發動機缸體加工過程動態SPC 質量控製係統設計
2019-1-2 來源：合肥工業大學機械與汽車工程學院 作者：孫（sūn） 迪
摘要:針對發動機缸（gāng）體加（jiā）工過程質量控製問題,首先分析了發動機缸體加工工藝,並對（duì）關鍵（jiàn）質量控製點進行了闡述;其次,在分析缸體機加（jiā）工過程實時數據采集流（liú）程的基礎上,建立了一套動態SPC 控製係統(Dynamic SPC,D_SPC);然後,詳細闡述了D_SPC 的硬件架（jià）構和軟件架（jià）構,並介紹了D_SPC 質量控製係統的功能模塊。最後,以缸孔孔徑（jìng）的（de）測量為例,說（shuō）明了該係統（tǒng）可以有效地解決缸體機加工過程的質量控製問題。
關鍵詞:發動機缸體加工;統（tǒng）計過程控製;質量控製係統;實時監（jiān）控
0 引言
發動機（jī）缸體的機加（jiā）工質量（liàng）是發動機最終質量的重要保障,其質量的優劣,是衡量一個發動機裝（zhuāng）配性能和運行可靠性的（de）重要指標[1] 。在缸（gāng）體製造過程（chéng）中（zhōng）,產品製造質量管控能夠對產品的生產質（zhì）量起到在（zài）線監測（cè）、把關、預防、改善的作用（yòng）。統計過程控製(StatisticalProcess Control,SPC)則為產品的質量分析和控製提供了方法支持[2] 。通過SPC 控製圖可及時甄別出生產過程出現的異常趨勢,根據不同的判異規則,及時找出異常發生的具（jù）體原因並加以排除,保證產品不在有異常的環境下（xià）完成生產,從而保證產（chǎn）品質量。由此可（kě）見,要想提高發動（dòng）機缸體加工過程質量（liàng）,必須提升機（jī）加工過程的質量控製水平。
為（wéi）此,國內外學者從不同角度對製造過程質量監控做了大量研究。綜合（hé）運（yùn）用神經網絡、統計過程等理論與（yǔ）技術,薑興（xìng）宇等[3] 利用一種動態工（gōng）序質量控製模式用以解決網絡化製造環境下工序質量難以控製的問（wèn）題。ALANEME K K 等[4] 從SPC 動態控製、模糊綜合評（píng）判和專家知識庫等方麵綜述了質量管理,分析了（le）製造過程中質量異（yì）常控製等方麵的（de）處理技術。翟敬梅等[5] 提出了一種基於質量統計控製和粗糙集理論的質量集成模型,並發展了一（yī）種（zhǒng）工（gōng）序質量（liàng）診斷模型,用以研（yán）究生產參數在工序質量控製過程中的重要性。針對質量診斷過程中出現的不確（què）定、模糊性問（wèn）題,侯世旺等[6]提出了一種質量推理係統,利用模糊（hú）邏輯確定質量診斷過程中質量異常發生的（de）程度。基於標準化（huà）樣（yàng）本方（fāng）差和霍特林模型,趙永（yǒng）滿等（děng）[7] 提出了一種聯合控製圖,用於監控質（zhì）量二元過程中均值向量和協方差的變（biàn）異（yì）。為了讓傳統的計（jì）算機輔助質量係統實現質量過程控製、隨業務需求（qiú）改變而柔性重構的功能,李成等[8] 提出了一種基於工作流程模型的質量係統體係（xì）結（jié）構。劉春雷（léi）等[9] 針對傳統質量控製方（fāng）法在解決小批量生（shēng）產中的局限性問題,提出了一種工序控製係統,應用於製造過程的質量預防、診斷與分析改進。
上述研究為製造過程質量控製提供（gòng）了方法和技術支撐。動態製造過程質量控製方法可以（yǐ）很好地（dì）解（jiě）決產品製造過程的質量控製問題,提升產品的質量和（hé）生（shēng）產過程穩定性。複雜產品的製造過程質量控（kòng）製是質量控製的重點（diǎn）和難點,為此本文（wén）以（yǐ）發動機缸體機加工過程質量控製為例（lì）,運用動態SPC 質量控製係統來提升其製造（zào）過程（chéng）質量。
1、缸（gāng）體（tǐ）加工過（guò）程及參數分析
發動機缸體作為發動機的關鍵組成部（bù）件,其加工圖（tú）2 D_SPC 的數據庫模（mó）型過程由多道工序完成,每道（dào）工序具（jù）有繁多的質量控製特性需（xū）要進行分別（bié）控製。缸體在完成粗加工後,依次經過以下操（cāo）作過（guò）程:①缸體產品出生證(唯一編碼)打刻,方便（biàn）後（hòu）期的質量數據采集（jí）、分析和追溯;②缸體清洗,然後進（jìn）行缸體（tǐ）的油道試漏（lòu）檢測,主要包括（kuò）壓（yā）力測試、泄漏量測試等;③曲（qǔ）軸蓋螺栓（shuān）擰緊,控製10 個曲軸蓋螺栓的力矩和轉（zhuǎn）角;④缸孔綜合測量,主（zhǔ）要是對（duì）上遊工序的綜合加工結果進行把關（guān）控製,主要包括曲軸孔直徑(每個孔取三個截麵和兩個方向)、曲軸孔圓柱度、缸孔直徑(每個孔取三個（gè）截（jié）麵和兩個方向（xiàng）)、缸孔圓柱度;⑤缸孔的水（shuǐ）道試漏,主要包括壓力測（cè）試和泄（xiè）漏量測試。
2、缸體加工過程D_SPC 係統架構
綜合考慮發動機缸體加工過程的關鍵質（zhì）量特性,為更好（hǎo）地（dì）滿足其加工（gōng）過程的質量控製要求,構建了D_SPC 係統架構。如（rú）圖1 所示,主要分為檢測層（céng）、數據采集層、服（fú）務（wù）層3 個部分。
圖1 D_SPC 係統架構
D_SPC 係統通過標（biāo）準化數據接口與設備、生產線、ERP 係（xì）統等集成在一起,是上層（céng）係統和底層設（shè）備間（jiān）的中間係（xì）統。檢測（cè）層和數據采集層實時采集（jí）缸體機加工過程的關鍵（jiàn）質量（liàng）數據,並根據設置的判異規則（zé）,實時繪製動態SPC 控製圖,並通過企（qǐ）業的統一信息服務平台進行發布。在缸體的（de）製造過程中采集的數據主要包括（kuò）缸體質量特性數據、產品異常信息、糾正與改善信息、分析出的異常信息、檢測設備數（shù）據信息等。這（zhè）些信息以手動或自動方式存入不同的數據庫（kù）中。自動采集的數據輸入至D_SPC 係統,自動生成各類控製圖,分析產（chǎn）品當前的製造過程是否處於穩定狀態;手動錄入的數據可以用於後期對生產過程的統計（jì）分（fèn）析和追溯,為生產過程產（chǎn）品的質量改善（shàn）提供支持。控製室LCD 用於顯示各個數據采集點的實時數據分析圖,並計算出上控製線、下控製線、CPK(工序能力指數)等。服務（wù）器主要由實時數據采集服務器、曆（lì）史數據服務（wù）器和WEB 服務器三部分組成,以此為D_SPC 係統的運行提供支撐。
3、缸（gāng）體加工過程係統設計
3. 1 D-SPC 的數據庫模型
圖2 所示為D_SPC 係統的整（zhěng）體數據庫結構（gòu）。主要包括產品（pǐn）_產品清單、工作站清單、質量規範清單、人員_人員基本信息表、人員_部門基本信息表、質量分析設置表（biǎo）、工（gōng）作站_質量規範關聯表、產品_故障類型表、產品_故障類型清單、檔案_產品故障與（yǔ）故障原因關聯表、檔案_故障產品詳細信息表、權限_權限基本信息表、工作站_人員關（guān）聯表。上述（shù）數據庫模（mó）型闡述了各個（gè）表之間的對應關係,以及表中的主鍵和外鍵約束,為建立規範化的數據模型打（dǎ）下了（le）基礎。
圖2 D_SPC 的數據庫模型
3. 2 D_SPC 的軟件架構
根據上述（shù）D_SPC 質量控製體係和數據庫模型,本文構建了（le）D_SPC 的軟件架構。如圖3 所示,主要由底層數據采集、係統總體業務、係統總體功能、企業信息係統數據通信（xìn）接口、數據處理（lǐ）中心（xīn）和（hé）關鍵質（zhì）量（liàng）信（xìn）息發布等六部分構成。
底層數（shù）據采集模塊主要（yào）是開發（fā）一套生產車間（jiān）底層控製係統,從PLC、智能儀器儀表和機器設備進行自動數據采集,具備手動數據錄入功能（néng）。係（xì）統總（zǒng）體業務包含建立產品基本信（xìn）息、定義工作站信息、配置產品（pǐn）對應檢（jiǎn）測規（guī）範信息、係統權（quán）限管理、人員基本信息、係統數據采集客戶端定義、樣本規則定義、判異規則定義、故障原因分析、控製圖自定義設置等內容。係統總（zǒng）體功能主要是對產品信息、工作站信息、質量規範（fàn）信（xìn）息、權限信息、人員信息、采集數據信息、故（gù）障原因信息等進行管理。
企業信息係統數據通信接（jiē）口主要是通過Webservice、Files、Socket、Message queue 等接口方式, 將MES、ERP、PDM 等係（xì）統的關鍵數（shù）據（jù）接收至D_SPC 係統,對D_SPC 的（de）使用（yòng）提供支持,並可以將采集的質量數據、分析結（jié）果數（shù）據實時上傳至上層應用係統。數據處理中心為各（gè）個功能模塊數據（jù）處理提供支持,動態（tài）采集的生產過程（chéng）。實時（shí）數據被存入實時數據庫,用於生產過程（chéng）的實時狀態監控和控製。曆史數據（jù）被存入曆史數據庫,用於對生產過程（chéng）信息的追溯和統計分析。需要進行網頁發布的數據被存入（rù）Web 數據庫,用於信息的網頁發布和多部門間（jiān）的共享。關鍵質量信息發布主要是將（jiāng）製造過（guò）程中的質量數據和統計分析數據（jù）實時（shí）向工人或質量管理人員發送（sòng）,包（bāo）括各個工序的生產（chǎn）能力指（zhǐ）數、返修（xiū）率、合格率等。
圖（tú）3 D_SPC 的軟件模型
4、應用實例
綜合上述分（fèn）析, 本文基於. NET 平台中, 采用SQL2008 數據庫（kù）,采用C#語言開發了D_SPC 係統的原型係統,並將該原型係統應用於發動機缸體製造（zào）過程中。圖4 所示為關鍵工序SPC 實時監控界麵,主要含異常處理按（àn）鈕、標題區、功（gōng）能按鈕（niǔ）區、原始數據區和控製圖區。
圖4 D_SPC 係統在缸體製造過程中（zhōng）的實例（lì）
在該監控畫麵上,可以實時顯示關鍵質量控製點的工序能力指（zhǐ）數,異常信息,動（dòng）態SPC 控製（zhì）圖等信息（xī）,管理人員通過辦公室的LED 大屏幕就（jiù）能實時監控生產現場的生（shēng）產狀況。
5、結論
本文構建了一種麵向製造過程的動態SPC 質量（liàng）控製體係,詳細闡述了D_SPC 的體係架構、數據庫（kù）模型、軟件架構。該係統能夠根據實時（shí）製造工況信息對當前在製品的質量進行（háng）動態分析,保障了產品的（de）整體製造精度和穩（wěn）定性。動態對在（zài）製品的質量狀況分析能及時甄別出製造過程中的異（yì）常情況,及時給出預警提示,防止出現批量不合格品,為生產過程的主（zhǔ）動（dòng）質量控製提供了思路和方（fāng）法。本文構建的係統（tǒng）可推廣應用到缸蓋加工過程、發動機裝配過程、變速箱（xiāng）裝配過程等機械產品（pǐn）的製造過程中。
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