一種面向多工序制造過程的工藝可靠性評估及控制方法與流程
本發明涉及一種面向多工序制造過程的工藝可靠性評估及控制方法，屬于生產控制領域。
背景技術：
現代大型裝備產品結構復雜，其制造過程包含多個工序。在各工序制造過程中，輸出產品的質量受多種誤差源作用的影響而產生偏差，最終影響到產品的使用性能。對工藝可靠性進行實時地計算評估，并加以控制，保障工藝系統穩定地運行，是實現產品質量控制的重要手段。然而多工序制造過程中誤差產生和演化機理十分復雜，如何對工藝可靠性進行實時把控，以便能夠即時、準確地診斷工藝系統故障，已成為工程人員面臨的棘手難題。
當前，針對產品生產過程質量控制的相關理論和方法諸多，但它們在面向多工序制造過程質量控制時存在一些弊端。其中，控制圖方法作為一種被廣泛使用的產品過程質量控制手段，通過對產品質量特性進行實時測量、監控來控制工藝過程。該方法具備易于操作、控制及時等優點，但它未考量輸入工序的待加工件特性，面向具有誤差傳遞累積特性的多工序過程、產品質量特性值發生異常偏移時，該方法無法對誤差源頭進行判定。而另一類基于誤差流(sov)模型的質量控制方法，其數學模型適用于單一零件的多工序制造過程，在面向具有統計特性的大批量產品時，該方法適用性不強。
技術實現要素：
針對現有技術中質量控制方法存在的下述不足：無法兼顧精確識別誤差源頭和面向大批量零件進行質量控制。本發明公開的一種面向多工序制造過程的工藝可靠性評估及控制方法要解決的技術問題是：能夠精確識別誤差源頭，且能夠面向大批量零件進行質量控制，進而提高多工序制造過程的工藝可靠性和質量，具有涵蓋的控制過程范圍全面的優點。
本發明的目的是通過下述技術方案實現的。
本發明公開的一種面向多工序制造過程的工藝可靠性評估及控制方法，首先通過建立系數矩陣以及轉移概率矩陣來構造誤差傳遞概率方程；接著對工藝可靠度進行定義，分別評估多工序實際工藝可靠度、各單工序理想工藝可靠度以及毛坯件基準可靠度，以此反映多工序過程中存在的質量薄弱環節，對質量薄弱環節工序質量進行改善后返回建立符合當前情況的誤差傳遞概率模型；最后基于z檢驗對工藝可靠性狀態進行持續監測，先檢驗多工序過程、失控時再檢驗各單工序過程，確定故障工序并對工序質量進行調整后返回建立符合當前情況的誤差傳遞概率模型。迭代上述過程，當檢驗結果表明多工序過程工藝可靠性狀態受控，多工序制造過程能夠實現保證預設質量要求下的持續生產，即實現面向大批量零件的質量控制，進而實現多工序制造過程工藝可靠性的保障和提升。
本發明公開的一種面向多工序制造過程的工藝可靠性評估及控制方法，包括如下步驟：
步驟一：建立多工序制造過程誤差傳遞概率模型。
依據多工序制造過程的工藝方案，梳理各工序中制造特征-基準特征關系。面向制造特征-基準特征關系、基于制造過程中質量特性-基準特性作用函數建立理想質量特性誤差隨基準特性誤差變化的系數矩陣γi(k)，并依據制造過程中工藝設備的相關參數建立實際質量特性誤差隨理想質量特性誤差的轉移概率矩陣pi(k)。再通過構建誤差傳遞概率方程對批量產品的誤差傳遞過程進行數學表達，所述的誤差傳遞概率方程即為多工序制造過程誤差傳遞概率模型，同時具備統計性描述以及適用于多工序過程、可遞推的特點。
步驟一中：所述的面向制造特征-基準特征關系、基于制造過程中質量特性-基準特性作用函數建立理想質量特性誤差隨基準特性誤差變化的系數矩陣γi(k)，如公式(1)所示，
式中，n表示工件所具有的質量特性數量，k為工序道數，
所述的實際質量特性誤差隨理想質量特性誤差的轉移概率矩陣pi(k)，如公式(2)所示，
式中，
所述的誤差傳遞概率方程，如公式(3)所示，
式中，δx(·)n×m為產品質量特性誤差的概率分布矩陣，a(·)n×n為未發生制造變化的質量特性的選擇矩陣，bi(·)n×n為發生制造變化的質量特性i的選擇矩陣，γi(·)為制造過程的系數矩陣，f(γi(k)1×n,bi(k)n×n×δx(k-1)n×m)n×m為僅考慮基準特性誤差的理想質量特性誤差，pi(·)m×m為受工藝過程作用的誤差轉移概率矩陣。
步驟二：評估工藝可靠性。
以工藝可靠度來量化工藝可靠性，將工藝可靠度定義為：在一定時間內、在輸入一定質量毛坯件的情況下，制造系統最終產出產品的質量符合工藝參數質量的概率。依據多工序制造過程誤差傳遞概率模型計算得到各工序產出產品各項質量特性的統計分布規律，累加某項質量特性符合工藝參數的區間概率得到該項質量特性的工藝可靠度，累乘產品具有的各項質量特性工藝可靠度得到工序的工藝可靠度。分別計算多工序實際工藝可靠度r'、各單工序理想工藝可靠度r(k)”以及毛坯件基準可靠度
步驟二中所述的工序的工藝可靠度r(k)，如公式(4)所示：
△x(k)i·為公式(3)中δx(k)n×m的第i行元素，△ui∈t表示第i項質量特性符合工藝參數公差。
所述的毛坯件基準可靠度
步驟三：控制工藝可靠性。
對工藝可靠性進行控制，即在輸入毛坯件質量一定的情況下，對工序過程質量進行控制，從而保證最后輸出產品的質量。將工藝可靠性的狀態分為受控或失控，基于z檢驗對工藝可靠性狀態進行檢測。實際操作時，首先對多工序制造過程進行檢驗，如檢驗結果表明多工序過程工藝可靠性狀態失控，再通過對各單工序工藝可靠性狀態進行檢驗，確定故障工序并對相應工序的工序質量進行改善，改善后需返回步驟一建立符合當前情況的誤差傳遞概率模型。
步驟三中所述的基于z檢驗對工藝可靠性狀態進行檢測，具體實現方法如下：當工藝可靠性狀態處于受控狀態，抽取工件樣本，測量工件樣本制造前的基準特性誤差及制造后的質量特性誤差；將基準特性誤差代入誤差傳遞概率模型計算得到質量特性誤差預期的概率分布矩陣δx(k)n×m，將所得矩陣的概率分布以及實測的質量特性誤差值統一歸一到標準正態分布下進行檢驗；若樣本中產品實際的質量特性誤差的概率分布與經步驟一誤差傳遞概率模型計算得到的預期概率分布不存在顯著性差異，表明工藝可靠性狀態受控，否則表明工藝可靠性狀態失控。
步驟四：迭代步驟一到步驟三，實現面向大批量零件的質量控制。
對步驟一到步驟三進行迭代。對步驟二中未符合預期的質量薄弱環節的工序質量進行改善后，返回步驟一建立符合當前情況的誤差傳遞概率模型。當步驟三中檢驗結果表明多工序過程工藝可靠性狀態失控，再通過對各單工序工藝可靠性狀態進行檢驗，確定故障工序，對故障工序的工序質量進行改善后，返回步驟一建立符合當前情況的誤差傳遞概率模型。當步驟三中檢驗結果表明多工序過程工藝可靠性狀態受控，多工序制造過程能夠實現保證預設質量要求下的持續生產，即實現面向大批量零件的質量控制，進而實現多工序制造過程工藝可靠性的保障和提升。
有益效果：
1、本發明公開的一種面向多工序制造過程的工藝可靠性評估及控制方法，建立多工序制造過程誤差傳遞概率模型，誤差傳遞概率模型具備統計性描述以及適用于多工序過程、可遞推的特點，基于該模型對工藝可靠性進行評估及控制，能夠精確識別誤差源頭，且能夠面向大批量零件進行質量控制，即具有更好的診斷性和適用性。
2、本發明的一種面向多工序制造過程的工藝可靠性評估及控制方法，由于包括生產前的工藝可靠度的評估以及生產中、生產后工藝可靠性狀態的持續監測和控制，所以涵蓋的控制過程范圍全面。
附圖說明
圖1為本發明公開的一種面向多工序制造過程的工藝可靠性評估及控制方法的流程圖；
圖2為工件三維形狀示意圖；
圖3為制造特征-基準特征關系網狀圖；
圖4為各可靠度間的串聯關系。
具體實施方式
為了驗證方法的可行性，下面結合附圖與“面向某工件的制造過程”實施例對本發明作進一步說明：
實施例1
本實施例公開的一種面向多工序制造過程的工藝可靠性評估及控制方法，方法的流程圖如圖1所示，具體步驟如下：
步驟一：建立多工序制造過程誤差傳遞概率模型。
依據某工件(如圖2所示)的工藝方案：
工序1、以a+c+f為定位面(f為主定位面)，銑削面e，去除量為2mm，得到新的表面e1；
工序2、以e1+b+d為定位面(e1為主定位面)，銑削f面，去除量為2mm，得到新的表面f1；
工序3、以f1+b+d為定位面(f1為主定位面)，銑削g面，去除量為1mm，得到新的表面g1。
梳理各工序中制造特征-基準特征關系，如圖3所示。前道工序制造的特征面可能會被用作后道工序的定位基準面，質量特性誤差沿此關系在多工序制造過程中產生累積傳遞作用。
該工件共具有8個質量特性，對于制造過程中的第k道工序，面向制造特征-基準特征關系、基于該工序制造過程中質量特性-基準特性作用函數建立理想質量特性誤差隨基準特性誤差變化的系數矩陣γi(k)，并依據生產狀態下工藝設備的相關參數建立實際質量特性誤差隨理想質量特性誤差的轉移概率矩陣pi(k)。再通過構建誤差傳遞概率方程對批量產品的誤差傳遞過程進行數學表達，所述的誤差傳遞概率方程即為多工序制造過程誤差傳遞概率模型。
步驟一中：所述的面向制造特征-基準特征關系、基于制造過程中質量特性-基準特性作用函數建立理想質量特性誤差隨基準特性誤差變化的系數矩陣γi(k)，如公式(1)所示，
式中，k為工序道數，
所述的實際質量特性誤差隨理想質量特性誤差的轉移概率矩陣pi(k)，如公式(2)所示，
式中，
所述的誤差傳遞概率方程，如公式(3)所示，
式中，δx(·)8×m為產品質量特性誤差的概率分布矩陣，a(·)8×8為未發生制造變化的質量特性的選擇矩陣，bi(·)8×8為發生制造變化的質量特性i的選擇矩陣，γi(·)為制造過程的系數矩陣，f(γi(k)1×8,bi(k)8×8×δx(k-1)8×m)8×m為僅考慮基準特性誤差的理想質量特性誤差，pi(·)m×m為受工藝過程作用的誤差轉移概率矩陣。
步驟二：評估工藝可靠性。
依據多工序制造過程誤差傳遞概率模型可計算得到產出產品各項質量特性的統計分布規律，累加某項質量特性符合工藝參數的區間概率得到該項質量特性的工藝可靠度，累乘產品具有的各項質量特性工藝可靠度得到工序的工藝可靠度r(k)。分別計算多工序實際工藝可靠度r'、各單工序理想工藝可靠度r(k)”以及毛坯件基準可靠度
步驟二中所述的工序的工藝可靠度r(k)，如公式(4)所示：
△x(k)i·為公式(3)中δx(k)8×m的第i行元素，△ui∈t表示第i項質量特性符合工藝參數公差。
所述的毛坯件基準可靠度
步驟三：控制工藝可靠性。
將工藝可靠性的狀態分為受控或失控，基于z檢驗對工藝可靠性狀態進行檢測。首先對多工序制造過程進行檢驗，如檢驗結果表明多工序過程工藝可靠性狀態失控，再通過對各單工序工藝可靠性狀態進行檢驗，確定故障工序并對相應工序的工序質量進行改善，改善后需返回步驟一建立符合當前情況的誤差傳遞概率模型。
步驟三中所述的基于z檢驗對工藝可靠性狀態進行檢測，具體實現方法如下：做出假設“工藝可靠性狀態處于受控狀態”，即抽取樣本中產品實際的質量特性誤差的概率分布與經步驟一誤差傳遞概率模型計算得到的預期概率分布不存在顯著性差異。抽取10個工件，測量它們制造前的基準特性誤差及制造后的質量特性誤差。將基準特性誤差代入公式(3)計算出質量特性誤差預期的概率分布矩陣δx(·)8×m，由于產品質量誤差往往服從正態分布，將所得矩陣的概率分布以及實測的質量特性誤差值統一歸一到標準正態分布下，以便能在同一基準下對此樣本中10個工件的制造過程工藝可靠性狀態進行z檢驗。經過檢驗后，若假設成立，表明工藝可靠性狀態受控；否則表明工藝可靠性狀態失控。
步驟四：迭代步驟一到步驟三，實現面向大批量零件的質量控制。
對步驟一到步驟三進行迭代。對步驟二中未符合預期的質量薄弱環節的工序質量進行改善后，返回步驟一建立符合當前情況的誤差傳遞概率模型。當步驟三中檢驗結果表明多工序過程工藝可靠性狀態失控，再通過對各單工序工藝可靠性狀態進行檢驗，確定故障工序，對故障工序的工序質量進行改善后，返回步驟一建立符合當前情況的誤差傳遞概率模型。當步驟三中檢驗結果表明多工序過程工藝可靠性狀態受控，多工序制造過程能夠實現保證預設質量要求下的持續生產，即實現面向大批量零件的質量控制，進而實現多工序制造過程工藝可靠性的保障和提升。
以上所述的具體描述，對發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限定本發明的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
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