（机械设计及理论专业论文）机械加工过程中产品质量监测系统的开发.pdf

攘簧 摘要 统计_ 邋稚控稍( s p c ) 怒馥产繇瓣囊产进稷旁磷究辩象，糕瘸控裁嚣鼗经生产 过程，找出影响系统稳定生产的因索，从而提示管理者及时采取相应的措施，消 豫系统因素影镌，保持王露翡稳定状态，憝疆毫产磊袋囊瓣有效方法。嚣麓，我 国中小型机械加工制造企业猩产品质慧控制方面，基本上怒采用事后检验的方法 来保证产赫质量，豢实迁骥，这群徽劳蚕麓获实凄土筵褰矮垂。帮餐是采餍襞诗 过襁控制的企业，也没有把它作为一种过稷改善的正具。因此推广s p c ，开发基 予s p c 赘产墓凑羹箍控系绫兵誊毯实戆意义。 本文襁研究统计过程控制基本原理的蒸础上，开发了机械加工过程中产品质 萋簸溅系绞，主要戮突内咎蠢： ( 1 ) 湃发、濑试下位槐数据巢榘系统，实现了质鳖数据静自韵采集、驻示、 存耱，采爱诗算撰遴薅技拳连接上经瓠系统，蜜骥葳薰数搬静囊凌俦羧。 ( 2 ) 编制上挝极统计避程分橱敞传，对纛方潮、常规控制鞠、工序靛力撬数 热滋溪突秘疆彦亿。通过对震量数掇的处溪砖势掇，实璇瓣生产过程鲍农线实时 监撩。 芙键词：绞计过穰控制；控制图；工序畿力指数 a b s t r a c t a b s t r a c t s p c ( s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r 0 1 ) t r e a t st h ep r o c e s so fp r o d u c ta sr e s e a r c ho b j e c t a n df i n d so u tt h ef a m o r sw h i c ha f f e c tt h es t a b i l i z a t i o no ft h es y s t e mb ym o n i t o r i n gt h e p r o c e s su s i n gc o n t r o lc h a r t 。c o n t r o lc h a r tc l e w ss u p e r v i s o rt ot a k em e n u st oa v o i d s p e c i a lc a u s e sa n dk e e pp r o c e s ss t a b i l i z a t i o n 。i t sa ne f f i c i e n c ym e t h o df o ri m p r o v i n g p r o d u c tq u a l “y i nc h i n a ，m o s to fs m a l la n dm e d i u mm a c h i n e r ye m e r p r i s ee n s u r e dt h e q u a l i t yo fp r o d u cb yd e t e c t i o na f t e rp r o d u c i n g ，b u ti nf a c t ，i tc a n ti m p r o v ep r o d u c t q u a l i t ye f f e c t i v e l y e v e nt h o s ew h oa d o p t e ds p cd i d n tm a k ei ta sat o o lo fi m p r o v i n g p r o c e s s s o ，i ti sw o r t h yo fp r o m o t i n gs p c a n dd e v e l o p i n gp r o d u c tq u a l i t ym o n i t o r i n g s y s t e m o nt h eb a s i co fr e s e a r c h i n gs t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o lt h e o r y , t h i s p a p e rd e s i g n sa n d d e v e l o p sp r o d u c tq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e mi nm e c h a n i c a lm a c h i n i n g f o l l o w i n ga r e t h ec o n t e n t so ft h i st h e s i s ： ( 1 ) d a t ac o l l e c t i v es y s t e mi nb o t t o m - c o m p u t e ri sd e v e l o p e da n dd e b u g g e d , w h i c h i sc a p a b l eo fg a t h e r i n g , d i s p l a y i n g , m e m o r i z i n gt h eq u a l i t yd a t aa u t o m a t i c a l l y u s i n g t h ec o m p u t e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt oc o n n e c tt h eb o t t o m c o m p u t e ra n dt h e t o p - c o m p u t e r , t h es y s t e mi m p l e m e n t st r a n s m i s s i o no ft h eq u a l i t yd a t aa u t o m a t i c a l l y ( 2 ) s t a t i s t i c a lp r o c e a sa n a l y s i ss o f t w a r ei nt h et o p - c o m p m e rs y s t e mi sp r o g r a m m e d t h et h e o f ya n da p p l i c a t i o na b o u tt h eh i s t o g r a m ，s h c w h a r tc o n t r o lc h a r t s ，p r o c e s s c a p a b i l i t yi n d e xa r ed i s c u s s e da n dp r o g r a m m e d t h r o u g hh a n d l i n ga n da n a l y z i n gt h e q u a l i t yd a t a ，t h ei n p r o c e s sm o n i t o r i n gi si m p l e m e n t e d k e yw e r d s ：s t a ris tic aip r o c e s sc e n t r el ：c o n t r oic h a r t ：p r o c e s sc a p a bi i it y i n d e x 关于硕士学位论文使用授权的说明 论文题瓣；煎越热玉蕉撵圭彦髓廑量蕊溺囊蕴鲢珏簇 零学位论文露者蹇全了髂大连轻工渡学院有关保整、傻耀学蹙论文懿 觌定，大连轻王数学院有投保整并向国家莓关部门藏机梅送交论文鳇复窜 件和磁擞，允许论文被查阅翩借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有美数据瘁进符检索，可以采露影窜、缩露或摇撼等复裁学羧保存、汇 编学位论文，势且本人电予突挡熬蠹客辚纸质论文麴内容相教。 豫密静学往论文在解密惹也_ 遵守瑟筑定。 韪否保密( 柱) ，保密期至年 月日为止。 学生熬名：刘曩盘鼯舞签名：莲：鬟煎! 如；零夸哭| 2 鑫 第一章绪论 第一章绪论 1 1 质量控制在现代机械制造业中的重要性及其发展 1 1 1 质量控制的重要性 随着i s 0 9 0 0 0 质量管理和质量保证体系标准在全球范围内的大力推广与应用， 用户的质量意识得到了普遍提高，不仅要求企业提供满意的产品，还要求企业在 产品加工过程中对其质量产生影响的各个环节和各种因素实施严格有效的控制。 质量控制在现代机械制造业中的地位更加突出，其重要性也更加显著“。 现代产品更需要严格的质量控制。现代产品以规格多样化、技术尖端化和结 构复杂化为主要特征。规格多样化意味着产品生产模式的转向：多品种、中小批 量生产将逐步取代大批量生产，影响质量的因素更多更复杂，对质量控制的要求 更迫切；技术尖端化意味着对产品加工和检验都提出了更高的要求，机加工精度 每提高一个数量级，需要测量和进行质量控制的特征值也将大幅度的增加；结构 复杂化意味着对每个零部件的质量都需要有更高的要求才能保证整个产品的质 量。事实上，很多空难事件仅仅是由于某些不起眼的零件缺陷所致。据报道，著 名的“泰坦尼克号”巨轮的沉没，主要原因可能是由于连接螺钉的材质问题所致。 现代产品忽视任何一个细节，都可能导致灾难。可以说，现代产品比以往任何时 候都更需要强有力的质量控制 先进制造技术需要质量控制的支持。近年来，以提高质量、降低成本、缩短 产品交货期为目标的先进制造技术得到了迅猛的发展，已成为世界各国关注的焦 点。提出了多种新的制造模式，如计算机集成制造( a m s ：c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r es y s t e m ) 等。这些新技术无不与质量控制密切相关，对预防性质量控 制或快捷的质量反馈系统提出了更高的要求。 在我国，机械制造企业长期受困扰的效益低下、质量损失严重的局面急待改 变。每年因工序的质量问题所造成的直接经济损失高达上千亿元人民币，给用户 1 第一章绪论 和社会带来的间接损失则无法估量。因此，研究先进的质量控制技术，对提高我 国制造业的市场竞争能力具有特殊的重要意义。 1 1 2 质量控制的发展回顾 人类对质量控制理论和技术的发展是逐渐由定性控制走向定量控制，由被动 控制走向主动控制，由局部控制走向全面控制的过程。回顾人类对质量控制的发 展历史，其大致可分为三个阶段”： 第一阶段是质量检验阶段，也叫事后检验阶段。它是质量控制的初级阶段。 一般以2 0 世纪初至4 0 年代末为界。 第二阶段是统计质量控制( s t a t i s t l c sq u a l i t yc o n t r o l ，简称s q c ) 阶段这一阶 段的时间从2 0 世纪4 0 年代末至5 0 年代末 统计质量控制实现了从被动的事后把关到生产过程的积极预防的转变，相对 于检验把关的传统管理来说，统计质量控制是观念的更新，检查职能的更新，是 质量控制和管理方法上的一次飞跃。 第三阶段是全面质量管理阶段。这一阶段从6 0 年代开始一直延续至今。 i s 0 8 4 0 2 - 1 9 9 4 质量管理和质量保证术语中将全面质量管理定义为：一个组织 以质量为中心，以全员参与为基础，目的在于通过让顾客满意和本组织所有成员 及社会受益而达勐长期成功的管理途径。自6 0 年代以来，全面质量管理的观念逐 步被世界各国所接受，在实践中得到了丰富和发展，形成了一整套的理论、技术 和方法。 回顾质量控制的发展历程，可以看到：人们在解决质量问题中的观念和所运 用的技术和方法，是在不断发展和完善的，三个阶段不是互相孤立和互相排斥的， 后一阶段并不是对前一阶段质量职能的否定和取消，而是在前一阶段基础上的继 承和发展。可见质量管理思想的进步经历了一个从被动走向主动、从片面走向全 面、从治标走向治本的发展过程。 1 1 3 质量控制方法的发展 质量控制是指为达到质量要求所采取的作业技术和活动。伴随着质量观念的 演变和质量管理思想的不断完善，用于解决质量问题的质量控制方法也得到了迅 猛发展。至今己发展了多种实用的质量控制方法，这些方法按功用大致可分为三 2 第一章绪论 大类副：面向设计的方法、面向分析的方法和统计过程控制方法( s p c ：s t a t i s t i c a l p r o c e s sc o n t r 0 1 ) ，如图1 - 1 所示。 图1 - 1 质量控制方法的分类 h g 1 1c l a s s i f i c a t i o n o f q u a l i 桫c o n l r o l m e t h o d 面向设计方法的主要功能是辅助人们进行质量规划，设计或改进等。如质量 功能配置( q f d ：q u a l i t yf u n c t i o nd e p l o y m e n t ) 就是实现用户驱动的保质设计或 并行设计的有力工具；故障模式及其影响分析( f _ 伍a ：f a i l u r em o d e sa n de f f e c t a n a l y s i s ) 可以帮助人们尽早地识别质量问题、避免设计错误或在设计时采取相应 的预防措施来保证质量，提高设计的稳健性”。 面向分析方法的功能则是获取产品或过程的质量信息与知识如实验设计 ( d o e ：d e s i g no f e x p e r i m e n t ) 可以用于调查工艺参数对制造质量的影响程度、以 选取最佳的工艺参数，或调查不同材料对产品性能的影响等。 统计过程控制( s p c ) 方法则主要应用于生产现场，来监视生产或装配过程中 的质量波动，诊断和排除工序中系统性误差的干扰，提高产品的制造质量；现在 也可用于设计过程的。s p c 方法又有静态和动态之分：静态的s p c 方法通常称能 力分析法( 如 1 - 序能力指数，机器能力指数等) ，而动态的s p c 方法则是指控制图 3 第一章绪论 法。如果不特别加以说明，通常所说的s p c 方法就是指控制图法。 上述三类方法常常交互使用，相互补充。目前，这些方法仍处于不断发展和 完善之中。 1 2 我国机械制造业质量管理的现状及面临的问题 近年来，尽管我国一些机械制造业已按i s 0 9 0 0 0 的要求建立了质量管理体系 并获得了认证，但我国机械制造业的实际质量管理水平仍不尽人意。总的来说， 目前我国机械制造业面临的主要问题有“1 。： ( 1 ) 设备普遍陈旧，设备加工精度不够；加工方式加工方法落后 ( 2 ) 管理层缺乏以顾客满意度为目的、以持续改进为手段的现代质量理念 的支撑，对质量工作的推动力度不够，质量管理工作的形式主义依然 存在；质检人员素质较低，质量意识不强。 ( 3 ) 质量管理主体上仍停留在质量检验阶段，质量检验过程仍然是事后检 验过程，主要通过严格检验来保证转入下道工序或出厂的产品质量， 侧重于产品实现过程的质量控制和质量保证，通过预防发生不合格， 使产品达到规定的要求。 ( 4 ) 企业所应用的统计工具统计方法较落后，统计力量薄弱。这从根本上 忽略了现代质量管理的一个重要特点，即质量管理对于所提出的原则、 方针、目标都要用到科学措施、统计方法去保证它们的实现。没有应 用先进的统计工具统计方法就不能充分挖掘检测数据中包含的质量信 息，不能用于分析问题，找到问题所在。 面临汹涌澎湃的市场经济浪潮的冲击，企业改进生产方式，提高劳动效率， 保证产品质量己势在必行。改进生产方式主要有两种途径：一种是外延式发展， 即增加投资，更新设备，采用最先进的加工方式方法加工出符合质量要求的产品； 另一种是内涵式发展，即在不增加很多投资的前提下，改进管理方式，加强质量 控制以保证产品质量。显然，后者更适合于我国当前情况。 1 3s p o 在国内外的研究动态 统计过程控制( s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o l ，s p c ) 是指利用统计技术，对过程 4 第一章绪论 的各个阶段进行监控，以达到改进与保证产品质量，改善生产能力的重要方法。 它起源于零件加工业，它的目标是要求质量特征值偏离设计值尽可能小，通过s p c 的监控，调整过程( 工序) 的参数达到目的。s p c 的发展本身也经历了多个阶段。 上个世纪2 0 年代，以休哈特博士为学术领导人的过程控制研究小组和以道奇为学 术领导人的产品控制研究组提出了统计过程控制理论。在他们之后，虽然有成百 上千篇的论文出现，但均以其为基础。现今的s p c 理论与当年的休哈特理论并无 根本的区别。 1 3 1s p o 在国外的研究动态 第二次世界大战期间，美国国防部由民间采购大量的军用物资及装备，s p c 方法开始应用于供应商的生产过程及验收战后，有些战时使用的标准及教育训 练的教材亦延续在民间的企业中使用。 战后美国成为超级强国，对于美国公司，主要的竞争者来自于美国国内，而较之 国际竞争来讲国内竞争的压力要小得多，因为国内各公司都采用相似的方法组织 生产及进行质量管理，竞争性不够强，于是在1 9 5 0 - - 1 9 8 0 年这个阶段，s p c 逐渐 被美国工业所忽视“”。 反之，二战中经济遭受严重破坏的日本在1 9 5 0 年通过戴明( w i l l a m e d w a r d s d e m i n g ，1 9 0 0 - - 1 9 9 3 ，美国统计学家，近代质量管理奠基人) 将s p c 的 概念引入日本，s p c 在日本逐渐得到普及。经过三十年的努力，到1 9 8 0 年，日 本已跃居世界质量与生产率的领先地位。当时美国与日本产品质量之间的差距己 很明显，以汽车零件的不合格品率为例，日本为美国的1 1 0 0 0 - - 1 4 0 0 0 。因此，柏 格( r o g e r w b e r g c r ，美国著名质量管理专家) 认为日本货的质量能够超过美国原 因固然有很多，但其中一个重要的原因就是日本从美国引进了s p c 并且加以发扬 光大，他指出：日本成功的基石之一就是s p c “。 在日本强有力的竞争之下，西方国家从2 0 世纪8 0 年代发起了复兴s p c 的运 动，并将s p c 列为高科技之一。美国、加拿大等国家首先从汽车、钢铁等大型工 业推行s p c 。1 9 8 3 年福特汽车向戴明请教提升质量的方法，福特汽车整个高层管 理都参加戴明举办的课程就此彻底改变了福特，1 9 8 6 年福特汽车自1 9 2 0 年来总收 入首次超过通用汽车，福特q l 质量标准的评审制度，涵盖着s p c 的影子，强烈的 表现出施行s p c 的意愿。约在同时期，r r 业巨头i b m 及m o t o r o l a 提出6 s i g m a 5 第一章绪论 运动，i b m 并且声称：1 9 9 2 年后i b m 的供应商，质量水平达不到5 s i g m a 的水平， 将不能列为i b m 的正式供应商。从此，s p c 在高科技产业亦被视为必要的管理工 具1 羽。 1 3 28 p c 在国内的发展状况 由于历史的原因，新中国成立时，我国的企业质量管理水平远远落后于世界， 普遍处于单纯检验为主的阶段。我国从2 0 世纪6 0 年代起才开始引进s p c ，当时由于 生产发展的水平以及政治环境的制约，未能在企业中打下基础。但学术界一直没 有停止沿着s p c 探索的脚步。s p c 虽然能对过程的异常进行告警，但对于诊断出造 成异常的原因和发生的地点却无能为力1 9 8 2 年张公绪教授提出了两种质量诊断 理论，解决了s p c 只能控制而不能诊断的问题，将s p c 上升为s p d ( 统计过程诊断) 受到国内外同行的赞誉。此后张教授和他的学生继续耕耘，向诊断理论多元化、 小批量化、模糊化以及接近零不合格过程的方向发展，取得了一系列国际水平的 成果1 副 经过几十年的发展，s p c 在我国企业中的实践却和在学术界取得的成就大相 径庭。国内推广应用s p c 还存在如下主要问题和误区“： ( 1 ) 国内企业s p c 普及应用率并不太高，即使是通过i s 0 9 0 0 0 的企业，也 有不应用s p c 的情形，何况没有通过i s 0 9 0 0 0 的企业。就走在全国前 列的广东来说，其s p c 普及率大概也还不到5 。有的企业即使在使用， 也应用得不完全，只有局部使用。因此应该加大s p c 普及推广应用的 力度，扩大s p c 的应用面，提高我国质量管理水平。 ( 2 ) s p c 形同虚设国内有些企业即使在用s p c 也只是为了应付 i s 0 9 0 0 0 q s 9 0 0 0 或客户的审查，没有把它作为一种过程改善的工具， 有的控制长年不变，有的c d k 很高，其过程绩效差强人意。这都是质量 管理水平低，把s p c 当摆设的结果。 ( 3 ) 目前很多企业都在学s p c ，用s p c ，但也存在一些认识上的误区比 如，有些单位收集一些的质量数据，做几个控制图，计算一下，就算 使用了s p c ，有些企业为了应付客户的要求，做几个漂亮的控制图， 挂在墙上展示一下，也算用了s p c 。这些认识都是很初级的，完全没 有理解s p c 动态过程控制的核心，根本不能达到对过程质量动态、连 6 第一章绪论 续监控的目的。 ( 4 ) 有些质管人员在接触了s p c 后，试图寄望它不只能发现过程的异常波 动，更应该给出导致异常的过程要素和原因。如异常情况是由设备、 原料或操作上的什么问题引起的。这里必须明确指出，这些想法是不 切实际的，也是没有理论依据的。s p c 工具是用统计学方法对过程质 量数据进行处理、使工序质量状态可视化。而可视化的控制图只反映 当前过程的运行状态或者未来趋势，并不能反映导致这种状态出现的 内在原因。 ( 5 ) 目前，我国工序质量数据的采集、处理等大部分由手工完成，对人工 操作而言，在对质量数据处理的速度和规模上都由其局限性，这样的 s p c 系统缺点是需花费大量的人力、物力，且不能及时反馈信息，难 以适应现代化大生产的需要。 1 4 本文研究的主要内容和意义 本文是基于我国机械制造业质量管理和s p c 的应用发展现状，以不改变原有 生产方式，不增加过多投入为原则，依据计算机技术、数理统计理论、预测方法、 数据采集及控制理论，在原有加工条件的基础上，研究开发出经济适用的统计过 程控制系统，把复杂而深奥的数理统计理论，溶入简单的操作界面中去，使即使 不懂控制图原理的人也能很方便的使用本系统。离线或在线处理质量数据，对发 生在加工过程中的产品质量信息及时进行集成分析，使产品在工序和生产线上保 持加工质量的最佳状态。从而保证产品的整体质量。 具体工作如下： ( 1 ) 系统下位机数据采集系统设计：包括信号放大电路、数据显示电路、 数据存储电路、通信电路等设计以及软件的编制调试，主要实现质量 数据的采集、显示、存储及传输。 ( 2 ) 系统上位机s p c 软件的编制：采用v b 语言及数据库查询技术对质量 数据进行处理，根据s p c 理论，运用统计工具，如控制图、直方图等 对数据进行处理；根据相关条件进行工艺能力分析从而判断工序是 否稳定 ( 3 ) 上下位机间数据传输：针对目前加工数据量大、速度快的特点，本论 7 第一章绪论 文采用两种数据传输方式：一种，在线实时传输，主要采用r s - - 4 8 5 总线 技术；另一种，u 盘存储，主要适合离线、数据量大的情况。 本论文研究的意义在于：将复杂的数理统计理论溶入简单的操作界面中，有 利于s p c 技术在我国中小型机械加工制造企业的普及应用；提高企业数据处理速 度和扩大处理规模，使生产线上测量得到的数据能及时得到处理，以便及时发现 生产中的问题。从而控制产品质量，降低废、次品率。 8 第= 章统计过程控制的基本原理 第二章统计过程控制的基本原理 2 1 质量的统计观点 2 1 1 质量波动 机械加工的长期实践表明，一名工人在同一台机器设备上，用同一种原材料， 采用同样的工艺方法，加工同一批零件，并用同一种计量仪器进行测量，所得的 结果却并非完全相同。这就常说的产品质量特性值有波动( 或称分散、差异) 的 现象，在质量控制中，这种现象被称为质量波动。质量波动在任何加工过程中都 是客观存在的，是不以人的意志为转移的。考核工序质量的好坏，主要看其波动 性的大小波动小，工序质量就稳定；波动大，说明工序保证加工质量的能力差。 造成产品质量波动的原因主要来自六个方面“； ( 1 ) 人( m 卸) ：操作者对质量的认识、技术熟练程度、身体状况等。 ( 2 ) 机器( m a c h i n e ) ：机器设备、工夹具的精度和维护保养状况等。 ( 3 ) 材料( m a t e r i a l ) ：材料的成分、物理性能和化学性能等。 ( 4 ) 方法( m e t h o d ) ：包括加工工艺、工装选择、操作规程等。 ( 5 ) 测量( m e a s u r e ) ：包括测量设备、试验手段、测量方法等。 ( 6 ) 环境( e n v i r o n m e n t ) ：工作地的温度、湿度、噪音、照明和清洗条件等。 从工序质量控制的角度来看，通常把上述造成质量波动的六个原因归纳为两 类：随机原因和系统原因“ 一、随机原因 随机原因是生产过程中大量存在的，并且对产品质量经常起作用的不可准确 判定其量值的影响因素，如原材料性能和成分的微小差异、机床开动时的轻微振 动、工具材料的微小差异、夹具的微小松动、检测设备和测量读数的微小变化、 工人操作上的微小变化，环境条件的微小变化等。随机原因是过程所固有的，故 始终存在，对质量的影响微小，但难以查明和除去，由于随机波动的客观特性， 在质量控制中是允许它存在的，公差就是承认这种波动的产物。 9 第二章统计过程控制的基本原理 二、系统原因 系统原因是在生产过程中少量存在的，并且对产品质量不经常起作用的影响 因素。一旦在生产过程中存在这类因素，就必然使产品质量发生显著的变化。系 统原因非过程所固有，对质量影响大，但不难查明和除去，原因通常有：工人的 违反操作规程、机床震动过大、夹具严重松动、机床与夹具的调整发生变化、定 位基准更改、刀具过渡磨损、原材料规格改变、检测误差过大、读数不准等。这 类因素对质量波动的影响较大，使生产过程处于某种异常的状态。在一定技术条 件下，这类原因可以通过有关人员的努力和加强管理，从技术上加以消除的。 仅是随机原因造成的质量微小波动属于正常波动( 又称为随机波动) ，并且认 为这时的生产过程处于统计控制状态，简称受控状态 仅有系统原因造成的质量波动属于异常波动( 又称为系统波动) ，并且认为这 时的生产过程处于非统计控制状态，简称失控状态。参见图2 - i 质量因素 偶因一儆筒器小 ；态一之 异因一异波器霪蓁霎响大) ；失控状态一过程注意对象 图2 - 1 偶因与异因 f i g 2 1 c c 】旧e 删“ a s o na n dl , u n 惦u a ln 强s o n 2 1 2 质量数据的分类及其统计规律 质量管理中的数据可以分成两大类：计量值数据和计数值数据。计量值数据 是指可以用仪器测量的连续性数据，如长度、强度、温度、硬度、重量、压力、 时间、成分等。计数值数据是指只能用自然数表示的数据，如合格品件数、废品 数、疵点数等。计数值数据还可以进一步细分为计件值数据和计点值数据。计件 值数据是按产品个数计数的数据，如合格品件数、废品件数等；计点值数据是按 点计数的数据，如缺陷、气孔数等。 波动随处存在，质量特性的波动也是随处存在的，单观察一个数据不能看出 第二章统计过程控制的基本原理 其规律，但从大量的数据，可以看出质量波动是有规律的，但它不是通常的确定 性现象的确定性规律而是随机现象的统计规律确定性现象就是在一定条件下， 必然发生的或不可能发生的事件。但是质量问题，经常遇到的却是随机现象，即 在一定条件下可能发生也可能不发生的现象。 对于随机现象通常应用分布来描述对于计量特性值如长度、重量、时间、强 度、纯度、成分等连续性数据，最常见的是正态分布( n o r m a ld i s t r i b u t i o n ) 。对于 计件特性值，如特性测量的结果只有合格与不合格两种情况的离散性数据，最常 见的是二项分布( b i n o m i a ld i s t r i b u t i o n ) 。对于计点特性值，如铸件的沙眼数、布 匹上的疵点数、电路板上的焊接不良数等离散性数据最常见的是泊松分布( p o i s o n d i s t r i b u t i o n ) 【1 2 】。 2 1 3 质量数据的统计特征 质量数据常用的统计特征有两类：一类是表示数据集中性的特征，如平均值、 中位数等；另一类是表示数据分散程度的特征值，如极差，标准差等n 6 。1 ( 1 ) 平均值。设n 个数据为而，x ：，善，则平均值i 为 h z 而 i 丝一 ( 2 ) 中位数舅把数据按大小顺序排列，当n 为奇数时，中间位置的数称为 中位数；当n 为偶数时，中位数为两个中间位置数据的平均值。 ( 3 ) 极差r 。它是一组数据中最大值工。与最小值工曲之差。 月- x m 一j 血 ( 4 ) 标准偏差s 。用极差r 反映数据分散程度，虽然计算简便，但不都够 精确。因此，对计算精度要求较高时，需要用标准偏差来表征数据的 分散程度，计算公式为： 1 1 第二章统计过程控制的基本原理 2 2 统计过程控制 过程控制最初来自英文“p r o c e s sc o n t r o l ”，在质量控制的范畴，其意义比较明 确，是指对生产过程的监测调整以达到质量控制之目的。由于这种控制的基础是 概率统计，因而又叫做统计过程控制。 s p c 发展到现在已成为一个比较庞大的质量控制领域，各种s p c 技术已达近 百种，然而这些技术都是基于一个相同的基本原理，即统计学中的小概率事件原 理：在一次观测中小概率事件是不可能发生的，一旦发生就认为系统出现问题“。 把此原理转化为工程技术语言可描述为“预先假定过程处于某一状态，一旦显示 出偏离这一状态的极大可能性就认为过程失控，于是需要及时调整”。设其质量特 性为x ，工作原理如图2 2 。 口 口 2 2 积， 测量值1铡量 ( 1 )( 2 ) 图2 - 2 统计过程控制原理图 f i y r 2 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fs t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t r o l 在图2 2 ( 1 ) 中，观测值1 落入小概率事件域以外的范围，因而认为过程在 正常运行。而观测值2 位于小概率事件域口内，因而判断过程失控。如此多次观 测和判断就是连续地进行统计假设检验就形成了工作图，即监测用控制图，见图 2 - 2 ( 2 ) ，这种控制图具有多种形式，但工作原理和方法都是相同的，用这类控制 图对过程进行的监测控制即为s p c 的一个重要作用。s p c 对生产过程的控制，这 种方法属于预防性，它比检验法控制更为有效“”。 第二章统计过程控制的基本原理 2 3 休哈特控制图 1 9 2 4 年美国贝尔电话公司实验室的休哈特博士( s h e w h a r t ) 提出了“预防和 控制”的观点，应用概率论和数理统计理论，设计了用于监控生产过程的质量控 制图。而后经过世界各国不断的完善和发展，它在控制生产的工序状态。判断工 序异常等方面逐步得到了广泛的应用，成为统计质量控制中的重要方法”2 玎。 控制图作为生产过程的一种图形化表示方式是监控过程变化的基本工具，可 以及时找出和排除由于过程波动而引起的有关质量问题，通过判断和解释控制图， 消除失控状态，能够保证较高的制造质量水平m o n t g o m e r y 曾指出采用控制图有 下列优点： ( 1 ) 成功地使用控制图可以减少废品和返修，从而提高生产率和生产能力， 降低成本。 ( 2 ) 控制图能够有效的防止零件的不一致性。 ( 3 ) 通过区分偶然误差和系统误差，控制图可以防止对加工过程进行不必要 的调整。 ( 4 ) 据控制图上样本点的排列模式，可以为生产人员提供过程诊断信息。 ( 5 ) 控制图可以提供有关加工能力的信息，这类信息表示了一定生产过程的 稳定性。 2 3 1 控制图原理 控制图是对生产过程或服务过程质量特性值加以测定、记录从而进行控制管 理的一种图形方法控制图的实质就是区分偶然因素引起的偶然波动和异常因素引 起的异常波动“。 统计控制状态任何一个生产过程，总存在着一定量的固有的或自然的变化， 是由许多偶然因素形成的偶然波动的累积效果。由于这种波动比较小，所以我们 认为这时生产过程处于受控状态或称为稳态。 受控状态是生产过程追求的目标，此时，对产品的质量是有把握的。控制图 即是用来监测生产过程状态的一种有效工具。 控制图的统计学原理：令为度量某个质量特性的统计样本。假定的均值 第二章统计过程控制的基本原理 为p 。，而n ，的标准差为a 0 。于是，中心线、上控制限和下控制限分别为鹞1 ： u c l - p m + k a m l 已一p 。i ( 2 1 ) l c l 。芦m k o t oj 式中，k 为中心线与控制界限之间的用标准差为单位所表示的间隔宽度。图2 - 3 说 明了控制图的控制原理。 j 【l 1 j i 1 。j 。【1 j 一 时间或样本号 图2 - 3 控制图原理图 f i g 2 - 3p r i n c i p l ed i a g r a mo f c o n t r o lc h a l t 2 3 2 两种错误与3 0 方式 眦 c 工 城 由正态分布规律可知，正态分布总体的样本落在区间 一k a ，z + t 盯) 的概率 为： 肛肌删。仨去e 譬出 经过计算，当k ；1 时，p ( 卢一盯t z t p + a ) - - - 6 8 2 7 当k = 2 时，p ( p 一2 0 - x z + 2 0 ) = 9 5 4 5 当k = 3 时，p “一3 a z t + 幻) _ 9 9 7 3 当k = 6 时，p ( 一一6 c t x 卢+ 6 0 ) = 9 9 9 9 9 9 9 9 8 据此建立如图2 _ 4 所示的质量管理图。 1 4 样本统计数值 第二章统计过程控制的基本原理 控制图利用抽查对生产过程进行监控，因而是十分经济的。但既是抽查就不 可能没有风险。在控制图的应用过程中可能会犯以下两类错误，如图2 - 5 所示： ( 1 ) 虚发报警的错误，也称第1 类错误。在生产正常的情况下，纯粹出于偶 然而点子出界的概率虽然很小，但还是可能发生的。因此，在生产正常、点子偶 然出界的场合，根据点子出界就能判断生产异常就犯了虚发警报的错误或第1 类错 误，发生这种错的概率通常记以a 。 7 ， 图2 - 4 质量管理图 f i g 2 - 4 q u a l i t yc o n t r o lc h a r t + 6 口 + 3 仃 u + 2 a + 盯 社一o u - 2 0 j u - 3 0 一6 0 图2 - 5 控制图的两类错误 f i g 2 - 5 t w oe r r o r so f t h ec o n t r o lc h a r t 眦 c 上c 第= 章统计过程控制的基本原理 ( 2 ) 漏发警报的错误，也称第n 类错误。在生产异常的情况下，产品质量的 分布偏离了典型分布，但总还有一部分产品的质量特性值是在上下控制界之内的。 如果抽到这样的产品进行检测并在控制图中描点，这时由于点子未出界而判断生 产正常，就犯了漏发警报的错误或第u 类错误，发生这种错误的概率通常记以口。 由于控制图是通过抽查来监控产品质量的，故两类错误是不可避免的。在控 制图上，中心线一般是对称轴，上下控制界又是平行的，故所以能变动的只是上 下控制界的间距。放宽控制界限可以减少误判概率a 但会增大芦，反过来，压缩 控制界限，则可以减少卢但口又会增大。当样本大小为常数时，a 越小则卢越大， 反之亦然。因此，控制图控制界限的合理确定应以两类错误造成的总损失最小为 原则。根据正态分布的统计规律及长期实践证明，幻方式即，u c l - z + 3 盯， c l - 芦，l c l - 弘一3 0 ，就是两类错误造成的总损失较小的控制界限。 2 3 3 控制图的分类及其作用 控制图根据不同的分类原则可分为多种类型。根据受控质量指标的情况和数 据特性可分为计量值控制图、计数值控制图和计点值控制图；根据受控质量指标 的数量可分为一元控制图和多元控制图：根据质量指标的波动状况可分为小波动 控制图和正常波动控制图；根据产品数量的大小可分为小批量控制图和大批量控 制图；根据控制影响质量因素的多少可分为全控图和选控图。控制图根据其应用 目的的不同可分为分析用控制图和控制用控制图两种。分析用控制图是对生产过 程进行分析时用的控制图，主要用于分析以下两点：一是过程是否处于受控状态； 一是过程是否处于技术稳态即过程能力指数是否满足技术要求。分析用控制图用 于大批量生产之前，分析用控制图的调整过程也就是质量不断改进的过程。当过 程达到所确定的稳态，才可以将分析用控制线延长作为控制用控制图，监控日常 生产过程矧。 国标g 4 9 8 0 1 常规控制图是针对休哈特控制图的，也是本系统使用的最重要的 控制图。常规控制图主要分为计量值控制图、计数值控制图和计点值控制图三种， 其中，计量值控制图应用于质量特性值连续、可测且服从或近似服从正态分布的 情况由于正态分布的参数z 和盯互相独立，所以计量值控制图都有两张控制图分 别控制这两个参数；计数值控制图应用于质量特性值离散且服从二项分布的情况； 计点值控制图应用于质量特性值离散且服从泊松分布的情况。计量值控制图又分 第二章统计过程控制的基本原理 为均值一极差控制图( 牙r ) 、均值一标准差控制图( j s ) 、中位数一极差控制图 ( j r ) 和单值一移动极差控制图( z b ) 四种。计数值控制图又分为不合格 品率控制图( p 图) 和不合格品数控制图( 只) 图两种。计点值控制图分为单位 缺陷数控制图( 图) 和缺陷控制图( c 图) 两种。下面将简要介绍这八种典型 休哈特控制图的应用范围和用途。 ( 1 ) 岩一r 控制图。是最常用、最基本的控制图，它用于控制对象为长度、 重量、强度、纯度、时间和生产量等计量值的场合，要求样本不小于2 且不大于1 0 。j 图主要观察和控制质量特性值的均值的变化，r 图主要 观察和控制质量特性值的分散程度的变化。 ( 2 ) j s 控制图。此图与i r 控制图相似，只是用标准差图( s 图) 代替 极差图( r 图) 而己。应用于样本大于1 0 的场合，因为此时极差估计总 体标准差的效率减低，因此多用s 图代替r 图。 ( 3 ) j r 控制图。此图与牙r 控制图也很相似，只是用中位数图( 爱图) 代替均值图( x 图) 由于中位数的计算比均值简单所以多用于现场需要 把测定数据直接记入控制图进行管理的场合。 ( 4 ) x m 控制图。多用于下列场合：( 1 ) 采用自动化检查和测量对每一个 产品都进行检验的场合；( 2 ) 取样费时、昂贵的场合；( 3 ) 如化工等过程， 样品均匀，多抽样也无太大意义的场合。由于其获得的信息少，所以灵敏 度比其它控制图差一些。 ( 5 ) p 控制图。用于控制对象为不合格品率计数值质量指标的场合。 ( 6 ) 只控制图。用于控制对象为不合格品数的场合。 ( 7 ) c 控制图。用于控制一部机器、一个部件、一定的长度、一定的面积或 任何一定的单位中所出现的缺陷数目。例如，铸件上的砂眼数，机器设备 的故障数等等。 2 3 4 控制图界限的计算及选择原则 控制图中的上、下控制界限是判断工序是否失控的主要依据。虽然控制图在 形式上多种多样，但是它们控制界限的算法的思路却是一脉相承的。采用土3 口法 确定控制界限时，一般计算公式为： 1 7 第二章统计过程控制的基本原理 u c l - e 僻) + 3 d 何) l c l e 何) 一3 d ( x ) ( 2 - 2 ) c l - e ( z ) 式中：z 样本统计量； e ( x ) z 的平均值； d 暖) z 的标准偏差。 ( 1 ) 正态分布情况下的控制图控制界限的确定 以均值一极差控制图为例。假设一质量特性服从正态分布( ，口2 ) ，从稳态 过程中抽取样本获得的测量值为薯，i = i ，2 ，m n ，将其分为m 组，每组样本 容量为n ，每组样本均值可用i 一艺z ，n 计算，因此i 服从正态分布似，盯2 n ) _ 1 根据式2 2 ，便可得到i 控制图的上下控制界限为：土3 a 靠但是，由于，与 口通常未知，所以必须应用从稳定过程所取的预各样本的数据来对它们进行参数 估计。为了使估计值能够稳定地接近参数真值，通常m = 2 5 ，而样本容量n 的大小 则主要取决予合理的分组结构、抽样与检查的费用、参数估计的效率等因素，通 常n - - 4 , 6 。可以通过证明和计算得到，p 的最佳估计值为总体均值；- 笠而m ， l i 盯的最佳估计值为豆d ：，豆- 雯马，m 为样本平均极差，d 2 为一与样本容量n 相 l - l 关的常数。就这样可以得到j r 图的控制界限，其中舅图的控制界限为： u c l ，i + 3 i 一；+ j 主f 夏- ；+ 彳2 瓦 d 1 ，弹 c l - n 一；( 2 - 3 ) l c l - 一一3 口 厉_ ；一_ ! f 百i ；一2 豆 d 2 q n 同理，可以得到r 图的控制界限为： u c l 嘶+ 幻一豆嘲善_ ( 1 + 3 豆i d 4 豆 cl-z月-i(2-4) 工c l - p a - 幻一一再嘲善i ( 1 _ ，耖d 3 豆 第二章统计过程控制的基本原理 其中，d 3 也是与样本容量n 有关的常数。因此，上述两式中的系数4 ：，d ，岛均 为与样本容量n 有关的常数筠1 ，取值原则见表2 - 1 。 在正态分布下的其它控制图的上下控制界限构