數控機床實現在線SPC質量控制功能的方法

薛 剛 陳 禹

(上海機床廠有限公司 上海 200093)

SPC軟件是一種科學的、以數據為依據的質量分析與改進工具。它利用數理統計原理，通過檢測資料的收集和分析，可以達到“事前預防”的效果，有效控制生產過程和不斷改進品質，為企業科學地區分生產過程中的正常波動與異常波動,及時地發現異常狀況，以便采取措施消除異常，恢復過程的穩定，達到降低質量成本，提高產品質量的目的，它強調全過程的預防[1]。

今天的制造商越來越依賴自動化、機械、設備和技術的組合，以更快地產出產品。隨著制造能力的增長，制造商需要一種方法，以提高它們的質量控制能力，同時縮減組織的質量總成本。傳統SPC讓制造商了解哪些產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車間應用SPC的技術。SPC實時地收集產品和過程信息，將警報、觸發器以及其它事件管理工具反饋給操作工和管理者，使缺陷產品在離開車間前能快速控制和修復他們，保證生產高效正常地運轉。

現在的數控系統向著開放式結構發展，而對開放式數控系統的二次開發成為當今數控技術的又一亮點，用戶可以通過二次開發把自己的功能模塊集成到系統中，從而擴展數控機床的功能。基于二次開發，可以輕松的將SPC集成到數控中去，實現機床加工過程在線質量控制，迅速處理品質，實時有效地控制生產過程。

整套系統使用發那科0I-TF系統開發，該系列平時裝機量較大，性價比高，對其開發使用價值很高。數控系統和在線測量儀硬件，通過二次軟件開發，將NC加工程序協同配合實現在線SPC功能。

1 硬件配置

實現在線SPC控制的硬件主要有發那科0I-TF和馬波斯P7量儀，如圖1所示。

圖1 硬件配置

數控系統和量儀之間采用 PROFIBUS總線連接，PROFIBUS總線以其較快的傳輸速度和強抗干擾能力使其廣泛應用。運用它，還可以提高以后設備的擴展性和互換性。使開發的功能可運用到不同的數控系統和測量設備中。把發那科0I-TF系統設為主站，量儀設為從站來進行通訊，這樣機床的PMC就可以通過PROFIBUS總線來進行量儀的動作控制。P7量儀的校準、測量項目選擇、測量啟動等也通過總線來進行操作。

2 數控系統二次開發的任務

為了實現在線SPC控制，對數控系統進行二次開發，其任務如下：

（1）對P7量儀提供的相關加工測量數據進行實時采集，并按規定的數據結構送到指定數控系統存儲區。

（2）在數控系統上開發軟件的窗口界面，用來對零件的信息和采集規則等進行輸入和顯示。

（3）運用數控系統二次開發平臺讀取所存儲的數據，并在NC顯示器上生成相對應的SPC控制圖，進行過程能力診斷。

（4）根據質量不穩定判定條件，對相關批次工件發出提示，對加工超差工件進行報警提示處理。

3 開發工具

采用的開發工具為發那科C語言執行器和發那科宏執行器，其中發那科C語言執行器是Fanuc眾多二次開發工具之一，可以實現比其他二次開發平臺更多的功能，一般用于應對復雜的需求，特別是專機類或者算法要求較高的場合。而發那科宏執行器具有開發方便、成本低、速度快、運行穩定等特點[2]。

4 功能實施

根據上述兩種開發工具的各自特點，揚長避短,在開發中同時運用，實現功能開發。圖2給出相應的功能開發分配。

圖2 開發功能分配

4.1 質量數據采集

加工質量相關數據使用線后量儀在加工結束后馬上在線采集，通過NC加工程序去驅動PMC對量儀進行數據采集動作和數值處理，在加工程序中加入采集數據的NC程序段：

M31； 量儀進

M14； 測量允許

#610=#5001-#600； 測量數據處理

#990=2； 啟動記錄

M33； 等待記錄完成

M32； 量儀退

然后運用發那科的宏執行器進行后臺實時功能處理，并送到指定位置，如PMC數據表、其他CNC可讀寫的存儲區域。由于數據量較大，本項目數據存儲到發那科的P-Code變量里。

數據采集原則：按每次連續5件零件為1組，采取25組進行繪圖；采集數據時間間隔可以調整；子組數的大小也可由用戶自行進行設定。

4.2 數據的處理

使用宏執行器和 PMC對采集的數據進行處理并進行機床端的報警和提示。系統檢測到超差就會發出報警，機床報警后停止連續加工。

部分宏程序如下：

4.3 SPC界面顯示（數控系統端）

系統的界面和數值計算使用發那科C語言執行器來開發，它基于 ANSI標準的 C語言標準庫和MS-C擴展C語言標準庫，還提供了MS-C圖形函數、C執行器獨有圖形函數等。運用這些豐富的內置函數來處理界面開發和數值計算等功能。把用C語言設計的人機界面嵌入到C語言執行器系統，并且利用 VC++ 環境中建立的動態語言鏈接庫實現軟件文本內容的讀取，最終把特有的功能模塊集成到CNC控制系統中。

4.3.1 參數的輸入

參數的輸入有零件名稱、零件號、工序名稱、工程規范、設備名稱、操作者、樣本容量等信息項，工件參數輸入界面如圖3所示。

圖3 工件參數配置

由于數控系統限制，界面錄入只能錄入英文和數字。對應的數據全部寫入到規劃好的P-Code變量里，如圖4所示。

圖4 數據配置

部分的讀取參數變量的C語言代碼：

4.3.2 不穩定判定與報警處理

質量控制出現不穩定的情況，可以選擇繼續加工或者調整后重新開始統計。

質量不穩定判定條件為：

（1）1點在控制界限外或恰在控制界限上；

（2）連續9點落在中心線同一側；

（3）連續6點遞增或遞減；

（4）連續14點中相鄰點交替上下；

（5）連續3點中有2點落在同一側的極限區附近；

（6）連續5點中有4點落在中心線同一側的中心區以外；

（7）連續15點落在中心線的兩側中心區附近；

（8）連續8點落在中心線兩側，且無1點在中心區內。

上述判定準則的軟件界面如圖5所示。

圖5 判定準則

用戶可以在上述判定條件范圍內，根據一定的授權安全等級條件自行修改限制數值。

可以按照所列的條件進行判斷，達到不穩定情況觸發系統報警。

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定狀態所使用的帶有控制界面的圖，它是對過程質量加以測定、記錄從而進行控制管理的一種用科學方法設計的圖，是SPC技術的核心工具。X為各組零件的數據平均值，R為各組零件數據極差，根據圖表數據運用 C語言執行器的計算函數計算Cp/Cpk、UCL/LCL等。

在正常生產的情況下，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。

根據采集數據繪制X管制圖和R管制圖，并將全部數據整合在 CNC界面中顯示，顯示圖標范例如圖6所示。

圖6 Xbar-R圖

5 結語

在傳統機加工生產模式下，產品的質量檢驗都是由工人操作量具進行首檢、巡檢，從而來實現質量的控制，這種方法的缺陷是檢測滯后，查出不合格時，可能已生產了大批零件，只是事后矯正，沒有預防，不能保證100%的合格品。

通過對數控系統的二次開發，成功的在系統中嵌入了SPC功能，通過在機床上安裝量儀，實現了實時在線的SPC功能，收集產品和過程信息，將警報、觸發器以及其它事件管理工具反饋給操作工和管理者，以便在缺陷產品在離開車間前能快速控制和修復他們，保證生產高效正常地運轉。