基于Excel/Minitab的大規模定制開放式交互質量控制系統設計

權政，趙玲玲，徐濱，樊樹海

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

0 前言

大規模定制(Mass Customization,MC)是指以大規模生產的成本與速度，實現客戶定制化需求。制造型企業結合批量和定制2種生產模式特點，對定制產品進行個別的大批量生產。在低成本的同時保證良好的產品質量，穩定的生產制程能力。MC生產的質量控制體系建立在全面質量管理的基礎上，強調實時控制。實時控制的關鍵在于快速的數據處理與質量工具的交互能力。數據處理方面，Excel具有低門檻、用戶交互界面優和計算能力強等特點，利用它自帶的VBA開發可實現自動計算的宏，在實際生產中便捷性高。在質量統計工具方面，Minitab作為主流的跨平臺工具，擁有強大的數據處理能力、圖表功能以及一定的開放性，且操作簡便。但2個軟件獨立運行，不能實時有效地滿足大規模定制生產質量控制要求，因此需要對兩者進行開放式交互：利用VBA交互系統，通過用戶自定義DDE實現Excel與Minitab的數據實時共享，快速、低成本地考察產品生產整個過程的質量水平。

大規模定制生產背景下，單一產品產生的質量特性值數量少，無相似性信息，利用傳統質量控制圖進行過程質量控制，會導致虛發警報過大，對微小偏差的檢測力弱和結果可靠性差等問題。因此本文作者采用基于統計量的自適應移動加權平均控制圖(AEWMAQ)，并利用VBA開發數據處理宏，實現自動計算功能。

1 基于Excel/Minitab的交互式質量控制系統設計

基于Excel/Minitab的質量管理交互系統設計總體方案如圖1所示，通過中間件與底層的統計軟件進行鏈接。Minitab中有專門的質量管理工具，可快速對數據進行統計分析，且Minitab支持ODBC(Open Database Connectivity，開放式數據庫連接)與DDE(Dynamic Data Exchange，動態數據交換)協議與外部程序進行交互。即：(1)ODBC作為接口，支持Minitab離線調用外部數據庫(如Microsoft Access，dBase等)；(2)通過DDE協議使Minitab與其他支持DDE的應用程序之間實現動態數據鏈接。Excel開發宏模塊實現實時運算的同時，可以在其內部通過VBA創建有效的DDE實現與Minitab的實時數據鏈接。

圖1 質量管理交互系統結構

離線調用外部數據庫無法實現質量控制工具實時更新。因此文中重點研究以Excel為載入端的動態數據交換，當Excel中的載入數據更改時，Minitab自動更新對應數據，實現動態的實時數據共享,從而能夠更方便快速且低成本地監測產品生產過程的質量。

1.1 Excel/Minitab的動態交互過程

Excel與Minitab間的數據動態交互需要在Excel內部通過VBA創建有效的DDE來實現。在Excel的菜單欄選擇開發工具>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動態鏈接庫到VBA

在VBA中編譯交互執行程序，同時在Minitab中創建相應的新鏈接，即可實現Minitab與Excel的數據共享，如圖3所示,Minitab中添加DDE鏈接的鍵入準則如表1所示。

圖3 Minitab與Excel的鏈接創建窗口

表1 Minitab中添加DDE鏈接的鍵入準則

1.2 數據自動處理

利用Excel強大的計算功能，開發宏文件實現統計量復雜的轉換過程，模塊設計如圖4所示。質量管理人員可以通過簡單的數據錄入實現計算，開放式交互質量管理系統實施流程如圖5所示。

圖4 模塊設計

圖5 開放式交互質量管理系統實施流程

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]" ‘求常數項

Selection.AutoFill Destination:_

=Range("ε2:εm"):Range("ζ2").Select

ActiveCell.FormulaR1C1 = "=NORM.S.INV(T.DIST(RC[-1],4*RC[-11],1))" ‘求Q統計量

Selection.AutoFill Destination:_

=Range("ζ2:ζm")

注：樣本容量≥1，樣本量根據實際生產情況設置。

2 模擬應用示例

(1)采集模擬樣本數據。利用TURNSIM仿真軟件設置影響某制造型企業工廠內的特殊原因(文中為：切割速度、進料速度、設定人員、操作人員、工具型態、工具條件、深度、機器、測量工具、傾斜角度，共10項，其中有幾項處于活動狀態，即生產處于異常失控),TURNSIM程序系統界面如圖6所示。將產品置于計算機仿真環境中模擬生產，由仿真系統產生一組產品預期質量數據。由于大規模定制生產模式的產品生產批量小，故設定此次模擬實例預期生成大小為=5的21個子組。

圖6 TURNSIM程序系統界面

(2)將TURNSIM仿真軟件模擬生成的21個子組數據源導入Excel對數據進行處理，Minitab首先自動繪制出I-MR控制圖，如圖7所示。可看出：控制圖內各點皆處于管制限內，雖然最后幾點處于連續上揚的狀態，但根據8條判異準則，沒有發現問題，只能判斷生產正常。

圖7 仿真實驗模擬數據的I-MR控制圖

(3)為能更直觀地考察改進后的EWMA控制圖的預測精度，選取=0.2、=2.962為控制圖參數，繪制EWMA控制圖。如圖8所示：控制圖中第1～16個產品樣本生產都處于受控狀態，但從第17個樣本起，產品的檢測值處于連續上揚的狀態，同時在最后一點超出控制限，故判斷此生產處于異常。

圖8 仿真實驗模擬數據的EWMA控制圖

(4)由于此實驗組是大小為=5的21個子組，根據AEWMAQ控制圖中統計量轉換條件，應選擇參數情況未知統計量的轉換公式，如式(1)所示：

(1)

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

(2)

下面給出()的表達式：

(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、12號樣本已超過下控制限，且19號～21號樣本也超過上控制限。

圖9 經過統計變換后的改進型AEWMAQ控制圖

通過分析I-MR控制圖、EWMA控制圖及AEWMAQ控制圖，可發現數據由于經過統計量的轉換，控制界限會變窄，監測更嚴格，故異常點增多，生產更快處于異常情況。再采用FMEA故障分析法診斷引起該異常模式的誤差源，當誤差源被消除后，仍需要隨機間歇性取樣，隨時監控是否發生異常。

3 結束語

針對制造型企業采用大規模定制生產模式的特點，提出改進型AEWMAQ控制圖，更有效地對該生產模式進行過程質量控制。使用TURNSIM仿真系統模擬相關數據，利用VBA開發計算程序，實現數據實時自動處理。為更好地實現監控效果，通過VBA編譯交互程序，實現Excel與Minitab軟件動態的數據共享，并設計出基于Excel/Minitab的交互式質量控制系統。應用案例驗證了該系統的可行性以及AEWMAQ控制圖較傳統控制圖具有更高的靈敏性和預測能力。

將該系統運用于大規模定制生產的過程質量控制中，提升了質量監控的便捷性，同時降低了企業的生產成本，為大規模定制類型的生產企業提供了解決質量控制難題的思路。