基于Minitab的生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量特性分析與控制

龔立雄，劉 婭

產(chǎn)品質(zhì)量是由生產(chǎn)過(guò)程中每一道工序執(zhí)行的好壞決定到，因此，工序質(zhì)量是產(chǎn)品質(zhì)量的保障和基礎(chǔ)［1-2］。對(duì)于一個(gè)工序繁多的生產(chǎn)過(guò)程，如何根據(jù)“關(guān)鍵的少數(shù)，次要的多數(shù)”原則對(duì)關(guān)鍵工序進(jìn)行質(zhì)量分析與控制，如何針對(duì)異常的關(guān)鍵工序質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警和糾正是制造企業(yè)急需解決的問(wèn)題。

目前，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制方法主要是通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析來(lái)區(qū)分產(chǎn)品質(zhì)量的隨機(jī)波動(dòng)與異常波動(dòng)，對(duì)異常情況提出預(yù)警和糾正措施，使得生產(chǎn)過(guò)程處于受控狀況。統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制(statistical process control，SPC)在生產(chǎn)過(guò)程中得到了大量的應(yīng)用。姜興宇等［3］將生產(chǎn)過(guò)程相似工序中不同工序的質(zhì)量特性進(jìn)行數(shù)據(jù)變換，然后將樣本在同一控制圖中繪制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量判定與控制。牛占文等［4］分析了多品種小批量的生產(chǎn)方式以及該生產(chǎn)方式在SPC的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了結(jié)合通用控制圖、累積和控制圖聯(lián)合的控制圖處理微小偏差的過(guò)程質(zhì)量控制，但數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)困難，計(jì)算量較大，適用性不強(qiáng)。SPC不是單純的圖解，需有可靠數(shù)據(jù)作支撐，實(shí)施SPC需要豐富的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判定，而掌握這項(xiàng)技術(shù)的質(zhì)量管理人員十分匱乏，影響了SPC在制造企業(yè)的推廣和應(yīng)用。本文針對(duì)實(shí)施SPC所面臨的困境，提出運(yùn)用Minitab實(shí)施SPC技術(shù)，通過(guò)Minitab的工具箱自動(dòng)計(jì)算生產(chǎn)過(guò)程的工序能力指數(shù)，根據(jù)控制圖實(shí)現(xiàn)智能判定，并應(yīng)用于某制造企業(yè)，取得了較好的效果。

1 生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量特性分析與控制方法

1.1 工序質(zhì)量控制原理

工序質(zhì)量控制是指為把工序質(zhì)量的波動(dòng)限制在規(guī)定的界限內(nèi)所進(jìn)行的活動(dòng)，其原理是采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)工序一部分檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，來(lái)判定整個(gè)公司質(zhì)量是否穩(wěn)定、正常，并對(duì)異常情況采取技術(shù)措施和對(duì)策，其控制步驟為［5-6］:

步驟1 實(shí)測(cè):采用必要的檢測(cè)工具和手段，對(duì)抽出的工序子樣進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。

步驟2 分析:對(duì)檢驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)通過(guò)直方圖法、排列圖法或管理圖法等進(jìn)行分析，了解這些數(shù)據(jù)所遵循的規(guī)律。

步驟3 判斷:根據(jù)數(shù)據(jù)分布規(guī)律分析的結(jié)果進(jìn)行判斷，如數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布曲線，是否在控制線間，公差(質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn))是否在規(guī)定范圍，是偶然性因素引起的質(zhì)量變異，還是系統(tǒng)性因素引起的質(zhì)量變異等，確定該道工序是否達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制技術(shù)

統(tǒng)計(jì)過(guò)程技術(shù)(SPC)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程分析的主要工具是過(guò)程能力分析，其目的將傳統(tǒng)的“事后檢驗(yàn)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤疤崆邦A(yù)測(cè)”，確保產(chǎn)品質(zhì)量。SPC技術(shù)包括確定工藝、確定控制項(xiàng)目、優(yōu)化并確定工藝條件、采集工藝參數(shù)、確定所采用控制圖類型、繪制控制圖、評(píng)估工藝能力及設(shè)施SPC控制，SPC技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 SPC技術(shù)流程

SPC主要的工具是過(guò)程能力分析，在質(zhì)量管理與控制中應(yīng)用控制圖進(jìn)行分析。

1)過(guò)程能力:過(guò)程在一定時(shí)間內(nèi)處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)下的實(shí)際加工能力，用過(guò)程能力指數(shù)(CP)來(lái)衡量。通常過(guò)程能力指數(shù)越大就越能滿足技術(shù)要求，產(chǎn)品質(zhì)量就越有保障。但是，過(guò)程能力指數(shù)過(guò)高，則工序?qū)夹g(shù)、設(shè)備和人員素質(zhì)等方面都會(huì)提出更高的要求。過(guò)程能力指數(shù)的判斷標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 過(guò)程能力指數(shù)的判斷標(biāo)準(zhǔn)

2)控制圖:將顯著性統(tǒng)計(jì)原理應(yīng)用于控制生產(chǎn)過(guò)程的圖形方法，是對(duì)控制項(xiàng)目(工藝過(guò)程參數(shù))加以測(cè)量、記錄，并進(jìn)行控制管理的一種用統(tǒng)計(jì)方法設(shè)計(jì)的圖。

2 Minitab在生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制中的應(yīng)用

2.1 Minitab概述

Minitab于1972年成立于美國(guó)的賓夕法尼亞大學(xué)。Minitab軟件是全球領(lǐng)先的質(zhì)量管理和六西格瑪實(shí)施軟件工具，被廣泛應(yīng)用于全球100多個(gè)國(guó)家的4 800多所高校［7］。Minitab功能菜單包括假設(shè)檢驗(yàn)(參數(shù)檢驗(yàn)和非參數(shù)檢驗(yàn))、回歸分析、方差分析、時(shí)間序列分析、圖表、SPC、試驗(yàn)設(shè)計(jì)(design of experiment，DOE)、測(cè)量系統(tǒng)分析(measurement system analysis，MSA)、可靠性分析、多變量分析等，具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能和統(tǒng)計(jì)分析能力，是持續(xù)質(zhì)量改進(jìn)的良好工具。本文采用Minitab 16版本實(shí)施案例企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制。

2.2 案例分析

CHG公司是由重慶利龍汽車零部件有限公司和全球最大拉索系統(tǒng)產(chǎn)品制造商——日本 HILEX CORPORATION以及日本東工KOSEN株式會(huì)社共同投資組建的中外合資企業(yè)。公司生產(chǎn)的產(chǎn)品主要有各種機(jī)械控制用拉索、車用玻璃升降器、天窗系統(tǒng)、自動(dòng)門系統(tǒng)等。下面以該公司為長(zhǎng)安福特C307車型生產(chǎn)的制動(dòng)拉鎖實(shí)施SPC控制為例進(jìn)行分析。

2.2.1 產(chǎn)品概述

長(zhǎng)安福特C307制動(dòng)拉鎖的主要功能是傳遞制動(dòng)手柄端的力和位移至汽車后制動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)汽車駐車后的制動(dòng)。其產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題主要有接頭、套管帽尺寸不良，套管尺寸短，露長(zhǎng)尺寸短，零件錯(cuò)漏裝，管夾定位尺寸不良，護(hù)套定位尺寸不良，拉索密封不良，鋼繩進(jìn)水銹蝕等。這里主要以套管長(zhǎng)度為例進(jìn)行分析。

長(zhǎng)安福特C307的生產(chǎn)工藝主要有鉚合套管帽、鉚合管夾、切線、剝皮等，生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

圖2 長(zhǎng)安福特C307制動(dòng)拉索主要生產(chǎn)工藝流程

2.2.2 基于Minitab的制動(dòng)拉鎖生產(chǎn)過(guò)程能力分析與質(zhì)量控制

本文選取長(zhǎng)安福特C307車型的制動(dòng)拉鎖，以切管長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行過(guò)程能力分析。拉鎖生產(chǎn)為連續(xù)性的生產(chǎn)方式，生產(chǎn)一線為三班制，生產(chǎn)節(jié)奏為122根/h。在生產(chǎn)過(guò)程中確定的抽樣方案為:每2 h抽樣1次，每次抽取10根樣品，即1天中共抽取120根套管樣品進(jìn)行長(zhǎng)度精度分析。具體分析步驟為:

步驟1 繪制管壁直方圖。長(zhǎng)安福特C307前制動(dòng)拉鎖套管標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為29.94 mm，誤差范圍為-5% ～5%。將120個(gè)數(shù)據(jù)分為11組，極差R=2.74 mm，組距h=0.25 mm。在Minitab中繪制直方圖，如圖3所示。再用Minitab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性驗(yàn)證，如圖4所示。

圖3 套管長(zhǎng)度直方圖

圖4 正態(tài)概率圖

由圖3和圖4可以看出，測(cè)試的套管“長(zhǎng)度精度”特性值的分布特征為:①圖形形狀為單峰且近似對(duì)稱;②分散程度基本近似符合正態(tài)分布。

因?yàn)楣荛L(zhǎng)屬于計(jì)量值數(shù)據(jù)，其分布狀態(tài)符合計(jì)量值分布規(guī)律，因此，套管長(zhǎng)度直方圖的形狀正常，生產(chǎn)過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)，測(cè)試數(shù)據(jù)可以反映實(shí)際達(dá)到的生產(chǎn)能力。雖然直方圖分布在公差范圍內(nèi)，但不難分析出分布中心和公差中心有較大偏移。在這種情況下，如果過(guò)程稍有變化，就可能出現(xiàn)不合格品。

步驟2 過(guò)程能力指數(shù)計(jì)算與分析。在Minitab中計(jì)算過(guò)程能力指數(shù)為0.72，過(guò)程能力分析圖如圖5所示。

圖5 過(guò)程能力分析圖

根據(jù)工序能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，屬于能力不足，又從套管長(zhǎng)度直方圖可以看出，套管長(zhǎng)度的分布中心偏離公差中心，為此，需要對(duì)影響過(guò)程質(zhì)量的人、機(jī)、料、法、環(huán)等因素進(jìn)行分析，找出造成分布中心偏移的原因，并采取措施使分布中心和公差中心盡可能重合，從而提高過(guò)程能力指數(shù)。

步驟3 影響套管精度、過(guò)程能力不足的原因分析。為提高過(guò)程能力指數(shù)，對(duì)影響套管長(zhǎng)度精度的“4M1E”進(jìn)行分析。在CHG公司拉鎖的生產(chǎn)過(guò)程中，其原材料是由鄰近的集團(tuán)公司提供的，所以進(jìn)行分析時(shí)可以不用考慮材料(materials)這個(gè)因素。因此，主要從機(jī)器設(shè)備(machines)這方面入手，結(jié)合操作者(man)和方法(methods)，找出了生產(chǎn)過(guò)程中的套管長(zhǎng)度、精度的影響因素。圖6為套管長(zhǎng)度精度因果圖。通過(guò)4M1E法則，影響套管過(guò)程能力不足的主要因素有技術(shù)操作水平不均、質(zhì)量觀念落后、定位不準(zhǔn)、作業(yè)方法不足、安裝方法不對(duì)、車間管理不足等。要提高過(guò)程能力指數(shù)，需從這幾個(gè)方面著手，加強(qiáng)質(zhì)量觀念、引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備、提高管理水平。

圖6 套管長(zhǎng)度精度因果圖

步驟4 生產(chǎn)過(guò)程控制圖繪制。通過(guò)因果分析圖找出影響生產(chǎn)過(guò)程的主要因素并加以改進(jìn)，重新采集120組數(shù)據(jù)，計(jì)算樣本均值和極差。運(yùn)用Minitab繪制套管長(zhǎng)度-R控制圖，如圖7所示。

圖7 套管長(zhǎng)度-R控制圖

步驟5 控制圖分析。根據(jù)GB/T4091—2001《常規(guī)控制圖》標(biāo)準(zhǔn)套管生產(chǎn)過(guò)程的判異，在Minitab中設(shè)置判定和檢驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｈ鐖D8所示。

圖8 Minitab判定和檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖9 檢驗(yàn)后的-R控制圖

由判定準(zhǔn)則以及由圖9輸出的Minitab檢驗(yàn)?zāi)Ｐ涂芍瑪?shù)據(jù)判斷所有的點(diǎn)都落在在控制線內(nèi)，且不存在異常情況。因此，當(dāng)前(測(cè)試時(shí))的生產(chǎn)過(guò)程處于穩(wěn)定的受控狀態(tài)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制的原理、方法以及適用場(chǎng)合。針對(duì)SPC技術(shù)直觀表達(dá)不足、計(jì)算困難等缺點(diǎn)，利用Minitab軟件設(shè)計(jì)了SPC的實(shí)施方法與控制過(guò)程，并應(yīng)用于案例企業(yè)。從實(shí)施效果來(lái)看，該公司在實(shí)施了基于Minitab的生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制后，廢品率大大降低，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)也降低了成本。因此，對(duì)生產(chǎn)制造企業(yè)實(shí)施基于Minitab的生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量特性分析與質(zhì)量控制是十分必要和可行的。

［1］Pacellaa Massimo，Semerarob Quirico，Anglani Alfredo.Manufacturing quality control bymeans of a fuzzy ART network trained on naturalprocess data［J］.Engineering Applications of Artificial Intelligence，2004，17(1):83-96.

［2］楊慕升，張宇.基于STA/SPC/EPC的集成方法質(zhì)量控制技術(shù)研究［J］.機(jī)床與液壓，2011，39(7):11-14.

［3］姜興宇，王世杰，趙凱，等.面向網(wǎng)絡(luò)化制造的智能工序質(zhì)量控制系統(tǒng)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46(4):186-194.

［4］牛占文，陳天駿，劉笑男.多品種小批量生產(chǎn)的SPC應(yīng)用研究［J］.工業(yè)工程，2010，12(4):100-103，123.

［5］王佩，張定華，陳冰，等.基于SPC與EPC集成的制造過(guò)程質(zhì)量監(jiān)控與調(diào)整［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2011(18):2203-2208.

［6］王麗穎，孫麗，王秀倫.基于慮擬工序的小批工序質(zhì)量控制方法研究［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2006，12(8):1263-1267.

［7］何軍，方鳳青.基于控制圖和Minitab軟件的某公司SPC 應(yīng)用研究［J］.大眾科技，2011(11):31-34.