网络化制造模式下配合质量协同控制技术研究.doc

网络化制造模式下配合质量协同控制技术研究摘要：网络化制造是在网络经济条件下产生并得到广泛应用的先进制造模式，由于网络化制造的复杂性及异地性,主机厂的产品质量控制更加复杂和难以保证。虽然国内外学者在此领域进行了大量的研究，但主要是定位在网络化制造质量管理技术上，对网络化制造模式下配合质量协同控制技术仍有重要的研究必要。本文首先给出了基于网络化制造环境下的产品质量协同控制的体系结构，论述了如何通过主机厂与协作厂的产品质量协同控制，来保证主机厂的产品质量。通过有效的数据模型，统计推断方法，面向质量目标的统计公差方法，统计质量控制方法，质量协同控制器等手段，保证了各分机厂与主机厂的产品质量及产品的配合质量。该方法也为网络化制造中的关键技术大批量定制技术提供了较好的解决方案。关键词：过程能力，配合质量，协同控制，质量目标Study on Fit Quality Collaborative Control in Networked Manufacturing Abstract：Networked Manufacturing is an advanced manufacturing mode that is brought in Networked economy condition and be used widely. Product quality control of Host machine factory is difficult to ensure because of complexity and distribution of the networked manufacturing. The engineers and specialists have done a great deal of study in this field, mostly about the architecture of Network Manufacture system, networked manufacturing quality management, quality collaborative ensure and so on, but it is not pay more attention to fit quality collaborative control in Network Manufacturing. This paper presents an architecture of product quality collaborative control based on Network Manufacture mode is presented, discuss that how to using the quality collaborative control between host machine factory and collaborative factory to ensure product quality, and how to guarantee final product quality of host machine factory. By utilizing effective data model, statistical inference techniques, quality-oriented statistical tolerance technique, statistical quality control techniques, quality collaborative Controller, the optimal fit quality of product is guaranteed. The method provides good method for networked manufacturing to control product quality in practice, it also has worth for a mass customization technique in Network Manufacture.Key words：Process capability, Fit quality, Collaborative control, Quality-oriented target1.概述在网络化制造下，由于制造系统的复杂性，产品的多样性，信息的广泛性和用户对产品更高的要求，特别是组成产品的零件来源于不同的制造企业，原材料、设备、加工方法、企业标准、操作者水平等的差异使得异地产品的质量控制更加困难和复杂。因此网络化异地制造的协同控制的研究势在在必然。在现代制造环境下，人们渐渐认识到，产品质量是一个综合性的全局概念，局部质量的最优与达标是整体质量的基础，但并不能保证产品的整体质量。本文的研究目的，就是寻求异地协同制造的控制方法，实现网络化制造下产品质量的控制1。产品的总体质量是每个零部件质量的累积，有时一个很小的零部件也能影响整个产品的使用性能。要全面提升企业的质量控制能力，必须从每一个零部件的加工、每一道工序的处理做起，形成自始至终的过程控制闭环，实现全面过程质量控制，达到休哈特理论中的全稳生产线。只有形成这样的控制局面，才能保证企业范围生产过程的可控态。有了稳定的工序状态，才会有稳定的产品质量。对于异地协同制造来说，就不仅仅是对单个企业的产品质量要求，由于网络化异地协同制造是多个相关企业间的协同合作，配合质量就显得更为重要。控制配合质量，使其达到优化，为企业提供一个全面的质量解决方案。2. 面向配合质量目标的统计公差技术配合质量主要取决于两个配合零件批的配合尺寸的实际分布。在理想情况下，即两个配合零件配合尺寸的加工处于受控状态，配合尺寸的实际分布均应服从正态分布。配合后的间隙或过盈的分布亦应服从正态分布。以和分别代表均值和标准偏差，下标H, S和f分别代表孔, 轴和配合后的间隙或过盈, 该分布与两个配合尺寸的分布的统计参数之间的关系应为： （1）配合能力分析是根据两个配合零件批的配合尺寸过程能力指数对配合质量做出预测和质量评价。主要依据是配合能力指数与两个配合尺寸的过程能力指数的关系2。2.1配合能力指数FCp与两个配合尺寸的过程能力指数的关系 （2）如果予先设定孔轴加工的过程能力指数相同，即, 则可表示为：（3）式中，是一个系数，2.2 配合偏移系数与两个配合尺寸的偏移系数 ，的关系 （4）2.3 配合质量的评价指标主要是三个指标：配合后间隙或过盈相对目标间隙或过盈的对中性，以配合中间区率为代表， （5）配合质量损失率 （6）配合质量合格率 （7）由于两个配合零件批的配合尺寸均应全部合格，配合质量废品率实用意义较小。但在特殊条件下仍可应用。如果配合质量目标已经确定，我们可将两个配合尺寸的过程能力指数用面向配合质量目标的统计公差设定。利用配合能力指数和孔、轴过程能力指数的关系，可以指导孔、轴加工工序的质量控制，最大程度地以较低的生产成本满足装配技术要求。面向配合质量目标的统计公差方法可应用于以下情形：(a) 两个孔、轴零件批的配合尺寸均未加工，两者的基于过程能力指数的统计公差均有待设定。在多数情况下，我们不可能使两个孔、轴零件批的配合尺寸的过程能力指数完全符合，值对于两个孔、轴零件批的配合尺寸的标准偏差之比并不敏感。而两个孔、轴零件批的配合尺寸的偏移系数和的方向和大小则对于三个配合质量指标有较大的影响，这也为两个孔、轴零件批的配合尺寸的协调统计过程控制提供了依据。控制原则就是：协调控制两个孔、轴零件批的配合尺寸的偏移系数和，使配合偏移系数为零。（b）配合质量目标和其中一个配合尺寸的过程能力指数已知，用面向配合质量目标的统计公差带图表设定另一个配合尺寸的过程能力指数范围。（c）两个孔、轴零件批的配合尺寸均已加工，两者的过程能力指数均已知，预测有关的配合质量。如果配合质量目标已经确定，我们可利用公式代入两个配合尺寸的过程能力指数预测有关的配合质量并及时做出判断，指导两个配合尺寸的后续加工过程控制。3 配合质量协同控制信息系统的设计网络化异地制造产品质量协同控制信息系统是系统的重要子系统，其信息交换技术和用户接口技术决定着系统能否得以实现总体的协同功能。3.1 配合质量协同控制信息系统的需求分析在网络化制造模式下, 企业间的联系是建立在面向客户需求上的动态行为。企业在地域分布上分散、游离, 各企业的组织结构独立、自治, 生产水平与规模各不相同, 而为了满足客户需求,企业必须迅速而有效地调整各自的生产行为。针对这一特点, 网络化制造环境下的信息系统必须满足以下要求:(1) 质量信息的共享与交互。由于产品信息和知识数据分布在动态的、无规律的和地理上相隔的各企业之中,在产品的生命周期中成员有对动态信息的交换需求, 所以系统应具有分布式体系结构, 通过数据库系统及计算机网络实现质量信息共享和远程交互访问。(2) 开放式的集成平台。由于网络化制造模式下的企业的组织模式是动态的、多变的。因此系统应具有开放性的集成平台, 以适应企业动态多变的要求。各企业的加入和离开应不受技术限制。(3) 质量保证的快速反应。这种快速反应体现在: 质量信息的快速收集、传递、存取、处理和跟踪; 能够及时收集用户的各种质量反馈信息, 及时做出响应, 为用户提供个性化服务; 快速智能处理所发生的质量问题, 能迅速对质量保证系统进行重构。(4) 信息访问的安全性。质量信息一般是企业的机要信息, 是企业的命脉之所在, 因此系统要具有安全防护措施, 防止信息遗失、泄露以及被篡改。(5) 产品质量的协同控制。产品质量协同控制的管理是通过任务调度来实现的。任务的调度机制是由产品管理系统中的任务模型来触发的,而任务的执行是通过调用已预定义的不同工作流模型,并激活相应的工作流引擎来实现的。任务通过工作流引擎执行后所得到的有关项目进度、资源消耗、产品质量、成本统计、异常情况等信息反馈给项目监控模块,从而实现项目的闭环控制。3.2 质量信息的交换为便于讨论, 假设成员在构成上是相对稳定的, 忽略动态在重构过程中主和盟员的选择问题, 而直接讨论在现有联盟内的质量信息交换问题如图1所示。市场研究信息主企业质量系统成员企业宏质量系统产品制造信息成员企业质量子系统成员企业质量子系统成员企业宏质量系统外部质量信息内部质量信息成员企业质量系统成员企业质量系统图1质量信息交换首先,主企业质量系统负责收集产品的市场研究信息, 在分析和处理的基础上, 联合各盟员企业的宏质量系统, 并结合各自企业的制造资源, 制定产品的质量目标、质量规划和质量方针。在由外部质量信息所决定的质量内容确定后, 宏质量系统将质量信息发送给子质量系统, 由子质量系统制定相关质量标准和措施, 并组织实施和监督; 同时, 子质量系统也将实时质量反馈信息传递给宏质量系统, 以便对质量目标和质量规划做出调整。子质量系统中的信息大都是涉及各企业私有的内部质量信息。3.3 配合质量协同控制用户接口的实现针对网络化制造环境下质量信息的交换方式, 考虑到数据流动的合理性和安全性, 建立如下协同控制系统的用户接口系统结构如图2所示3。协同控制系统的用户接口系统结构见图2。系统由用户端（主机厂用户接口和分机厂用户接口）、质量协同控制服务器、质量项目服务器、辅助工具服务器和分机厂质量服务器五大部分构成。(1)质量协同服务器： 主要包括主机厂产品质量控制模块和质量协同控制模块，用来通过协调各分机厂的零部件甚至是过制造程质量，从而实现主机厂产品的总体质量。(2)客户端管理模块主要功能：系统在客户端运行的客户程序是浏览器自动从项目服务器上下载的代码。客户端主要提供用户端的人机交互及人人交互的界面。主要完成远程工具软件屏幕画面的显示; 产生并传送对工具软件的远程控制指令; 在线交流信息的接收与发送;协同操作权限的控制; 数据共享与传送控制。(3)质量项目服务器主要功能：质量项目服务器是协同质量控制系统的集成部件。提供如下功能: 对工具软件进行集成管理。把企业原有的辅助设计软件, 通过共享与协同控制接口集成在协同工作环境中, 并对工具软件的使用进行集中的管理。提供对远程用户的集中管理与控制, 如用户注册、用户登录与身份验证等。质量项目、工作流与工作任务管理。对每一个协同工作项目进行集中管理, 负责项目信息的维护。另外对整个协同设计工作的工作流及设计资源进行管理, 协调对设计资源的正确、高效使用。对协同设计任务进行统一的管理与监控。交流与沟通服务。与客户方相应的交谈模块一起为在线的用户提供即时的沟通手段, 包括文字交谈、语言交谈与影像交流。辅助软件1辅助软件2接口模块RSCI、DEI接口模块RSCI、DEI辅助工具服务器质量项目服务器质量项目服务模块客户端管理模块实时交流、服务模块分机厂B质量服务器用户接口分机厂N质量服务器用户接口分机厂A质量服务器用户接口质量协同接口模块主机厂质量控制模块主机厂用户接口分机厂质量控制服务器质量协同服务器RSCI（Remote Sharing & Controlling Interface）远程共享与协同控制接口DEI (Data Exchanging Interface) 数据交换接口图2 协同控制系统的用户接口系统结构 (4) 辅助工具服务器：质量协同控制系统对分散在企业的网络节点上的各种辅助设计软件进行了连接与集成, 通过本文开发的远程共享与控制接口模块RSCI把各种软件集成到系统总线上来, 同时RSCI在软件工具中套接了屏幕共享与远程操作的Shell, 从而多个用户就可以在异地共享相同的工具软件的操作界面, 并可以在远程进行实时的协同操作。(5)分机厂质量控制服务器： 接收主机厂的产品质量需求信息，并用来控制本地产品制造质量的控制、评估、检验等，同时向主机厂质量控制器发送本地产品的制造质量状态参数。4 系统的体系结构及协同控制的实现技术4.1 配合质量协同控制的体系结构网络化异地制造产品质量协同控制系统由质量目标层、优化层、直接控制层和实际系统层，如图3所示4。质量协同控制的过程如下，主机厂的产品质量目标按产品要求通过质量目标优化分配器分配到各分机厂，形成各分机厂的质量目标要求。协调控制器根据主质量目标和各分质量目标的要求，通过质量子系统反馈的质量参数判定产品质量的过程稳定性、配合状态、装配状态等，形成新的控制规则及协调指令并向各局部决策单元发送。局部决策单元通过各自的控制器控制质量子系统的调整，以使过程质量更加适合主机厂总体产品的质量。协调控制器局部决策单元N局部决策单元2局部决策单元1控制器N控制器2控制器1质量子系统1质量子系统2质量子系统N质量参数优化层实际系统层直接控制层主机厂质量目标分机厂1质量目标分机厂2质量目标分机厂N质量目标质量目标优化分配器质量目标层图3 异地制造产品质量协同控制系统的体系结构4.2 配合质量协同控制的实现在网络化环境下，主机厂与分机厂通过质量信息共享，制造过程在线数据采集、在线质量分析、在线质量协调和在线质量控制，实现主机厂产品的质量保证。限于篇幅，不再展开论述。假定一个孔、轴配合的尺寸需要保证。轴的加工（如传动轴）由主机厂完成，孔的加工（如齿轮的内孔）由分机厂生产。主机厂装配尺寸均值对其目标值的偏移是导致中间区频率降低的主要原因；利用表1 中和、之间的关系和已知的孔或轴的质量信息，可以有意识的保持后加工的孔（或轴）的该批零件和与其相配合的已知轴（或孔）的均值对其目标值的偏移方向一致，绝对值控制在满足以下条件：孔、轴公差比为1时， = 0孔、轴公差比为1.6时， 表1 和、之间的关系孔、轴公差比和的方向关系式1相反1相同1.6相反1.6相同以下通过具体实例说明。5. 配合质量协同控制实例某主机厂生产的拖拉机传动箱，其中齿轮由分机厂生产，传动轴由本厂生产。齿轮孔和传动轴的配合为f40 H7/js6, 齿轮孔: f40 H7 ，传动轴直径: f40 js6 。齿轮孔的最终工序为拉削而传动轴最终工序为磨削。齿轮孔和传动轴的每批批量为1500件套。已知齿轮孔和传动轴最终工序均采用均值-极差控制图且处于受控状态。根据该批次的统计参数预测配合质量并提高孔、轴配合尺寸的合格率并改进配合质量。表2 主机厂和分机厂制造过程统计参数企业类型生产零件配合尺寸标准偏差（um）目标值的偏移(um)不合格率配合能力指数配合中间区频率要求的中间区频率分机厂齿轮齿轮孔3.7-0.40.075%主机厂传动轴轴颈2.4+10.188%产品传动箱孔轴配合尺寸4.4-1.486%88分机厂所生产的齿轮孔的最终工序为拉削, 拉刀为定尺寸刀具, 加工过程稳定, (H) =1.13, (H) =0.075%,满足质量要求, 不必