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摘要：针对机械制造技术课程中零件加工精度统计分析实验通常采用手工计算绘图，效率低的问题，利用虚拟仪器平台进行开放性实验教学设计，采用LabVIEW作为软件开发平台，系统由数据显示、实际分布曲线、理论分布曲线和点图法4个模块组成，具有读取测量数据、图形显示结果、分析数据等功能，可显示加工实际尺寸的直方图、尺寸分布曲线图、单值点图和x-R质量控制图，并能确定工序的工艺能力，估算合格率和废品率等信息，可快速、精确地对零件加工精度进行计算与数据分析，从而大幅减少了数据评定的时间，数据处理和统计分析的准确性得到提高，可为零件加工质量判识提供可靠的依据，实现了加工精度的快速、可视化分析评定，学生能够更直观地理解课程的知识点，有助于提高学生的创新能力、分析和解决问题的能力。
关键词：加工精度；虚拟仪器；LabVIEW
0引言
在机械零件制造中，影响加工精度的因素很多，其中有些因素对加工误差影响是带有随机性的，要采用统计分析的方式对加工误差数据进行处理和评定，从而找出误差形成规律，分析影响加工误差的主要因素，从而提高加工精度[1]。目前加工误差的统计分析教学存在教学方法与手段单一、教学资源有限和教学课时不足的现状，由于没有合适的具有开放性和真实感的教学软件，课堂上由于缺乏虚拟仿真演示的感性认识，再加上学习时间和空间有限、实验室仪器设备短缺和实验内容固定，学生不能很好地理解掌握知识点，很难激发积极性和创造性[2]，因此在机械设计制造及其自动化专业中开设零件加工精度统计分析开放性实验，本实验是让学生通过给出一批加工零件的实际尺寸，画出直方图与尺寸分布曲线图[3]，判断加工误差的性质、确定工序的工艺能力和估算合格率和废品率，从而了解系统误差和偶然误差对整批零件尺寸变化的影响。传统实验的统计分析方法通过人工进行，这种手工处理的方法人为误差大、工作量大[4]，绘制的曲线不精确，影响统计分析的精确性，而且不适合大批量零件的统计分析，所以很有必要对传统的统计分析方法进行改进[5]。随着检测技术的快速发展，为了满足加工精度统计分析的实时性、可视化和准确性要求，可采用虚拟仪器建立一套加工精度统计分析系统，虚拟仪器具有界面友好、功能强大和可扩展性，可将检测、数据存储回放、数据计算处理和图形化数据显示方面集于一体[6-8]，学生可在实验中实时显示实验的分析与计算结果，从而提高了实验教学水平，此系统既可用于开放性实验和课程教学演示，也可用于企业的实际产品质量检测分析，从而保证产品零件的加工精度要求。
1加工精度的统计分析法
通过给出一批零件加工后的实际偏差尺寸，分别采用分布图分析法和点图法统计分析加工精度。
1.1分布图分析法
计算出样本平均值、标准差和频率密度，显示直方图，得出实际分布曲线，并做出理论分布曲线，利用此曲线来判断该批零件加工误差的性质，确定工序的工艺能力，估算合格率和废品率，当一批工件检测总数较多，加工误差是由各种相互独立的随机因素形成的，并且这些因素中又没有任何优势的趋势，则其分布是服从正态分布的[9]。在实际加工中，工件尺寸的实际分布有时也可能为非正态分布，非正态分布曲线有辛普森分布、等概率分布、平顶分布、不对称分布[10]。
1.1.1直方图及实际分布图
磨削一批轴径为
的零件，抽检其中100个零件，抽取样本的加工尺寸偏差，用随机变量xi表示，按尺寸大小将整批零件进行分组，同一尺寸间隔内的零件数量称为频数mi，频数与该批零件总数之比称为频率fi，频率与组距（尺寸间隔）之比为频率密度，找出数据中的最大值xmax和最小值xmin，数据分组数k=9，计算各组组距
确定各组上、下界限、各组中心值，并统计各组频数，计算频率和频率密度，以xi为横坐标，频率密度为纵坐标绘制直方图，再将直方图各矩形中点连成折线，得出实际分布曲线，如图1所示为基于虚拟仪器设计的前面板，通过上述原理建立数学公式，在LabVIEW中调用函数实现公式的计算，通过输入保存尺寸文件的路径进行测量数据读取，点击路径按键找到保存数据的文档，运行后可显示相应结果。通过直方图，做出相应的实际分布曲线分析[11]。由图1可知，上偏差es=+50μm及下偏差ei=+20μm，样本的平均值为=34.78μm、标准差σ=5.002μm。由直方图可以直观地看出工件尺寸的分布情况：该批工件的尺寸有一个分散范围，尺寸偏小和偏大的数据较少，大多数尺寸居中，可以得出该批零件的实际分布曲线服从正态分布。
1.1.2理论分布曲线
进一步分析加工精度，必须找出随机变量xi与频率密度的关系，绘制并研究该批零件的理论分布曲线，即正态分布曲线。如图2所示。其表达式为
式中：μ为随机变量总体的算术平均值
n为工件数；σ为随机变量的标准差，
μ、σ分别为正态分布曲线的两个重要参数，其中μ影响曲线的位置，表示尺寸分散中心的位置，σ确定曲线的形状，表示尺寸分散范围大小。正态分布曲线的分布范围为±3σ。±3σ的范围表示某种加工方法在规定的条件下所能达到的加工精度。因此一般情况下，应使公差带的大小T和标准差σ之间应满足：6σ≤T，正态分布曲线所围成的面积表示这一批零件的总数，如果零件的公差带T小于尺寸分散带，则表里产生了废品。
1.1.3分析结果
（1）判断加工误差的性质：加工误差分为系统误差和随机误差[13]。常值系统误差决定尺寸分散中心的位置；随机误差引起尺寸分散，决定分布曲线的形状；变值系统误差使分散中心位置随时间按一定规律移动。由图2可知，该批零件符合正态分布，尺寸分布中心=34.78μm、公差带中心AM=(50-20)/2+10=35μm。因为≠AM，因此该磨削加工存在常值系统性误差，比如机床、夹具、刀具本身的加工误差，工艺系统的受力变形等形成的加工误差等，该磨削加工必须调整机床，公差值（T=30μm）略小于分散范围（6σ=30.013μm），说明本磨削工序的加工精度偏低，进一步改进措施包括控制加工工艺参数，减小σ,必要时还要考虑用精度更高的工艺来加工。
（2）确定工序的工艺能力
当实际尺寸服从正态分布时，则尺寸分散范围是±3σ,由图2可知，该批零件的工艺能力系数为Cp=T/6σ=0.999，工艺等级为三级工艺，说明该批零件工艺能力不足，可能产生少量不合格品。如选择加工精度较高的机床，改进工艺参数、调整工艺装备等，从而提高工艺能力[14]。
（3）估算合格率和废品率
将零件理论分布图与尺寸公差带进行比较，超出公差带范围的曲线面积代表不合格品的数量。不合格品率包括可返修的不合格品率和废品率[15]。通过图2分布曲线估算，零件最小尺寸偏差dmin=19.773 5μm，小于下极限偏差（+20μm），故会产生不可修复废品。零件最大尺寸偏差dmax=49.786 5μm，小于上极限偏差（+50μm），故不会产生废品。废品率为：
1.2点图法
分布曲线分析法研究工序的系统误差和随机误差简便易行，但要在零件全部加工结束才可分析，不能在加工过程中及时发现和分析解决问题，以保证加工精度[16]。由于没有考虑零件的加工顺序，所以不能反映加工误差变化的趋势，也不能确定是随机误差还是变值系统误差。只能在一批工件加工后才能绘制分布曲线图，因此不能在加工过程中及时提供如何控制加工精度的信息。如果加工过程中存在着影响较大的变值系统误差，或随机误差的大小有明显变化，那么样本的平均值和标准差就会产生异常波动，工艺过程就不稳定，分析工艺过程的稳定性通常采用点图法[17]，点图法是由工艺系统在一次调整中，按零件顺序加工的方式，得到与工艺过程实时的相关信息，反映出加工误差随时间变化的趋势。
1.2.1单值点图
按100个零件的加工顺序记录尺寸，以时间顺序为横坐标，零件尺寸偏差为纵坐标，可作出如图3所示的单值点图[18]，图中的尺寸偏差在上下偏差之间，满足公差要求。
1.2.2-R图
为了能直接发现制造过程中系统误差和随机误差随加工时间的变化情况，实际加工中常用-R图来代替单值点图。平均值图上点代表了瞬时的分散中心的位置，主要反映加工过程中系统性误差的变化趋势，控制工艺过程质量指标的分布中心。极差R图上的点代表了瞬时分散范围，主要反映随机误差的变化趋势，控制工艺过程质量指标的分散程度。-R图的横坐标是按时间先后采集的小样本的组序号，纵坐标各为小样本的平均值和极差R[19-20]，在-R图上各有3根线，即平均线和上、下控制线[21-22]。以顺序加工4个零件为一组，共25组，如表1所示。
每一样组的平均值和极差R分别为
R=xmax-xmin；的平均线为
的上控制线为
的平均线为
上控制线为
，下控制线为各系数值查相应的表格得，LxUC=41.44μm，=34.78μm，LxLC=28.12μm，LRUC=20.81μm，=9.12μm，LRLC=0。绘制-R图结果如图4所示。在点图上作出平均线和控制线后，可以根据图中数据点的分布情况是否属于正常来判断此工艺过程是否稳定，由图4中-R（R）可知，由于中第18组的点子超出下控制线28.12μm，表明工艺系统产生了异常情况，有可能出现不合格品，从工序能力系数看也小于1，这些都说明本工序的加工精度不能满足零件的质量要求，因此要查明原因，采取措施，消除异常变化。
2结束语
基于虚拟仪器的零件加工精度统计分析实验平台与传统方法相比，改变了以往数据的统计和绘图周期较长的问题，能及时、准确地对零件加工精度进行统计和分析，大幅度缩统计分析的时间，数据处理和统计分析的准确性得到提高。使学生能够及时掌握系统的加工状况、加工误差的影响因素、加工误差的变化趋势及废品率。不仅提高了数据处理的准确性和效率，而且有可视化、功能可扩展的功能，得到的直方图更准确，不仅可以直观地绘制出单值点图、计算废品率，还可以迅速准确地得到数据统计分析结果。由于不受地点和时间的限制，更加便于分析研究，能为学生的多样化探究学习创造条件，体现了教学的开放性，实现了教学实践与工程应用紧密结合的目标。此教学平台设计可以用于高等院校的加工精度统计分析实验及课程知识点虚拟仿真演示中，也可用于企业的质量检测，以便及时调整工艺系统，提高加工质量。
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零件加工精度统计分析实验平台设计论文
人参与 2025-02-13 10:09:45 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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