远端监控系统於代客量测服务之应用探讨-以精密主轴机头量测为例.doc

遠端監控系統於代客量測服務之應用探討-以精密主軸機頭量測為例朝陽科技大學 工業工程與管理系指導老師：林宏達 副教授學生：游博慎、賴正軒、魏俊偉、張玉芸摘要為了解決一般中小企業，因測量儀器不夠精密，外銷產品無法檢具精密量測報告的困擾，本專題提出使用遠端監控系統搭配接觸式探頭和非接觸式光學攝影機執行工件的立體精密量測，以確定中小企業客戶的工件尺寸，是否在可接受的規格範圍內，並提供業界專業的代客量測服務與品質管理諮詢。本專題透過精密檢測設備發展各種檢驗與量測技術，搭配網際網路()之應用，已開發出具遠端監控檢測功能之品質資訊系統，可對中部地區產業提供專業代客量測服務。本專題在系統發展中將使用品質機能展開（QFD）技術進行系統分析，並搭配整合性定義（IDEF）方法論程序模式進行系統設計，另以（UML）建構方法將系統的設計以視覺化方式表達出來。最後將本專題所發展的PDA遠端監控系統與先前研究所發展的網路專業品管暨自動化檢測技術服務中心系統架構結合，進一步彙整以達到e-QC整體概念。量測同時，在遠端的客戶可利用電腦或PDA登錄本地端的監視系統，操控CCD鏡頭，將畫面移至正在本實驗室量測的設備上，同步觀看工件量測的情形，如果客戶突然有量測上的變更，可利用E-mail告知本實驗室量測人員，客戶亦可利用本系統提供的錄影功能，擷取量測時的重要量測資訊。本專題之實例是以怡堡精機公司的精密主軸機頭做特殊尺寸之精密量測與量測誤差的探討，此主軸機頭工件所要求容許工差最小為0.013mm，保證精度最小為0.005mm。因待測工件本身的幾何形狀有些複雜，所以必須搭配特殊之夾治具將工件固定在機台上，再使用此檢測設備之教導式檢測模式，嘗試使用不同之測頭與量測角度，規劃避障之量測路徑，並針對特殊尺寸進行多個與重複性量測，所得之數據亦將代入據偵測微量偏移之管制模式與量測系統進行分析與探討，進而可管制其生產製程。 關鍵詞：遠端監控、代客量測、品質機能展開QFD、整合性定義方法論IDEF、統一塑模語言UML一、研究動機本專題以朝陽科技大學工業工程與管理系之品質管制暨自動化檢測實驗室（以下簡稱本實驗室）多年以來的自動化檢測與品質資訊系統之研究成果為基礎，提出遠端監控之規劃設計與實作，此系統將與本實驗室已開發之網路專業品管技術服務中心之系統（NQCSC）相互結合，讓Client端能夠只需運用瀏覽器（Web Browser）透過全球資訊網（World Wide Web, WWW）架構，連接（NQCSC）系統做遠端CCD的即時監視與控制。在產品分析檢測技術部份所欲發展的e-QC架構(如圖1)乃是結合電子化檢驗（e-Inspection）以及電子化品質管理（e-Management）兩大系統所成的新觀念(圖1)，其所含技術除了傳統品質管理技術外，尚包括可攜式網路化檢測、PDA遠端監控、精密量測與品質資訊系統等四大模組(如圖2)。圖1. 本專題e-QC觀念之相關架構圖3圖2.本專題遠端監控與先前研究品管技服中心系統（NQCSC）和其他系統（QIS與NDAS）之整合架構圖6二、研究目的本品質管制暨自動化檢測實驗室，自開創以來長期著重於視覺檢測、精密量測等各種品質管制領域的研究，自去年本實驗試獲得教育部補助經費，購買了兩台CNC智慧型精密座標量測儀(如圖3、4)，並且長期對本實驗室人員給予專業的教育訓練，使本實驗室兼俱代客量測的能力，並且以怡堡精機公司的工件為例，利用本遠端監控系統於代客量測上的應用。圖一 圖二圖3 CNC型接觸式座標量測儀 圖4 CNC型非接觸式座標量測儀三、專題架構本專題使用品質機能展開（QFD）技術進行系統分析，並搭配整合性定義（IDEF）方法論程序模式進行系統設計，另以統一塑模語言（UML）建構方法將系統的設計以視覺化方式表達出來。1. 系統分析在本專題計畫中，QFD主要的使用範圍在於提供有關遠端監控系統開發之規劃與評估的一些技巧(表1)。表1. 本專題應用QFD之遠端監控關係矩陣表強相關：9中相關：3弱相關：1品質要素要求品質資料流全面自動化能即時、正確、完整的控制硬體介面支援多軟體介面支援多資料流安全系統成熟度即時傳送訊息資料即時記錄人機介面清楚表達有價值資訊偵錯警訊系統穩定性系統擴充性資料記錄安全性資料傳送操作容易2. IDEF系統設計 在繪出IDEF0之A-0階圖形之後，即可得知其ICOMInput, Control, Output, Mechanism為何。因此，接著將其A-0階圖形展開，在展開的過程中必須考慮到資料的流入與流出，以及受何限制與使用何種設備如圖4所示：圖5. PDA遠端監控系統IDEF0 A0階展開流程圖 從A0階的流程圖看出，客戶將工件送至本實驗室，本實驗室專業人員會依顧客的需求，選用適當的量測儀器（CNC接觸式、非接觸三次元、光學掃描系統），量測出客戶要求的工件尺寸，並且應用統計分析軟體（SPC、SPSS、Excel）予以分析數據，同時，在遠端的客戶可利用PDA登錄本地端的監視系統，操控CCD鏡頭，將畫面移至正在本實驗室量測的設備上，同步觀看工件量測的情形，如果客戶突然有量測上的變更，可利用E-mail告知本實驗室量測人員，客戶亦可利用本系統提供的錄影功能，擷取量測時的重要資訊（例如：電腦螢幕上的數據）。 在資源方面，由圖中可看出系統的程式設計，是以HTML程式撰寫PDA人機介面，以JavaScript程式撰寫使用者的登錄介面，以ActivX程式撰寫CCD鏡頭畫面的傳送。在限制方面整個流程時間皆受限於客戶的要求，客戶在下單後，就會給定量測人員一個時間限制，限制哪時候要交出量測報告書；在使用者登錄介面也有一個使用者的身分限制，不是本系統會員，不得進入本系統。163. 統一塑模語言（UML） 本專題於系統設計部份，除了使用常見的整合性定義方法論IDEF外，也應用物件導向設計之塑模語言UML(Unified Modeling Language)來建構,由於此語言是一種用來將設計以視覺化方式表達出來的方法,在UML塑模語言表示方法的圖表類別有：使用案例圖、靜態結構圖、互動圖、狀態圖等，以視覺化的方式來訂定、建構及檢視系統，以期望符合系統發展之需求。(1) 案例圖： 圖6. 遠端監控系統之使用案例圖 使用案例圖主要強調的是系統靜態的使用案例觀點，利用此圖可將特定的使用案例及行為者間的關係表現出來。圖6為使用遠端監控系統之案例圖，由圖中可以清楚看出，遠端監控系統，在使用者在輸入帳號密碼後，系統會從資料庫比對使用者的資料，將使用者分成三類：1.一般訪客2.訂單客戶3.系統管理者。系統的七大運作功能也會依照不同權限，開放不同的功能提供使用者使用。 類別圖（Class Diagram）(2)類別圖： 圖7 遠端監控系統之類別圖類別圖用來顯現一個系統的類別和邏輯觀點上可分的關係，但不在於描述其行為。圖7為遠端監控系統之類別圖，首先，在進入本系統之前，會先進入歡迎界面，並且顯示參訪人數與參訪時間，等等的資訊提供給使用者，接下來，進入到身分驗證類別，使用者輸入ID後，系統自動從資料庫尋找ID所屬類別，身分類別可分為三類：1.訪客類別2.客戶類別3.管理者類別。(3) 順序圖： 圖8. 遠端監控系統之順序圖順序圖是一種互動圖形，主要強調的是訊息的時間順序，以及系統的動態觀點。圖8為遠端監控系統之順序圖。由圖中可清楚了解本系統各項功能的流程順序，首先，使用者輸入帳號密碼時，系統就會立即到資料庫作身份認證的動作，若發現輸入的ID不正確，就會立即傳送輸入錯誤訊息給使用者，若是系統認定ID正確，即可進入PDA遠端監控系統。從圖中可看出系統會依照不同的使用者給予不同的操作限制，例如：一般訪客只能監看畫面，訂單客戶具有監看畫面與控制鏡頭功能，而系統管理者則可以進階管理系統內部的影像解析與參數設定。(4) 狀態圖： 圖9. 遠端監控系統之狀態圖狀態圖主要用途為用來說明行為的狀態和回應，因為其可用來作為模型中各物件生命週期的指示及回應。圖9中分別說明了各個使用者的狀態與功能。在系統狀態方面，此狀態說明使用登入本系統後，系統會核對資料庫中的紀錄，將使用者分為三種不同使用權限。四、實際代客量測案例承接上面所提，本實驗室接受怡堡精機股份有限公司委託量測精密主軸機頭（S40A-2000）工件，並搭配本實驗室的遠端監控系統，在遠端的客戶可利用電腦或PDA透過Internet（WWW）登錄本地端的監控系統，操控CCD鏡頭，將畫面控制在正在本實驗室量測的設備上，同步觀看工件量測的情形。CNC型接觸式三次元座標量測儀（Beyond-Crysta C544）是日本三豐公司所研發，採用低摩擦驅動方式，實現了驅動時低震動的要求，且在Z軸採用驅動部重心位置配置方式，使得精度更加提高；而在材質方面將材質統一為鋁合金，以提高材料之再生性，避免材料之浪費，對環保貢獻心力。在本體及外觀都盡可能採用一體成型的方式製作，使得設計上更有自由度。若使用溫度補正機能，則可適用於生產現場之量測，以確保廣範圍精度的溫度保證（1626度）。搭配CNC型接觸式三次元座標量測儀Beyond-Crysta C544的量測軟體為Mitutoyo Geopak-Window V2.0，是全中文化圖形化介面的量測軟體，也是連接BC-AC544三次元接觸式量測儀唯一的溝通平台，是為量測機械加工部品及各種用途之製品的幾何尺寸量測軟體。1. 系統構成：三次元量測儀硬體設備之連線結構，如圖10所示：鍵盤三次元量測儀CMM驅動控制裝置PC/AT印表機電腦螢幕電子測頭搖桿裝置腳踏開關圖10. CNC型接觸式三次元座標量測儀之連線裝置2. 量測步驟：量測可分為手動量測、自動量測與CNC全自動量測，因為本專題為例的怡堡精機精密主軸機頭（S40A-2000）工件本身較大，且要量測的要素位於工件的左右兩側，所以並非以一次固定就可以把工件上頭的四個要素皆量測完畢，因此無法使用CNC全自動量測，必須要使用手動量測、或自動量測來量測要素，手動量測與自動量測的量測步驟一樣，如圖11所示：圖11. 使用CNC三次元接觸式座標量測儀之量測流程圖3. 工件介紹：精密主軸機頭（S40A-2000）為怡堡精機股份有限公司所製作應用在車床機器從動軸部份的工件，工件實體如圖12所示。此待測主軸機頭工件所要求容許公差最小為0.013mm，保證精度最小為0.005mm，而本實驗室所擁有的CNC型三次元接觸式座標量測儀足以勝任此量測精度之要求。圖12. 精密主軸機頭（S40A-2000）放置於量測平台上單位：mm4. 量測要素：圖13. 精密主軸機頭（S40A-2000）之主要量測尺寸圖表2. 精密主軸機頭（S40A-2000）主要量測尺寸之公差表主要尺寸H1H2D1D280 90 28容許公差0.020.02+0.01300-0.025單位：mm由圖10及表2得知，量測要素圓1的標準值為 90 mm，上公差為+0.013 mm，下公差為0 mm；圓2的標準值為 28 mm，上公差為0 mm，下公差為-0.025 mm；距離1與距離2的標準值皆為80 mm，公差為0.02 mm。而圖（13）中的要素a.b.c為偏擺度，不在本研究的量測範圍之中。5. 量測數據：本研究運用手動量測，並以20mm4測頭為代表，分別將四個要素各量測六遍，將其量測出來的數據，取其平均值，再與標準值相比對，看有無超出公差界限，以判斷此工件上的要素是否合格？以下為量測出來的數據整理成表3：表3. 精密主軸機頭（S40A-2000）量測數據 單位：圓1距離1圓2距離2第一遍89.99580.05127.98780.028第二遍89.99480.05127.98780.029第三遍89.99380.05227.98680.028第四遍89.99280.05227.98680.028第五遍89.99180.05127.98680.028第六遍89.99280.05227.98580.028平均值89.99380.05227.98680.028標準值90802880平均值-標準值-0.0070.052-0.0140.028公差上公差0.0130.0200.02下公差0-0.02-0.025-0.02誤差（-0.007）（+0.032）0（+0.008）藉由上表3我們可以畫出四個要素的量測結果與規格界線圖：單位：圖14. 量測要素圓1量測結果與規格界限圖單位：圖15. 量測要素距離1量測結果與規格界限圖單位：圖16. 量測要素圓2量測結果與規格界限圖單位：圖17. 量測要素距離2量測結果與規格界限6. 量測結果：由表3及圖14至圖17 四個要素的規格圖可以很清楚的看到，四個量測要素當中，圓1、距離1與距離2，此三個量測出來的數據，皆超出標準值的公差上下限，因此，怡堡精機股份有限公司委託我們量測的這個精密主軸機頭S40A-2000工件，四個要素當中有三個要素不合格。A. S40A-2000檢定-1 (手動量測vs自動量測)(1). 把每一個量測差距值百分比當成一個樣本值 樣本平均數=0.002 % 樣本標準差=0.001 %(2). 以顯著水準0.05檢定手動量測與自動量測所量測出的數據是否有差異(3). 令=手動量測與自動量測的誤差百分比建立假設 H0:0H1:0(4). 0.05(5). 樣本n=4，因為母體變異數未知，故以t分配來檢定母體平均數(6). C=T| Tt0.05(n-1)= 2.353，T統計量=4.000；p-value=P(T4.000)=0.014(7). 決策:因t值臨界值，且P-value Reject H0(8). 在95%信賴水準下有足夠的證據顯示手動量測與自動量測量測出的數據有顯著性的差B. S40A-2000檢定-2 (測頭1vs測頭2)(1). 把每一個量測差距值百分比當成一個樣本值 樣本平均數=0.003 % 樣本標準差=0.002 %(2). 以顯著水準0.05檢定測頭1與測頭2所量測出的數據是否有差異(3). 令=測頭1與測頭2的誤差百分比 建立假設 H0:0H1:0(4). 0.05(5). 樣本n=4，因為母體變異數未知，故以t分配來檢定母體平均數(6). C=T| Tt0.05(n-1)= 2.353，T統計量=3.000p-value=P(T3.000)=0.029(7). 決策:因t值臨界值，且P-value Reject H0(8). 在95%信賴水準下有足夠證據顯示測頭1與測頭2量測出數據有顯著性差異由上述量測結果分析可知不同之量測方法(手動式與自動式與量測所用測頭)對量測誤差上均有顯著性影響；因此在量測作業上事前的量測分析很重要，必須針對各工件的精度要求使用不同量測方法與測頭以符合顧客之要求。五、結果呈現客戶將工件寄送至本實驗室，本實驗是專業人員會依顧客的需求，選用適當的量測儀器（CNC接觸、非接觸式三次元、掃描系統），量測出客戶要求的工件尺寸，同時，在遠端的客戶可利用電腦或PDA登錄本地端的監視系統，操控CCD鏡頭，將畫面移至正在本實驗室量測的設備上，同步觀看工件量測的情形，圖18所示。圖18 本專題所發漲遠端監控系統於代客量測應用之畫面範例圖19. 本專題所發展PDA遠端監控系統與資料取得概念圖 本實驗室的專業人員會依序將，製程能力分析、製程指標、管制圖等等的品質資訊算出，提供客戶參考(如圖19)，而客戶端也可以在遠端使用本系統中的靜態擷取功能，擷取靜態的資料（如管制圖），圖20所示，方便日後參考；或是使用動態錄影的功能，錄下量測人員在量測工件時的步驟，用E-mail與量測人員討論量測時的問題點。所有依照客戶要求的分析資訊，最後會做成量測報告書發佈成網頁，提供客戶從專業品管技術服務中心網站下載。圖20 本專題代客量測之量測數據分析範例六.結論與未來發展1.結論：本研究成果即是使兩大系統 e-Inspection與e-Management將發揮各自的功能，並將此功能結合於本實驗室品檢技服中心（NQCSC），以達到新一代e-QC總體概念整合，此整合有以下之功能：1.使用者可經由本遠端監控系統觀看本實驗室的機器設備。2.使用者亦可透過網路瀏覽器即時監看現場的人員對待測物進行量測、檢驗，不需親自到場觀看。3.遠端監控系統可依使用者個人的需求選擇其解析度畫面。4.遠端監控系統亦可選擇固定的預設點進行監看，亦方便介紹員於遠端介紹本實驗室的機器設備。2.未來發展：未來遠端監控系統可增加其錄影功能，將現場即時狀況錄製下來以方便後續觀看，亦可增加其聲音之功能，方便與現場人員溝通或收錄現場聲音。參考文獻1 台灣三豐儀器股份有限公司，Geopak-Window