SPC控制圖數(shù)據(jù)采集過程研究

張德軍 林春梅

摘要：SPC控制圖即應用統(tǒng)計分析方法對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控，科學地區(qū)分出生產(chǎn)過程中產(chǎn)品質量的正常波動與異常波動，從而對生產(chǎn)過程的異常趨勢提出預警。質量控制圖數(shù)據(jù)的采集工作是質量過程監(jiān)控的關鍵，為了保證數(shù)據(jù)采集的真實性、及時性和可靠性，文章通過分析SPC控制圖原理，確定了過程關鍵質量特性參數(shù)，將參數(shù)的測量方法和抽樣方法標準化，提出了數(shù)據(jù)采集過程中的注意事項及原則。

關鍵詞：SPC；數(shù)據(jù)采集；控制圖；質量控制

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）29-0025-03

SPC，統(tǒng)計過程控制（Statistical Process Control），

SPC控制圖就是應用統(tǒng)計分析方法對生產(chǎn)過程進行監(jiān)控，科學地區(qū)分出生產(chǎn)過程中產(chǎn)品質量的正常波動與異常波動，從而對生產(chǎn)過程的異常趨勢提出預警，以便生產(chǎn)管理人員及時采取措施，消除異常，恢復過程的穩(wěn)定，使過程處于正常波動狀態(tài)，從而達到提高和控制質量的目的。這種方法是1924年由美國質量管理大師W.A.Shewhart博士發(fā)明的，因其用法簡單、效果顯著，目前已成為生產(chǎn)過程中控制產(chǎn)品質量的重要要工具。其基本原理是數(shù)理統(tǒng)計的中心極限定理、3σ原理和假設檢驗理論。根據(jù)概率統(tǒng)計中心極限定理可知無論隨機變量的共同分布是什么（離散分布或連續(xù)分布，正態(tài)分布或非正態(tài)分布），只要獨立統(tǒng)計分布隨機變量的個數(shù)n較大時，樣本均值的分布總是正態(tài)分布N中的概率為99.73%，即超出正負3σ范圍發(fā)生概率僅為0.27%，在過程正常波動的情況下這是一個小概率事件，發(fā)生的概率很小，如果在有限的取樣點內(nèi)小概率事件卻發(fā)生了，說明系統(tǒng)存在異常波動?？刂茍D是根據(jù)產(chǎn)品質量特性值的抽樣數(shù)據(jù)分析計算繪制的，抽樣數(shù)據(jù)的采集方法將對控制圖的精度和反映問題的真實性產(chǎn)生直接的影響。因此需根據(jù)控制圖的判讀準則和原理對抽樣數(shù)據(jù)采集的方法和程序進行研究并規(guī)范其操作步驟。

1 確定過程關鍵質量特性參數(shù)

1.1 識別關鍵過程

一個產(chǎn)品品質的形成需要許多過程（工序），其中有一些過程對產(chǎn)品品質好壞起著至關重要的作用，這樣的過程稱為關鍵過程，SPC控制圖應首先用于關鍵過程，而不是所有的工序。因此，實施SPC，首先是識別出關鍵過程。然后，對關鍵過程進行分析研究，識別出過程的結構（輸入、輸出、資源、活動等）。確定關鍵過程后還要確定影響過程質量特性的因素，如關鍵過程與其周圍的其他操作和上下使用者密切協(xié)作之間的關系以及材料、設備、人員、方法、測量、環(huán)境等。對關鍵過程的分析可以采用因果分析圖、過程流程表等技術分析研究，使這些影響因素對過程的影響關系更加直觀，方便不同部門的人員之間的經(jīng)驗集中起來。

1.2 確定過程重要特性參數(shù)

每一個加工過程可能會影響產(chǎn)品的幾個特性參數(shù)，通過對關鍵過程進行分析，找出其中一個或幾個影響產(chǎn)品質量最大的特性參數(shù)作為監(jiān)控對象的進行控制。選擇的重要特性參數(shù)一般要滿足以下六個特點中的一種或幾種：（1）能測定的產(chǎn)品或過程特性；（2）對客戶使用及生產(chǎn)關系重大的特性；（3）對下工程影響較大的特性；（4）經(jīng)常出問題的特性；（5）關鍵產(chǎn)品或過程特性；（6）控制計劃有規(guī)定的控制項目。

選擇的重要質量特性參數(shù)還要考慮測量系統(tǒng)的精度，如果關心的特性很難或者不可測量（比如體積），可以選擇一個相關的容易測量的代用質量特征性（比如重量）進行控制，但一定要確認代用質量特征與關鍵質量特征密切相關，且要注意統(tǒng)計上的相關性不意味著變量之間存在因果關系。在缺乏現(xiàn)存過程的知識時，需要設計一個試驗來驗證這些關系及其重要性。如果一個項目的幾個單獨的特性具有相同的變化趨勢，可能只用一個特性來畫圖就足夠了。另外還要確定特性值的數(shù)據(jù)類型，根據(jù)抽樣數(shù)據(jù)質量特性值的不同，取樣的方法是有些不同的。凡是可以連續(xù)取值的或者說可以用測量工具具體測量出小數(shù)點以下數(shù)值的這類數(shù)據(jù)，叫計量值數(shù)據(jù)，如長度、重量、溫度、力度等，這類數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布。凡是不能連續(xù)取值的或者說即使用測量工具也得不到小數(shù)點以下數(shù)據(jù)的，而只能以0或1、2、3等整數(shù)來描述的這類數(shù)據(jù)，叫計數(shù)值數(shù)據(jù)，如不合格品數(shù)、缺陷數(shù)等，這類數(shù)據(jù)一般服從泊松分布或二項分布。

2 確定抽樣方案

2.1 測量方法標準化

在確定好關鍵質量特性值后就要制定測量儀器的測量方法標準來保證測量的準確性。在測量過程中必須規(guī)范測量，這樣每天就可以以同樣的方式將數(shù)據(jù)傳送給所有有關人員。還要明確收集哪些信息，在何處、如何以及在什么條件下收集，可以按照5W1H（Why，What，When，Where，Who，How）的方式進行規(guī)范。測量設備的本身的準確性和精密性也必須是可預測的，量程及精度需要符合工藝規(guī)范要求和操作的方便性，對于要求比較高的測量儀器可能還要規(guī)范測量的環(huán)境條件。

2.2 抽樣方法標準化

在確定抽樣方案時除了標準化測量方法外還要對關鍵質量特性的抽樣方法進行標準化，明確每個控制點的樣本大小、抽樣頻率、樣本組數(shù)等。

2.2.1 確定子組大小。選擇子組時應使一個子組內(nèi)在該單元中的各樣本之間出現(xiàn)變差的機會小。如果一個子組內(nèi)的變差代表很短時間內(nèi)的零件間的變差，在子組之間出現(xiàn)不正常的變差則表明過程發(fā)生變化，就進行調(diào)查并采取適當?shù)拇胧?。在過程的初期研究中，子組一般取3到6件連續(xù)生產(chǎn)的產(chǎn)品的組合，僅代表單一刀具、沖頭、模槽（型腔）等生產(chǎn)出的零件（即一個單一的過程流）。這樣做的目的是每個子組內(nèi)的零件都是在很短的時間間隔內(nèi)及非常相似的生產(chǎn)條件下生產(chǎn)出來的并且相互之間不存在其他的系統(tǒng)的關系。因此，每個子組內(nèi)的變差主要應是普通原因造成的，當這些條件不滿足時，最后的控制圖可能不會有效地區(qū)分變差的特殊原因，對于所有的子組樣本的容量應保持恒定。

2.2.2 確定子組頻率。確定子組頻率的目的是檢查經(jīng)過一段時間后過程中的變化。應根據(jù)產(chǎn)品的特性和當前質量狀況來確定抽樣頻率，產(chǎn)品特性越易檢驗或越重要抽樣頻率通常越高，應當在適當?shù)臅r間收集足夠的子組，這樣子組才能反映潛在的變化。這些變化的潛在原因可能是換班、操作人員更換、溫升趨勢、材料批次等。在過程的初期研究中，通常是連續(xù)進行分組或很短的時間間隔進行分組，以便檢查過程在很短的時間間隔內(nèi)是否有其他不穩(wěn)定的因素存在。當證明過程已處于穩(wěn)定狀態(tài)（或已對過程進行改進），可視情況子組間的時間間隔可以增加，減少抽樣頻率，甚至放棄該點的計量監(jiān)控。抽樣頻率在初始階段相對高一點，在過程中如發(fā)現(xiàn)質量受控較穩(wěn)定時，可視情況酌情減少抽樣頻率，甚至放棄該點的計量監(jiān)控。例如在第一個月，每小時抽5個；經(jīng)過1個月的監(jiān)控，質量已穩(wěn)定，已經(jīng)有2周時間是CPK值達到了2.0以上，可采用4個小時抽5個（注：一般不宜采用減少每次抽樣數(shù)）；又經(jīng)過一個月，發(fā)現(xiàn)CPK還是在2.0以上，且沒有大幅的周期變化的特性，則可放棄該點做計量控制。

2.2.3 確定子組數(shù)。子組數(shù)的大小應滿足兩個原則從過程的角度來看收集越多的子組可以確保變差的主要原因有機會出現(xiàn)。一般情況下，包含100或更多單值讀數(shù)的25或更多個子組可以很好地用來檢驗穩(wěn)定性，如果過程已穩(wěn)定，則可以得到過程位置和分布寬度的有效的估計值在有些情況下，可以利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)來加速這個第一階段的研究。然而只有它們是最近的，并且對建立子組的基礎很清楚的情況下才能使用。在制定這些標準時要注意樣本大小一般取4～5，不宜太大，太大會減少控制系統(tǒng)的敏感性；初期分析的過程系統(tǒng)盡量以較高的抽樣頻率連續(xù)取樣，穩(wěn)定的過程系統(tǒng)頻率可以較低；收集數(shù)據(jù)的樣本組數(shù)要在20～25組以上才能較好地反映生產(chǎn)問題。這樣在SPC控制開始后生產(chǎn)工人和質監(jiān)人員就可以根據(jù)這些標準開展工作。

3 質量數(shù)據(jù)的采集和整理

在確定抽樣方案后就可以開始采集數(shù)據(jù)了，目前常用的數(shù)據(jù)收集方法就是采用抽樣的方法，收集所有數(shù)據(jù)的一部分，對該部分數(shù)據(jù)進行分析得出結論，并對所有數(shù)據(jù)進行推論。即用樣本數(shù)據(jù)得出統(tǒng)計推論，因樣本是總體的縮影（非常類似，只是小一些），抽樣是獲得對一個流程或大的總體的認識的一種快捷、低成本的方法。SPC的應用在于收集原始的數(shù)據(jù)，經(jīng)過一系列復雜的計算，以最簡單、直觀、明了的方式表現(xiàn)，便于深入分析質量狀況及預測問題，所以SPC在數(shù)據(jù)收集過程中必須強調(diào)兩項原則：真實性和及時性。

3.1 數(shù)據(jù)的真實性

只有真實的數(shù)據(jù)才能反映真正的質量狀況，不真實的數(shù)據(jù)分析出的結果肯定也不正確，易導致決策者失誤。數(shù)據(jù)的不真實性通常表現(xiàn)在六個方面：（1）品檢人員不認真，根本沒有通過實際的檢驗，只根據(jù)經(jīng)驗直接填寫數(shù)據(jù)；（2）品檢人員感覺檢驗數(shù)量太多，不愿檢驗到規(guī)定的數(shù)量，而只做一部分，剩下一部分就全都是主觀估計值；（3）測量設備有問題，精度不夠，需要靠檢驗人估計；（4）檢驗出來的數(shù)據(jù)不符合規(guī)格，人為地改寫數(shù)據(jù)；（5）檢驗人員字跡不清，在輸入電腦過程中輸錯；（6）抽樣計劃制定不合理，檢驗數(shù)據(jù)太少，造成分析無價值。

3.2 數(shù)據(jù)的及時性

SPC的主要功能之一就是預測質量，因此只有及時收集數(shù)據(jù)，才能及時分析，預測質量，如果不良品都已經(jīng)產(chǎn)生，所有的預測都無意義。數(shù)據(jù)收集分為計量值的數(shù)據(jù)收集和計數(shù)值數(shù)據(jù)收集：（1）計量值的數(shù)據(jù)收集：按一定時間間隔抽取一定的樣本，然后進行測量，再將測量到的數(shù)據(jù)記錄下來。計量型數(shù)據(jù)具有連續(xù)性，故它的抽樣計劃與計數(shù)值有很大的差異。它通常根據(jù)產(chǎn)品要求，對產(chǎn)品的重要特性定時抽取固定樣本個數(shù)。（2）計數(shù)值數(shù)據(jù)收集：根據(jù)計數(shù)值的理論，計數(shù)值具有不連續(xù)性，是以某一批產(chǎn)品為母體來抽取樣本數(shù)的，但這會使生產(chǎn)人員無法確定下一批檢驗時間，難以做到質量的預測。因此，建議計數(shù)值也盡量做到連續(xù)抽樣，這樣可以預知下批的檢驗時間，也可以根據(jù)圖形預測下一步的質量狀態(tài)。

4 結語

數(shù)據(jù)的采集是應用SPC控制圖實現(xiàn)質量過程監(jiān)控的關鍵，只有根據(jù)產(chǎn)品的質量要求，確定了影響質量的關鍵過程和重要質量特性參數(shù)，才能使質量監(jiān)控過程有的放矢，過程控制有合適的目標。只有制定了合理的抽樣方案和數(shù)據(jù)采集方法，才能保證采集到的數(shù)據(jù)真實、可靠和及時，過程監(jiān)控才有意義。

參考文獻

[1] 楊躍進.統(tǒng)計過程控制技術[M].北京：航空工業(yè)出版社，2003.

[2] 韓亞利.常規(guī)控制圖技術及應用研究[J].裝備制造技術，2013，（10）.

[3] 周丙常.質量控制圖與過程能力指數(shù)有關問題研究

[D].西北工業(yè)大學，2005.

[4] 李愛民，陳亮，彭耀輝.控制圖在裝備維修質量控制中的應用[J].四川兵工學報，2009，30（1）.

[5] 周源泉.可修系統(tǒng)的可靠性控制圖[J].質量與可靠性，2011，（2）.

[6] 韓亞利.質量統(tǒng)計過程控制SPC技術及其應用[J].長沙航空職業(yè)技術學院學報，2009，9（1）.

基金項目：煙臺南山學院青年教師基金項目（項目編號：201402）。

作者簡介：張德軍（1980-），男，山東沂源人，供職于煙臺南山學院工學院，碩士，研究方向：機電一體化、企業(yè)

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