基于VB的統(tǒng)計(jì)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究*

岳鵬飛 余東滿 李曉靜

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南南陽 473000)

1 引言

《中國制造2025》戰(zhàn)略提出，必須把質(zhì)量放在建設(shè)智造強(qiáng)國的首要位置，加快推進(jìn)制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，不斷提升中國企業(yè)的影響力和品牌價(jià)值。近年來，我國的制造業(yè)發(fā)展迅速，各大企業(yè)瞄準(zhǔn)科技創(chuàng)新，獨(dú)立研發(fā)新技術(shù)、新工藝、新方法爭創(chuàng)國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流的技術(shù)標(biāo)桿。隨著我國在汽車制造、軍工產(chǎn)品、鋼鐵、綠色能源等行業(yè)的飛速發(fā)展，在大量引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備與技術(shù)的同時，也在不斷地完成國產(chǎn)替代，進(jìn)而優(yōu)化改善“高、精、尖、專、自動化、數(shù)字化”的生產(chǎn)加工工藝，對零部件質(zhì)量提出了更為嚴(yán)苛的要求。因此，如何在產(chǎn)品制造過程中提升產(chǎn)品合格率、降低殘次品率、降低預(yù)算成本、加強(qiáng)生產(chǎn)過程監(jiān)控，是所有企業(yè)面臨的最主要的問題。

傳統(tǒng)的零部件質(zhì)量檢測更多采用“事后檢驗(yàn)”法篩選出不合格的產(chǎn)品，這種方法存在一定的弊端，比如檢測滯后性、缺乏全程監(jiān)控、人力成本增加等問題。統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC，Statistical Process Control）是現(xiàn)代制造業(yè)生產(chǎn)管理的關(guān)鍵工具之一，它應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對生產(chǎn)各個階段的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，最終通過數(shù)據(jù)分析結(jié)果提前預(yù)測產(chǎn)品可能出現(xiàn)的質(zhì)量異常波動情況，以便生產(chǎn)管理人員及時采取措施，消除異常，恢復(fù)過程的穩(wěn)定，從而達(dá)到提高和控制質(zhì)量的目的[1]。鑒于此，本文結(jié)合實(shí)際對多品種、小批量零部件加工處理過程的質(zhì)量控制要求，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于Visual Basic編程語言的統(tǒng)計(jì)過程控制SPC軟件，該軟件能夠解決產(chǎn)品、零件、工藝、質(zhì)量各種信息存儲，又可以使用軟件自帶的分析工具對產(chǎn)品質(zhì)量特征進(jìn)行分析，不僅克服了傳統(tǒng)的質(zhì)量管理事后糾錯的缺陷，又解決了實(shí)際生產(chǎn)質(zhì)量分析的滯后性問題，使生產(chǎn)過程處于僅受隨機(jī)性因素影響的受控狀態(tài)，達(dá)到控制質(zhì)量、降低成本的目的。

2 SPC基本原理

SPC最早由美國質(zhì)量管理學(xué)家提出，它利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對生產(chǎn)工藝全過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，能夠根據(jù)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分制造過程中質(zhì)量波動是否存在異常，進(jìn)而便于技術(shù)工作人員及時地優(yōu)化生產(chǎn)工藝策略，消除不穩(wěn)定因素，從而達(dá)到提升產(chǎn)品合格率、降低產(chǎn)品殘次率、保證產(chǎn)品高質(zhì)量生產(chǎn)目的。SPC主要強(qiáng)調(diào)預(yù)防為主，其最主要的工具就是控制圖，它是對生產(chǎn)過程的關(guān)鍵質(zhì)量特性值進(jìn)行測定、記錄、評估并監(jiān)測過程是否處于控制狀態(tài)的一種圖形方法。在生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品加工尺寸的波動是不可避免的[2]。在生產(chǎn)中又分為正常波動和異常波動，前者屬于偶然性范疇不可避免，后者屬于系統(tǒng)自身因素造成，對產(chǎn)品質(zhì)量存在較大的波動影響。統(tǒng)計(jì)過程控制的目的就是為了消除、避免異常波動，使生產(chǎn)過程時時刻刻保持在穩(wěn)定狀態(tài)，即工序的操作技術(shù)人員、機(jī)器生產(chǎn)設(shè)備、原始零件材料、磨削加工等國家生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸、工藝。

SPC控制圖是對過程或工序的質(zhì)量特性進(jìn)行測定、記錄，從而實(shí)現(xiàn)對過程進(jìn)行監(jiān)測和控制的一種質(zhì)量管理工具，主要包括兩個方面內(nèi)容：一是根據(jù)實(shí)際的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)繪制出控制圖，二是計(jì)算過程能力指數(shù)，通過對零部件有效數(shù)據(jù)建立控制界限，一般分為中心線CL值（代表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的平均值）、上控線UCL值、下控線LCL值[3]。根據(jù)中心線到上下控制線的距離各為 3倍統(tǒng)計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差，即3σ，如圖1所示。

圖1 控制圖基本形式

如果該過程不受異?；蛱厥庠蛴绊?，那么進(jìn)一步得到的觀測數(shù)據(jù)將不會超出控制界限?？刂茍D的種類很多，一般常按數(shù)據(jù)的性質(zhì)分為計(jì)量型數(shù)據(jù)和計(jì)數(shù)型數(shù)據(jù)，這兩大類常用控制圖的特點(diǎn)和適用場合如表1所示。

表1 控制圖特點(diǎn)和適用場合

3 SPC控制圖繪制

通過企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)零部件為背景，平均值-極差控制圖適用于多品種、小批量的產(chǎn)品生產(chǎn)，可以有效解決產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控。平均值-極差控制圖的繪制一般按以下步驟：

（1）假設(shè)以5個連續(xù)測得的數(shù)據(jù)為一個樣本組,即n=5；

（2）收集25個樣本組數(shù)據(jù)，即125個數(shù)據(jù)；

（5）計(jì)算上差、下差和中心線；

平均值x圖：

極差R圖：

表2 控制圖系數(shù)表

在本例中，n=5，A2=0.577，D4=2.115，D3=0

圖2 -R 簡圖

4 基于Visual Basic語言的SPC軟件設(shè)計(jì)

Visual Basic（VB）源于BASIC編程語言，是微軟公司開發(fā)的一種采用事件驅(qū)動方式包含協(xié)助開發(fā)環(huán)境的編程語言。VB可輕易創(chuàng)建控件或輕松訪問數(shù)據(jù)庫存儲文件，很容易的使用VB內(nèi)的控件快速編制程序。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，主要開發(fā)以繪制平均值-極差控制圖為主的程序設(shè)計(jì)功能。SPC軟件設(shè)計(jì)功能主要有質(zhì)量信息采集、數(shù)據(jù)計(jì)算處理、繪制平均值-極差控制圖三個部分組成，下面具體介紹一下各部分的功能是如何實(shí)現(xiàn)的。

1）質(zhì)量信息采集與錄入

在軟件設(shè)計(jì)中考慮到成本問題，質(zhì)量信息的采集主要依靠人工采集和手動錄入。相比傳感器等自動化設(shè)備而言，雖然人工采集時間長但是成本比較低，對比事后檢驗(yàn)法，已經(jīng)是一個質(zhì)的飛越，并不會造成時間上的巨大時差，這個與生產(chǎn)線的實(shí)時性有一定的區(qū)別。人工錄入數(shù)據(jù)主要包括產(chǎn)品、零部件名稱、尺寸、操作者個人信息等。數(shù)據(jù)輸入主要包括每組數(shù)據(jù)的添加，這里每組數(shù)據(jù)定為5個。編號和日期自動生成，并且可以對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理，如最大值、最小值、極差、平均值等，通過相關(guān)操作還能查看數(shù)據(jù)。輸入界面如圖3～圖5所示。

圖3 質(zhì)量信息采集與錄入

圖4 數(shù)據(jù)輸入

圖5 原始數(shù)據(jù)查看

2）數(shù)據(jù)計(jì)算處理

將輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，包括平均值、平均極差、標(biāo)準(zhǔn)偏差及工序能力指數(shù)CPk的計(jì)算。數(shù)據(jù)處理界面如圖6所示。

圖6 原始數(shù)據(jù)的計(jì)算處理

3）平均值-極差控制圖的繪制

根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量管控要求，繪制了平均值控制圖、極差控制圖和標(biāo)準(zhǔn)偏差控制圖，如圖7所示。

圖7 平均值—極差控制圖的繪制

為了圖像更加人性化和便于操作，在圖形區(qū)鼠標(biāo)會自動變成“+”形，單擊會顯示鼠標(biāo)所指點(diǎn)的坐標(biāo)。前面為橫坐標(biāo)（取整數(shù)），逗號后面為縱坐標(biāo)（取5位小數(shù)）。

5 結(jié)語

在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，應(yīng)用控制圖理論對生產(chǎn)過程進(jìn)行質(zhì)量控制，可以有效地降低廢品率，提高生產(chǎn)質(zhì)量從而節(jié)約生產(chǎn)成本。本文介紹了利用 Visual Basic軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和控制圖的繪制，大大減少了數(shù)據(jù)的計(jì)算和圖形的繪制，可以直觀地看到產(chǎn)品的生產(chǎn)是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。上述方法經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，能夠在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用，為生產(chǎn)質(zhì)量控制提供依據(jù)和保障。