過程監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

楊更青

（中國重汽集團大同齒輪有限公司， 山西 大同 037305）

引言

為實現(xiàn)質(zhì)量效益的根本性轉(zhuǎn)變和突破，切實轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，創(chuàng)造發(fā)展新優(yōu)勢。在開展“質(zhì)量提升年”的前提下，用戶對產(chǎn)品質(zhì)量水平要求的不斷提高，生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、有效分析的準確性、及時性變得尤為重要。無線量具相對于有線量具及普通量具具有組網(wǎng)更加靈活、網(wǎng)絡(luò)擴展性能好、易于維護等優(yōu)點[1-2]，隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)在測量系統(tǒng)中正在逐步替代有線網(wǎng)絡(luò)，成為測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟豢苫蛉钡妮d體。

1 現(xiàn)狀描述

目前生產(chǎn)線檢驗使用傳統(tǒng)量具進行檢驗，主要面臨問題如下：

1）目前生產(chǎn)過程的首檢記錄、操作工自檢記錄是手工紙質(zhì)記錄，記錄者手上的油水污染影響手工記錄效率，筆跡影響準確性。且記錄紙易污損，不利于數(shù)據(jù)保存。

2）現(xiàn)有紙質(zhì)檢測記錄不能有效地利用，紙質(zhì)記錄追溯檢驗數(shù)據(jù)費時費力；對數(shù)據(jù)進行分析時需要將紙質(zhì)記錄二次輸入到計算機中，記錄字體和輸入過程易出現(xiàn)錯誤。

3）操作工自檢存在不按檢測頻次進行檢驗及記錄的問題，現(xiàn)有紙質(zhì)記錄不便于檢查監(jiān)督。

4）使用數(shù)字量具和無線傳輸裝置建立無線測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄及時準確，為數(shù)據(jù)分析和檢查監(jiān)督提供支撐。

5）以副軸磨工線為例，工序自檢項目共25 處，檢驗加記錄需用時10 min，耗時耗力。

2 過程監(jiān)測系統(tǒng)方案

2.1 過程監(jiān)測系統(tǒng)硬件配置方案

選用帶有數(shù)據(jù)傳輸功能的數(shù)顯量具，數(shù)據(jù)可直接輸入電腦，相對于普通有線數(shù)據(jù)傳輸方式，無線數(shù)據(jù)傳輸具備傳輸距離遠、操作簡單等優(yōu)勢，最終選定帶有無線傳輸功能的數(shù)顯量具建立過程監(jiān)測系統(tǒng)[3]。

為建立可靠有效的無線傳輸系統(tǒng)，在國內(nèi)、外共選取了多家廠家進行效果驗證[4]。要求量具具備以下功能：

1）操作工可直接通過量具自帶的液晶屏幕讀取尺寸，檢驗完成后可以依靠無線發(fā)射裝置直接傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端；

2）無線網(wǎng)絡(luò)建立后，可覆蓋至少20 m 半徑的范圍，在范圍內(nèi)的所有具備無線發(fā)射裝置的量具都可以直接傳輸?shù)綌?shù)據(jù)終端；

3）數(shù)據(jù)發(fā)射后，在量具上必須有數(shù)據(jù)傳輸成功的聲光反饋提醒操作工，保證數(shù)據(jù)傳輸有效性；

4）量具使用穩(wěn)定可靠，可在現(xiàn)場存在切削油和冷卻液的情況下穩(wěn)定工作。

以副軸磨工線和齒輪自動化加工線為例，典型的量具配置分布如下頁圖1 所示。

圖1-1 所示為副軸磨工線典型的量具配置。副軸磨工線設(shè)備包含數(shù)控外圓磨床4 臺、普通外圓磨床2 臺、加工中心3 臺，負責副軸熱后4 道加工工序；過程監(jiān)測系統(tǒng)包含電腦1 臺、接收器1 個、中繼器(AP)2 個、無線量具及配套發(fā)射器23 個。

圖1-2 所示為齒輪自動化加工線的量具配置。齒輪自動化設(shè)備包含數(shù)控滾齒機2 臺，數(shù)控剃齒機1臺，數(shù)控倒棱機1 臺，標記機1 臺，負責齒輪的制齒工序；過程監(jiān)測系統(tǒng)包含電腦1 臺、接收器1 個、無線量具及配套發(fā)射器4 個。

2.2 過程監(jiān)測系統(tǒng)軟件方案

為滿足通過無線量具測量數(shù)據(jù)，生成首件單、自檢單，利用無線采集軟件對數(shù)據(jù)進行初步分析，得到Cpk 數(shù)據(jù)及控制圖，以提前識別廢損出現(xiàn)的可能，提升產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的目標，需要編制一套適合公司當前需要的軟件系統(tǒng)，軟件系統(tǒng)需要具備以下功能：

圖1 典型生產(chǎn)線量具配置

1）無線采集軟件能夠與數(shù)字量具及無線傳輸裝置配合，實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)實時記錄、自動傳輸、自動記錄(檢驗數(shù)據(jù)自動記錄到對應(yīng)要求表格中)；

2）在機加工生產(chǎn)線現(xiàn)場建立數(shù)字化首檢點，可利用電子量具完成首檢工作，自動形成電子首檢單；

3）軟件支持現(xiàn)場質(zhì)量數(shù)據(jù)網(wǎng)上實時遠程監(jiān)控，可以對本批次產(chǎn)品Cpk 數(shù)據(jù)及抽檢頻次進行監(jiān)控；

4）電子化的檢驗數(shù)據(jù)能夠用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，可以自動生成Xbar-R 等控制圖，為過程調(diào)整和質(zhì)量改進提供支持。

根據(jù)以上要求，系統(tǒng)采用Visual Studio IDE 環(huán)境編寫，應(yīng)用Microsoft.NET Framework 4 架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫使用SQL Server 2008 R2。按照生產(chǎn)線、物料、工序、檢測項、量具編號、技術(shù)要求、公稱值、上差、下差、檢測頻次、檢驗分類等進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)多檢測計劃自動流轉(zhuǎn)的目的，軟件具備數(shù)據(jù)自動采集分類、數(shù)據(jù)分析（生成Xbar-R 圖、Cpk 等）、聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)查看，各種檢驗單自動生成等功能。

發(fā)射器設(shè)備具備唯一序列號，為遵循數(shù)據(jù)幀長度不增加的原則（增加長度將增加電池耗電），加入序列號就需對原始數(shù)據(jù)長度進行壓縮，所以以“BCD碼”顯示所采集的數(shù)據(jù)。另外對于檢測儀器的接收器存在緩存數(shù)據(jù)的問題，通過用一個字節(jié)從0 到255循環(huán)計數(shù)的方式實現(xiàn)。

ANT 數(shù)據(jù)格式（每幀13 字節(jié)）:

U1—U8 為8 字節(jié)測量數(shù)據(jù)，其他5 字節(jié)為ANT 協(xié)議數(shù)據(jù)。

U1：b7：類型位，0= 請求發(fā)送，1= 主動發(fā)送；b6—b4：中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的中繼編號；b3：符號位，0=正，1=負；b2—b0：小數(shù)位數(shù)，2=兩位小數(shù)，3=三位小數(shù)，4=四位小數(shù)，5=五位小數(shù)。

U2—U4：發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備編號，即發(fā)射器唯一ID 號。

U5：采樣點數(shù)，滿256 個點自動清0（作用類似時間戳）。

U6—U8: 采樣數(shù)據(jù)的BCD 碼（3 字節(jié)共6 個BCD 碼）；CS：校驗和，前面12 字節(jié)的異或結(jié)果。

WIFI 數(shù)據(jù)格式（每幀11 字節(jié)）：

SN：幀序號；

U1：b7：類型位，0= 請求發(fā)送，1= 主動發(fā)送；b6—b4：中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的中繼編號；b3：符號位，0=正，1=負；b2—b0：小數(shù)位數(shù)，2=兩位小數(shù)，3=三位小數(shù)，4=四位小數(shù)，5=五位小數(shù)。

U2—U4：發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備編號，即發(fā)射器唯一ID 號。

U5：采樣點數(shù)，滿256 個點自動清0（作用類似時間戳）。U6—U8：采樣數(shù)據(jù)的BCD 碼（3 字節(jié)共6個BCD 碼）；CS：校驗和，前面9 字節(jié)的異或結(jié)果。成功接收一幀數(shù)據(jù)后應(yīng)回復確認。

形成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的設(shè)計上，按照生產(chǎn)線、工位、物料、工序、檢測項、量具編號、技術(shù)要求、公稱值、上差、下差、檢測頻次、檢驗分類等進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)多檢測計劃自動流轉(zhuǎn)的目的。

以副軸齒輪自動化線作為無線測量系統(tǒng)樣板線，如下頁表1 所示，實現(xiàn)了滾齒公法線尺寸、剃齒M值尺寸等項目的無線數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)分析。

由于量具的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不盡相同，因此在數(shù)據(jù)采集窗口的設(shè)計上采用多個窗口分離的開發(fā)模式，這樣可以有效避免接收器狀態(tài)的混淆。

3 過程監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用及推廣

過程監(jiān)測系統(tǒng)的實施達到以下成果：

1）減少零件自檢時間，檢驗并記錄用時減少70%，自動生成自檢檢驗結(jié)果，并對數(shù)據(jù)進行初步計算，生成Cpk 數(shù)據(jù)。自動生成的自檢記錄表如下頁圖2 所示。

2）利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)可自動生成如下頁圖3 所示的首件單：判定檢驗結(jié)果，記錄首檢生成時間，可有效減少現(xiàn)場檢驗人員數(shù)量。

3）現(xiàn)場數(shù)據(jù)無線采集，利于實現(xiàn)過程質(zhì)量實時監(jiān)控。控制中心對數(shù)據(jù)進行有效分析，提前識別廢損出現(xiàn)的可能，便于工程師團隊及時查找和分析問題點，實現(xiàn)實時分析及遠程監(jiān)控。利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動生成的Xbar-R 圖如圖4 所示。

4）數(shù)據(jù)保存系統(tǒng)服務(wù)器內(nèi)，任一連入公司局域網(wǎng)的電腦都可以實時看到數(shù)據(jù)，可以自動判定檢驗數(shù)據(jù)和檢驗頻次是否滿足工藝要求，如圖5 所示檢驗情況實時狀態(tài)，便于管理人員對現(xiàn)場操作工檢驗過程的考核檢查。

5）所有數(shù)據(jù)可以保存在公司DIC 系統(tǒng)服務(wù)器內(nèi)，不存在數(shù)據(jù)丟失風險，便于質(zhì)量問題的追溯和分析。

現(xiàn)過程監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋21 條生產(chǎn)線，并逐步實現(xiàn)在所有生產(chǎn)線的推廣應(yīng)用。預計全部覆蓋后可減少20 個檢查員，按每個檢查員年工資7 萬元計算，每年僅工資費用可減少至少140 萬元。

表1 副軸齒輪自動化線的無線測量數(shù)據(jù)及分析

圖2 副軸四擋齒輪的自檢記錄

圖3 副軸的首件單

圖4 利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)自動生成的Xbar-R 圖

圖5 檢驗情況實時狀態(tài)