劉　敏，莫易敏，張　軍，馮　立，黃業(yè)財(cái)

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.上汽通用五菱股份有限公司,廣西 柳州 545007;3.柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007)

SPC(statical process control)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)工序能力進(jìn)行分析，預(yù)警生產(chǎn)異常，使過程處于僅受隨機(jī)誤差影響的穩(wěn)態(tài)，從而保證產(chǎn)品性能達(dá)到規(guī)定的要求[1]。王桂英等[2]針對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線進(jìn)行了質(zhì)量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。孫雪嬌[3]從數(shù)學(xué)建模和SPC應(yīng)用兩個(gè)方面對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量控制過程進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)開發(fā)出相關(guān)的質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。張鋮林[4]從數(shù)據(jù)采集技術(shù)、傳感器誤差矯正技術(shù)和控制圖異常模式識(shí)別技術(shù)3方面把握質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)與監(jiān)控平臺(tái)的研究。

SPC在產(chǎn)品質(zhì)量管理中的應(yīng)用大多僅局限在線上工人采集數(shù)據(jù)，線下技術(shù)人員分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)問題再解決問題的水平，這種采集到反饋整改的循環(huán)耗費(fèi)了大量時(shí)間，錯(cuò)失從生產(chǎn)源頭扼制不合格品產(chǎn)生的機(jī)會(huì)。為解決這一普遍問題實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控智能化，旨在將計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)與統(tǒng)計(jì)過程控制理論相結(jié)合，設(shè)計(jì)開發(fā)基于SPC的動(dòng)態(tài)監(jiān)控生產(chǎn)質(zhì)量系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于某汽車后橋殼生產(chǎn)線的橋殼?？仨?xiàng)數(shù)據(jù)的分析處理，達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)控生產(chǎn)的目的。

1　SPC理論

1.1　控制圖

控制圖又稱為管制圖，是對(duì)過程穩(wěn)定進(jìn)行評(píng)估的一種統(tǒng)計(jì)用圖，由3條平行于橫軸的直線和數(shù)據(jù)點(diǎn)連成的折線組成，通過識(shí)別質(zhì)量數(shù)據(jù)波動(dòng)是隨機(jī)的還是系統(tǒng)的，找出過程不穩(wěn)定的原因，并利用折線的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)對(duì)工序判穩(wěn)。按照用途可分為以下兩種：①前期過程判穩(wěn)時(shí)使用的分析用控制圖；②起預(yù)警作用的控制用控制圖，它是在過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后由分析用控制圖轉(zhuǎn)化而來。控制圖基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　控制圖基本結(jié)構(gòu)

1.2　控制圖判異及原因分析

判斷異常波動(dòng)是SPC控制圖最重要的職能之一，國(guó)際GB/T4091-2001《常規(guī)控制圖》中規(guī)定了8種判異準(zhǔn)則[5]，可分為有點(diǎn)出界和界內(nèi)點(diǎn)排列不隨機(jī)兩類[6]。 8種判異準(zhǔn)則及可能的原因如表1所示。

表1　控制圖判異準(zhǔn)則及原因分析

1.3　過程能力分析

過程能力用于衡量產(chǎn)品的加工質(zhì)量，是指在工序處于穩(wěn)態(tài)期間產(chǎn)品的實(shí)際加工能力。過程能力指數(shù)指產(chǎn)品的工藝質(zhì)量與要求相吻合的程度，一般用Cpk或Ppk表示，根據(jù)值的大小范圍來劃分過程能力的充分與否，具體分析情況如表2所示。過程能力指數(shù)Cpk計(jì)算公式為：

(1)

表2　過程能力分析

1.4　基于SPC的質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

SPC質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)基于5M1E分析法，通過在線檢測(cè)設(shè)備采集質(zhì)量特性數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)綄?shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行生產(chǎn)能力分析[7-9]。系統(tǒng)可繪制控制圖，通過特征識(shí)別功能判斷控制圖異常類型，分析過程能力。過程能力分析有兩個(gè)使用前提：①生產(chǎn)過程穩(wěn)定受控；②質(zhì)量數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。當(dāng)數(shù)據(jù)為非正態(tài)分布時(shí)，可通過系統(tǒng)的Johnson變換轉(zhuǎn)為正態(tài)分布。直到工序能力充足后，即可采用控制用控制圖來監(jiān)控生產(chǎn)。SPC質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2　SPC質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)流程圖

2　系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1　數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)

產(chǎn)品參數(shù)的測(cè)量與采集方面，選用市面上常用的數(shù)顯千分表和RS-232轉(zhuǎn)換器。數(shù)顯千分表采集到數(shù)據(jù)后，經(jīng)由適配器轉(zhuǎn)換，可與帶有RS-232插口的上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸過程如圖3所示。

圖3　數(shù)據(jù)采集流程

2.2　應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)線下分析的需要，分析人員只需將所要分析的產(chǎn)品數(shù)據(jù)依次輸入到軟件界面的數(shù)據(jù)表格中，即可進(jìn)行產(chǎn)品分析，也可先將數(shù)據(jù)整理成指定文件，再通過“數(shù)據(jù)導(dǎo)入”功能進(jìn)行快速輸入與分析。需要注意的是當(dāng)產(chǎn)品樣本組數(shù)達(dá)到指定個(gè)數(shù)n(可設(shè)置)時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)執(zhí)行產(chǎn)品質(zhì)量分析的相關(guān)操作，系統(tǒng)具體功能在實(shí)例中有詳細(xì)介紹。

2.3　Johnson轉(zhuǎn)換模型

Johnson轉(zhuǎn)換是一種可以將樣本數(shù)據(jù)從偏態(tài)分布轉(zhuǎn)換成正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)學(xué)工具[11]，便于更好地分析工序能力。Johnson的轉(zhuǎn)換公式為：

Z=γ+δτ(X，ε，λ)

(2)

Johnson體系根據(jù)變量X的3個(gè)分布族可分為SB、SL、SU 3個(gè)模型，每個(gè)模型對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換公式如表3所示。未知參數(shù)γ、δ、ε和λ的估計(jì)本系統(tǒng)采用樣本百分位數(shù)法。對(duì)任意給定的Z值，令P1=Φ(-3Z),P2=Φ(-Z),P3=Φ(Z),P4=Φ(3Z)，設(shè)Xi表示X分布的Pi個(gè)分位數(shù)，i=1,2,3,4，定義數(shù)值比為：

(3)

Johnson轉(zhuǎn)換的使用步驟：①計(jì)算最優(yōu)變換參數(shù)。②當(dāng)質(zhì)量數(shù)據(jù)是偏態(tài)分布時(shí)，則選{0.25，0.26，…,1.25}中的每一個(gè)Z值來計(jì)算QR，并選取對(duì)應(yīng)的Johnson模型。③根據(jù)轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換原始數(shù)據(jù)為正態(tài)分布。④利用變換得到的新數(shù)據(jù)分析其過程能力，并結(jié)合質(zhì)量專家的經(jīng)驗(yàn)實(shí)施改進(jìn)措施。

表3　Johnson分布系統(tǒng)

3　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)源于對(duì)某廠后橋殼體高效率質(zhì)量檢測(cè)的需求，主界面如圖4所示。數(shù)據(jù)的采集可以通過在線檢測(cè)裝備直接導(dǎo)入，也可在 “數(shù)據(jù)信息”模塊對(duì)應(yīng)輸入添加到下方列表中?！皵?shù)據(jù)保存”可將質(zhì)量數(shù)據(jù)導(dǎo)出存檔，便于質(zhì)量追溯；“數(shù)據(jù)導(dǎo)入”可將數(shù)據(jù)庫(kù)中存檔的文件導(dǎo)入分析。

圖4　質(zhì)量分析系統(tǒng)主界面

表4　控制圖控制線

圖控制圖分析界面

3.2　工序能力分析及Johnson變換

圖6　工序能力分析界面

當(dāng)控制圖判穩(wěn)后，對(duì)質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行工序能力分析，工作界面如圖6所示，點(diǎn)擊“能力判定”按鈕即可查詢生產(chǎn)的過程能力以及現(xiàn)階段的建議措施。在原始質(zhì)量數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布時(shí)，運(yùn)用Cpk值無(wú)法準(zhǔn)確判斷工序能力，此刻則需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Johnson轉(zhuǎn)換為正態(tài)分布數(shù)據(jù)再計(jì)算Ppk值，進(jìn)行Johnson變換后的過程能力分析。

4　結(jié)論

通過將計(jì)算機(jī)技術(shù)與統(tǒng)計(jì)過程理論相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)監(jiān)控生產(chǎn)質(zhì)量、預(yù)警生產(chǎn)故障，解決信息傳遞延緩、發(fā)現(xiàn)故障不及時(shí)等問題，極大地提高了生產(chǎn)質(zhì)量，節(jié)省了大量不必要的人力物力。

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