基於mes的車間製造過程動態質量管理系統研究.txt
作者：龔仁偉尹超鄢萍
引言 車間製造過程是產品質量管理的重要環節，是產品質量問題的主要**之一。傳統的車間製造過程質量管理存在質量體系不健全、質量資料有效性差、過程統計技術應用不夠、質量監督和質量責任追究不力以及質量決策滯後等問題。這些問題給企業造成了嚴重的質量損失，因此，企業質量管理部門迫切地希望採用一種新的質量管理方法來輔助車間質量管理，提高車間製造過程的質量管理水平。
隨著資訊科技的快速發展，許多的資訊系統軟體被應用到企業的日常管理當中，為企業的運營、決策提供了乙個科學管理的平台。其中mes是一種面向車間層的生產管理和優化執行管理軟體，擁有製造過程所有靜態和動態的資料，形成巨大的製造資料集合。mes的出現及廣泛應用，為車間製造過程質量管理提供了豐富的資料支援，為車間製造過程質量的實時動態管理和控制提供了一種有效的實現思路和支援平台。
本文以一家汽車配件廠的車間製造過程質量管理為背景，根據企業車間製造過程質量管理的實際需求，結合mes、網路和資料庫等技術，提出基於mes的車間製造過程動態質量管理系統，給出系統的體系結構，並研究資料採集、統計過程控制和系統整合等系統實現的關鍵技術。
1 基於mes的車間製造過程動態質量管理的內涵
車間製造過程質量管理的任務是建立乙個控制狀態下的生產系統，穩定、持續地生產出符合設計質量的產品，減少產品生產過程中的「質量變異」。管理的內容主要包括質量任務管理、生產技術準備、工序質量控制、現場文明生產管理和質量檢驗與資料採集。傳統的質量管理是一種離散的、靜態的管理方式，很難發現製造過程中隱藏的質量問題，也就很難從根本上提高製造過程質量。
基於mes的車間製造過程動態質量管理，將車間製造過程質量管理劃分為質量計畫、質量實施、質量檢查和質量處理四個階段，並且四個階段動態迴圈地執行，逐步改善和提高製造過程質量。在上述四個階段中，mes貫穿始終，為系統提供資料採集、處理和分析的各項功能，提高質量資料的準確性和實時性，如圖1所示。
圖1 基於mes的車間製造過程動態質量管理
2 系統體系結構
根據以上對基於mes的車間製造過程動態質量管理內涵的研究，提出了系統體系結構，它包括系統目標、pdca（plan，do，check，action）迴圈動態質量管理、mes中質量管理模組和系統支撐技術，具體如圖2所示。
圖2 系統體系結構
2.1 目標系統的目標是建立—個控制狀態下的生產系統，穩定地、持續地生產符合設計質量的產品，減少產品生產過程中的「質量變異」，從而提高車間製造過程質量。
2.2 pdca迴圈動態質量管理為實現系統目標，採取了pdca迴圈動態質量管理的模式。p（plan）為質量計畫，確定質量方針和目標，確定質量活動計畫；d（do）為質量計畫實施，實現質量計畫中的內容；c（check）為質量檢查，總結質量計畫執行的結果，找出問題；a（action）為質量處理，對總結檢查的結果進行處理，成功的經驗加以肯定並適當推廣和標準化，失敗的教訓加以總結，以免重現，未解決的問題放到下乙個pdca迴圈。
如此周而復始地進行，達到動態質理管理的目的，提高製造過程質量。
2.3 mes中質量管理模組
mes中的質量管理模組是pdca迴圈動態質量管理的具體實現形式，包括質量計畫管理、質量任務管理、**質量管理、離線質量管理、不合格品管理、返工返修管理、工量器具管理、質量文件管理和綜合查詢分析等九大模組，實現了質量計畫到質量問題處理的車間製造全過程動態質量管理。
2.4 系統支撐技術系統支撐技術為整個系統的執行提供技術支撐，包括資料庫技術、計算機網路技術、整合技術和標準化技術等。資料庫技術為整個系統執行提供管理和資料支援；計算機網路技術為系統的資訊傳輸、共享和處理等提供資訊通道；整合技術對系統各環節的資訊及相關過程進行整合，以提高系統的運作效率；標準化技術為系統中的資訊交流與處理提供相應的標準協議或規則，以保障資訊的正確交流和及時傳遞。
3 系統實現的關鍵技術
3.1 資料採集技術製造過程質量資料主要來自兩個方面：對零件和產品的檢測和對製造過程的監控。
開展質量管理，就是要用資料來提出和解決產品質量的問題，用資料來反映或描述產品質量的變化規律，因此及時準確地獲取質量資料是質量管理取得成功的關鍵。基於mes的車間製造過程動態質量管理系統充分考慮了先進的資料採集技術和工廠的實際情況，採用具有高度適應性和可擴充性資料採集方式，包括自動採集、手工錄入和資料轉換與共享。
3.1.1 自動採集系統設有各種介面與不同的資料採集裝置（如計量器、測量器、條碼讀卡機、無線射頻掃瞄器與各類儀器儀表等）相連線，完成各種質量資料（包括外購原材料及零／部件檢測資料、零件加工過程中**檢測和序後檢測資料、過程狀態監測資料、零件最終檢測資料、裝配過程檢測資料和成品試驗資料等）的自動採集及處理，還可以將分析結果自動
反饋到生產裝置的控制裝置，實現閉環的質量控制，如圖3所示。
圖3 資料自動採集
3.1.2 手工錄入考慮到裝置、現場條件和成本等因素，並不是所有的產品質檢資料和生產線執行狀態資料都能夠做到自動採集和實時監控，這就需要利用各種手動計量儀或「目測」的方式來進行檢測。
系統設定相關質量資訊錄入功能，檢測人員「目測」計量儀的讀數，然後通過電腦或資訊互動終端進行資料的錄入、處理、傳輸和儲存。
3.1.3 資料轉換與共享系統之間高度資料共享，可以方便地將產品的cad、capp等各類資訊轉換至本系統，或通過共享資料的方式實現對產品質量的全面管理和監控。
全面高效的資料轉換與共享能力，可實時地將產品資料存入指定的資料庫，或從資料庫直接讀取所需資訊，資料訪問時間週期由使用者根據實施需要自行設定。
3.2 基於mes的spc技術
3.2.1 spc技術原理統計過程控制（statistical process control，spc）是一種借助數理統計方法的過程控制工具。
它對生產過程進行分析評價，根據反饋資訊及時發現系統異常因素出現的徵兆，並採取措施消除其影響，使過程維持在僅受隨機性因素影響的受控狀態，以達到控制質量的目的。
當過程受控時沒有系統誤差，隨機誤差具有一定的分布規律，即總體質量特性服從正態分佈n（μ，σ2），如圖4所示。在正態分佈±3σ範圍內．，即樣品特徵值出現在（μ±3σ）中的概率為99．73％，即超出±3σ範圍發生概率僅為0．27％。當過程受控時，過程特性一般服從穩定的隨機分布；而失控時過程分布將發生改變。
spc正是利用過程波動的統計規律性對過程進行分析控制，因而，它強調過程在受控和有能力的狀態下執行，使產品和服務穩定地滿足顧客的要求。
圖4 正態分佈的概率分布
3.2.2 基於mes的spc技術基於mes的車間製造過程動態質量管理系統採用spc技術對關鍵工序質量進行控制。
與傳統的spc不同，系統應用mes中成熟的資料採集、分析、處理和控制技術實現對質量資料的管理，將質量引數選取、質量資料採集、繪製分析用控制圖、繪製控制用控制圖以及質量診斷與過程調整等質量管理模組整合在一起，實現動態工序質量控制，如圖5所示。
圖5 基於mes的spc流程
1）質量引數獲取：在車間製造過程中，要系統地識別、分析產品或零／部件工藝流程，找出影響產品質量的因素，並根據各工序對最終產品質量影響程度的大小及相互關係，繪製關鍵工序流程圖；根據該圖確定質量控制點及關鍵引數，繪製工序質量管理網路圖，對影響產品質量的關鍵工序實施監控。在確定了關鍵工序及
其引數後，就要對這些引數進行及時準確地採集和處理，為後續計算、控制和分析診斷做準備。
2）繪製控制圖：根據控制圖使用的目的不同，可分為分析用和控制用兩個階段，因此要分別繪製分析用和控制用控制圖。一道工序的初期或進行系統改進後，總存在不穩定因素，因此，先要繪製分析用控制圖來判斷過程是否受控。
在分析用控制圖階段，點出萬方資料界說明過程有異因存在，應積極採取措施分析原因，調整過程，直到剔除所有異因，過程受控。在保證過程受控的情況下，通過查表1中計算過程能力指數cp，判斷過程能力是否合適。如果過程能力充足，就用穩態下控制圖的控制線控制生產過程；如果過程能力不充足，則要採取措施分析原因，調整過程，然後重新進行過程判斷和過程能力評價。
其中，過程能力是指過程輸出符合公差範圍的能力。通常將允許的公差範圍除以6σ的比值稱為過程能力指數。當公差的中心值m與資料分布的中心一致時，稱過程能力「無偏」，指數用cp表示；不一致時稱為「有偏」，指數用cpk表示。
cp＝t／（6σ）
cpk＝（1－k）cp
式中：t為公差範圍，t＝tu－tl，tu為上公差界限，tl為下公差界限；k為μ與m的偏移度，k＝2︱m－μ︱／t。
表1 過程能力分級
3）質量診斷與過程調整：在繪製控制圖的過程中，過程判斷和過程能力分析是兩個非常重要的環節，如果出現過程不穩定或過程能力不足的情況，必須進行質量診斷。通過查詢質量分析診斷知識庫，發現上述情況的原因及解決辦法，然後進行過程調整，最終達到穩定的製造過程和合適的過程能力。
3.3 系統整合當前的很多製造企業資訊系統一般由pdm、erp、cax、mes等子系統組成。這些不同的子系統往往由不同的軟體開發商在不同的時期分別承擔，執行在異構的資料庫系統上，導致「資訊孤島」現象的產生。
基於mes的車間製造過程動態質量管理系統並不是乙個孤立的系統，它必須和上述資訊系統整合，才能很好地發揮作用，同時也解決了「資訊孤島」問題。本**針對動態質量管理系統和pdm、erp、capp、mes等系統整合進行了研究。具體整合情況如圖6所示。
圖6 系統整合
3.3.1 與mes的整合
mes是管理和優化從任務投放到完成加工整個生產活動的硬體和軟體的集合，是車間製造過程管理的主要工具。基於mes的車間製造過程動態質量管理系統要實現製造過程的動態質量管理，就要和mes進行整合，包括功能整合和資訊整合兩個方面：功能整合主要是整合mes中相應的質量管理功能模組；資訊整合是指質量管理系統需要從mes中得到關於產品檢驗工序
的資訊和具體的產品送檢單資訊，以實現關於產品檢驗的資訊整合。
3.3.2 與pdm系統的整合
pdm系統有與產品結構、零／部件資訊相關的完整產品資訊，而完整的產品資訊也是保證質量管理系統正常執行的關鍵，因此本系統要從pdm中整合產品結構資訊和零／部件資訊。
3.3.3 與erp系統的整合現代製造企業的erp系統是對企業資源進行全面管理的工具，包括裝置、夾具、計量器具等物料資源，也包括組織機構和人力資源等，而物料、組織機構、人力資源也是質量管理系統必不可少的資訊，因此需要將這些資訊整合到質量管理系統當中。
3.3.4 與capp系統的整合
capp系統是工藝人員利用計算機來完成產品的一系列加工動作及其對資源需求的數位化描述，其中包括產品零／部件的檢驗專案資訊等。而質量管理系統的一項重要功能是輔助檢驗人員進行產品的檢驗，所以，必須將capp中關於產品工藝資訊、檢驗專案規劃資訊、具體檢驗專案資訊以及公差資訊等整合到質量管理系統中。
4 應用案例重慶某空調****是一家快速成長的中澳合資公司，公司主要從事車用空調系統、車用發動機冷卻系統及相關配套件等系列產品的設計、開發、製造和銷售，為長安、福特等整車製造企業的一級**商。隨著汽車行業的競爭越來越激烈，整車製造企業對零／部件配套商的供貨質量提出了更高的要求。為了改善車間製造過程生產質量，提高企業的競爭力，該公司委託重慶大學製造工程研究所為其開發一套車間製造過程質量管理系統。
經過充分的調研，在掌握該企業車間實際生產情況的基礎上，結合先進質量管理技術和mes在車間管理的應用，為企業開發了一套基於mes的車間製造過程動態質量管理系統，通過系統的實施，提高了產品加工的一次性合格率，減少了返工返修和質量報廢等質量損失，並為企業的質量統計分析和決策提供了科學依據。
5 結語本文提出了基於mes的車間製造過程動態質量管理系統，實現了pdca迴圈動態質量管理。在此基礎上建立了系統的體系結構，並對系統實現的關鍵技術進行了研究，包括資料自動採集、人工錄入和資料轉換與共享等資料採集方式；基於mes的spc技術在工序質量控制中的應用；與mes、erp、capp和pdm系統的整合。最後將該系統在重慶一家汽車配件廠進行了應用實踐，取得了良好的經濟效益，深受使用者好評。
(end)
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