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基于MES的车间制造过程动态质量管理系统研究 |
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作者：龚仁伟 尹超 鄢萍 |
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引 言
车间制造过程是产品质量管理的重要环节，是产品质量问题的主要来源之一。传统的车间制造过程质量管理存在质量体系不健全、质量数据有效性差、过程统计技术应用不够、质量监督和质量责任追究不力以及质量决策滞后等问题。这些问题给企业造成了严重的质量损失，因此，企业质量管理部门迫切地希望采用一种新的质量管理方法来辅助车间质量管理，提高车间制造过程的质量管理水平。
随着信息技术的快速发展，许多的信息系统软件被应用到企业的日常管理当中，为企业的运营、决策提供了一个科学管理的平台。其中MES是一种面向车间层的生产管理和优化运行管理软件，拥有制造过程所有静态和动态的数据，形成巨大的制造数据集合。MES的出现及广泛应用，为车间制造过程质量管理提供了丰富的数据支持，为车间制造过程质量的实时动态管理和控制提供了一种有效的实现思路和支持平台。本文以一家汽车配件厂的车间制造过程质量管理为背景，根据企业车间制造过程质量管理的实际需求，结合MES、网络和数据库等技术，提出基于MES的车间制造过程动态质量管理系统，给出系统的体系结构，并研究数据采集、统计过程控制和系统集成等系统实现的关键技术。
1 基于MES的车间制造过程动态质量管理的内涵
车间制造过程质量管理的任务是建立一个控制状态下的生产系统，稳定、持续地生产出符合设计质量的产品，减少产品生产过程中的“质量变异”。管理的内容主要包括质量任务管理、生产技术准备、工序质量控制、现场文明生产管理和质量检验与数据采集。传统的质量管理是一种离散的、静态的管理方式，很难发现制造过程中隐藏的质量问题，也就很难从根本上提高制造过程质量。基于MES的车间制造过程动态质量管理，将车间制造过程质量管理划分为质量计划、质量实施、质量检查和质量处理四个阶段，并且四个阶段动态循环地执行，逐步改善和提高制造过程质量。在上述四个阶段中，MES贯穿始终，为系统提供数据采集、处理和分析的各项功能，提高质量数据的准确性和实时性，如图1所示。
图1 基于MES的车间制造过程动态质量管理
2 系统体系结构
根据以上对基于MES的车间制造过程动态质量管理内涵的研究，提出了系统体系结构，它包括系统目标、PDCA（Plan，Do，Check，Action）循环动态质量管理、MES中质量管理模块和系统支撑技术，具体如图2所示。
图2 系统体系结构
2.1 目标
系统的目标是建立—个控制状态下的生产系统，稳定地、持续地生产符合设计质量的产品，减少产品生产过程中的“质量变异”，从而提高车间制造过程质量。
2.2 PDCA循环动态质量管理
为实现系统目标，采取了PDCA循环动态质量管理的模式。P（Plan）为质量计划，确定质量方针和目标，确定质量活动计划；D（Do）为质量计划实施，实现质量计划中的内容；C（Check）为质量检查，总结质量计划执行的结果，找出问题；A（Action）为质量处理，对总结检查的结果进行处理，成功的经验加以肯定并适当推广和标准化，失败的教训加以总结，以免重现，未解决的问题放到下一个PDCA循环。如此周而复始地进行，达到动态质理管理的目的，提高制造过程质量。
2.3 MES中质量管理模块
MES中的质量管理模块是PDCA循环动态质量管理的具体实现形式，包括质量计划管理、质量任务管理、在线质量管理、离线质量管理、不合格品管理、返工返修管理、工量器具管理、质量文档管理和综合查询分析等九大模块，实现了质量计划到质量问题处理的车间制造全过程动态质量管理。
2.4 系统支撑技术
系统支撑技术为整个系统的运行提供技术支撑，包括数据库技术、计算机网络技术、集成技术和标准化技术等。数据库技术为整个系统运行提供管理和数据支持；计算机网络技术为系统的信息传输、共享和处理等提供信息通道；集成技术对系统各环节的信息及相关过程进行集成，以提高系统的运作效率；标准化技术为系统中的信息交流与处理提供相应的标准协议或规则，以保障信息的正确交流和及时传递。
3 系统实现的关键技术
3.1 数据采集技术
制造过程质量数据主要来自两个方面：对零件和产品的检测和对制造过程的监控。开展质量管理，就是要用数据来提出和解决产品质量的问题，用数据来反映或描述产品质量的变化规律，因此及时准确地获取质量数据是质量管理取得成功的关键。基于MES的车间制造过程动态质量管理系统充分考虑了先进的数据采集技术和工厂的实际情况，采用具有高度适应性和可扩充性数据采集方式，包括自动采集、手工录入和数据转换与共享。
3.1.1 自动采集
系统设有各种接口与不同的数据采集装置（如计量器、测量器、条码读卡机、无线射频扫描仪与各类仪器仪表等）相连接，完成各种质量数据（包括外购原材料及零／部件检测数据、零件加工过程中在线检测和序后检测数据、过程状态监测数据、零件最终检测数据、装配过程检测数据和成品试验数据等）的自动采集及处理，还可以将分析结果自动反馈到生产设备的控制装置，实现闭环的质量控制，如图3所示。
图3 数据自动采集
3.1.2 手工录入
考虑到设备、现场条件和成本等因素，并不是所有的产品质检数据和生产线运行状态数据都能够做到自动采集和实时监控，这就需要利用各种手动计量仪或“目测”的方式来进行检测。系统设定相关质量信息录入功能，检测人员“目测”计量仪的读数，然后通过电脑或信息交互终端进行数据的录入、处理、传输和存储。
3.1.3 数据转换与共享
系统之间高度数据共享，可以方便地将产品的CAD、CAPP等各类信息转换至本系统，或通过共享数据的方式实现对产品质量的全面管理和监控。全面高效的数据转换与共享能力，可实时地将产品数据存入指定的数据库，或从数据库直接读取所需信息，数据存取时间周期由用户根据实施需要自行设置。
3.2 基于MES的SPC技术
3.2.1 SPC技术原理
统计过程控制（Statistical Process Control，SPC）是一种借助数理统计方法的过程控制工具。它对生产过程进行分析评价，根据反馈信息及时发现系统异常因素出现的征兆，并采取措施消除其影响，使过程维持在仅受随机性因素影响的受控状态，以达到控制质量的目的。
当过程受控时没有系统误差，随机误差具有一定的分布规律，即总体质量特性服从正态分布N（μ，σ2），如图4所示。在正态分布±3σ范围内．，即样品特征值出现在（μ±3σ）中的概率为99．73％，即超出±3σ范围发生概率仅为0．27％。当过程受控时，过程特性一般服从稳定的随机分布；而失控时过程分布将发生改变。SPC正是利用过程波动的统计规律性对过程进行分析控制，因而，它强调过程在受控和有能力的状态下运行，使产品和服务稳定地满足顾客的要求。
图4 正态分布的概率分布
3.2.2 基于MES的SPC技术
基于MES的车间制造过程动态质量管理系统采用SPC技术对关键工序质量进行控制。与传统的SPC不同，系统应用MES中成熟的数据采集、分析、处理和控制技术实现对质量数据的管理，将质量参数选取、质量数据采集、绘制分析用控制图、绘制控制用控制图以及质量诊断与过程调整等质量管理模块集成在一起，实现动态工序质量控制，如图5所示。
图5 基于MES的SPC流程
1）质量参数获取：在车间制造过程中，要系统地识别、分析产品或零／部件工艺流程，找出影响产品质量的因素，并根据各工序对最终产品质量影响程度的大小及相互关系，绘制关键工序流程图；根据该图确定质量控制点及关键参数，绘制工序质量管理网络图，对影响产品质量的关键工序实施监控。在确定了关键工序及其参数后，就要对这些参数进行及时准确地采集和处理，为后续计算、控制和分析诊断做准备。
2）绘制控制图：根据控制图使用的目的不同，可分为分析用和控制用两个阶段，因此要分别绘制分析用和控制用控制图。一道工序的初期或进行系统改进后，总存在不稳定因素，因此，先要绘制分析用控制图来判断过程是否受控。在分析用控制图阶段，点出万方数据界说明过程有异因存在，应积极采取措施分析原因，调整过程，直到剔除所有异因，过程受控。在保证过程受控的情况下，通过查表1中计算过程能力指数Cp，判断过程能力是否合适。如果过程能力充足，就用稳态下控制图的控制线控制生产过程；如果过程能力不充足，则要采取措施分析原因，调整过程，然后重新进行过程判断和过程能力评价。
其中，过程能力是指过程输出符合公差范围的能力。通常将允许的公差范围除以6σ的比值称为过程能力指数。当公差的中心值M与数据分布的中心一致时，称过程能力“无偏”，指数用Cp表示；不一致时称为“有偏”，指数用Cpk表示。
Cp＝T／（6σ）
Cpk＝（1－K）Cp
式中：T为公差范围，T＝TU－TL，TU为上公差界限，TL为下公差界限；K为μ与M的偏移度，K＝2︱M－μ︱／T。表1 过程能力分级
 3）质量诊断与过程调整：在绘制控制图的过程中，过程判断和过程能力分析是两个非常重要的环节，如果出现过程不稳定或过程能力不足的情况，必须进行质量诊断。通过查询质量分析诊断知识库，发现上述情况的原因及解决办法，然后进行过程调整，最终达到稳定的制造过程和合适的过程能力。
3.3 系统集成
当前的很多制造企业信息系统一般由PDM、ERP、CAX、MES等子系统组成。这些不同的子系统往往由不同的软件开发商在不同的时期分别承担，运行在异构的数据库系统上，导致“信息孤岛”现象的产生。基于MES的车间制造过程动态质量管理系统并不是一个孤立的系统，它必须和上述信息系统集成，才能很好地发挥作用，同时也解决了“信息孤岛”问题。本论文针对动态质量管理系统和PDM、ERP、CAPP、MES等系统集成进行了研究。具体集成情况如图6所示。
图6 系统集成
3.3.1 与MES的集成
MES是管理和优化从任务投放到完成加工整个生产活动的硬件和软件的集合，是车间制造过程管理的主要工具。基于MES的车间制造过程动态质量管理系统要实现制造过程的动态质量管理，就要和MES进行集成，包括功能集成和信息集成两个方面：功能集成主要是集成MES中相应的质量管理功能模块；信息集成是指质量管理系统需要从MES中得到关于产品检验工序的信息和具体的产品送检单信息，以实现关于产品检验的信息集成。
3.3.2 与PDM系统的集成
PDM系统有与产品结构、零／部件信息相关的完整产品信息，而完整的产品信息也是保证质量管理系统正常运行的关键，因此本系统要从PDM中集成产品结构信息和零／部件信息。
3.3.3 与ERP系统的集成
现代制造企业的ERP系统是对企业资源进行全面管理的工具，包括设备、夹具、计量器具等物料资源，也包括组织机构和人力资源等，而物料、组织机构、人力资源也是质量管理系统必不可少的信息，因此需要将这些信息集成到质量管理系统当中。
3.3.4 与CAPP系统的集成
CAPP系统是工艺人员利用计算机来完成产品的一系列加工动作及其对资源需求的数字化描述，其中包括产品零／部件的检验项目信息等。而质量管理系统的一项重要功能是辅助检验人员进行产品的检验，所以，必须将CAPP中关于产品工艺信息、检验项目规划信息、具体检验项目信息以及公差信息等集成到质量管理系统中。
4 应用案例
重庆某空调有限公司是一家快速成长的中澳合资公司，公司主要从事车用空调系统、车用发动机冷却系统及相关配套件等系列产品的设计、开发、制造和销售，为长安、福特等整车制造企业的一级供应商。随着汽车行业的竞争越来越激烈，整车制造企业对零／部件配套商的供货质量提出了更高的要求。为了改善车间制造过程生产质量，提高企业的竞争力，该公司委托重庆大学制造工程研究所为其开发一套车间制造过程质量管理系统。经过充分的调研，在掌握该企业车间实际生产情况的基础上，结合先进质量管理技术和MES在车间管理的应用，为企业开发了一套基于MES的车间制造过程动态质量管理系统，通过系统的实施，提高了产品加工的一次性合格率，减少了返工返修和质量报废等质量损失，并为企业的质量统计分析和决策提供了科学依据。
5 结 语
本文提出了基于MES的车间制造过程动态质量管理系统，实现了PDCA循环动态质量管理。在此基础上建立了系统的体系结构，并对系统实现的关键技术进行了研究，包括数据自动采集、人工录入和数据转换与共享等数据采集方式；基于MES的SPC技术在工序质量控制中的应用；与MES、ERP、CAPP和PDM系统的集成。最后将该系统在重庆一家汽车配件厂进行了应用实践，取得了良好的经济效益，深受用户好评。(end)
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(11/30/2008) |
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