ него арифметического выборки будет в основном определяться точностью дроссельного сумматора.

В МВТУ была разработана система статистического контроля размеров деталей на базе малой специализированной счетной ма­ шины СМ-5, собранной на релейно-шаговых элементах [143]. Ин­ формацию для нее, выраженную в число-импульсном коде, могут давать фотоэлектрические датчики типа ДФМ. Основными частями счетной машины СМ-5 являются: повторитель, накопитель, схема совпадения и исполнительный орган.

206

Повторитель служит для преобразования позиционного показа­ ния датчика в соответствующее ему число электрических импульсов. Он состоит из шагового искателя, который останавливается в тот момент, когда его подвижный контакт выйдет на позицию, на кото­ рую включено фотосопротивление датчика, засвеченное лучом све­ та соответственно измеренному отклонению. Остановка искателя осуществляется с помощью чувствительного быстродействующего реле, включенного последовательно со скользящим контактом иска­ теля. Накопитель служит для фиксации числа импульсов, получен­ ных при измерении всех деталей выборки. Это трехразрядный де­ сятичный счетчик, собранный на шаговых искателях и питающийся синхронно с повторителем от специальной релейной пульс-пары. Данные, накопленные на повторителе, автоматически сбрасываются после каждого измерения; данные, накопленные па счетчике нако­ пителя, сбрасываются автоматически или вручную только после того, как будут измерены все детали выборки.

Схема совпадения служит для сравнения числа импульсов, на­ копленных на счетчике накопителя, с наперед заданными предела­ ми, хранящимися в «памяти» счетной машины. Исполнительным органом счетной машины является реле, контакты которого управ­ ляют различными устройствами, расположенными как на централь­ ном контрольном пункте, так и на измерительных позициях или на управляемых станках (световая или звуковая сигнализация, вклю­ чение органов подналадки или остановка станка и т. д.). К счетной машине могут быть подключены регистрирующие устройства двух типов: построитель гистограммы рассеивания размеров и построи­ тель карты статистического контроля. В первом случае информа­ ция берется со счетчика повторителя, во втором — со счетчика на­ копителя.

Счетная машина предназначена для проведения статистического контроля по величине среднего арифметического размера выборки. С целью упрощения конструкции машины операция деления сум­ мы всех отклонений на их число заменена процессом сравнения суммарных чисел импульсов с пределами, увеличенными в соот­ ветствующее число раз. Это позволило применить в счетной маши­ не только счетчики-сумматоры, что сделало ее простой и дешевой.

Связь счетной машины с измерительными позициями осуществ­ ляется с помощью специальной системы связи, состоящей из двух

Из зарубежной литературы видно, что статистическое регули­ рование размеров получило большое распространение. Так, фир­ мами «Лейтц» и «Мессинг» [178] разработано автоматическое

207