數(shù)控機(jī)床實現(xiàn)在線SPC質(zhì)量控制功能的方法

薛 剛 陳 禹

(上海機(jī)床廠有限公司 上海 200093)

SPC軟件是一種科學(xué)的、以數(shù)據(jù)為依據(jù)的質(zhì)量分析與改進(jìn)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(dá)到“事前預(yù)防”的效果，有效控制生產(chǎn)過程和不斷改進(jìn)品質(zhì)，為企業(yè)科學(xué)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(fù)過程的穩(wěn)定，達(dá)到降低質(zhì)量成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的，它強(qiáng)調(diào)全過程的預(yù)防[1]。

今天的制造商越來越依賴自動化、機(jī)械、設(shè)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(yīng)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(fù)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(dāng)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(kuò)展數(shù)控機(jī)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(jī)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(jī)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。

1 硬件配置

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(qiáng)抗干擾能力使其廣泛應(yīng)用。運用它，還可以提高以后設(shè)備的擴(kuò)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(shè)備中。把發(fā)那科0I-TF系統(tǒng)設(shè)為主站，量儀設(shè)為從站來進(jìn)行通訊，這樣機(jī)床的PMC就可以通過PROFIBUS總線來進(jìn)行量儀的動作控制。P7量儀的校準(zhǔn)、測量項目選擇、測量啟動等也通過總線來進(jìn)行操作。

2 數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)的任務(wù)

為了實現(xiàn)在線SPC控制，對數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，其任務(wù)如下：

（1）對P7量儀提供的相關(guān)加工測量數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(yīng)的SPC控制圖，進(jìn)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(jìn)行報警提示處理。

3 開發(fā)工具

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(yīng)對復(fù)雜的需求，特別是專機(jī)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]。

4 功能實施

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(yīng)的功能開發(fā)分配。

圖2 開發(fā)功能分配

4.1 質(zhì)量數(shù)據(jù)采集

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(jìn)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(jìn)

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(jìn)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(jìn)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(jìn)行設(shè)定。

4.2 數(shù)據(jù)的處理

使用宏執(zhí)行器和 PMC對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并進(jìn)行機(jī)床端的報警和提示。系統(tǒng)檢測到超差就會發(fā)出報警，機(jī)床報警后停止連續(xù)加工。

部分宏程序如下：

4.3 SPC界面顯示（數(shù)控系統(tǒng)端）

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(biāo)準(zhǔn)的 C語言標(biāo)準(zhǔn)庫和MS-C擴(kuò)展C語言標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計的人機(jī)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(shè)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(yīng)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(zhǔn)則的軟件界面如圖5所示。

圖5 判定準(zhǔn)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(jìn)行判斷，達(dá)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(jìn)行控制管理的一種用科學(xué)方法設(shè)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(biāo)范例如圖6所示。

圖6 Xbar-R圖

5 結(jié)語

在傳統(tǒng)機(jī)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(jìn)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(yù)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(jī)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(fù)他們，保證生產(chǎn)高效正常地運轉(zhuǎn)。