馬曉原

（山東科技大學(xué)外國(guó)語(yǔ)學(xué)院，山東 青島 266590）

1 概述

世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了環(huán)境問題，節(jié)能減排已經(jīng)成為擺在全人類面前的問題。我國(guó)作為《巴黎協(xié)定》的主要締約方之一，面臨著節(jié)能減排的重大壓力。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2017 年年鑒顯示，我國(guó)制造業(yè)的能源消費(fèi)總量為245139.54 萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，約占工業(yè)能源消費(fèi)總量的83.2%。以數(shù)控機(jī)床為主體的加工制造系統(tǒng)能耗占比巨大，在保證加工質(zhì)量的前提下，對(duì)數(shù)控機(jī)床能耗進(jìn)行控制可以對(duì)節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。

本文擬通過運(yùn)用統(tǒng)計(jì)過程控制的方法，針對(duì)數(shù)控機(jī)床批量加工同一零件的情況，對(duì)數(shù)控機(jī)床加工單零件的能耗進(jìn)行控制。該方法可以將數(shù)控機(jī)床能耗的事后分析轉(zhuǎn)變?yōu)樘崆邦A(yù)警，同時(shí)，具備靈活度高、反應(yīng)迅速、實(shí)用性好等特點(diǎn)。

2 數(shù)控機(jī)床零件生產(chǎn)能耗控制

加工場(chǎng)景為，一臺(tái)CK6153i 數(shù)控機(jī)床批量加工同一種零件，加工方式為車外圓。每天工作20 小時(shí)加工零件，由兩班工人輪流操作。單個(gè)零件A 加工時(shí)間為405s。

2.1 準(zhǔn)備階段

首先，確定統(tǒng)計(jì)過程控制實(shí)施前的控制方法，主要步驟如下：（1）控制對(duì)象的選?。簲?shù)控機(jī)床批量加工同一產(chǎn)品的情況下，選取單個(gè)零件的加工能耗作為控制對(duì)象。（2）采集數(shù)據(jù)方法：在數(shù)控機(jī)床上加裝經(jīng)過校準(zhǔn)的電表。通過電表記錄單零件整個(gè)加工過程中的能耗。（3）控制圖類型選擇。（4）確定數(shù)據(jù)收集方案：在確定單個(gè)零件生產(chǎn)時(shí)間和控制圖類型后，針對(duì)控制圖類型和單個(gè)零件生產(chǎn)時(shí)間，且在考慮實(shí)際的生產(chǎn)過程穩(wěn)定性、工人班組等條件下，確定合適的數(shù)據(jù)收集方案，即確定合適的樣本組數(shù)、樣本量大小和抽樣頻次。（5）收集數(shù)據(jù)完成后，判斷所取數(shù)據(jù)是否基本符合正態(tài)分布，若不符合正態(tài)分布則需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，增加樣本組數(shù)或重新收集數(shù)據(jù)。（6）計(jì)算所取樣本數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)控制圖的中心線和上下控制限。（7）繪制控制圖并對(duì)控制圖可能存在的異常進(jìn)行分析。（8）計(jì)算該生產(chǎn)過程的過程能力指數(shù)，判斷過程能力指數(shù)是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 分析階段

根據(jù)前文所述控制圖類型選用方法，選擇均值-極差控制圖，數(shù)據(jù)采集方法為每三個(gè)產(chǎn)品采集一個(gè)數(shù)據(jù)，五個(gè)數(shù)據(jù)作為一組，共采集25 組數(shù)據(jù)。

基于上述數(shù)據(jù)判斷該生產(chǎn)過程的穩(wěn)定狀態(tài)，首先，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，概率圖顯示P 值為0.259，數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。繪制控制圖并計(jì)算過程能力指數(shù)，如圖1。

由圖1 可知，控制圖存在以下異常點(diǎn)：

檢驗(yàn)5。3 點(diǎn)中有2 點(diǎn)，距離中心線超過2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（在中心線的同一側(cè)）。

表1 第一次數(shù)據(jù)采集結(jié)果

圖1 控制圖與過程能力指數(shù)

檢驗(yàn)出下列點(diǎn)不合格：6，7。檢驗(yàn)6。5 點(diǎn)中有4 點(diǎn)，距離中心線超過1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（在中心線的同一側(cè)）。檢驗(yàn)出下列點(diǎn)不合格：9。檢驗(yàn)8。行內(nèi)連續(xù)8 點(diǎn)距離中心線超過 1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（中心線的上方和下方）檢驗(yàn)出下列點(diǎn)不合格：8，9，10。過程能力指數(shù)為0.97，參照過程能力指數(shù)評(píng)價(jià)表該生產(chǎn)過程屬于三級(jí)，過程能力不足。

針對(duì)現(xiàn)有問題，對(duì)可能影響加工能耗的因素進(jìn)行了分析，作出了以下改善措施：（1）對(duì)車床進(jìn)行優(yōu)化：更換加工穩(wěn)定性更好的車床，對(duì)數(shù)控機(jī)床加工編程進(jìn)行優(yōu)化；（2）對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行分析，提高測(cè)量系統(tǒng)的精度；（3）優(yōu)化切削參數(shù)和車削路徑；（4）對(duì)操作工人進(jìn)行培訓(xùn)，提高工人操作技術(shù)水平。

對(duì)改進(jìn)后的生產(chǎn)過程進(jìn)行數(shù)據(jù)再采集，得到數(shù)據(jù)如表2所示。

基于上述數(shù)據(jù)判斷該生產(chǎn)過程的穩(wěn)定狀態(tài)，首先,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，概率圖計(jì)算出P 值為0.186，符合正態(tài)分布。繪制控制圖并計(jì)算過程能力指數(shù)，結(jié)果如圖2。

由圖2 可以看出，該生產(chǎn)過程已處于技術(shù)穩(wěn)態(tài)和統(tǒng)計(jì)穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)，可以進(jìn)入控制階段。

2.3 控制階段

該生產(chǎn)過程已經(jīng)初步達(dá)到技術(shù)穩(wěn)態(tài)與過程穩(wěn)態(tài)，可以將分析用控制圖的控制界限延長(zhǎng)作為控制用控制圖，從分析用控制圖階段進(jìn)入控制用控制圖階段。

控制階段的主要目的是保證生產(chǎn)過程穩(wěn)定，同樣,利用判異準(zhǔn)則來判斷控制圖上是否異常，如出現(xiàn)異常，則說明生產(chǎn)過程的穩(wěn)態(tài)被破壞，需要盡快采取相應(yīng)的措施,查明異常原因并采取相應(yīng)措施防止生產(chǎn)出不合格品，并恢復(fù)生產(chǎn)過程的穩(wěn)態(tài)。

表2 第二次數(shù)據(jù)采集結(jié)果

圖2 改進(jìn)后控制圖與過程能力指數(shù)

3 結(jié)語(yǔ)

基于SPC 的相關(guān)理論，將數(shù)控機(jī)床加工單零件的能耗視為控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床加工單零件能耗的提前預(yù)警，從控制圖中及時(shí)地發(fā)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)能耗過高的情況，對(duì)能耗波動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。進(jìn)而采取相關(guān)改善措施，保證數(shù)控機(jī)床能耗在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

本文以一臺(tái)CK6153i 數(shù)控機(jī)床車削外圓為例，對(duì)該方法進(jìn)行了實(shí)例分析，驗(yàn)證了本方法的實(shí)用性和有效性，為數(shù)控機(jī)床能耗控制提供了新思路。