基于SPC的薯條切割過程質(zhì)量控制

朱曉琳，朱玉杰*，徐琳

(1.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040；2.陸遜梯卡華宏(東莞)眼鏡有限公司，廣東 東莞 523000)

基于SPC的薯條切割過程質(zhì)量控制

朱曉琳1，朱玉杰1*，徐琳2

(1.東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040；2.陸遜梯卡華宏(東莞)眼鏡有限公司，廣東 東莞 523000)

為解決某企業(yè)薯條在生產(chǎn)加工的切割過程中質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，應(yīng)用統(tǒng)計過程控制(SPC)方法，結(jié)合統(tǒng)計學(xué)原理進行分析討論。本文選取影響該企業(yè)薯條切割過程質(zhì)量穩(wěn)定性的關(guān)鍵特性值——長度為控制對象，通過控制圖對這一過程進行分析，利用魚骨圖和5M1E等手段找出影響過程穩(wěn)定性的系統(tǒng)因素，實施改進。改進后切割工序能力Pp=0.77，Ppk=0.63，PPM=23434.82，相當(dāng)于Ⅲ級水平，表明過程能力尚可。研究結(jié)果充分說明利用SPC技術(shù)對薯條生產(chǎn)過程實施質(zhì)量控制，能夠使薯條長度值的波動明顯降低，從而使切割過程質(zhì)量處于統(tǒng)計受控狀態(tài)，工序能力得到顯著提高。另外，利用PDCA循環(huán)持續(xù)改善，可以提高切割過程質(zhì)量穩(wěn)定性，防止不合格品的產(chǎn)生。

質(zhì)量控制；統(tǒng)計過程控制(SPC)；控制圖；薯條

0 引言

SPC即統(tǒng)計過程控制(Statistical Process Control)，它借助數(shù)理統(tǒng)計方法，被用來分析和評價生產(chǎn)過程，及時發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的系統(tǒng)性因素，同時采取可行措施消除不良的影響，使整個過程保持在僅受隨機性因素影響的受控狀態(tài)，以達到控制質(zhì)量的目的[1]。目前國外己經(jīng)將SPC的研究應(yīng)用到了各個領(lǐng)域當(dāng)中，并提出了多種應(yīng)用情況[2-5]。SPC技術(shù)不僅僅在機械、汽車制造業(yè)以及藥品等領(lǐng)域有了成功的范例[6-9]，現(xiàn)如今也逐漸被應(yīng)用于食品加工過程中的質(zhì)量控制。Ittzés[10]運用SPC方法來監(jiān)測奶油加工過程，并建議使用不同的控制圖來監(jiān)測不同成分的變化。Srikaeo等[11]將SPC引入到餅干的烘烤過程中，找出了影響工序能力不足的質(zhì)量特性以及存在較大波動的關(guān)鍵過程。貢照明[12]將SPC應(yīng)用到面包重量控制過程中，優(yōu)化了面包重量控制系統(tǒng)。劉銳等[13]將SPC技術(shù)應(yīng)用于掛面加工過程中，使和面過程的工序能力和加工質(zhì)量有了明顯提高。SPC方法可用于奶油、餅干和面包的生產(chǎn)過程中，但目前尚未見在薯條生產(chǎn)過程中有相關(guān)研究。

本文在對薯條加工工藝流程全面分析的基礎(chǔ)上，針對切割過程進行研究，確定了薯條的關(guān)鍵質(zhì)量特性——長度值作為研究對象。通過對關(guān)鍵點工序的監(jiān)測，搜集并整理數(shù)據(jù)，結(jié)合SPC技術(shù)，分析薯條切割過程，并通過魚骨圖、5M1E法找出影響薯條產(chǎn)品質(zhì)量波動的系統(tǒng)因素，提出有效的改善措施，并對改善結(jié)果進行工序能力評估。

1 材料與方法

1.1 SPC基本原理

SPC是一個反饋系統(tǒng)[14]，一方面通過控制圖分析過程的穩(wěn)定性，另一方面對過程質(zhì)量進行評價[15]。反饋圖如圖1所示。

圖1 統(tǒng)計過程控制反饋系統(tǒng)圖Fig.1 Statistical Process Control Feedback System

(1)判斷控制圖異常準則。判斷控制圖異常的準則如圖2所示[16]。

(a)準則1：一點落在A區(qū)以外

(b)準則2：連續(xù)9點落在中心線同一側(cè)

(c)準則3：連續(xù)6點遞增或遞減

(d)準則4：連續(xù)14點中相鄰點上下交替

(e)準則5：連續(xù)3點中有2點落在中心線同一側(cè)區(qū)以外

(f)準則6：連續(xù)5點中有4點落在中心線同一側(cè)的C區(qū)以外

(g)準則7：連續(xù)15點在C區(qū)中心線上下

(h)準則8：連續(xù)8點在中心線兩側(cè)但無一在C區(qū)中

(2)過程能力指數(shù)。過程能力指數(shù)(Cp)是衡量控制圖有效性的重要指標(biāo)，工序能力是否滿足技術(shù)要求，需要進行過程能力分析。其判斷標(biāo)準見表1[17]。

表1 Cp(Cpk)范圍與質(zhì)量特性過程能力綜合評定表

為衡量過程初始能力大小，用Pp=T/6S(S為樣本的標(biāo)準差)計算該過程的性能指數(shù)(Performance of Precision)，表示該初始過程滿足工序技術(shù)要求的程度。Cp(Cpk)與PPM的關(guān)系[18]見表2。

表2 Cp(Cpk)與PPM的關(guān)系

1.2 取樣與數(shù)據(jù)采集

選取M工廠生產(chǎn)的薯條產(chǎn)品A進行實驗，在連續(xù)生產(chǎn)的15 h內(nèi)，每半個小時進行一次取樣檢驗，實驗數(shù)據(jù)見表3，薯條生產(chǎn)加工工藝流程如圖3所示。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

當(dāng)樣本容量不相同時，記件式計數(shù)值數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)使用不合格品率控制圖(P圖)對生產(chǎn)過程進行控制。

(1)計算各組樣本的不合格品率，記入表3中，計算公式為

pi=。 (1)

(3)計算控制界限，記入表3中，P圖的控制界限計算公式為

(2)

式中：n為子組大小。

(4)繪制長度的P控制圖，如圖4所示。

圖3 薯條加工工藝流程Fig.3 French fries Production Process

圖4 A產(chǎn)品長度的P控制圖Fig.4 P control chart of product A length

由圖4在長度特性值的P控制圖中可以看到，第1個樣本點和第2個樣本點高于控制限，第3個樣本點和第17個樣本點低于控制限。此時可以判斷薯條切割過程質(zhì)量嚴重失控，應(yīng)及時分析產(chǎn)生異常的原因，并予以改進。

第1、2個樣本點高于控制限，是由于對當(dāng)時原料的判斷不準確，導(dǎo)致進入切割工序的馬鈴薯分布不均勻，每個水槍與馬鈴薯的匹配率低，因此從切割工序出來的短條和邊角料偏多，而又沒有及時調(diào)整邊角料去除器，還是維持在“1.2，1.2，1.0，1.0”的參數(shù)設(shè)置，同時短條去除篩子未及時更換，仍然保持為18 mm孔隙大小的篩子。當(dāng)發(fā)現(xiàn)長度不合格品急劇超過上限值時，領(lǐng)班迅速采取措施以保證產(chǎn)品合格率，但當(dāng)時并沒有分析其根本原因，僅僅調(diào)整了短條去除篩子的尺寸，從18 mm更換至22 mm。在做試驗后不合格數(shù)急劇下降，因此出現(xiàn)了第3個樣本點的情況，但此時短條浪費率極高，在短條廢料流中發(fā)現(xiàn)很多大于2英寸(該薯條產(chǎn)品合格長度標(biāo)準值為2英寸)的薯條。此時分析根本原因，是由于切割工序的進料馬鈴薯分布不均勻?qū)е拢虼诉M行切割分級棍的調(diào)整，保證每個水槍與土豆的配比率由原來的60%達到75%，之后從第4個樣本點開始不合格品率趨于正常值。

第17個樣本點低于控制限，是由于3號分選設(shè)備“下背景”產(chǎn)品流右側(cè)進水霧，導(dǎo)致照相機拍照時識別右側(cè)來料薯條均為瑕疵條，因此去往自動瑕疵切除器(ADR)的壞料增多，由于已經(jīng)超過ADR的運行能力，導(dǎo)致刀輥亂切，因此返回短條去除篩子的短條數(shù)量大量增多，超出了短條去除器的工作能力，有部分短條進入“好條流”中，導(dǎo)致長度過短，低于控制限。

(5)剔除異常值，計算過程能力指數(shù)。

將異常值剔除后，重新計算修正后的不合格品率，重新繪制P控制圖，如圖5所示。

圖5 修正后長度的P控制圖Fig.5 P Control chart of corrected length

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，所有的點子都在其相應(yīng)的控制限以內(nèi)，表明此時過程處于統(tǒng)計控制狀態(tài)。進一步計算過程能力指數(shù)，如圖6所示。

由圖6可以看到，Pp=0.68，Ppk=0.56，PPM=42 427.52，由表1和表2可知，此時對應(yīng)的過程能力等級為Ⅳ級，表明過程能力不充分，繼續(xù)尋找原因，采取措施加以改善。

2 改善措施與結(jié)果分析

2.1 查找質(zhì)量波動原因

利用魚骨圖(魚骨圖又稱因果圖，用來表示質(zhì)量特性波動與其潛在原因的關(guān)系，把對問題有影響的因素進行分析和分類并繪制成圖)的方法，結(jié)合5M1E(人、機、料、法、環(huán)、測)的手段來查找質(zhì)量波動的原因。如圖7所示。

圖6 修正后長度的過程能力Fig.6process capability after correction

圖7 長度的魚骨圖Fig.7 Fishbone diagram of length

2.2 提出改善措施

(1)操作工需要定期到切割平臺觀察土豆來料情況，以便及時判斷原料調(diào)整參數(shù)設(shè)置。

(2)去皮操作工要及時了解折斷條試驗結(jié)果，以便及時調(diào)整PEF電腦功率。

(3)領(lǐng)班在原料發(fā)生變化時，應(yīng)及時通知各崗位操作工，以便操作工對設(shè)備做適當(dāng)調(diào)整。

(4)分級輥目前是對馬鈴薯最小的寬度方式進行分級，不能夠與各水槍配合準確，因此造成配比率低，導(dǎo)致浪費。

(5)切割操作工長度實驗結(jié)果沒有及時反饋給分選操作工，導(dǎo)致篩子的設(shè)置沒有及時更新。

(6)口袋分級器目前由于齒輪損壞，無法進行手動調(diào)整，需要維修部門配合設(shè)備維護。

(7)“干接收區(qū)”操作工在原料變化時應(yīng)及時做原料長寬比試驗，若不符合標(biāo)準時應(yīng)及時通知領(lǐng)班。

(8)生產(chǎn)線長度試驗由于目前是人工查數(shù)，2kg的試驗量過大，耽誤時間，應(yīng)減少試驗量，縮短試驗時間。

(9)在試驗取樣點旁邊加試驗臺，方便操作工及時做試驗。

2.3 改善后結(jié)果分析

按照討論和分析結(jié)果制定質(zhì)量改善方案，并在實際生產(chǎn)中進行調(diào)整。對薯條產(chǎn)品A的生產(chǎn)過程重新進行監(jiān)測并采集數(shù)據(jù)，見表4。

表4 改進后的長度的統(tǒng)計表

續(xù)表4 改進后的長度的統(tǒng)計表

2.3.1 繪制控制圖

改善后長度的P控制圖如圖8所示。

圖8 改善后長度的P控制圖Fig.8 P control chart of length after improvement

2.3.2 分析討論

由圖8和圖4比較可知，不合格品率平均值由13.96%下降為13.39%，下降了0.57個百分點，同時上限制UCL由17.91%下降為17.50%，說明產(chǎn)品長度合格品由勉強滿足要求上升為超過標(biāo)準要求值0.5個百分點。

根據(jù)控制圖的判斷原則，由圖8可知，第二回監(jiān)測中的樣本點均處在控制范圍內(nèi)，并且排列呈隨機性，無明顯傾向和規(guī)律。說明通過以上措施基本消除系統(tǒng)內(nèi)的異常波動，證明改善后的薯條的切割過程已經(jīng)處于受控狀態(tài)。

2.3.3 計算工序過程能力

利用MINITAB軟件進一步計算過程能力，如圖9所示。

圖9 改進后長度的過程能力分析Fig.9 Process capability analysis of length after improvement

由圖9可知，改進后的切割工序的Pp=0.77，Ppk=0.63，PPM=23 434.82，相當(dāng)于Ⅲ級水平，表示過程能力尚可，應(yīng)繼續(xù)采用控制圖等對生產(chǎn)過程繼續(xù)監(jiān)測，實現(xiàn)將分析用控制圖轉(zhuǎn)換為控制用控制圖。

2.3.4 持續(xù)改善

針對以上問題，需要對生產(chǎn)過程按照戴明環(huán)PDCA的方式持續(xù)改善，使每一個過程點都處于穩(wěn)定的受控狀態(tài)，來保證速凍薯條生產(chǎn)過程整體受控。薯條生產(chǎn)過程的PDCA持續(xù)改善按照如圖10所示的過程循環(huán)進行[19]。

(1)Plan 計劃

分析影響速凍薯條生產(chǎn)過程不穩(wěn)定的問題，通過根源性分析找出影響其長度問題的根本原因，采取制定多個短期目標(biāo)計劃逐步改善的方法，針對各個過程關(guān)鍵控制點制定逐步改進的計劃和措施。

(2)Do 執(zhí)行

按照上一步制定的程序和計劃在各個關(guān)鍵控制點實行過程改進，并對已經(jīng)實施了改進的控制點重新采集數(shù)據(jù)，為下一步的過程改進評估做好準備。

(3)Check 檢查

對改進后的速凍薯條生產(chǎn)過程各個控制點采集的數(shù)據(jù)進行整理和統(tǒng)計分析并繪制控制圖，通過對比改進前后控制圖的變化，來分析和判斷各個控制點采取的改進措施的有效性。

(4)Action 糾正

根據(jù)上一步改進前后控制圖對比分析結(jié)果，對已經(jīng)完善的關(guān)鍵點工序進行標(biāo)準化，對未完成的控制點討論研究制定新的計劃，想辦法縮減實際結(jié)果與計劃目標(biāo)的差距，為執(zhí)行PDCA 下一次循環(huán)做準備。

對速凍薯條生產(chǎn)過程中質(zhì)量狀況的控制和改進是一個循序漸進、不斷完善的過程，其中涉及到企業(yè)最高的管理人乃至每個工人、每個環(huán)節(jié)，包括了對管理方式的變革、對設(shè)備功能的改善以及對工人操作方式的改進等。

圖10 PDCA過程循環(huán)示意圖Fig.10 PDCA process cycle diagram

3 結(jié)論

利用不合格品率控制圖(P控制圖)對薯條切割過程中的長度進行分析，發(fā)現(xiàn)長度值中點子超出界限，說明切割過程質(zhì)量處于統(tǒng)計失控狀態(tài)。針對這一問題，采用魚骨圖和5M1E查找造成質(zhì)量波動的原因，并進行改善，改善后切割工序的Pp=0.77，Ppk=0.63，PPM=23 434.82，相當(dāng)于Ⅲ級水平，表示過程能力尚可。

此外利用PDCA循環(huán)持續(xù)改善，隨時掌握生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的偏差，從而使工序參數(shù)的波動處于預(yù)測范圍內(nèi)。

通過對薯條切割工序過程質(zhì)量控制的研究，進而利用SPC技術(shù)實現(xiàn)對產(chǎn)品整個生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控，通過控制圖及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品異常，迅速作出反應(yīng)，有效預(yù)防不合格品的產(chǎn)生，從而提高生產(chǎn)過程穩(wěn)定性。

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QualityControlinCuttingProcessofFrenchFriesBasedonStatisticalProcessControl

Zhu Xiaolin1，Zhu Yujie1*，Xu Lin2

(1.College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040； 2.Luxottica Tristar, Guang Dong Dongguan 523000)

In order to solve the problem of instability in the cutting process of French fries in an enterprise，statistical process control(SPC)method was introduced，and the principle of statistics was used to analyze and discuss.Length，the key characteristic value which influences the quality stability of French fries cutting was chosen as the control object，and the process was analyzed by the control chart.Fishbone diagram and 5M1E were used to find out the system factors that affected the process stability and to improve them.After improvement，the cutting process capability wasPp=0.77，Ppk=0.63，PPM=23 434.82，which was equivalent to level III，indicating that the process capability was acceptable.The result showed that using SPC to implement quality control of French fries production process could reduce the fluctuation of the chip length，and make sure the quality of the cutting process under statistical control，and improve the process capability.Using PDCA cycle could improve the stability of cutting process and prevent the production of unqualified products.

Quality control；statistical process control(SPC)；control chart；French fries

S 273

：A

：1001-005X(2017)05-0072-07

2017-4-19

哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項資金項目(2014RFXXJ108)

朱曉琳，碩士研究生。研究方向：工業(yè)工程。E-mail：zhuxiaolin0315@163.com

朱玉杰，博士，教授。研究方向：工業(yè)工程。E-mail：zhuyujie004@126.com

朱曉琳，朱玉杰，徐琳.基于SPC的薯條切割過程質(zhì)量控制[J].森林工程，2017，33(5)：72-78.