統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制在輪胎設(shè)計(jì)和制造中的應(yīng)用

李 昭，李 靜

（風(fēng)神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，輪胎行業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位持續(xù)提升[1-3]。根據(jù)我國(guó)各行業(yè)規(guī)劃發(fā)展戰(zhàn)略的根本要求，輪胎行業(yè)要實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)向國(guó)外市場(chǎng)擴(kuò)張，建立、做強(qiáng)民族品牌輪胎，實(shí)現(xiàn)由輪胎大國(guó)向強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，高質(zhì)量發(fā)展是必由之路[4-5]。近10年來(lái)，我國(guó)勞動(dòng)力成本持續(xù)增長(zhǎng)，民營(yíng)企業(yè)融資成本及物流成本不斷增加，不論是勞動(dòng)力、原材料還是企業(yè)經(jīng)營(yíng)成本都大幅度上漲，因此企業(yè)的成本控制尤其重要，對(duì)輪胎企業(yè)更是如此，只有把降低成本落到實(shí)處，才能更好地為企業(yè)經(jīng)營(yíng)減負(fù)。

質(zhì)量成本的投入，既要不斷滿足顧客的實(shí)際需求，又要符合企業(yè)增加利潤(rùn)的內(nèi)在要求，這兩個(gè)因素互相制約構(gòu)成了質(zhì)量成本發(fā)展變化的基本矛盾。為了在質(zhì)量與成本的矛盾中謀求生存和發(fā)展，解決我國(guó)輪胎行業(yè)面臨的困境，提升輪胎質(zhì)量（如外觀質(zhì)量、動(dòng)平衡性能、滾動(dòng)阻力性能、耐磨性能等）是提升輪胎使用性能的基本出發(fā)點(diǎn)，而控制成本（如降低預(yù)防、鑒定成本，減少過(guò)程消耗和浪費(fèi)，降低成品缺陷損失，減少客戶抱怨等）是輪胎行業(yè)擺脫困境的重要路徑。在提升質(zhì)量、降低成本的過(guò)程中，應(yīng)該以全面質(zhì)量管理為基礎(chǔ)，以數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用為輔助和支撐[6-7]。

本工作以輪胎質(zhì)量控制為例，研究輪胎企業(yè)如何實(shí)現(xiàn)質(zhì)量與成本的平衡。

通常情況下，在輪胎設(shè)計(jì)結(jié)束，進(jìn)入批量生產(chǎn)階段時(shí)，研發(fā)部門(mén)下發(fā)標(biāo)準(zhǔn)（如確定成品質(zhì)量公差為±2%，半成品部件公差為±2%），制造和質(zhì)量部門(mén)接受標(biāo)準(zhǔn)并按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量控制，同時(shí)分析和控制過(guò)程穩(wěn)定性。在研發(fā)制定標(biāo)準(zhǔn)、制造和質(zhì)量部門(mén)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程中，需要考慮以下問(wèn)題。

（1）成品質(zhì)量與半成品質(zhì)量的公差設(shè)計(jì)是否為最優(yōu)結(jié)果。

（2）公差設(shè)計(jì)是否可以控制成本，減少浪費(fèi)，同時(shí)保證成品的質(zhì)量和性能。

（3）標(biāo)準(zhǔn)的可實(shí)現(xiàn)性評(píng)估。

（4）部件公差控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)可否保證成品質(zhì)量。

（5）標(biāo)準(zhǔn)的可執(zhí)行性評(píng)估。

（6）過(guò)程管控與過(guò)程能力。

1 制造過(guò)程控制

制造部門(mén)執(zhí)行研發(fā)部門(mén)下發(fā)的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，按照標(biāo)準(zhǔn)控制輪胎成品及半成品部件的質(zhì)量，最終通過(guò)成品質(zhì)量合格率體現(xiàn)控制的效果。在這個(gè)過(guò)程中，利用統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（SPC）工具[8-10]進(jìn)行變差管理，以穩(wěn)定過(guò)程，提升過(guò)程能力，確保標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的穩(wěn)定性和一致性。以胎面質(zhì)量控制為例，在應(yīng)用SPC控制工具對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)控制的過(guò)程中，需要解決以下問(wèn)題。

（1）選擇胎面質(zhì)量過(guò)程控制特性（過(guò)程特性）。從胎面擠出生產(chǎn)線示意（見(jiàn)圖1）中可以看出：胎面質(zhì)量有米稱和單條稱兩個(gè)過(guò)程控制，選擇米稱過(guò)程控制會(huì)面臨后續(xù)的敷貼、冷卻、運(yùn)輸過(guò)程存在部件拉伸和收縮的問(wèn)題，同時(shí)米稱受設(shè)備影響波動(dòng)較大；選擇單條稱過(guò)程控制，需要考慮敷貼膠片和聚乙烯（PE）膜的影響，以及胎面已經(jīng)過(guò)裁切，無(wú)法針對(duì)胎面結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）對(duì)其質(zhì)量做進(jìn)一步調(diào)整的問(wèn)題。

圖1 胎面擠出生產(chǎn)線及其關(guān)鍵過(guò)程特性示意

圖2 胎面結(jié)構(gòu)示意

（2）確定取樣方式，明確合理子組。選擇取樣方式需要考慮生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)量、生產(chǎn)頻次、生產(chǎn)連續(xù)性和控制圖目標(biāo)等方面。在確定取樣方式時(shí)，短時(shí)間連續(xù)取樣（見(jiàn)圖3）數(shù)據(jù)僅能代表過(guò)程中設(shè)備本身的原因帶來(lái)的變差，通過(guò)樣本數(shù)據(jù)估計(jì)的過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)差偏小，控制限偏小，最終會(huì)導(dǎo)致虛發(fā)報(bào)警增多，但適用于分析設(shè)備原因?qū)Ξa(chǎn)品的穩(wěn)定性和過(guò)程能力影響。間隔隨機(jī)取樣（見(jiàn)圖4）數(shù)據(jù)易受過(guò)程均值變化的影響，致使極差圖出現(xiàn)異常點(diǎn)，均值控制限變大，但控制階段不會(huì)因?yàn)闃颖咀咏M內(nèi)的變差增大而變寬，所以更能檢測(cè)出兩次采集樣品之間出現(xiàn)失控的情況。

圖3 短時(shí)間連續(xù)取樣方式

圖4 間隔隨機(jī)取樣方式

（3）對(duì)過(guò)程特性的測(cè)量系統(tǒng)做可靠性分析。過(guò)程特性測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是確定過(guò)程穩(wěn)定性和過(guò)程能力的基本條件，本工作需要對(duì)胎面質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)做可靠性分析。胎面質(zhì)量的測(cè)量包括對(duì)胎面質(zhì)量的直接測(cè)量和間接測(cè)量（如膠料密度、胎面截面積、胎面長(zhǎng)度等）。

（4）數(shù)據(jù)的收集和計(jì)算。在胎面擠出生產(chǎn)線從膠料生產(chǎn)到胎面裝車(chē)的全過(guò)程中，有多個(gè)關(guān)鍵過(guò)程特性（見(jiàn)圖1），其參數(shù)是否均有測(cè)量，是人工手動(dòng)還是設(shè)備自動(dòng)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果的收集為手動(dòng)記錄還是自動(dòng)上傳系統(tǒng)，對(duì)胎面質(zhì)量的控制均有較大影響。

（5）繪制控制圖。在控制圖的繪制中，采用人工描點(diǎn)方式會(huì)增大出錯(cuò)幾率和員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，無(wú)形中延長(zhǎng)了對(duì)過(guò)程異常的反應(yīng)時(shí)間，需要考慮如何實(shí)現(xiàn)控制圖的自動(dòng)生成，將生產(chǎn)線過(guò)程特性參數(shù)的控制圖與其產(chǎn)品性能參數(shù)控制圖進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。

（6）控制圖判異。采取自動(dòng)判異可大大縮短異常反應(yīng)及其處理時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速診斷，但依然面臨以下問(wèn)題：

①控制點(diǎn)都在控制限以內(nèi)且隨機(jī)分布即判定過(guò)程穩(wěn)定，但忽略了分析過(guò)程是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，未對(duì)數(shù)據(jù)分布的正態(tài)性進(jìn)行驗(yàn)證，無(wú)法確定分辨率是否充足，無(wú)法識(shí)別控制限的適合性；

②控制點(diǎn)超出控制限或分布不隨機(jī)即判定過(guò)程存在異常因素，但是未對(duì)樣本的選擇、測(cè)量數(shù)據(jù)可靠性、人工計(jì)算和描點(diǎn)錯(cuò)誤等因素進(jìn)行干預(yù)。

因此，在實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)控制和分析前，采用人工和自動(dòng)化相結(jié)合的方式，可以避免錯(cuò)誤的發(fā)生。

（7）消除異常，記錄事件日志。在控制圖的繪制過(guò)程中，建立事件日志是快速分析及異常追溯的有效手段。在消除異常的過(guò)程中，需要建立快速應(yīng)急反應(yīng)計(jì)劃以支撐現(xiàn)場(chǎng)的異常處理能力。同時(shí)需要在消除異常后，通過(guò)采取的措施類型（系統(tǒng)措施或臨時(shí)措施）來(lái)判斷是否調(diào)整控制限。

目前，直接過(guò)程特性的測(cè)量系統(tǒng)分析及過(guò)程穩(wěn)定性監(jiān)控已實(shí)現(xiàn)全過(guò)程的監(jiān)控、分析和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)間接控制特性的測(cè)量系統(tǒng)分析，確保影響胎面質(zhì)量間接控制特性測(cè)量設(shè)備的可靠性，對(duì)影響直接控制特性的各項(xiàng)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行過(guò)程穩(wěn)定性和過(guò)程能力的監(jiān)控和分析，發(fā)現(xiàn)直接控制特性和過(guò)程影響特性的相關(guān)性并實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)改善是下一步需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

2 研發(fā)設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 存在問(wèn)題

輪胎質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及公差確定后，對(duì)半成品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及公差的設(shè)計(jì)，就像在一個(gè)固定區(qū)域中劃分不同車(chē)輛的車(chē)位，需達(dá)到空間利用的最大化。

眾所周知，在輪胎設(shè)計(jì)階段，不僅會(huì)確定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及公差范圍，而且會(huì)針對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品工藝通過(guò)性進(jìn)行評(píng)估，確定過(guò)程能力。若在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，制造過(guò)程的能力水平無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，或者設(shè)計(jì)公差范圍在實(shí)際制造過(guò)程中受到設(shè)備精度、材料穩(wěn)定性等因素影響，難以得到準(zhǔn)確控制，則提高過(guò)程能力或嚴(yán)格公差控制就可能面臨以下問(wèn)題：

（1）生產(chǎn)、傳遞、使用不合格；

（2）嚴(yán)格按公差要求控制，造成浪費(fèi)增多，成本增加；

（3）嚴(yán)格按公差要求控制，增加過(guò)程改善投資，成本增加。

以上問(wèn)題最終會(huì)導(dǎo)致輪胎質(zhì)量水平下降，成本增加。

2.2 優(yōu)化

輪胎質(zhì)量受到胎面、胎側(cè)、墊膠、簾布等半成品部件質(zhì)量的影響，若要提高輪胎質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)減少浪費(fèi)和投資成本，需要找出半成品部件中的關(guān)鍵影響因子，逐步優(yōu)化其公差設(shè)計(jì)。在解決這個(gè)問(wèn)題的過(guò)程中，蒙特卡洛模擬研究可以提供很大的幫助。本工作根據(jù)實(shí)際需求建立了如圖5所示的設(shè)計(jì)優(yōu)化分析流程。

圖5 設(shè)計(jì)優(yōu)化分析流程

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)階段確定的公差及過(guò)程能力要求確定過(guò)程的輸入，如胎面質(zhì)量公差為±2%，過(guò)程能力為1.3，胎側(cè)質(zhì)量公差為±2%，過(guò)程能力為1.0，輪胎質(zhì)量公差為±2%等。

（2）對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程能力進(jìn)行分析（見(jiàn)表1）。

表1 過(guò)程能力分析

（3）利用蒙特卡洛方法模擬實(shí)際產(chǎn)品性能的監(jiān)控和分析。首先建立概率統(tǒng)計(jì)模型，即胎面質(zhì)量是各個(gè)半成品質(zhì)量的總和；其次，收集過(guò)程數(shù)據(jù)，確定數(shù)據(jù)分布；然后定義參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)和參數(shù)范圍，即輪胎質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、公差和合格率，如95%的輪胎質(zhì)量在（63.705±1.270）kg范圍內(nèi)（公差為±2%）；再在目前過(guò)程能力狀態(tài)下，確定各部件的均值、標(biāo)準(zhǔn)差及分布情況（見(jiàn)表2）；最后進(jìn)行建模和運(yùn)算，通過(guò)半成品部件質(zhì)量均值及標(biāo)準(zhǔn)差運(yùn)算（見(jiàn)圖6）和模擬，確定輪胎質(zhì)量在可接受范圍內(nèi)的概率。可以根據(jù)輸出結(jié)果（見(jiàn)圖7）判斷輪胎質(zhì)量公差范圍內(nèi)的概率是否在可接受的范圍之內(nèi)：通過(guò)率遠(yuǎn)大于95%，結(jié)果不可接受，存在過(guò)度控制和浪費(fèi)，需要優(yōu)化；通過(guò)率接近95%，結(jié)果可以接受，可以持續(xù)監(jiān)控；通過(guò)率小于95%，結(jié)果不可接受，成品損失增加，需要改善。

表2 各部件的均值、標(biāo)準(zhǔn)差及分布情況

圖6 各部件質(zhì)量運(yùn)算界面

圖7 輸出結(jié)果界面

（4）敏感度分析。確定半成品部件質(zhì)量對(duì)輪胎質(zhì)量的影響程度，結(jié)合敏感度分析結(jié)果（見(jiàn)圖8）優(yōu)化變量，通過(guò)調(diào)整公差范圍提升過(guò)程控制結(jié)果或者減小流程輸入的變異，以進(jìn)一步降低拒絕率（優(yōu)化影響因子的分布），即優(yōu)化過(guò)程穩(wěn)定性及過(guò)程能力。

圖8 敏感度分析界面

（5）結(jié)合現(xiàn)有的過(guò)程能力優(yōu)化公差。優(yōu)先優(yōu)化敏感度分析中對(duì)輪胎質(zhì)量影響較大的因子（如胎面），通過(guò)優(yōu)化后的公差控制（見(jiàn)表3），收集生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，再次運(yùn)行蒙特卡洛模擬，驗(yàn)證通過(guò)率是否接近95%，若不滿足，繼續(xù)優(yōu)化調(diào)整公差，循環(huán)進(jìn)行蒙特卡洛模擬，直到通過(guò)率滿足要求。

表3 各部件公差優(yōu)化

3 結(jié)語(yǔ)

在未來(lái)的技術(shù)發(fā)展中，工藝與設(shè)備參數(shù)的大數(shù)據(jù)管理以及人工智能算法對(duì)質(zhì)量與成本控制的輔助決策將在輪胎設(shè)計(jì)和制造中發(fā)揮重要的作用，大數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等新型技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程管控中有巨大的能力發(fā)揮空間，快速的數(shù)據(jù)采集與建模分析優(yōu)化能夠幫助研發(fā)與質(zhì)量工程師高效精準(zhǔn)地達(dá)成技術(shù)與管理目標(biāo)。從數(shù)據(jù)采集和分析到模型的建立和部署，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)組合和工藝參數(shù)再優(yōu)化，快速定位符合目標(biāo)性能的工藝參數(shù)組合，從設(shè)計(jì)優(yōu)化到工藝優(yōu)化，能夠真正實(shí)現(xiàn)提升質(zhì)量、降低成本的目標(biāo)。