薛 剛 陳 禹
(上海機床廠有限公司 上海 200093)
SPC軟件是一種科學的、以數(shù)據(jù)為依據(jù)的質(zhì)量分析與改進工具。它利用數(shù)理統(tǒng)計原理,通過檢測資料的收集和分析,可以達到“事前預防”的效果,有效控制生產(chǎn)過程和不斷改進品質(zhì),為企業(yè)科學地區(qū)分生產(chǎn)過程中的正常波動與異常波動,及時地發(fā)現(xiàn)異常狀況,以便采取措施消除異常,恢復過程的穩(wěn)定,達到降低質(zhì)量成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的,它強調(diào)全過程的預防[1]。
今天的制造商越來越依賴自動化、機械、設備和技術(shù)的組合,以更快地產(chǎn)出產(chǎn)品。隨著制造能力的增長,制造商需要一種方法,以提高它們的質(zhì)量控制能力,同時縮減組織的質(zhì)量總成本。傳統(tǒng)SPC讓制造商了解哪些產(chǎn)品和過程是受控或失控的。然而,對于一些制造商來說,這些信息來得太少、太晚。在線SPC的定義是實時地在生產(chǎn)車間應用SPC的技術(shù)。SPC實時地收集產(chǎn)品和過程信息,將警報、觸發(fā)器以及其它事件管理工具反饋給操作工和管理者,使缺陷產(chǎn)品在離開車間前能快速控制和修復他們,保證生產(chǎn)高效正常地運轉(zhuǎn)。
現(xiàn)在的數(shù)控系統(tǒng)向著開放式結(jié)構(gòu)發(fā)展,而對開放式數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)成為當今數(shù)控技術(shù)的又一亮點,用戶可以通過二次開發(fā)把自己的功能模塊集成到系統(tǒng)中,從而擴展數(shù)控機床的功能?;诙伍_發(fā),可以輕松的將SPC集成到數(shù)控中去,實現(xiàn)機床加工過程在線質(zhì)量控制,迅速處理品質(zhì),實時有效地控制生產(chǎn)過程。
整套系統(tǒng)使用發(fā)那科0I-TF系統(tǒng)開發(fā),該系列平時裝機量較大,性價比高,對其開發(fā)使用價值很高。數(shù)控系統(tǒng)和在線測量儀硬件,通過二次軟件開發(fā),將NC加工程序協(xié)同配合實現(xiàn)在線SPC功能。
實現(xiàn)在線SPC控制的硬件主要有發(fā)那科0I-TF和馬波斯P7量儀,如圖1所示。
圖1 硬件配置
數(shù)控系統(tǒng)和量儀之間采用 PROFIBUS總線連接,PROFIBUS總線以其較快的傳輸速度和強抗干擾能力使其廣泛應用。運用它,還可以提高以后設備的擴展性和互換性。使開發(fā)的功能可運用到不同的數(shù)控系統(tǒng)和測量設備中。把發(fā)那科0I-TF系統(tǒng)設為主站,量儀設為從站來進行通訊,這樣機床的PMC就可以通過PROFIBUS總線來進行量儀的動作控制。P7量儀的校準、測量項目選擇、測量啟動等也通過總線來進行操作。
為了實現(xiàn)在線SPC控制,對數(shù)控系統(tǒng)進行二次開發(fā),其任務如下:
(1)對P7量儀提供的相關(guān)加工測量數(shù)據(jù)進行實時采集,并按規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)送到指定數(shù)控系統(tǒng)存儲區(qū)。
(2)在數(shù)控系統(tǒng)上開發(fā)軟件的窗口界面,用來對零件的信息和采集規(guī)則等進行輸入和顯示。
(3)運用數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)平臺讀取所存儲的數(shù)據(jù),并在NC顯示器上生成相對應的SPC控制圖,進行過程能力診斷。
(4)根據(jù)質(zhì)量不穩(wěn)定判定條件,對相關(guān)批次工件發(fā)出提示,對加工超差工件進行報警提示處理。
采用的開發(fā)工具為發(fā)那科C語言執(zhí)行器和發(fā)那科宏執(zhí)行器,其中發(fā)那科C語言執(zhí)行器是Fanuc眾多二次開發(fā)工具之一,可以實現(xiàn)比其他二次開發(fā)平臺更多的功能,一般用于應對復雜的需求,特別是專機類或者算法要求較高的場合。而發(fā)那科宏執(zhí)行器具有開發(fā)方便、成本低、速度快、運行穩(wěn)定等特點[2]。
根據(jù)上述兩種開發(fā)工具的各自特點,揚長避短,在開發(fā)中同時運用,實現(xiàn)功能開發(fā)。圖2給出相應的功能開發(fā)分配。
圖2 開發(fā)功能分配
加工質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)使用線后量儀在加工結(jié)束后馬上在線采集,通過NC加工程序去驅(qū)動PMC對量儀進行數(shù)據(jù)采集動作和數(shù)值處理,在加工程序中加入采集數(shù)據(jù)的NC程序段:
M31; 量儀進
M14; 測量允許
#610=#5001-#600; 測量數(shù)據(jù)處理
#990=2; 啟動記錄
M33; 等待記錄完成
M32; 量儀退
然后運用發(fā)那科的宏執(zhí)行器進行后臺實時功能處理,并送到指定位置,如PMC數(shù)據(jù)表、其他CNC可讀寫的存儲區(qū)域。由于數(shù)據(jù)量較大,本項目數(shù)據(jù)存儲到發(fā)那科的P-Code變量里。
數(shù)據(jù)采集原則:按每次連續(xù)5件零件為1組,采取25組進行繪圖;采集數(shù)據(jù)時間間隔可以調(diào)整;子組數(shù)的大小也可由用戶自行進行設定。
使用宏執(zhí)行器和 PMC對采集的數(shù)據(jù)進行處理并進行機床端的報警和提示。系統(tǒng)檢測到超差就會發(fā)出報警,機床報警后停止連續(xù)加工。
部分宏程序如下:
系統(tǒng)的界面和數(shù)值計算使用發(fā)那科C語言執(zhí)行器來開發(fā),它基于 ANSI標準的 C語言標準庫和MS-C擴展C語言標準庫,還提供了MS-C圖形函數(shù)、C執(zhí)行器獨有圖形函數(shù)等。運用這些豐富的內(nèi)置函數(shù)來處理界面開發(fā)和數(shù)值計算等功能。把用C語言設計的人機界面嵌入到C語言執(zhí)行器系統(tǒng),并且利用 VC++ 環(huán)境中建立的動態(tài)語言鏈接庫實現(xiàn)軟件文本內(nèi)容的讀取,最終把特有的功能模塊集成到CNC控制系統(tǒng)中。
4.3.1 參數(shù)的輸入
參數(shù)的輸入有零件名稱、零件號、工序名稱、工程規(guī)范、設備名稱、操作者、樣本容量等信息項,工件參數(shù)輸入界面如圖3所示。
圖3 工件參數(shù)配置
由于數(shù)控系統(tǒng)限制,界面錄入只能錄入英文和數(shù)字。對應的數(shù)據(jù)全部寫入到規(guī)劃好的P-Code變量里,如圖4所示。
圖4 數(shù)據(jù)配置
部分的讀取參數(shù)變量的C語言代碼:
4.3.2 不穩(wěn)定判定與報警處理
質(zhì)量控制出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況,可以選擇繼續(xù)加工或者調(diào)整后重新開始統(tǒng)計。
質(zhì)量不穩(wěn)定判定條件為:
(1)1點在控制界限外或恰在控制界限上;
(2)連續(xù)9點落在中心線同一側(cè);
(3)連續(xù)6點遞增或遞減;
(4)連續(xù)14點中相鄰點交替上下;
(5)連續(xù)3點中有2點落在同一側(cè)的極限區(qū)附近;
(6)連續(xù)5點中有4點落在中心線同一側(cè)的中心區(qū)以外;
(7)連續(xù)15點落在中心線的兩側(cè)中心區(qū)附近;
(8)連續(xù)8點落在中心線兩側(cè),且無1點在中心區(qū)內(nèi)。
上述判定準則的軟件界面如圖5所示。
圖5 判定準則
用戶可以在上述判定條件范圍內(nèi),根據(jù)一定的授權(quán)安全等級條件自行修改限制數(shù)值。
可以按照所列的條件進行判斷,達到不穩(wěn)定情況觸發(fā)系統(tǒng)報警。
4.3.3 Xbar-R 控制圖
Xbar-R控制圖是用于分析和判斷工序是否處于穩(wěn)定狀態(tài)所使用的帶有控制界面的圖,它是對過程質(zhì)量加以測定、記錄從而進行控制管理的一種用科學方法設計的圖,是SPC技術(shù)的核心工具。X為各組零件的數(shù)據(jù)平均值,R為各組零件數(shù)據(jù)極差,根據(jù)圖表數(shù)據(jù)運用 C語言執(zhí)行器的計算函數(shù)計算Cp/Cpk、UCL/LCL等。
在正常生產(chǎn)的情況下,每一批次的中心控制限(CL)、上控限(UCL)、下控限(LCL)是由上一批次所計算出的中心控制限(CL)、上控限(UCL)、下控限(LCL)來確定。若工件換型則重新計算中心控制限(CL)、上控限(UCL)、下控限(LCL)的值。同時還要兼顧能手動輸入中心控制限(CL)、上控限(UCL)、下控限(LCL)值的方案來替代上述方案。
根據(jù)采集數(shù)據(jù)繪制X管制圖和R管制圖,并將全部數(shù)據(jù)整合在 CNC界面中顯示,顯示圖標范例如圖6所示。
圖6 Xbar-R圖
在傳統(tǒng)機加工生產(chǎn)模式下,產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗都是由工人操作量具進行首檢、巡檢,從而來實現(xiàn)質(zhì)量的控制,這種方法的缺陷是檢測滯后,查出不合格時,可能已生產(chǎn)了大批零件,只是事后矯正,沒有預防,不能保證100%的合格品。
通過對數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā),成功的在系統(tǒng)中嵌入了SPC功能,通過在機床上安裝量儀,實現(xiàn)了實時在線的SPC功能,收集產(chǎn)品和過程信息,將警報、觸發(fā)器以及其它事件管理工具反饋給操作工和管理者,以便在缺陷產(chǎn)品在離開車間前能快速控制和修復他們,保證生產(chǎn)高效正常地運轉(zhuǎn)。