加工中心主軸箱體制造工藝可靠性保障方法的研究 （中）
2017-6-30 來源：吉林大學(xué) 作者： 譚壯
第 3 章基于模糊評(píng)判的加工中心主軸箱體制造工藝
FMECA 工藝 FMECA 方法能夠?qū)庸ぶ行闹鬏S箱體制造工藝中各個(gè)工序的工藝故障模式進(jìn)行分析，尋找引發(fā)工藝故障模式的原因，并針對(duì)各個(gè)工藝故障模式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)評(píng)分，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)不符合規(guī)定要求的加工中心主軸箱體制造工藝故障模式制定改進(jìn)措施，跟蹤改進(jìn)措施的有效性直到其風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)降低到符合規(guī)定要求為止，達(dá)到保障加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的目的。當(dāng)缺少加工中心主軸箱體生產(chǎn)過程中相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)，將無法客觀計(jì)算出工藝故障模式的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)，進(jìn)而無法判別出風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)不符規(guī)定要求的工藝故障模式。為了解決上述問題，本章采用梯形模糊評(píng)判的方法對(duì)不同原因引起的工藝故障模式進(jìn)行排序，并對(duì)加工中心主軸箱體整個(gè)工藝流程進(jìn)行綜合評(píng)判，為是否對(duì)整個(gè)工藝流程實(shí)施改進(jìn)措施提供參考。通過實(shí)例分析，驗(yàn)證了該方法的可行性。
3.1 加工中心主軸箱體制造工藝 FMECA
FMECA 是故障模式、影響及危害性分析（Failure Mode，Effects and Criticality Analysis）的簡(jiǎn)稱，是用于歸納分析系統(tǒng)單元產(chǎn)生的故障模式、故障模式發(fā)生概率、嚴(yán)重程度及其影響后果的一種方法[68]。FMECA 由故障模式及影響分析（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）和危害性分析（Criticality Analysis，CA）兩部分內(nèi)容組成。上世紀(jì)五十年代初，美國一家飛機(jī)公司在產(chǎn)品研發(fā)階段首先采用了 FMECA 方法，隨著相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，F(xiàn)MECA 方法在美國的航空航天以及船舶等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。上世紀(jì)八十年代，我國將 FMECA 理論引進(jìn)了國內(nèi)，經(jīng)過研究與學(xué)習(xí)后，制定了一系列的標(biāo)準(zhǔn)并將其應(yīng)用到了多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。 根據(jù) FMECA 分析的對(duì)象不同可以分為功能 FMECA、硬件 FMECA、軟件FMECA、過程 FMECA 等。通過工藝 FMECA 對(duì)加工中心主軸箱體制造過程中每道工序所有可能發(fā)生的故障模式、故障原因、故障模式產(chǎn)生的影響、發(fā)生概率以及被檢測(cè)難度進(jìn)行分析，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)評(píng)分確定出薄弱工序并制定改進(jìn)措施，對(duì)改進(jìn)措施執(zhí)行后的故障模式風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)或者跟蹤，使各個(gè)工序的所有工藝故障模式風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)滿足規(guī)定要求，從而達(dá)到保障加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的目的。 根據(jù)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)的要求[69]，加工中心主軸箱體制造工藝 FMECA 的分析步驟如下：
（1）對(duì)待分析的加工中心主軸箱體特點(diǎn)、功能及相關(guān)要求等進(jìn)行分析； 繪制“工藝流程表”（用于分析加工中心主軸箱體每道工序的功能和要求）及“零部件-工藝關(guān)系矩陣”（對(duì)加工中心主軸箱體工序按各個(gè)特性進(jìn)行分類），上述兩個(gè)表格是工藝 FMECA 的前期準(zhǔn)備工作；
（2）分析加工中心主軸箱體各個(gè)制造工序的工藝故障模式，常見的工藝故障模式有：尺寸超差、形狀超差、變形、斷裂等；
（3）對(duì)工藝故障原因進(jìn)行分析，常見的工藝故障原因有：刀具磨損、夾具磨損、熱處理時(shí)間不當(dāng)?shù)龋?nbsp;
（4）對(duì)工藝故障影響進(jìn)行分析，工藝故障影響包括對(duì)下道工序或者后續(xù)工序的影響、對(duì)部件或者整機(jī)的影響，常見的工藝故障影響有：無法加工表面，部件不合格、整機(jī)可靠性低等；
（5）對(duì)風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（ RPN ）進(jìn)行分析， RPN 值越大表明該工藝故障模式風(fēng)險(xiǎn)性越大，該工序越薄弱，RPN ?S ?O?D，其中 S 表示工藝故障模式的嚴(yán)酷度等級(jí)，O 表示工藝故障模式的發(fā)生概率等級(jí)，D 表示工藝故障模式的被檢測(cè)難度等級(jí)；
（6）對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)或者 S 、 O 、 D 指標(biāo)不符合規(guī)定要求的工序制定有效改進(jìn)措施，降低 S 、O 、 D 指標(biāo)和風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù) RPN ；
（7）預(yù)測(cè)或跟蹤改進(jìn)措施，直到風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù) RPN 滿足規(guī)定要求為止； 將分析結(jié)果歸納整理，生成工藝過程 FMECA 報(bào)告，其主要內(nèi)容包括：加工中心主軸箱體特征概述、工藝 FMECA 表格、結(jié)論及建議、相應(yīng)的附表(如“工藝流程表”、“零部件－工藝關(guān)系矩陣”)等。 圖 3.1 為加工中心主軸箱體制造工藝 FMECA 分析步驟的流程圖。
圖 3.1 加工中心主軸箱體制造工藝 FMECA 步驟
風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（ RPN ）中的S 、O 、D 指標(biāo)可參照國家軍用標(biāo)準(zhǔn)[69]的評(píng)分要求進(jìn)行打分，但是需要生產(chǎn)過程中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為評(píng)分參考。當(dāng)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)充足的時(shí)候，可以直接按照國家軍用標(biāo)準(zhǔn)[69]對(duì)加工中心主軸箱體應(yīng)用制造工藝FMECA 方法，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)不合規(guī)定要求的工藝故障進(jìn)行改進(jìn)并跟蹤，直到其風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)降低到符合規(guī)定要求為止，達(dá)到保障制造工藝可靠性的目的。由于企業(yè)對(duì)制造工藝可靠性的重視程度不夠或者某些型號(hào)加工中心主軸箱體屬于小批量生產(chǎn)類型等原因，在執(zhí)行風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（ RPN ）中的 S 、O 、D 指標(biāo)評(píng)分時(shí)會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)過程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不足的情況，從而無法判別哪些工藝故障模式風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)不符合規(guī)定要求。為了解決數(shù)據(jù)不足的問題，本文提出梯形模糊數(shù)評(píng)判與工藝FMECA 相結(jié)合的方法。
3.2 梯形模糊數(shù)評(píng)判方法
3.2.1 相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)程度梯形模糊數(shù)評(píng)判方法
相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)程度梯形模糊數(shù)評(píng)判方法是將專家組對(duì)加工中心主軸箱體各個(gè)工藝故障模式的定性比較轉(zhuǎn)化為定量計(jì)算的一種方法。梯形模糊數(shù)評(píng)判是一個(gè)向量，而不是單一的具體數(shù)值點(diǎn)，因此具有較高的判斷準(zhǔn)確性。本文定義梯形模糊數(shù)為M ，其隸屬函數(shù) μ(x) : R-[0,1] 如下[70-71]：
式 3.1 中a<b<c<d a 表示梯形模糊數(shù) M 的上界，d 表示梯形模糊數(shù) M 的下界，閉區(qū)間[b,c]表示梯形模糊數(shù) M 的中值，當(dāng)b ?c 時(shí)，梯形模糊數(shù) M 也被稱為三角形模糊數(shù)，(d? a)的值越大表示梯形模糊數(shù) M 的模糊程度越強(qiáng)，通常用 M?(a,b,c,d) 表示梯形模糊數(shù)。 本文邀請(qǐng)了一組加工中心主軸箱體生產(chǎn)領(lǐng)域的專家,專家組應(yīng)由工藝設(shè)計(jì)人員，質(zhì)保人員、車間檢測(cè)人員等組成。以風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（ RPN ）為指標(biāo)對(duì)加工中心主軸箱體制造工藝過程中所有可能發(fā)生的工藝故障模式進(jìn)行評(píng)價(jià)，專家組進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)需采用本文規(guī)定的以下語義詞：“沒有風(fēng)險(xiǎn)”、“很小風(fēng)險(xiǎn)”、“較小風(fēng)險(xiǎn)”、“一般風(fēng)險(xiǎn)”、“較大風(fēng)險(xiǎn)”、“很大風(fēng)險(xiǎn)”。梯形模糊數(shù) M?(a,b,c,d) 可以對(duì)上述語義詞進(jìn)行定量表示，為便于計(jì)算,本文將模糊數(shù) M 中 a、b、c、d 四個(gè)分位數(shù)的取值局限于? ?0,1 區(qū)間內(nèi)，具體數(shù)值由專家組確定，即上述每個(gè)語義詞的四個(gè)分位數(shù)a、b、c、d 都是通過專家組加權(quán)平均的方法得到，本文所規(guī)定的語義詞所對(duì)應(yīng)梯形模糊數(shù)如表 3.1 所示。
表 3.1 語義詞對(duì)應(yīng)的梯形模糊數(shù)
表 3.1 中的各個(gè)語義詞模糊數(shù)隸屬函數(shù)圖像如圖 3.1 所示，圖中的折線代表了相應(yīng)語義詞的隸屬函數(shù)。
圖 3.1 語義詞對(duì)應(yīng)的梯形模糊函數(shù)圖像
3.2.2 工藝系統(tǒng)模糊綜合評(píng)判方法
對(duì)加工中心主軸箱體的整個(gè)制造工藝系統(tǒng)實(shí)施模糊綜合評(píng)判，可以為是否對(duì)薄弱工序?qū)嵤└倪M(jìn)措施提供參考，具體方法如下所示[76]：
（1）建立制造工藝系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)的評(píng)判等級(jí)，等級(jí)V 是對(duì)加工中心主軸箱體工藝故障模式狀態(tài)的 h 個(gè)評(píng)價(jià)決斷即 ? ?1 2, ,...,hV ?v v v ；
（2）以上述評(píng)判等級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)，專家組對(duì)加工中心主軸箱體工藝故障模式集合? ?1 2= , ,....,nA A A A 中各元素進(jìn)行評(píng)判，并根據(jù)各個(gè)專家的權(quán)重得到評(píng)判矩陣 PA ，? ?1 2 ,...,i i i ihPA ?? ? ? 表示工藝故障模式iA 的評(píng)判集iPA ，集合中ij? 表示工藝故障
3.2.3 采用模糊評(píng)判的工藝 FMECA 分析流程
采用梯形模糊評(píng)判方法的加工中心主軸箱體制造工藝 FMECA 的分析流程可概括為圖 3.2 所示，其主要區(qū)別是將工藝 FMECA 原有的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（ RPN ）評(píng)分改為梯形模糊評(píng)判，相應(yīng)的工藝 FMECA 表格也會(huì)進(jìn)行修改，各流程的具體內(nèi)容可參考本章的實(shí)例分析。
圖 3.2 采用模糊評(píng)判的加工中心主軸箱體制造工藝 FMECA 流程
3.3 實(shí)例分析
本文以某型號(hào)加工中心主軸箱體（如圖 3.3 所示）制造工藝為例，結(jié)合圖 3.2中的分析流程對(duì)其應(yīng)用基于模糊評(píng)判的制造工藝 FMECA 方法，從而能夠在缺少生產(chǎn)過程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的情況下，確定出薄弱工序并制定相應(yīng)的改進(jìn)措施，達(dá)到保障加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的目的。為了便于理解和表達(dá)，本文以該型號(hào)加工中心主軸箱體的 2 道工序出現(xiàn)的 4 種故障原因引起的工藝故障模式為例進(jìn)行分析。
圖 3.3 某型號(hào)加工中心主軸箱體
3.3.1 系統(tǒng)定義
加工中心主軸箱體是承載主軸的關(guān)鍵零件，其制造精度對(duì)整機(jī)的加工精度有著重要影響；該型號(hào)主軸箱體毛坯為鑄件，體積較大并且加工精度要求高，加工過程中裝夾費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且運(yùn)輸困難，具有較大的加工難度。 3.3.2 “工藝流程表”及“零部件-工藝關(guān)系矩陣”的繪制
繪制“工藝流程表”（見表 3.2）及“零部件-工藝關(guān)系矩陣”（見表 3.3）。
表 3.2主軸箱體工藝流程（部分）
表3.3 零部件－工藝關(guān)系矩陣（部分）
3.3.3 分析主軸箱體工藝故障模式、原因及影響
對(duì)加工中心主軸箱體各工序可能發(fā)生的工藝故障模式、相應(yīng)的工藝故障原因及影響進(jìn)行分析，并以故障原因?yàn)閱挝粚?duì)工藝故障模式編號(hào)（見表 3.4）。
表 3.4 主軸箱體工藝故障模式、工藝故障原因及影響（部分）
3.3.4 模糊對(duì)比評(píng)判計(jì)算
以風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（ RPN ）為模糊評(píng)判原則，本文共邀請(qǐng) 5 位加工中心主軸箱體制造領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)所編號(hào)的工藝故障模式進(jìn)行評(píng)判，根據(jù)工作年限、職稱、學(xué)歷等賦予各專家的權(quán)重如表 3.5 所示。根據(jù)互補(bǔ)判斷矩陣的性質(zhì)，專家組只需要給出對(duì)角線以上的評(píng)判元素即可，具體評(píng)分如表 3.6 所示。
表 3.5 專家權(quán)重分配
表 3.6 專家組模糊對(duì)比評(píng)分
根據(jù)? 計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，編號(hào)為 3 的加工中心主軸箱體工藝故障模式即由加工刀具徑向調(diào)整量不合適引起的主軸孔加工尺寸不合要求，是表 3.4 中所編號(hào)的工藝故障模式中風(fēng)險(xiǎn)最大。 3.3.5 模糊綜合評(píng)判計(jì)算
對(duì)加工中心主軸箱體制造工藝系統(tǒng)實(shí)施模糊綜合評(píng)判，建立評(píng)判等級(jí)V??風(fēng)險(xiǎn)很高，風(fēng)險(xiǎn)較高，中等風(fēng)險(xiǎn)，輕度風(fēng)險(xiǎn)?，邀請(qǐng)上述 5 位專家對(duì)表 3.4 中全部工藝故障模式進(jìn)行評(píng)判，評(píng)分如表 3.7 所。
表 3.7 專家組模糊綜合評(píng)分
表 3.8 編號(hào)的各工藝故障模式權(quán)重分配
由表 3.9 可知，該型號(hào)加工中心主軸箱體制造工藝系統(tǒng)（僅針對(duì)表 3.4 所編號(hào)的工藝故障模式）風(fēng)險(xiǎn)較高，因此有必要針對(duì)薄弱工序采取改進(jìn)措施，減少工藝故障的發(fā)生，比如對(duì)工序 23 建立關(guān)鍵工序質(zhì)量控制點(diǎn)。
表 3.9 系統(tǒng)評(píng)判等級(jí)與改進(jìn)措施
3.3.6 基于模糊評(píng)判的工藝 FMECA 表格
根據(jù)模糊評(píng)判的結(jié)果，針對(duì)不同工藝故障原因引起的加工中心主軸箱體制造工藝故障模式采取改進(jìn)措施，直到發(fā)生的工藝故障模式風(fēng)險(xiǎn)程度降低到符合規(guī)定要求為止。例如針對(duì)工序 23 中的工藝故障模式“主軸孔加工尺寸不合要求”采取了“合理調(diào)整加工刀具徑向調(diào)整量，調(diào)整完之后進(jìn)行檢查，對(duì)該工序建立關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)”的改進(jìn)措施，對(duì)改進(jìn)措施進(jìn)行跟蹤后，專家組對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為“風(fēng)險(xiǎn)很小”，驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性。將上述工作內(nèi)容進(jìn)行整理，制定采用模糊 評(píng)判方法的加工中心主軸箱體制造工藝 FMECA 表格（如表 3.10 所示，見下一 頁）。
表 3.10 采用模糊評(píng)判的加工中心主軸箱體工藝 FMECA 表（部分）
3.4 本章小結(jié)
本章介紹了加工中心主軸箱體制造工藝 FMECA 實(shí)施流程，以風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)為判原則對(duì)以故障原因?yàn)閱挝坏墓に嚬收夏Ｊ綉?yīng)用梯形模糊數(shù)評(píng)判方法，通過對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)程度的兩兩比較并對(duì)專家組評(píng)分進(jìn)行計(jì)算，從而得出各工藝故障模式的風(fēng)險(xiǎn)程度排序，對(duì)加工中心主軸箱體整個(gè)制造工藝系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)判，確定出系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為是否實(shí)施改進(jìn)措施提供依據(jù)。本章以某型號(hào)加工中心主軸箱體的制造工藝為例，對(duì)其應(yīng)用了基于模糊評(píng)判的制造工藝 FMECA 方法，得出各工藝故障模式風(fēng)險(xiǎn)排序以及整個(gè)制造工藝系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判等級(jí)，制定了針對(duì)各個(gè)工藝故障模式的改進(jìn)措施，并對(duì)改進(jìn)措施的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，從而降低了整個(gè)工藝系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，達(dá)到了保障加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的目的，也驗(yàn)證了基于模糊評(píng)判的加工中心主軸箱體制造工藝 FMECA 方法的可行性。
第 4 章加工中心主軸箱體制造過程控制圖分析及軟件編制
工藝 FMECA 方法能夠針對(duì)發(fā)生的工藝故障采取相應(yīng)改進(jìn)措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工中心主軸箱體制造工藝可靠性進(jìn)行保障的目的，具有直接有效的特點(diǎn)，但工藝FMECA 方法并不能在工藝故障發(fā)生之前及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中存在異常因素，所以無法對(duì)工藝故障的發(fā)生起到預(yù)防作用，因此本章將研究以預(yù)防工藝故障發(fā)生為目的的控制圖分析方法，從而彌補(bǔ)工藝 FMECA 方法所存在的不足。 控制圖分析方法又被稱作統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC），可以在工序質(zhì)量特性值符合規(guī)定要求的情況下判斷出加工中心主軸箱體制造過程是否存在異常因素。若不存在異常因素，可以通過控制圖對(duì)加工中心主軸箱體制造過程進(jìn)行監(jiān)控，從而保障加工中心主軸箱體制造過程處于穩(wěn)定狀態(tài)；若存在異常因素，通過對(duì)異常因素的排查能夠預(yù)防或者減少工藝故障的發(fā)生，使生產(chǎn)過程處于穩(wěn)定狀態(tài)，從而提高加工中心主軸箱體制造工藝穩(wěn)定性。判斷工序質(zhì)量特性值分布異常的條件較多，為了能夠降低操作人員工作強(qiáng)度，并能快速準(zhǔn)確的判別加工過程是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，本章采用 MATLAB 的 GUI（圖形用戶界面）編制了加工中心主軸箱體制造過程控制圖分析軟件。
4.1 加工中心主軸箱體制造過程控制圖分析
4.1.1 控制圖分析原理
控制圖分析方法[77]是美國 W. A. Shewhart（休哈特）以預(yù)防工藝故障發(fā)生為原則首創(chuàng)的控制過程工具，也被稱為統(tǒng)計(jì)過程控制（Statistical Process Control, 簡(jiǎn)稱 SPC）。W. A. Shewhart 認(rèn)為產(chǎn)品的質(zhì)量特性值在生產(chǎn)過程中存在著波動(dòng)，引起波動(dòng)的原因有兩種：一種是生產(chǎn)過程中固有的偶然因素所造成的偶然波動(dòng)，另一種是非生產(chǎn)過程中固有的異常因素（也稱系統(tǒng)因素）所造成的異常波動(dòng)。偶然因素一直存在于生產(chǎn)過程中并且無法避免，但是對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響較小；而異常因素是時(shí)斷時(shí)續(xù)的存在于生產(chǎn)過程中并且對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量影響較大，但可以避免。因此在生產(chǎn)過程中應(yīng)利用控制圖分析方法準(zhǔn)確判斷出系統(tǒng)因素所造成的波動(dòng)是否存在，如果存在異常波動(dòng)應(yīng)盡快尋找并排除引起異常波動(dòng)的系統(tǒng)因素，從而能夠預(yù)防或者減少工藝故障的發(fā)生，保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定。
文27
圖 4.1 正態(tài)分布曲線
圖 4.2 工序樣本質(zhì)量特性值描點(diǎn)圖
圖4.3 控制圖形式
控制圖可以分為分析用控制圖和控制用控制圖，分析用控制圖是用于判別生產(chǎn)過程中是否存在異常情況以及工序能力指數(shù)是否符合要求，控制用控制圖是以當(dāng)前穩(wěn)定的生產(chǎn)狀態(tài)衡量后續(xù)生產(chǎn)的工件質(zhì)量特性值是否穩(wěn)定。控制圖又可以分為計(jì)量值控制圖、計(jì)點(diǎn)值控制圖以及計(jì)件值控制圖。計(jì)量值中應(yīng)用較多的是均值
4.1.2 加工中心主軸箱體制造工序控制圖分析流程
目前控制圖分析方法已經(jīng)形成相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)以及國際標(biāo)準(zhǔn)[78-80]，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，加工中心主軸箱體制造工序控制圖分析流程如下： （1）準(zhǔn)備工作：確定所要分析加工中心主軸箱體制造工序的質(zhì)量特性值 X，根據(jù)生產(chǎn)情況按一定的時(shí)間間隔采集樣本，并根據(jù)時(shí)間順序進(jìn)行分組和排序，樣本容量 n 為 4 ~ 5個(gè)，并保證樣本容量相同，樣本個(gè)數(shù) K 為 20 ~ 30 個(gè)，記錄采集到的樣本數(shù)據(jù)。
1）有 1 個(gè)點(diǎn)落在區(qū)域 A 之外；
2） 連續(xù) 3 個(gè)點(diǎn)有 2 個(gè)點(diǎn)落在 A 區(qū)；
3） 連續(xù) 6 個(gè)及以上的點(diǎn)出現(xiàn)遞增或者遞減趨勢(shì)；
4）連續(xù) 9 個(gè)及以上的點(diǎn)出現(xiàn)在中心線同一側(cè)；
5） 連續(xù) 5 點(diǎn)中有 4 點(diǎn)落在中心線一側(cè)的 C 區(qū)之外；
6） 連續(xù) 8 點(diǎn)落在中心線兩側(cè)并且未落在 C 區(qū)內(nèi)；
7） 連續(xù) 14 個(gè)點(diǎn)中相鄰點(diǎn)交替上下;
8） 連續(xù) 15 點(diǎn)落在中心線兩側(cè)的 C 區(qū)內(nèi)；
9）點(diǎn)子呈現(xiàn)周期性變化。
圖 4.4 控制圖區(qū)域劃分
（6）判斷該加工中心主軸箱體制造工序質(zhì)量特性值及控制圖修正后的工序能力指數(shù)是否符合規(guī)定要求，對(duì)其它要求的判斷可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行。如果有生產(chǎn)要求不符合規(guī)定的情況，應(yīng)對(duì)相關(guān)生產(chǎn)因素進(jìn)行調(diào)整，最終將分析用控制圖的控制界限延長從而轉(zhuǎn)為控制用控制圖。
（7）作控制用控制圖對(duì)加工中心主軸箱體生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，按流程（1） 中確定的采集樣本方法采集后續(xù)生產(chǎn)的樣本數(shù)據(jù)，并在控制用控制圖中描點(diǎn)， 判斷是否存在異常。
（8）一段時(shí)間后應(yīng)根據(jù)實(shí)際質(zhì)量水平對(duì)控制用控制圖的中心線和控制界限進(jìn)行修正。
該軟件應(yīng)具備數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)計(jì)算、圖形繪制以及制造過程異常判斷等功能，同時(shí)能夠記錄加工中心主軸箱體制造過程發(fā)生的工藝故障模式、工藝故障原因及影響等，為技術(shù)人員提供統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，當(dāng)記錄的數(shù)據(jù)足夠豐富時(shí)可以直接應(yīng)用于工藝FMECA 分析中而不需要采取模糊評(píng)判等數(shù)學(xué)方法，從而簡(jiǎn)化分析過程。 目前編程語言種類豐富如 Java、C、C++、Visual Basic、MATLAB 等，且具備各自獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因此根據(jù)不同的編程要求及應(yīng)用領(lǐng)域選擇合適的語言可以提高編程效率并獲得運(yùn)行穩(wěn)定的程序。MATLAB 是一種廣泛用于數(shù)據(jù)分析、數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)可視化、建模仿真、算法開發(fā)等多個(gè)方面的高級(jí)計(jì)算語言和交互環(huán)境，并且提供了大量現(xiàn)成的函數(shù)，具有計(jì)算效率高、編程效率高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)[83]。因此本文采用 MATLAB-GUI（圖形用戶界面）編制加工中心主軸箱體制造過程x ?s 控制圖分析軟件。 MATLAB-GUI 指的是 MATLAB 圖形用戶界面（Graphical User Interfaces，GUI）設(shè)計(jì)。本文以 MATLAB7.10 版本為例介紹 GUI 設(shè)計(jì)窗口，如圖 4.5 所示。GUI 設(shè)計(jì)窗口的上方為菜單欄，包括“File”、“Edit”等6個(gè)菜單項(xiàng)；菜單欄下方為工具欄，用于打開布局編輯器、打開菜單編輯器等；網(wǎng)格區(qū)的左側(cè)為控件工具箱，包括按鈕、可編輯文本框等控件對(duì)象；網(wǎng)格區(qū)為設(shè)計(jì)區(qū)，用于布置菜單和控件對(duì)象。
圖 4.5 MATLAB 7.10 版本的 GUI 設(shè)計(jì)窗口
圖 4.6 加工中心主軸箱體 x?s控制圖分析軟件的界面布局
圖 4.10 “控制圖”繪制部分
“菜單”部分如圖 4.11 所示，包括“保存”、“退出”、“軟件說明”三個(gè)功能，“保存”功能是將整個(gè)軟件界面以圖片形式進(jìn)行保存，“軟件說明”是點(diǎn)擊之后彈出 word 文檔如圖 4.12 所示，用于說明或者解釋軟件的一些信息，對(duì)于4.1.2 節(jié)中異常判斷原則中的點(diǎn)子呈現(xiàn)周期性變化，需要通過對(duì)控制圖形狀觀察可得。
圖 4.12 軟件說明
滿足所要求的功能，并且參數(shù)計(jì)算及異常結(jié)果的判斷均準(zhǔn)確無誤，由于下一節(jié)將進(jìn)行實(shí)例分析，因此本節(jié)對(duì)軟件調(diào)試驗(yàn)證的具體過程不進(jìn)行詳細(xì)描述。 4.3 實(shí)例分析
4.3.1 數(shù)據(jù)采集與處理
根據(jù) 4.1.2 節(jié)中的要求，采集了某型號(hào)加工中心主軸箱體制造工序 23 的樣本，樣本數(shù)量為 25 組，樣本容量為 4，并對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算處理，具體數(shù)據(jù)如表 4.1 所示。
表 4.1 數(shù)據(jù)記錄表
4.3.2 控制圖參數(shù)計(jì)算
4.3.3 作分析用控制圖及控制用控制圖
件的判別結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)第 12 個(gè)樣本和第 13 個(gè)樣本均值超出控制界限，因此需要查找造成點(diǎn)子出界的異常原因，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)是工人師傅未能按規(guī)定要求及時(shí)調(diào)整加工刀具的調(diào)刀量，因此需要讓操作工人嚴(yán)格遵守生產(chǎn)規(guī)定進(jìn)行操作。 將異常點(diǎn)即樣本 12 和樣本 13 的均值和標(biāo)準(zhǔn)差排除，對(duì)剩余的 23 個(gè)樣本重新繪制控制圖，并按照式 4.1-4.10 計(jì)算新的控制界限，如圖 4.14 所示，可以發(fā)現(xiàn) S
圖和 x 圖均無異常，且樣本數(shù)據(jù)均符合生產(chǎn)要求，工序能力指數(shù) Cpk為 1.02，表明工序能力尚可，因此可以將去除異常點(diǎn)后的控制圖作為控制用控制圖，對(duì)后續(xù)生產(chǎn)進(jìn)行控制，并經(jīng)過一定時(shí)間后對(duì)控制界限進(jìn)行調(diào)整。
圖 4.13 繪制的分析用控制圖
圖 4.14 去除異常點(diǎn)后的控制圖
4.4 本章小結(jié)
本章介紹了控制圖分析方法的原理以及加工中心主軸箱體制造過程控制圖分析步驟，利用 MATLAB-GUI（圖形用戶界面）編制了加工中心主軸箱體制造過程 x ?s 控制圖分析軟件，該軟件具備數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)計(jì)算處理、繪制控制圖、判斷制造過程是否異常、記錄工藝故障數(shù)據(jù)等功能，通過實(shí)例分析表明所編制軟件能夠準(zhǔn)確快速計(jì)算樣本數(shù)據(jù)、繪制分析用 S 圖和 x 圖、判斷出加工中心主軸箱體制造過程是否存在異常，通過對(duì)異常因素和異常樣本數(shù)據(jù)的排除可以生成相應(yīng)的控制用控制圖，用于監(jiān)測(cè)后續(xù)加工中心主軸箱體制造過程的波動(dòng)情況。因此本章所研究的控制圖分析方法能夠保障加工中心主軸箱體制造過程的穩(wěn)定，預(yù)防制造工藝故障的發(fā)生，從而達(dá)到保障加工中心主軸箱體制造工藝可靠性的目的。
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