人工检测环境下零件质量统计控制软件开发

蔡 周， 谢 斌， 王玉国， 赵振东

（1.南京工程学院汽车与轨道交通学院， 江苏 南京 211167；2.南京康尼精密机械有限公司， 江苏 南京 210038）

引言

随着企业的发展和零件种类的增多，产品质量占着越来越重要的地位，如何实现生产质量数据采集的准确化和管理的精细化，已成为制造公司的重要发展方向[1]。在信息化的时代，传统的手工记录方式已无法满足加工质量的要求，故本文根据现有技术结合计算机技术开发一个面向车间的零件加工生产质量统计软件。根据测量结果在软件界面上指定检测结果所在的范围，软件自动将结果写进报表文件的对应位置，并根据报表文件形成的检测结果变化曲线，分析零件加工质量是否出现异常，若发生质量异常波动则采取相应的处理措施。本文以某企业伸缩套零件生产质量统计为例，运用生产质量统计软件在车间的应用，解决了生产车间数据采集易出错、管理混乱等问题，使得现场操作人员质量信息录入过程和巡检员复检过程更加方便，限制操作人员在规定时间范围内多次录入信息，以及利用倒计时提醒禁止在规定时间段外录入数据，对防止漏检、避免误检有一定的监督作用。

1 企业传统质量统计方式及存在的问题

目前该企业主要用传统的手工方式来收集生产车间的质量信息，如下页图1所示是采集数据的报表文件，现场操作人员根据测量工具得到的尺寸写入在报表文件的对应位置，并将新检测零件摆放在指定位置，待检验员复查。在数据采集完成后，管理人员根据检测结果的区域进行相应的改进和调整，当测量结果出现在黄色区域（报警区域）和红色区域（停止区域），需找到质量数据异常的原因，并及时实施对策，保证质量数据处于受控状态。

在信息化时代的不断深入和发展，传统的手工统计方式已无法满足企业的质量要求和管理要求，并存在以下主要问题：第一，由于生产的产品种类繁多、工序环节复杂，使用人工报表文件无法全面掌握产品质量信息，不方便质量记录的查询和追溯。第二，在信息化时代，企业竞争力更加激烈，需利用计算机技术达到半自动化，使得质量信息录入过程更加简洁、方便。第三，使用人工检测环境下的传统报表文件形式采集零件质量数据，无法有效地消除现场操作人员的漏检、误检操作，以及信息录入次数和时间的限制，起不到监督作用。第四，产品种类的不断增多促使车间数据采集的报表文件纸质稿使用量增大，导致经济性下降，不利用企业的持续发展。

综合以上的主要问题，再结合企业的车间实际情况，为企业开发一个面向车间的机械零件加工车间生产质量统计软件，可以改善企业的质量数据统计水平，从而提高企业的质量管理水平。

2 生产质量统计软件的设计2.1 软件业务流程

机械零件加工车间生产质量统计软件的业务流程如下页图2所示。

图1 零件生产质量统计报表文件

图2 机械零件加工车间生产质量统计软件的业务流程

首先，若需要导入报表文件，则选择相应的文件路径，解析报表文件并显示在主界面上；若不需要重新导入，则在软件主界面上根据检测结果选择尺寸范围；在任一时间段中，录入的次数只能为一次，若超出录入次数限制，则禁止录入。在每个时间段的开始，会启动倒计时，在进度条上通过不同的颜色提醒用户。

2.2 生产车间质量统计软件功能框图

机械零件加工车间生产质量统计软件总体功能划分如图3所示。

3 生产质量统计软件的运行

根据软件的业务流程和功能框图，以及结合企业的现有技术，开发及完成机械零件加工车间生产质量统计软件。该软件的具体运行流程如下：第一，打开软件并导入报表文件。启动软件，软件自动解析最近一次打开的统计报表文件并显示在工作区。如果需要更改统计表文件，重新选择路径文件。第二，操作人员录入检测数据。现场操作人员利用检具或量具检测零件指定位置的尺寸，在软件界面上双击检测结果所在的范围，点击时的系统时间自动存储到报表文件的对应位置。第三，巡检员复查检测数据。操作人员将已检测的零件放置在指定的位置，巡检员定期进行零件尺寸的复检，存储质量数据到报表文件中。

图3 车间生产质量统计软件总体功能框图

操作人员和巡检员录入检测数据后的界面如下页图4所示。在每个时间段中，操作人员需及时录入质量数据，否则在下一时间段中无法录入上一时间段的检测数据，并且每个时间段只能有一个检测结果，若多次录入，则会弹出警告对话框进行提醒。

图4 录入检测结果后的软件界面

4 质量统计数据分析

本文质量统计数据异常分析分为两个部分，包括在线异常报警和历史样本分析。其中在线异常报警根据该软件的自动识别功能判断当前样本是否异常。历史样本分析是相关管理人员利用软件统计的报表文件分析历史数据曲线的波动，并结合历史报警日志发现异常的原因。

4.1 当前质量样本的异常分析

由于累积和控制图对中小漂移识别的灵敏度高，所以该软件是根据累积和控制图的算法判别当前样本异常情况，若超出控制界限，自动在软件界面显示当前预警信息，并将信息写入到历史报警日志中。累积和控制图统计量的形式如下[2]：

式中:Ci+、Ci-分别为监控数据向上和向下漂移的累积和；Xi为统计的数据值；K为决策值或参考值，K=kσ；H为控制界限参数或判定值，H=hσ。

对于累积和控制图，马尔可夫链模型可分为两个状态[3]：累积和控制图的设计参数为（n，k），过程处于受控状态；过程处于失控状态，称为吸收态；

根据两个状态得到状态转移概率矩阵Q→：

式中：pij表示样本当前的设计参数为（n1，k1），在下一个时间间隔后抽取的样本设计为（n2，k2）的转移概率。根据样本统计性质得到转移概率：

根据马尔可夫链的性质，可以得到如下的性能指标LAR（平均运行链长）：

式中：r→表示在样本数据处于受控阶段的初始向量。对于不同的均值偏移大小，平均运行链长得到的值不同，因此在保证过程处于受控状态时，比较失控状态时的平均运行链长值。进一步得到累积和控制图的最优决策变量，最优参数用于控制图统计量的计算，判断质量数据是否失控[4]。

4.2 统计报表文件的历史样本分析

4.2.1 报表文件质量数据分析基本原理

软件实现在线的异常预警功能，为了让现场操作人员能及时地发现原因并采取措施，而管理人员对报表文件历史样本数据的进一步分析能够更全面和精确地掌握背后的具体原因，管理人员对报表文件的历史样本分析有两种方式，第一种是根据报表文件中质量控制区域直观的判断是否有数据异常，这种方式简单、效率高。第二种是利用报表中自动计算得出的均值、极差值绘制出均值-极差控制图，再依据判异和判稳准则进一步判断曲线是否处于受控状态，这种方式精确性高。

报表文件中质量控制区域分为三个要素：上控制线、下控制线、中心线。上页图1中红色区域分别为上控制线和下控制线。而中心线则为上、下控制线的中心，即检测零件尺寸的均值。

现场操作人员进行质量数据统计过程中，软件自动将样本数据分为样本容量大小为4的数据组，并将每组计算得出的均值、极差写入到统计报表文件对应位置中。其中控制图均值上、下控制界限，极差上、下界限的公式如下：

式中：LUC表示上控制线；LLC表示下控制线；A2、D4、D3表示为控制图系数，各系数值由表1查得。

表1 控制图系数表

4.2.2 报表文件质量数据判异准则

判断质量数据曲线是否受控分为两个准则：判稳准则、判异准则。符合下列其中一点则判定过程稳定[5]：连续25个点没有超出红色区域的数据。连续35个点中超出红色区域的点数不超过1个；连续100个点中超出红色区域的点数不超过2个。

判异准则分为两部分：数据点超出控制界限；控制界限内数据点排列不随机。当有以下任一情况时，则认为过程异常[6]：第一，一点落于上控制线上方或落在下控制线下方。第二，连续9点以上落在中心线的任意一侧。第三，连续6点有上升或下降的趋势。第四，连续3点中有2点在预警区域（黄色区域）。第五，连续15个点以上在中心线附近。第六，连续14个点中相邻点上下交替排列。

4.3 质量数据异常原因

质量曲线出现异常的原因，从工序质量控制的角度来看，可分为两类：正常原因和异常原因。正常原因在生产过程中大量存在，无法避免，但它们对产品质量的影响较小，在进行曲线异常分析时可忽略不计[7]。异常原因是非正常状态下产生的，能使产品质量发生显着的变化，是可控性的原因，需要及时采取相应措施去解决[8]。在生产过程中产生的数据异常原因来源主要是质量因素，而质量因素是指人员、材料、方法、测量、设备、环境等[9]。

5 应用实例

综合上述分析，将该生产质量统计软件应用于车间伸缩套加工过程统计中。

1）点击“导入SPC统计表”按钮，软件自动解析统计表中相关基本信息并且显示在主界面，界面显示三个时间段，也是需要录入数据的时间段。

2）操作人员利用检具或夹具测量需检测零件的尺寸，测得尺寸为61.30 mm，在该尺寸所在范围双击，此时中间时间段自动写入录入的时间，以蓝色背景显示。

3）在下一时间段，软件自动将上一时间段的录入数据向左平移一列，等待操作人员和巡检员的再次录入，以此类推，经过多次采集后的统计报表如图5所示，形成不规则的曲线。

图5 人工采集后的统计报表

4）根据绘制的图6和图7的均值-极差控制图，并依据判异准则和判稳准则，得出该加工过程分布均落在控制界限内，没有异常趋势，处于受控状态。

6 结语

质量管理作为车间制造执行系统重要的模块，使得企业的生产可以有序、稳定的进行，而质量统计作为质量管理分析的必要因素，为企业提供大量实际生产中的质量数据，对于企业改善产品质量水平具有重要的意义。本文开发了面向车间的机械零件生产质量统计软件，并以伸缩套统计表为例进行分析，结果显示有如下的实际意义和作用：第一，该软件使得过程统计更加简洁，能够防止操作人员在每个时间段的漏检和多次录入，以及在下个时间段无法录入上个时间段的数据，起到一定的监督作用。第二，该软件能够有效地改善企业的传统人工检测环境下的采集方式，提高了企业的质量管理水平和信息化水平。第三，该软件使得车间数据统计方式更加透明化，相比传统采集方式，大大减少了纸张的使用量，提高了质量数据统计的经济性。第四，本软件目前已经初步开发完成，并通过一段时间的应用，软件不断完善，目前已经能够满足企业的要求，提高了企业的竞争力。

图6 报表文件数据的均值控制图

图7 报表文件数据的极差控制图