基于Excel/Minitab的大規(guī)模定制開放式交互質(zhì)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

權(quán)政，趙玲玲，徐濱，樊樹海

(1.南京工業(yè)大學(xué)工業(yè)工程系，江蘇南京 210009;2.MIT Quality Information Program “Data Quality & Info Security” Lab,Cambridge,MA,USA)

0 前言

大規(guī)模定制(Mass Customization,MC)是指以大規(guī)模生產(chǎn)的成本與速度，實(shí)現(xiàn)客戶定制化需求。制造型企業(yè)結(jié)合批量和定制2種生產(chǎn)模式特點(diǎn)，對定制產(chǎn)品進(jìn)行個(gè)別的大批量生產(chǎn)。在低成本的同時(shí)保證良好的產(chǎn)品質(zhì)量，穩(wěn)定的生產(chǎn)制程能力。MC生產(chǎn)的質(zhì)量控制體系建立在全面質(zhì)量管理的基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)控制。實(shí)時(shí)控制的關(guān)鍵在于快速的數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量工具的交互能力。數(shù)據(jù)處理方面，Excel具有低門檻、用戶交互界面優(yōu)和計(jì)算能力強(qiáng)等特點(diǎn)，利用它自帶的VBA開發(fā)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算的宏，在實(shí)際生產(chǎn)中便捷性高。在質(zhì)量統(tǒng)計(jì)工具方面，Minitab作為主流的跨平臺(tái)工具，擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、圖表功能以及一定的開放性，且操作簡便。但2個(gè)軟件獨(dú)立運(yùn)行，不能實(shí)時(shí)有效地滿足大規(guī)模定制生產(chǎn)質(zhì)量控制要求，因此需要對兩者進(jìn)行開放式交互：利用VBA交互系統(tǒng)，通過用戶自定義DDE實(shí)現(xiàn)Excel與Minitab的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，快速、低成本地考察產(chǎn)品生產(chǎn)整個(gè)過程的質(zhì)量水平。

大規(guī)模定制生產(chǎn)背景下，單一產(chǎn)品產(chǎn)生的質(zhì)量特性值數(shù)量少，無相似性信息，利用傳統(tǒng)質(zhì)量控制圖進(jìn)行過程質(zhì)量控制，會(huì)導(dǎo)致虛發(fā)警報(bào)過大，對微小偏差的檢測力弱和結(jié)果可靠性差等問題。因此本文作者采用基于統(tǒng)計(jì)量的自適應(yīng)移動(dòng)加權(quán)平均控制圖(AEWMAQ)，并利用VBA開發(fā)數(shù)據(jù)處理宏，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算功能。

1 基于Excel/Minitab的交互式質(zhì)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于Excel/Minitab的質(zhì)量管理交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案如圖1所示，通過中間件與底層的統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行鏈接。Minitab中有專門的質(zhì)量管理工具，可快速對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，且Minitab支持ODBC(Open Database Connectivity，開放式數(shù)據(jù)庫連接)與DDE(Dynamic Data Exchange，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換)協(xié)議與外部程序進(jìn)行交互。即：(1)ODBC作為接口，支持Minitab離線調(diào)用外部數(shù)據(jù)庫(如Microsoft Access，dBase等)；(2)通過DDE協(xié)議使Minitab與其他支持DDE的應(yīng)用程序之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)鏈接。Excel開發(fā)宏模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)算的同時(shí)，可以在其內(nèi)部通過VBA創(chuàng)建有效的DDE實(shí)現(xiàn)與Minitab的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈接。

圖1 質(zhì)量管理交互系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

離線調(diào)用外部數(shù)據(jù)庫無法實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制工具實(shí)時(shí)更新。因此文中重點(diǎn)研究以Excel為載入端的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換，當(dāng)Excel中的載入數(shù)據(jù)更改時(shí)，Minitab自動(dòng)更新對應(yīng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享,從而能夠更方便快速且低成本地監(jiān)測產(chǎn)品生產(chǎn)過程的質(zhì)量。

1.1 Excel/Minitab的動(dòng)態(tài)交互過程

Excel與Minitab間的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交互需要在Excel內(nèi)部通過VBA創(chuàng)建有效的DDE來實(shí)現(xiàn)。在Excel的菜單欄選擇開發(fā)工具>Visual Basic>工具>引用，在對話框中找到Minitab，如圖2所示，勾選后確定。

圖2 添加Minitab動(dòng)態(tài)鏈接庫到VBA

在VBA中編譯交互執(zhí)行程序，同時(shí)在Minitab中創(chuàng)建相應(yīng)的新鏈接，即可實(shí)現(xiàn)Minitab與Excel的數(shù)據(jù)共享，如圖3所示,Minitab中添加DDE鏈接的鍵入準(zhǔn)則如表1所示。

圖3 Minitab與Excel的鏈接創(chuàng)建窗口

表1 Minitab中添加DDE鏈接的鍵入準(zhǔn)則

1.2 數(shù)據(jù)自動(dòng)處理

利用Excel強(qiáng)大的計(jì)算功能，開發(fā)宏文件實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)量復(fù)雜的轉(zhuǎn)換過程，模塊設(shè)計(jì)如圖4所示。質(zhì)量管理人員可以通過簡單的數(shù)據(jù)錄入實(shí)現(xiàn)計(jì)算，開放式交互質(zhì)量管理系統(tǒng)實(shí)施流程如圖5所示。

圖4 模塊設(shè)計(jì)

圖5 開放式交互質(zhì)量管理系統(tǒng)實(shí)施流程

模塊的宏代碼如下：

Range("α1").Select ‘定位α1位置

ActiveCell.FormulaR1C1 ="=AVERAGE_(RC[-n]:RC(-1))" ‘求樣本均值

Selection.AutoFill Destination:=_

Range("α1:αm")‘遍歷樣本

Range("β1").Select

ActiveCell.FormulaR1C1 ="=VARP(RC[-n-1]:RC[-2])" ‘求樣本方差

Selection.AutoFill Destination:=Range("β1:βm")

Range("γ1").Select

ActiveCell.FormulaR1C1 =_ "=AVERAGE(R1C8:RC[-1])" ‘求S值

Selection.AutoFill Destination:=Range("γ1:γm")

Range("δ1").Select

ActiveCell.FormulaR1C1 ="=AVERAGE(R1C7:RC[-3])" ‘求平均均值

Selection.AutoFill Destination:_

=Range("δ1:δm"):Range("ε2").Select

ActiveCell.FormulaR1C1 = _"=SQRT((RC[-10]-1)*5/RC[-10])_

*(RC[-4]-R[-1]C[-1])/RC[-2]" ‘求常數(shù)項(xiàng)

Selection.AutoFill Destination:_

=Range("ε2:εm"):Range("ζ2").Select

ActiveCell.FormulaR1C1 = "=NORM.S.INV(T.DIST(RC[-1],4*RC[-11],1))" ‘求Q統(tǒng)計(jì)量

Selection.AutoFill Destination:_

=Range("ζ2:ζm")

注：樣本容量≥1，樣本量根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況設(shè)置。

2 模擬應(yīng)用示例

(1)采集模擬樣本數(shù)據(jù)。利用TURNSIM仿真軟件設(shè)置影響某制造型企業(yè)工廠內(nèi)的特殊原因(文中為：切割速度、進(jìn)料速度、設(shè)定人員、操作人員、工具型態(tài)、工具條件、深度、機(jī)器、測量工具、傾斜角度，共10項(xiàng)，其中有幾項(xiàng)處于活動(dòng)狀態(tài)，即生產(chǎn)處于異常失控),TURNSIM程序系統(tǒng)界面如圖6所示。將產(chǎn)品置于計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境中模擬生產(chǎn)，由仿真系統(tǒng)產(chǎn)生一組產(chǎn)品預(yù)期質(zhì)量數(shù)據(jù)。由于大規(guī)模定制生產(chǎn)模式的產(chǎn)品生產(chǎn)批量小，故設(shè)定此次模擬實(shí)例預(yù)期生成大小為=5的21個(gè)子組。

圖6 TURNSIM程序系統(tǒng)界面

(2)將TURNSIM仿真軟件模擬生成的21個(gè)子組數(shù)據(jù)源導(dǎo)入Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，Minitab首先自動(dòng)繪制出I-MR控制圖，如圖7所示?？煽闯觯嚎刂茍D內(nèi)各點(diǎn)皆處于管制限內(nèi)，雖然最后幾點(diǎn)處于連續(xù)上揚(yáng)的狀態(tài)，但根據(jù)8條判異準(zhǔn)則，沒有發(fā)現(xiàn)問題，只能判斷生產(chǎn)正常。

圖7 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)的I-MR控制圖

(3)為能更直觀地考察改進(jìn)后的EWMA控制圖的預(yù)測精度，選取=0.2、=2.962為控制圖參數(shù)，繪制EWMA控制圖。如圖8所示：控制圖中第1～16個(gè)產(chǎn)品樣本生產(chǎn)都處于受控狀態(tài)，但從第17個(gè)樣本起，產(chǎn)品的檢測值處于連續(xù)上揚(yáng)的狀態(tài)，同時(shí)在最后一點(diǎn)超出控制限，故判斷此生產(chǎn)處于異常。

圖8 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)的EWMA控制圖

(4)由于此實(shí)驗(yàn)組是大小為=5的21個(gè)子組，根據(jù)AEWMAQ控制圖中統(tǒng)計(jì)量轉(zhuǎn)換條件，應(yīng)選擇參數(shù)情況未知統(tǒng)計(jì)量的轉(zhuǎn)換公式，如式(1)所示：

(1)

EWMA控制圖監(jiān)測微小偏移的靈敏性高，能夠迅速監(jiān)測參數(shù)變化情況。但當(dāng)過程參數(shù)偏移相對中等或較大時(shí)，其監(jiān)測能力較差。文中對AEWMAQ控制圖進(jìn)行了改進(jìn)：

(2)

下面給出()的表達(dá)式：

(3)

式中:∈(0,1];> 0。通過公式估算出AEWMAQ控制圖的=0.085，=0.129，=0.473，=-0.303。繪制出分析用AEWMAQ控制圖，如圖9所示。10號(hào)、12號(hào)樣本已超過下控制限，且19號(hào)～21號(hào)樣本也超過上控制限。

圖9 經(jīng)過統(tǒng)計(jì)變換后的改進(jìn)型AEWMAQ控制圖

通過分析I-MR控制圖、EWMA控制圖及AEWMAQ控制圖，可發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)由于經(jīng)過統(tǒng)計(jì)量的轉(zhuǎn)換，控制界限會(huì)變窄，監(jiān)測更嚴(yán)格，故異常點(diǎn)增多，生產(chǎn)更快處于異常情況。再采用FMEA故障分析法診斷引起該異常模式的誤差源，當(dāng)誤差源被消除后，仍需要隨機(jī)間歇性取樣，隨時(shí)監(jiān)控是否發(fā)生異常。

3 結(jié)束語

針對制造型企業(yè)采用大規(guī)模定制生產(chǎn)模式的特點(diǎn)，提出改進(jìn)型AEWMAQ控制圖，更有效地對該生產(chǎn)模式進(jìn)行過程質(zhì)量控制。使用TURNSIM仿真系統(tǒng)模擬相關(guān)數(shù)據(jù)，利用VBA開發(fā)計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)自動(dòng)處理。為更好地實(shí)現(xiàn)監(jiān)控效果，通過VBA編譯交互程序，實(shí)現(xiàn)Excel與Minitab軟件動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)共享，并設(shè)計(jì)出基于Excel/Minitab的交互式質(zhì)量控制系統(tǒng)。應(yīng)用案例驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性以及AEWMAQ控制圖較傳統(tǒng)控制圖具有更高的靈敏性和預(yù)測能力。

將該系統(tǒng)運(yùn)用于大規(guī)模定制生產(chǎn)的過程質(zhì)量控制中，提升了質(zhì)量監(jiān)控的便捷性，同時(shí)降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，為大規(guī)模定制類型的生產(chǎn)企業(yè)提供了解決質(zhì)量控制難題的思路。