零件加工中LabVIEW與質量控制技術的應用

劉冰潔 錢曉耀 胡獻華 洪 濤 王 宇

(中國計量學院質量與安全工程學院，浙江 杭州 310018)

0 引言

隨著我國經濟的持續增長，我國的汽車工業得到高速發展，對汽車零部件的需求量也飛速增長。作為汽車零部件，內燃機中滑動軸承墊圈的質量好壞直接影響到汽車的性能，所以必須保證滑動軸承墊圈的質量。根據國家標準GB/T 10447-2008規定，檢測精度要求厚度公差為 －0.05 mm、平面度公差為 +0.10 mm[1]。

為保證加工精度，通過測量分析可知，影響產品工序質量的原因大致可以分為兩種：一種是某種確定性的原因，另一種是偶然性的原因。在實際生產過程中，影響工序質量的5M1E，即人(men)、機器(machine)、材料(material)、方法(method)、測量(measurement)和環境(environment)等因素隨著持續生產而處于運動變化之中，即工序質量具有鮮明的動態特性。對此，本文選擇直接影響產品質量的關鍵工序進行監控，對滑動軸承墊圈厚度進行測量;并應用數理統計的原理和方法，在Excel中用6SQ統計插件進行SPC分析，分析工序質量的波動狀態，為后續質量分析改進提供依據。

1 系統設計

系統設計分為硬件裝置和軟件設計兩方面。硬件方面，滑動軸承墊圈厚度檢測系統如圖1所示。其中傳感器是北京京海泉傳感科技有限公司生產的差動變壓器(LVDT)直線位移傳感器;數據采集使用的是美國NI公司生產的NI USB-6008多功能數據采集卡。

圖1 檢測系統框圖Fig.1 Block diagram of the detecting system

軟件方面，使用LabVIEW 8.5軟件作為程序開發的編譯平臺。LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序以框圖的形式呈現，為實現儀器編程和數據采集系統提供了便捷的途徑。由于軟件內部已經有對應的數據采集卡驅動程序，因此，當與美國NI公司生產的數據采集卡進行通信采集時，系統工作效率大大提高[2－3]。

通過采集卡采集的數據可保存在指定的Excel表格中。Excel是微軟辦公套裝軟件的一個重要的組成部分，它可以進行各種數據的處理、統計分析和輔助決策操作，廣泛地應用于管理、統計財經、金融等眾多領域。在數據的SPC分析方面，系統采用的是Excel的6SQ統計插件。該插件可方便、快捷地對數據進行SPC各方面的分析，繪制直方圖、控制圖等圖形，是一個可以替代MiniTab、JMP等專業統計軟件大部分功能的統計插件[4－5]。

按模塊劃分，系統設計主要分為數據采集模塊、數據實時顯示與存儲模塊和數據SPC分析模塊三個模塊。

1.1 數據采集模塊

數據采集模塊的實現如下。

①對傳感器進行標定，傳感器的信號輸出端接到采集卡的模擬信號輸入端AI[i]上。

②把采集卡的高速USB接口插到上位機的主機上，采集卡上綠色指示燈開始閃爍，表明連接正常，數據采集卡可正常工作。

③ 打開LabVIEW 8.5程序，新建一個VI項目，在程序框圖中放置一個DAQ Assistant控件，并設置輸入信號類型、通道數和波特率等相應的參數，實現采集卡與上位機的通信，為之后的數據采集做好準備。

1.2 數據實時顯示與存儲模塊

數據實時顯示和存儲的界面在LabVIEW的編譯環境里進行，具體實現過程如下。

①首先，同時對三個通道進行數據采集，對DAQ Assistant的輸出信號進行拆分處理。運用拆分信號控件可以將三個通道的輸出信號分離開來。

②按照傳感器標定的結果，對采集卡的三個通道以及三個通道數據的平均值進行數值運算，使輸出對應滑動軸承墊圈厚度值。

③分別采用數組形式的數值顯示控件和波形圖形式的圖形顯示控件，對經過拆分后的三個信號進行顯示，達到實時顯示的效果。

④在系統前面板上放置文件路徑輸入控件，在程序框圖上放置寫入電子表格文件控件。這樣在運行系統時可選擇一個特定的Excel表格，并將采集的數據按照設定的方式保存。

系統程序框圖如圖2所示。

圖2 系統程序框圖Fig.2 Block diagram of system program

1.3 數據SPC分析

由于生產過程中工序質量特性值是不穩定的、隨機的，因此發現工序質量異常波動并對其原因進行分析需借助于數理統計的方法[6－7]。通常的做法是，從總體工序質量中取得一個隨機樣本，求得樣本統計值;然后與反映工序質量要求的控制界限相比較，對工序質量狀態作出推斷。這種方法已經在一些生產過程的產品質量監控中得到應用。系統中，SPC統計過程控制軟件部分具備以下功能。

①數據分析，即應用數理統計方法對采集到的數據進行分析處理，得到統計量。

②狀態監控，讀取滑動軸承墊圈厚度檢測系統采集到的數據，生成控制圖、直方圖等反映質量信息的圖形。

③工序能力的評估，即對受控工序進行工序能力指數的計算，并對其是否符合要求作出判斷。

為達到以上目標，系統選擇基于Excel的6SQ統計插件作為對采集數據進行SPC分析的功能實現軟件。在數據處理時，選中表格中的數據，選擇6SQ統計插件下SPC部分的均值極差控制圖，跳出一個設置參數的窗口，設置好規格限以及需要顯示的圖形信息后，點擊確定就可以得到數據SPC分析的結果，以及需要的控制圖、直方圖等圖形信息。根據SPC分析的結果，操作人員可以發現工序中的波動狀態，并采取相應的措施，改正不合格產品或者防止不合格產品的產生。

2 實例分析

為驗證該系統的可用性和可靠性，采用滑動軸承墊圈成品進行檢測。選用一組樣品(共30個)，其厚度測量數據如表1所示。

表1 測量數據Tab.1 Measurement data mm

對數據進行SPC分析，在6SQ統計插件中選擇SPC下的均值極差控制圖選項進行分析。首先，選定滑動軸承墊圈的厚度的規格限，并勾選相應的需要的圖形等選項，在設定好參數之后點擊確定就可以得到相應的結果。設計中，指定的滑動軸承墊圈厚度的規格上限為2.05 mm，規格中心為2 mm，規格下限為1.95 mm，選擇顯示規格限，包含水平直方圖。得到的結果如圖3所示。

圖3 均值控制圖和極差控制圖Fig.3 Mean and range control charts

圖3(a)中：UCL為均值控制圖控制上限，UCL=2.014 38 mm;X為均值控制圖控制中心，X=1.996 04 mm;LCL為均值控制圖控制下限，LCL=1.977 70 mm。圖3(b)中：UCL為極差控制圖控制上限，UCL=0.046 14 mm;R為極差控制圖控制中心，R=0.017 92 mm;LCL為極差控制圖控制下限，LCL=0。

由圖3(b)可以看出，有兩個點超出了控制上限，說明該工序是有問題的，工序存在不穩定因素且不受控。分析原因可能是滑動軸承墊圈在加工過程中的定位基準存在問題，導致生產的滑動軸承墊圈厚度存在一定質量缺陷。技術人員可就滑動軸承墊圈的加工工序進行進一步詳細的檢查，找出具體原因，并采取相應的改進措施，以提高以后的工序質量。

3 結束語

在測量滑動軸承墊圈厚度的設計中，將數據采集卡和LabVIEW環境相結合，應用于零件加工過程中的質量控制;在LabVIEW8.5軟件編譯平臺上設計了數據采集模塊、數據實時顯示與存儲模塊;應用Excel上的6SQ統計插件設計了數據SPC分析模塊，可繪制直方圖、控制圖等圖形。SPC分析模塊可預警工序中存在的不穩定因素，并采取相應的措施，改正或者防止不合格產品產生的問題。通過實例分析可以看出，該系統基本符合設計要求，可以實現對加工過程中產品的質量控制。

[1]國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 10447-2008滑動軸承半圓止推墊圈要素和公差[S].北京：中國標準出版社，2008.

[2]王吉平，趙哲，田克純，等.基于LabVIEW的通信測量技術研究[J].自動化與儀表，2011(1)：450 －461.

[3]楊建紅，房懷英.基于LabVIEW溫濕度復合測量系統的設計[J].自動化儀表，2007，28(9)：66 －68.

[4]Zimmerman S M，Icenogle M L.使用 EXCEL實施統計質量控制[M].2版.中國質量協會，譯.北京：機械工業出版社，2007.

[5]李文泉，趙文田，李文斌.統計過程控制技術SPC在煙草制絲生產中的應用[J].機械工程與自動化，2009(5)：116 －118.

[6]蔡雪兢，黃忠全，張穎，等.基于SPC的計算機自動判異的實現與應用[J].機械制造，2010，48(551)：63 －65.

[7]Li Cunrong，Yang Chunxia，Xiong Ping.Research and development on closed-loop SPC system in automobile components sector[C]//2009 World Congress on Software Engineering(WCSE 2009)，Software Engineering，2009：247 －250.