CN114217576B - 一种面向复杂产品多型共线生产的统计过程控制方法 - Google Patents

Abstract

一种面向复杂产品多型共线生产的统计过程控制方法，属于产品质量控制领域。针对车间质量管理方面存在的问题，根据统计过程控制的原理，运用计算机信息技术设计开发了一种面向复杂产品多型共线生产的统计过程控制技术的系统，运用SPC方法对加工车间的生产过程进行有效监控，按照明确车间质量管理业务，采集关键过程的产品质量信息，对质量数据进行控制图分析和过程能力分析，通过控制图对生产过程进行监控的管理流程进行统计过程控制。该统计过程控制系统改善了原有的质量管理模式，能及时发现问题并纠正，最终达到控制整个生产过程，提升生产灵活敏捷性的目的。

Description

一种面向复杂产品多型共线生产的统计过程控制方法

技术领域

本发明属于产品质量控制领域，面向以多品种、小批量为特征的国防科技复杂装备产品， 针对其存在大量动态变化因素、信息度和复杂度日益增加、柔性化与智能化水平日益提升的 装调生产线，设计了一种面向负责产品多型共线生产的统计过程控制系统，对产品的加工过 程进行了监控与控制，改善了传统生产模式的监控不有效，不实时，生产质量数据整理统计 零散，统计分析不系统，质量问题不发及时调整和修改的局限性，运用计算机信息技术设计 了统计过程控制系统，对生产过程进行有效监控，对质量数据进行控制分析，及时发现问题 并纠正，从而保证产品质量，提高管理效率。

背景技术

复杂产品(Complex Product)主要指高成本、技术密集型、用户定制，通常为多品种、 小批量生产的大型产品、系统或基础设施，包括大型电子计算机、航空航天系统、智能大厦、 电力网络控制系统等，在国民经济和现代工业发展中有着重要的作用。

随着我国航天事业的快速发展，航天产品的需求量日益增加，同时一直呈现出多品种、 小批量的特点。随着市场需求的增加，复杂产品年产量逐年递增,因此，保证所产产品的合 格率以及降低不合格产品产出的风险是必要的。统计过程控制(StatisticalProcess Control简称 SPC)技术作为一种有效的监控手段已在国外获得了广泛的应用。通过使用SPC技术，来监控 生产过程中的关键工序参数和设备日常状态，当生产过程发生变异或有发生变异趋势时，实 现及时预警功能。

针对当前复杂产品多型共线生产过程中质量管控难的问题，提出本发明SPC控制系统。 复杂产品制备工艺复杂,对生产过程进行严格控制和质量管理的难度较大，为了满足对复杂产 品质量和可靠性越来越高的要求，必须对复杂的生产工艺进行有效监控，确保生产工艺的稳 定性，在此提出本发明，实现复杂产品的产品特性和过程特性在线检测、检测数据存储上传、 产品特性和过程特性数据在线监控、判异并自动报警的功能。因此在现场生产中，质量控制 人员只需根据SPC控制系统反馈的数据趋势来判断后续加工有无超差风险,提前识别风险点、 避免不合格品的产生，从而达到降低成本、提高加工效率的目的。

发明内容

在原有质量管理模式下，车间对生产过程没有有效地监控，不能了解生产过程是否稳定； 生产质量数据的整理与统计比较零散，没有系统的统计分析，无法实现对历史质量数据的统 计查询；不能对质量问题进行及时调整和改善，无法达到预防质量问题的目的，针对上述车 间质量管理方面存在的问题根据统计过程控制的原理，运用计算机信息技术设计开发了一种 面向复杂产品多型共线生产的统计过程控制技术的系统，运用SPC方法对加工车间的生产过 程进行有效监控，对质量数据进行控制图分析和过程能力控制，及时发现问题并纠正，最终 达到控制整个胜场过程，提升生产灵活敏捷性的目的。

本发明的技术方案：

一种面向复杂产品多型共线生产的统计过程控制方法，步骤如下：

(1)系统质量管理

在进行质量管理之前，先要明确车间质量管理业务的流程，车间库管员从公司仓库领取 原材料，经过初步的进货检验以确定原材料是否合格，如果存在质量问题则进行废品处理， 否则放入车间毛坯库位等待加工，操作者根据派发的零件加工流转单领取原料进行加工，加 工完毕后如果该加工工序为质量控制关键工序，则送到质检组进行检验并填写相应的质量检 验单，检验合格的零件转移到下一个加工工段，直到零件在本车间加工任务完毕后进行报交； 对于检验不合格的零件如果可以修复则进行返工操作，否则就要进行废品处理；质检部门的 检验人员将质检数据及时录入系统，以便根据这些数据生成各种控制图和质量统计报表；

将质量管理系统的质量控制流程分为准备、分析和监控三个阶段：

步骤一、准备阶段

在应用SPC方法之前，识别出对产品品质好坏起重要作用的关键过程，采集关键过程的 产品质量信息并进行分析与处理；

步骤二、分析阶段

在SPC分析阶段需要解决两个基本问题：一是工序质量状况是否稳定；二是过程能力是 否充足；前者利用控制图进行分析测定；后者通过过程能力查定来实现；

控制图分析：生产过程中产品的质量特征值的波动具有统计规律性，由于影响质量因素 的系统误差无法消除且对质量波动影响较小，故当只考虑系统偶然误差时根据中心极限定理， 产品总体质量特性服从正态分布N(μ,02)；控制图正是利用质量特性的统计规律性对过程质量 加以测定，记录从而进行评估和监察过程是否处于控制状态的一种图表；一道关键工序的初 期或进行系统改进后总存在不稳定因素，因此先要根据车间实际情况绘制相应的分析用控制 图来判断过程是否受控；如存在异常点则应积极采取措施，分析原因、调整过程，剔除所有 异因使过程受控；

过程能力分析：在保证过程受控的情况下，计算过程能力指数Cp，根据数值判断过程能 力是否合适，Cp≥1；其中，过程能力指数Cp是衡量受控状态下过程的加工质量符合公差范 围能力的参数；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，计算公式如下所示：

Cpk＝(1-k)Cp(2)

过程能力指数评价：

Cp>1.67，特级，工序能力过高：①提升产品质量标准②放宽波动幅度③降低加工精度要 求；

1.67>＝Cp>1.33，一级，工序能力充分：①放宽非关键质量特性的波动幅度②简化检验方 式,用抽样检验代替全数检验；

1.33>＝Cp>1，二级，工序能力尚可：①维持正常的工序生产条件，做好对工序的实时监 控，及时发现异常情况②按正常的检验方式进行检验；

1>＝Cp>0.67，三级，工序能力不充分：①分析分散程度大的原因，制定措施加以改进， 在不影响产品质量的情况下放宽公差范围②加强质量检验，进行全数检验或增加检验频次；

0.67>＝Cp，四级，工序能力不足：①应停止继续加工，找出原因，改进工艺，提高Cp值②全数检验，剔除不合格品；

步骤三、监控阶段

在过程能力足够的前提下，通过延长稳态下控制图的控制线作为控制用控制图对生产过 程进行监控，并通过推移图和排列图分析产生质量问题的原因；如出现异常则及时查明原因， 并采取相应措施调整工序，使质量过程重新处于稳态；监控阶段充分体现出SPC预防控制的 作用；

(2)系统的设计与实现

(2.1)统计过程控制系统结构设计

统计过程控制系统由监控层，数据层及应用层组成的系统体系结构；

(2.1.1)监控层：监控层负责车间生产过程中质量控制关键工序质量数据的采集；现有机 加车间的质量数据采集手段主要有手持数据采集终端、人工数据采集以及三坐标仪，软件提 供其与数据层进行数据交互的数据接口；

(2.1.2)数据层：数据层负责软件系统信息数据的存储和管理；用户数据库存储用户、角 色和相应权限信息；质量信息数据库负责车间质量过程信息的存储和管理，为控制图绘制和 过程能力分析提供数据支持:质量控制知识库管理质量控制与调整过程中的分析诊断及处理 方法信息，为质量诊断和过程调整提供参考；

(2.1.3)应用层：应用层集成了系统运行的核心务模块，包括控制图分析模块、过程能力 分析控制模块，是实现质量统计过程控制的主要途径；除了以上两个模块应用层，还包括质 量信息统计以及系统管理模块；根据车间品种多、批量变化大的特点，控制图分析模块选用 均值极差控制图、均值-标准差控制图、p不良率控制图作为分析用控制图；进入SPC监控阶 段，通过延长控制图的控制线作为控制用控制图对生产过程进行监控，并通过推移图和排列 图辅助分析产生质量问题的原因；过程能力分析模块负责在车间质量过程处于统计稳态后对 过程能力指数进行分析与计算；质量信息统计模块负责数据的维护以及质量文档的管理和查 询；除此之外，系统管理模块实现系统的设置和用户管理功能；

(2.2)系统功能的实现

利用Microsoft.NET编程环境开发了基于SPC的车间制造过程质量管理系统；软件系统 以Oracle 9i数据库为支撑，Windows为前台操作平台，以企业内部网络为运行环境，通过车 间现场监控设备和人工采集及时收集大量生产质量数据，绘制SPC控制图并进行过程能力分 析，实时监控每道关键工序的质量，及时发现问题，不断分析质量问题中各种影响因素，找 出原因并采取解决措施进行针对性预防和改善，从而达到持续改进的目的。

本发明的有益效果：针对车间质量管理方面存在的问题，根据统计过程控制的原理，运 用计算机信息技术设计开发了一种面向复杂产品多型共线生产的统计过程控制技术的系统， 运用SPC方法对加工车间的生产过程进行有效监控，按照明确车间质量管理业务，采集关键 过程的产品质量信息，对质量数据进行控制图分析和过程能力分析，通过控制图对生产过程 进行监控的管理流程进行统计过程控制。该统计过程控制系统改善了原有的质量管理模式， 能及时发现问题并纠正，最终达到控制整个生产过程，提升生产灵活敏捷性的目的。

附图说明

图1为统计过程控制总流程。

图2为车间质量管理流程图。

图3为统计过程控制系统架构图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

实验数据

本次实验以某一部件为例，进而说明SPC实施过程。

1.关键质量特性的确定——X部件——关键质量特性为X部件小头孔内径。

2.数据搜集：采用全数检验方式搜集某周生产的X部件小头孔内径数据，如下所示：

小头孔内径尺寸信息

3.数据分析：根据抽样方案、子组范围、子组大小来选择合理的控制图类型,结合生产现 场的具体情况分析小头直径数据，确定SPC统计分析方案如下：①质量特性:小头直径②子组 范围:按生产批次划分③子组大小：5④抽样方案：固定工作时间段简单随机抽取测量小头直 径。考虑到小头直径的数据类型(连续型)，子组范围，质量特性等综合因素，决定选用均值 极差控制图搜集到的数据呈正态分布。

4.控制图绘制：由于小头孔尺寸是连续变量，且作为一个计量特性值服从正态分布，所 以可选择以正态分布为基础的计量控制图。选取控制图作为判断生产过程是否稳定的依 据。根据所得到的相关数据，将样本个数为5的20组数据在MINITAB中绘制。

5.控制图分析：从上表可以看出控制图的公差上限和公差下限。控制图的判稳准则 如下：①控制图中25个点子都在中心线两侧，并且没有越出控制范围②控制图中35个点子 只有一个点子超出了控制范围③控制图中100个点子有两个点子超出了控制范围。在第5个 样本中，数值偏差相对较大，生产状态不稳定，但极差R控制图较为稳定。通过观察表格中 的数据可以发现，在第5个样本组中数据普遍偏低，导致平均值降低，超出控制下限。通过 查看该组样本点的生产工艺指导书、加工工艺卡等相关制造文件，以及现场调研该批零件的 生产情况,发现加工该零件的车床处于维护状态，更换了另一台车床加工该批零件，可能导致 该点加工值发生波动，因此可以认为该组点为异常点予以剔除。

6.工序能力分析：工序能力是生产工序处于受控加工状态下能够真正进行物料加工的综 合能力,工序能力指数可以反映出工序能力满足技术质量要求的程度。在判断工序能力指数时 一定要考虑经济合理化问题。通过MINITAB质量分析软件对连杆小头孔内径工序能力进行 分析。

分析可知该工序的工序能力指数Cp＝0.93，依据工序能力判断标准可知该生产过程工序 能力不足，应采取措施提高生产过程的稳定性。

7.失控原因分析：利用鱼骨图从人机料环测五个方面罗列原因并进行分析。

(1)检验标准不统一。

(2)生产人员工作状态不佳。

(3)工作环境不适应。

(4)检验工具出现磨损、表面不清洁导致定位不准。

8.改进方案：制定标准的检验程序；保护员工身心健康和个人利益，实施人性化管理； 完善标准作业指导书；加强岗前培训；积极申请资金更换机床设备，提高自动化水平；提高 操作人员的整体素质；从源头上提高材料质量。

9.改善后状况分析：重复过程2、3、4、5、6可得，极大的减少了不良品率。

Claims (1)

1.一种面向复杂产品多型共线生产的统计过程控制方法，其特征在于，步骤如下：

(1)系统质量管理

在进行质量管理之前，先要明确车间质量管理业务的流程，车间库管员从公司仓库领取原材料，经过初步的进货检验以确定原材料是否合格，如果存在质量问题则进行废品处理，否则放入车间毛坯库位等待加工，操作者根据派发的零件加工流转单领取原料进行加工，加工完毕后如果该加工工序为质量控制关键工序，则送到质检组进行检验并填写相应的质量检验单，检验合格的零件转移到下一个加工工段，直到零件在本车间加工任务完毕后进行报交；对于检验不合格的零件如果可以修复则进行返工操作，否则就要进行废品处理；质检部门的检验人员将质检数据及时录入系统，以便根据这些数据生成各种控制图和质量统计报表；

将质量管理系统的质量控制流程分为准备、分析和监控三个阶段：

步骤一、准备阶段

在应用SPC方法之前，识别出对产品品质好坏起重要作用的关键过程，采集关键过程的产品质量信息并进行分析与处理；

步骤二、分析阶段

在SPC分析阶段需要解决两个基本问题：一是工序质量状况是否稳定；二是过程能力是否充足；前者利用控制图进行分析测定；后者通过过程能力查定来实现；

控制图分析：生产过程中产品的质量特征值的波动具有统计规律性，由于影响质量因素的系统误差无法消除且对质量波动影响较小，故当只考虑系统偶然误差时根据中心极限定理，产品总体质量特性服从正态分布N(μ,σ²)；控制图正是利用质量特性的统计规律性对过程质量加以测定，记录从而进行评估和监察过程是否处于控制状态的一种图表；一道关键工序的初期或进行系统改进后总存在不稳定因素，因此先要根据车间实际情况绘制相应的分析用控制图来判断过程是否受控；如存在异常点则应积极采取措施，分析原因、调整过程，剔除所有异因使过程受控；

过程能力分析：在保证过程受控的情况下，计算过程能力指数Cp，根据数值判断过程能力是否合适，Cp≥1；其中，过程能力指数Cp是衡量受控状态下过程的加工质量符合公差范围能力的参数；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，计算公式如下所示：

Cpk＝(1-k)Cp(2)

过程能力指数评价：

Cp>1.67，特级，工序能力过高：①提升产品质量标准②放宽波动幅度③降低加工精度要求；

1.67>＝Cp>1.33，一级，工序能力充分：①放宽非关键质量特性的波动幅度②简化检验方式,用抽样检验代替全数检验；

1.33>＝Cp>1，二级，工序能力尚可：①维持正常的工序生产条件，做好对工序的实时监控，及时发现异常情况②按正常的检验方式进行检验；

1>＝Cp>0.67，三级，工序能力不充分：①分析分散程度大的原因，制定措施加以改进，在不影响产品质量的情况下放宽公差范围②加强质量检验，进行全数检验或增加检验频次；

0.67>＝Cp，四级，工序能力不足：①应停止继续加工，找出原因，改进工艺，提高Cp值②全数检验，剔除不合格品；

步骤三、监控阶段

在过程能力足够的前提下，通过延长稳态下控制图的控制线作为控制用控制图对生产过程进行监控，并通过推移图和排列图分析产生质量问题的原因；如出现异常则及时查明原因，并采取相应措施调整工序，使质量过程重新处于稳态；监控阶段充分体现出SPC预防控制的作用；

(2)系统的设计与实现

(2.1)统计过程控制系统结构设计

统计过程控制系统由监控层，数据层及应用层组成的系统体系结构；

(2.1.1)监控层：监控层负责车间生产过程中质量控制关键工序质量数据的采集；现有机加车间的质量数据采集手段主要有手持数据采集终端、人工数据采集以及三坐标仪，软件提供其与数据层进行数据交互的数据接口；

(2.1.2)数据层：数据层负责软件系统信息数据的存储和管理；用户数据库存储用户、角色和相应权限信息；质量信息数据库负责车间质量过程信息的存储和管理，为控制图绘制和过程能力分析提供数据支持:质量控制知识库管理质量控制与调整过程中的分析诊断及处理方法信息，为质量诊断和过程调整提供参考；

(2.1.3)应用层：应用层集成了系统运行的核心务模块，包括控制图分析模块、过程能力分析控制模块，是实现质量统计过程控制的主要途径；除了以上两个模块应用层，还包括质量信息统计以及系统管理模块；根据车间品种多、批量变化大的特点，控制图分析模块选用均值极差控制图、均值-标准差控制图、p不良率控制图作为分析用控制图；进入SPC监控阶段，通过延长控制图的控制线作为控制用控制图对生产过程进行监控，并通过推移图和排列图辅助分析产生质量问题的原因；过程能力分析模块负责在车间质量过程处于统计稳态后对过程能力指数进行分析与计算；质量信息统计模块负责数据的维护以及质量文档的管理和查询；除此之外，系统管理模块实现系统的设置和用户管理功能；

(2.2)系统功能的实现

利用Microsoft.NET编程环境开发了基于SPC的车间制造过程质量管理系统；软件系统以Oracle 9i数据库为支撑，Windows为前台操作平台，以企业内部网络为运行环境，通过车间现场监控设备和人工采集及时收集大量生产质量数据，绘制SPC控制图并进行过程能力分析，实时监控每道关键工序的质量，及时发现问题，不断分析质量问题中各种影响因素，找出原因并采取解决措施进行针对性预防和改善，从而达到持续改进的目的。