趙玲玲，樊樹海，呂慶文，徐文浩

（南京工業(yè)大學(xué) 工業(yè)工程系，江蘇 南京 210009）

近年我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，且現(xiàn)階段大力支持制造業(yè)發(fā)展，使得制造型企業(yè)間競爭逐漸激烈。制造型企業(yè)想要提高自身競爭力，不應(yīng)只著眼于產(chǎn)品價格低廉，穩(wěn)定的生產(chǎn)制程能力、良好的產(chǎn)品質(zhì)量已成為企業(yè)發(fā)展的重要決定因素之一[1]。

統(tǒng)計制程管制（statistical process control，SPC）是根據(jù)統(tǒng)計原理對產(chǎn)品生產(chǎn)過程質(zhì)量進(jìn)行管制的一種方法。主要包括過程統(tǒng)計特征參數(shù)、過程能力評價、管制圖等[2-4]。管制圖是統(tǒng)計制程管制中一項(xiàng)主要的方法，當(dāng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程存在偶然原因時，樣本值將會標(biāo)繪在管制界限之外。管制圖可使產(chǎn)品生產(chǎn)過程維持在僅受機(jī)遇性原因影響的狀態(tài)，是制造業(yè)內(nèi)控制生產(chǎn)過程質(zhì)量的重要方法，與制造型企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)作息息相關(guān)[5-7]。

若通過實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)來改善產(chǎn)品質(zhì)量，人員技術(shù)的不確定性使得結(jié)果可靠性降低，成本資源耗費(fèi)大[8]。故設(shè)計出生產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可在低成本高效率的前提下提高企業(yè)生產(chǎn)能力的穩(wěn)定性及產(chǎn)品質(zhì)量。相同做法在高校實(shí)驗(yàn)課中常有，如利用計算機(jī)與仿真技術(shù)將教學(xué)實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)相結(jié)合，構(gòu)建情境式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺[9-11]。但此類教學(xué)實(shí)驗(yàn)缺陷問題明顯。蔣增強(qiáng)等[12]認(rèn)為主要是質(zhì)量特性與測量系統(tǒng)不匹配、檢測過程與實(shí)際生產(chǎn)相脫節(jié)。故建立生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可借助數(shù)值模擬減少改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量的研發(fā)成本，降低劣質(zhì)品的生產(chǎn)數(shù)量，優(yōu)化生產(chǎn)制程能力。

本文結(jié)合青銅襯套生產(chǎn)特點(diǎn)，設(shè)計了基于VBA的TURNSIM 的質(zhì)量管理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)模擬采樣實(shí)驗(yàn)。此系統(tǒng)通過設(shè)定可高度仿真青銅襯套制造時的實(shí)際生產(chǎn)情境，以及產(chǎn)生模擬數(shù)據(jù)。獲取數(shù)據(jù)后，通過管制圖驗(yàn)證生產(chǎn)過程是否處于受控狀態(tài)，對比統(tǒng)計信號與數(shù)據(jù)信息，找出異常原因。此質(zhì)量管理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅快速產(chǎn)生高質(zhì)量的模擬實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，解決了制造型企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)的高成本、高耗費(fèi)的問題，還增強(qiáng)了質(zhì)量管理領(lǐng)域的計算機(jī)應(yīng)用與理論結(jié)合的能力，最終提高制造型企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)能力的穩(wěn)定性及產(chǎn)品質(zhì)量。

1 質(zhì)量管理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計

為增加此質(zhì)量管理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與制造型企業(yè)產(chǎn)品實(shí)際生產(chǎn)的相似程度，此仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過VBA的TURNSIM 程序進(jìn)行制造青銅襯套的單點(diǎn)車床車削的模擬采樣實(shí)驗(yàn)。圖1 為青銅襯套，具體生產(chǎn)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的條件如圖所示。

圖1 青銅襯套

由于青銅襯套需要其直徑尺寸和表面粗糙度（Ra）滿足70±15 微英寸規(guī)格的要求（由于模擬系統(tǒng)精度要求，青銅套管的直徑尺寸和表面粗糙度以微英寸為單位，故表3 的內(nèi)容及控制圖等都是基于微英寸為單位模擬出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，1 μinch=0.000 025 4 mm）。該系統(tǒng)初始模擬條件的設(shè)定是通過觀察青銅襯套生產(chǎn)過程情況而總結(jié)出影響青銅襯套生產(chǎn)最主要的10 個候選特殊原因，并在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)其主要影響青銅襯套生產(chǎn)的為3 種候選原因。即在10 個候選特殊原因中，只有3 個處于活動狀態(tài)。

此系統(tǒng)會通過用戶自主設(shè)定的可能影響原因，模擬設(shè)定條件下產(chǎn)品生產(chǎn)可能出現(xiàn)的各種情況，進(jìn)行生產(chǎn)過程的隨機(jī)賦值。在每次模擬時會生成大小為n=5的k個子組（k由用戶指定）。通過模擬采樣數(shù)據(jù)，使用Minitab 繪制管制圖，識別管制圖上的統(tǒng)計信號，將其與青銅襯套物理?xiàng)l件相關(guān)聯(lián)，識別出實(shí)際影響青銅襯套生產(chǎn)的特殊原因，并采取相應(yīng)措施進(jìn)行消除。當(dāng)非機(jī)遇原因消除后，過程處于受控狀態(tài)，再執(zhí)行過程能力分析。表1 列出青銅襯套生產(chǎn)過程中的10 個候選特殊原因的影響級別。圖2 列出具體的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計過程。

表1 有潛在可歸屬原因的10 個影響因素

圖2 質(zhì)量管理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)施流程

2 質(zhì)量管理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用示例

通過VB 的TURNSIM 編程設(shè)置的質(zhì)量管理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行青銅套管的采樣實(shí)驗(yàn)示例為：通過設(shè)置此示例中預(yù)期模擬生成大小為n=5 的45 個子組（k可自行決定，此處以45 為例），如圖3 所示。

圖3 TURNSIM 數(shù)據(jù)模擬生成子組設(shè)定界面

將仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M生成的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Minitab 進(jìn)行統(tǒng)計分析處理，繪制出管制圖，如圖4 所示。從圖中可看出Xbar 管制圖內(nèi)的第40 點(diǎn)超出管制界限外，R 管制圖中第17、40、43 點(diǎn)超出管制界限外。此時需返回青銅套管模擬生產(chǎn)數(shù)據(jù)的區(qū)域?qū)ふ耶惓｜c(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，如表2 和表3 所示。結(jié)合異常點(diǎn)的生產(chǎn)信息與青銅套管生產(chǎn)過程中的10 個候選特殊原因進(jìn)行關(guān)聯(lián)，歸結(jié)出最可能的3 個特殊原因。

圖4 首次仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)的Xbar-R 管制圖

表2 引起變化的候選特殊原因及其水平

表3 異常點(diǎn)的樣品粗糙度測量數(shù)據(jù) μinch

分析青銅套管仿真實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)信息，以及Minitab 繪制出的Xbar-R 管制圖上的異常點(diǎn)所包含的統(tǒng)計信息，假定在此示例過程中的3 個處于活動狀態(tài)的特殊原因最有可能為10 個候選特殊原因中的“設(shè)置人員、操作人員、機(jī)器”3 項(xiàng)。

當(dāng)假定為上述的3 個候選特殊原因后，需要再次通過TURNSIM 模擬系統(tǒng)選擇剔除此3 個特殊原因，并在此條件下通過TURNSIM 程序重新模擬生成同樣大小為n=5 的45 組子組，并建立相應(yīng)的Xbar-R 管制圖重新監(jiān)測生產(chǎn)過程是否處于可控狀態(tài)。此示例重新建立的Xbar-R 管制圖如圖6 所示。

圖5 仿真系統(tǒng)選擇潛在可歸屬原因界面

如圖6 所示，可觀察到經(jīng)篩選出可能造成青銅襯套生產(chǎn)過程異常的3 個特殊原因后，Xbar-R 管制圖上的樣本點(diǎn)都在管制界限內(nèi)，生產(chǎn)處于可控狀態(tài)。此現(xiàn)象表明之前的統(tǒng)計分析中，假定的影響青銅襯套生產(chǎn)的3 個候選特殊原因選擇正確。

故企業(yè)想要提高生產(chǎn)制程能力與產(chǎn)品質(zhì)量，需要從此3 項(xiàng)入手進(jìn)行改善。最后當(dāng)管制圖處于穩(wěn)定狀態(tài)，才可建立生產(chǎn)制程能力分析，繪制出直方圖以評價企業(yè)制造青銅襯套的單點(diǎn)車床車削的加工質(zhì)量。此示例中的企業(yè)的制程能力分析如圖7 所示，經(jīng)剔除特殊原因后呈現(xiàn)較為良好的生產(chǎn)制程狀態(tài)。

圖6 消除特殊原因后的Xbar-R 管制圖

圖7 制程能力分析表

3 結(jié)束語

本文質(zhì)量管理仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以制造業(yè)內(nèi)青銅襯套產(chǎn)品的生產(chǎn)為示例，基于低成本高效率的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，有效實(shí)現(xiàn)了提高制造型企業(yè)生產(chǎn)制程能力穩(wěn)定性與產(chǎn)品質(zhì)量的目標(biāo)。在此仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，可以高度模擬出青銅襯套的生產(chǎn)實(shí)況，并結(jié)合青銅襯套的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)分析模擬數(shù)據(jù)信息以及管制圖上的統(tǒng)計信號，快速確定影響青銅襯套生產(chǎn)的實(shí)際特殊原因，最后企業(yè)再針對性地對產(chǎn)品生產(chǎn)制程進(jìn)行改善。此仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作方便，全面考慮了生產(chǎn)可能的影響原因，高度仿真模擬生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可有效地幫助制造型企業(yè)在生產(chǎn)過程中進(jìn)行質(zhì)量管理，保持良好的產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)制程能力的穩(wěn)定性。