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檢測方法與質量數據預處理
檢測方法
質量數據的檢測方法一般分為兩類,即接觸測量法和非接觸測量法.
無論是接觸測量法,還是非接觸測量法,其實質都是通過檢測系統將加工過程參數(如尺寸變化,溫度,切削刀,振動等)轉換成電壓,電流,電阻或一串脈沖信號,并送至計算機進行處理.

1.接觸測量法為了得到高精度讀數,一般選用接觸測量法.通常,溫度,壓力,尺寸等參數都采用這種方法測量.在用于機械零件的接觸式檢測系統中,坐標測量機(CMM)是最重要的一種測量設備,它由工作臺和帶有一個傳感測頭的可移動的裝置組成,工作臺將工件固定在校準位置,測頭可以分別對應于X,Y和Z坐標軸的三個方向移動,移動過程中測頭和待測工件表面接觸,利用測頭和測量系統將工件尺寸記錄下來,計算機根據測量值,并根據給定的坐標系計算實際尺寸值.當今的坐標測量機都是由計算機控制的,已成為柔性自動化生產中的主要檢測設備之一.有關詳細內容請看第7章.
2.非接觸測量法在實際質量數據檢測中,非接觸測量也得到廣泛采用.非接觸測量有如下優點:(1)通常無需工作精確定位;(2)檢測速度比接觸測量快;(3)消除了接觸測量中的測頭與工件接觸帶來的如機械帶來的如機械磨損等問題.
非接觸測量方法分成兩類:光學方法和非光學方法.光學方法是非接觸式測量方法中的主要類型,近年來機器視覺在質量檢測中得到越來越廣泛的應用.有關機器視覺原理及其應用詳見第8章.
非光學方法也是一種常用的非接觸測量方法.主要包括電場技術(電感,電容,阻抗等),放射性技術(X射線),超聲波等.
下面以掃描激光束系統為例,說明非接觸測量的光學方法.在批量生產線上,為了提高生產效率和控制產品質量,必須測量工件的尺寸,剔除不合格品,用掃描激光對生產線上的零件進行在線檢測.這是實現檢測自動化的重要環節.
掃描激光束系統的工作原理如圖6-2所示,激光是用來發射一個連續的薄層的光束,轉動鏡片使光束偏轉,這樣光束掃過被測的工作,光傳感器放在透鏡系統的焦點上,以檢測當被工作阻擋時光束的中斷,測量相應中斷光束的間隔時間,就可以確定被測工件的尺寸.一般,微處理器完成間隔時間的計算,并把測得的時間間隔轉化成尺寸值,并完成其它功能.如給用以剔除工件的自動機構發出一個信號,以排除生產線上的不合格品.

質量數據的預處理
由于測試過程中測量誤差的存在,將會影響質量數據的可性.因此,必須采取措施減小甚至消除測量誤差,以提高質量控制的確定性和可靠程度.質量數據預處理的目的就是減少以至消除測量誤差或其它原因造成的質量數據差異對分析結果的影響.
所謂測量誤差就是測量值與被測真值之間的差異,即
測量誤差=測量值-真值
根據誤差的性質可將其分為以下三類.
1.系統誤差順次測量的一系列測量結果中,其測量誤差值的大小和方向或是保持不變或是按一定規律變化的誤差稱為系統誤差,通常它是由固定的或按一定規律變化的因素造成的.
2.隨機誤差在同一條件下對同一被測量進行多次重復測量時,各測量數據的誤差值或大或小,或正或負,其取值的大小從表面看來似乎沒有確定的規律性,是不可預知的,這類誤差稱為隨要誤差,也稱為偶然誤差.隨機誤差即為隨機變量,服從統計規律,可以用統計的方法作出估計.
3.粗大誤差超出正常范圍的大誤差稱為粗大誤差,也稱為過失誤差.一般粗大誤差是由測量中的失誤造成的.例如,計數或記錄錯誤,操作不當,突然的沖擊振動等等,可使測量結果產生個別的大誤差.由于粗大誤差使測量數據受到了歪曲,因而,應當加以剔除.

下面分別對上述三類誤差的處理方法進行介紹.
粗大誤差的處理
粗大誤差處理包括粗大誤差的判別與剔除.粗大誤差的判別一般用統計的方法,一旦判別了粗大誤差的存在,剔除是比較容易的.統計方法判別粗大誤差存在的準則很多,效果也不相同,其基本方式是作出某一統計量.按正常的分布,這一統計量應在某一范圍內,否則即認為相應的數據不服從正常的分布,其中存在著粗大誤差.最常用的粗大誤差處理方法之一是準則,其判別過程如下:
設對某量進行幾次獨立的測量,得到系列測量數據若某一數據與均值的差滿足下列條件:
(6-1)
則認為xk含有粗大誤差,為異常數據,應舍棄不用.
式中x為x1 ,x2 …,xn的算術平均值.
(6-2)
σ為標準差的估計量
(6-3)
當測量資料n不同時,超出的概率是不同的,特別是當n≤10時,這一準則無效,此時無論值是多大,均有可能出現
(6-3a)
3σ準則沒有考慮這一因素,也沒有區別對可靠性的不同要求,因而是粗糙的.

系統誤差的處理
系統誤差可分為恒值系統誤差(誤差的大小和方向保持不變),線性系統誤差(誤差隨測量次序或時間呈線性變化),周期性系統誤差(誤差隨測量次序或時間呈周期性變化)和復雜規律系統誤差(誤差按確定的復雜的規律變化).要消除系統誤差,首先要識別是否存在系統誤差及其變化規律.識別系統誤差的方法包括實驗對比法,誤差觀察法,剩余誤差校核法,計算數據比較法等,對于存在系統誤差的情況,一般根據系統誤差的類型,采用不同的誤差消除方法.
1.對于恒值系統誤差,一般采用標準量代替法或抵消法消除.
2.對于線性系統誤差一般采用標準量代替法,平均斜率法或最小二乘法消除.現以最小二乘法為例說明如下:
測量值可以認為是 其中a是真值和恒值誤差之和,是線性誤差,是隨機誤差.實際測量要有一定時間間隔.即考慮更一般的情況用下式代替.
(6-4)
當K=1時 x=b0+b1(nh)
即為線性誤差
系數bk的選擇,應使下式為最小值,即
(6-5)
因此,Q((b)時bk的偏導數應為零,即
(6-6)
式中,l=0,1,2…,k.故可產生k+1個方程
(6-7)
可求得b0,b1...等k+1個系數.
當k+1,即為線性誤差時,式(6-7)變為
(6-8)
l=0,1,可求得
(6-9)
(6-10)
根據b0,b1計算結果,可得到測量值的線性方程
(6-11)
根據上述方程式可消除線性誤差.

隨機誤差的處理
處理隨機誤差的關鍵是確定其分布參數,主要是均值和均方值(標準誤差),并沒法減小標準誤差.
減少標準誤差的方法包括平均值法,排隊剔除法和數字濾波法.
平均值法是對某個參數進行幾次獨立的測量,然后取平均,用均值代表質量特征.
排隊剔除法是將幾個獨立測量結果按大小順序排列,剔除最大和最小的統計量各m個,然后對剩下的n-2m個統計量,再求其平均量.
數字濾波是采用低通濾波器,去除隨要誤差的高頻影響.