SPC在过程控制中的应用

　　摘要：随着产品质量竞争的日趋激烈，利用SPC工具对生产过程进行在线监控并提前预防质量问题的发生尤为重要‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。本文基于统计过程控制及变差分析理论，选取产品重要特性参数为研究对象，从人、机、料、法、环、测等多个方面了解加工过程，确认过程的稳定性‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。通过建立数据收集方案，使用控制图和变差分析方法，对引起变差的特殊原因进行消除，对生产过程进行初使过程能力研究和在线监控，达到使生产过程统计受控的目的‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。

　　关键词：SPC变差分析,初始过程能力研究,控制图,特殊原因

　　1绪论

　　(1)选题背景

　　目前，潍柴动力股份有限公司(以下简称“维柴动力”)正开展在线检测智能化项目和工艺细化工作，SPC研究工作也正在如火如荼的进行中，并取得了一定的成绩和效果。各专业厂也已陆续配备各种高精度在线测量设备，比如德国尼伯丁、瑞典AtlasCopco、意大利马波斯测量仪等。如何规范在线测量设备的使用和利用在线设备的数据上传实现生产过程的在线控制就成为亟待解决的课题。

　　(2)现状描述

　　SPC项目实施目的是利用控制图在线监控生产过程中出现的变差。前期在SPC的使用过程中，仍然存在一定的问题：

　　1)用于SPC过程能力分析的数据采集不合理，从而对过程变差的分析失真。也就是说，SPC并没有真正地应用于生产过程控制;

　　2)没有合理的控制限来监控制造过程。由于用于变差分析和过程能力研究的数据采集不合理，由此计算出的控制限就没有参考意义，甚至在实际生产过程中出现没有控制限直接在控制图上描点的现象，这就失去了用控制图进行在线监控的意义;

　　3)没有形成规范的在线控制图使用和填写规范。生产过程中出现的一些计划与非计划事件，比如换刀、停机、设备维修等，不能合理地在控制图中反应出来;

　　4)由于潍柴动力将统计技术手段应用于生产中的质量管理时间较短，整体水平与国际先进企业相比存在着明显差距，对SPC技术的研究更晚，很多人迄今为止对科学的SPC思想仍然没有能够全面地理解，以致无法分清引起过程变差变化的普通原因或特殊原因，也就无法明确解决问题的方法;

　　5)不能充分利用在线高精度检测设备来进行数据的自动采集及分析等。虽然潍柴动力配备了一系列高精度在线检具，但因为操作性等原因并没用实现有效的利用。

　　(3)主要工作

　　以潍柴动力二号工厂加工车间枪铰工序为试点，制定合理的数据采集方案，通过多变差分析和过程能力研究，计算出合理的控制图的控制限用于生产过程的在线监控。试点成功后，将项目研究成果予以推广，总结项目实施过程中学到的知识和吸取的经验教训，将项目成果固化，真正实现产品质量的事前控制干顷防，达到满足客户需求的目的。

　　2项目开展准备工作

　　(1)识别参数及MSA

　　选取WP12气缸盖生产线T6960枪铰机为SPC分析的切入点，对4-φ9+0.0150导管孔径进行初始过程能力研究。

　　在机床主轴跳动、刀辅具等合格可控的前提下识别可控制的过程参数。所分析产品特性为4-φ9+0.0150导管孔孔径。

　　首先进行测量系统分析，测量仪器为带表塞规。

　　1)人员选择

　　由三名日常操作该仪器的员工或检验员进行测量。

　　2)样本选择

　　由覆盖整个生产过程变差的10个样件组成。

　　3)测量方法

　　①对样本中的工件进行编号后，由每名评价人分别随机对10个工件进行盲测一遍(事先不知正在对该测量系统进行分析);

　　②打乱顺序，按同样方式对工件进行盲测第二遍;

　　③重新打乱工件顺序，进行盲测第三遍;

　　④重复性和再现性分析报告。对所用表带塞规进行测量系统分析，输出MSA分析报告，确保测量系统的稳定性。经计算，重复性和再现性GR&R%=20%，分别数ndc=5，系统可以被接受。

　　(2)识别过程/产品流

　　4-φ9+0.0150导管孔由四个不同的主轴加工完成，所以共有四个流，并且是过程流，类型、层次数都是1。

　　(3)建立数据收集方案

　　通过测量系统分析，确认过程稳定性后，在SPC变差分析前需建立数据收集方案。参考刀具寿命和加工实际产量情况，按如下方案实施。

　　周期性的每隔10件抽取样本，样本容量定为5，且为五件连续的产品，并且开机后加工的前五件、每班生产的最后五件、调刀或换刀前后要对样本进行检测。最后保证收集完成25个子组的数据，形成数据收集表。计划用时1.5天。

　　(4)收集数据

　　利用2月20日下午~2月21日1.5天的时间，在加工车间WP12气缸盖线T6960枪铰工序，按抽样方案进行现场数据收集，形成数据收集记录表。为保证数据的准确性，在所有样件上进行了数字标识，数据收集表数据的编码与样本的编码保持一一对应关系。

　　(5)小结

　　本部分主要做了SPC变差分析过程能力研究前的准备工作，通过识别被研究产品特性参数，进行测量系统分析，确认设备稳定性。建立数据收集方案以及进行现场数据收集保证数据分析的正确性。

　　3初始过程能力研究

　　(1)变差分析

　　1)变差分析步骤

　　根据所收集数据，在进行变差分析和过程能力研究前首先建立变差分析的基本步骤。

　　2)多变差分析

　　样本数据包含四个流，所以按上述“变差分析步骤”要求进行多变差分析。

　　在进行多变差分析之前，首先了解通过均值-极差图分析变差一致性的基本判定原则。

　　①件对件变差(即组内变差)一致性通过极差图进行分析。

　　判定规则为：

　　a)检查是否所有的极差都落在控制限内;

　　b)对刚刚超出控制限的点，允许删除15%的点后，重新分析。若超出控制限范围较大或较多点超出控制限，需分析排除异常因素后重新进行数据收集;

　　c)层次数必须大于3，以便测量系统能捕获到变差;

　　d)检查非正常图形：连续七个点上升，连续七个点下降，连续七个点在均值一边。

　　②时对时变差(即组间变差)一致性通过均值图进行分析

　　判定规则为：

　　a)连续七个点上升、下降或连续七个点在均值的一边为异常图形;

　　b)各时段平均值遵循正态分布曲线规则。

　　③结论

　　a)件对件变差：所有组内极差的最大值，本例为6;

　　b)时对时变差：各时段总均值的极差，本例为3.55;

　　c)流对流变差：各时段各流均值极差的最大值，本例为4.6。

　　可以看出，件对件变差最大，说明系统内不存在引起变差的异常因素。

　　(2)过程能力研究

　　1)过程潜在能力分析

　　首先估算组内变差(变差分析的目标是估算在过程中任意的变差)：

　　由数据计算总极差均值R=2.743，查表知d2=2.33，σ=R/d2;

　　由USL=15μ，LSL=0知，短期过程能力指数Cp=(USL-LSL)/(6σ)=2.29;由Cp=2.29，Cpk=1.64均大于1.33可以看出，该过程能力充足，可以用控制图对生产过程进行在线监控。

　　4在线控制-建立生产用控制图

　　(1)计算控制限

　　如前所述，我们已经了解了通过均值-极差图判定变差一致性(即过程稳定性)的判定规则。由六西格玛理论知，所研究WP12气缸盖枪铰导管孔工序，过程能力符合生产要求。

　　由此进行生产用控制图的制定，对产品质量进行事前预防和控制，在生产用控制图制定前首先进行控制限的计算。

　　1)极差图控制限计算

　　查表知D4=2.11，由极差图中心线R=2.743，代入得极差图上控制限UCLR=D4·R=5.4;

　　因为样本容量n=5<7，知D3=0，所以极差图下控制限LCLR=D3·R=0。

　　2)均值图控制限计算

　　查表知A2=0.58，由X=5.36，代入得均值图上控制限，见式(5)：

　　UCLX=X+A2R=6.8(5)

　　均值图下控制限：LCLX=X-A2R=3.9。显然，均值图如果按控制限UCLX=6.8，LCLX=3.9进行控制，会导致频繁调刀，影响生产效率‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。说明加工过程存在引起变差的特殊原因，由均值-极差图可知刀具磨损过快造成的频繁调刀和刀杆导向条磨损是不可避免的特殊原因。考虑到产品成本和经济因素，我们允许此类特殊原因的存在。

　　但为将总均值控制在公差中间值附近，同时降低调刀频率，需重新计算预控制均值图的上、下控制限：即由过程能力指数反推预控制图的上、下控制限。假定期望过程能力指数为1.67，则：

　　均值上控制限：UCL′X=USL-1.67·3σ=9.5，

　　均值下控制限：LCL′X=LSL+1.67·3σ=5.5。

　　在实际过程监控时，我们期望将产品尺寸控制在公差中值，所以均值图中心线取X=7.5。

　　(2)制定生产用控制图

　　针对加工车间枪铰缸盖导管孔工序制定生产用控制图，内容如下：

　　1)在均值-极差图上分别绘出上、下控制限制，以及中心线。

　　2)确定数据记录频次。参考刀具寿命以及数据采集要求，将记录频次定为1次/200件，5件/次，且五件工件连续。此记录频次做记录参考用，若实际操作经验丰富，某次测量发现连续五件工件尺寸均值未到下控制限或离下控制限较远，则根据实际情况可不记录数据，等到接近下控制限时再进行记录。

　　3)对计划事件(如工件首、末件检验，设备/夹具计划性维修保养等)、非计划事件(刀具更换或调整、切削液变化等)以及其他突发事件(打刀、断电、设备调整等)发生前后要进行记录。并在控制图下方事件发生表格中相应位置对所发生事件进行标记，以备后期查找问题时进行追溯。

　　4)均值-极差图中的描点与数据记录表格中的点一一对应，保持上下对齐。

　　5)制定控制图使用规范和调刀规范，异常发生时立即执行反应计划(见下文)。

　　(3)控制图使用规范

　　各组数据均值的上升和下降是由刀具磨损和调刀所引起的，在使用控制图在现场监控时，需遵守以下规则：

　　在均值-极差图上给出上、下控制限。

　　确定数据填写频次(参考刀具寿命)。

　　控制图中的点与所记录数据一一对应。

　　对计划、非计划事件以及突发事件发生前后要进行记录。

　　对控制图出现异常的情况进行描述，异常发生时立即执行反应计划。

　　先查看极差图，后查看均值图。

　　极差图出现以下异常要立即停机反馈给工艺员：超控制限;连续七点上升、下降或连续七点在均值一边;在极差图无异常情况下按以下规范调刀，即均值图出现某组均值在下控制限以下进行调刀，调整到均值在上控制限附近。

　　(4)过程监控的实施

　　对操作者和检验员进行SPC预控制图使用规范的培训后，在枪铰工序使用控制图对过程进行在线实时监控，以便实时监控过程稳定性，遇到问题及时采取相应措施，实现对产品变差异常波动的事前预防和控制。

　　5项目推广及总结

　　(1)项目推广

　　选择并确定另一个适宜变差分析的产品特性及其过程，按上述步骤，将SPC实施经验进行推广。

　　(2)项目总结

　　本文实施目的是利用控制图在线监控生产过程中出现的变差。

　　基于变差分析与过程能力研究理论，以潍柴动力二号工厂加工车间WP12蓝擎气缸盖生产线枪铰导管工序为试点，以点及面，将SPC理论与实践相结合，对生产过程进行多变差分析，进而制定出控制图进行在线控制。工作内容如下：

　　1)在过程稳定情况下，建立数据收集方案并进行数据收集;

　　2)多变差分析和过程能力研究。形成变差分析的基本步骤和过程能力研究过程中均值-极差图一致性的判定规则;

　　3)在线监控-生产用控制图的制定。建立控制图使用规范并在实际生产过程中进行在线监控，提前预防生产过程中产品特性变差异常波动的发生，使生产过程稳定受控。

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