（机械电子工程专业论文）面向质量目标的工序质量控制系统的研究与应用.pdf

山东理大学硕士学位论文 摘要 摘要 计算机辅助质量控制系统 c a q 是c i m s 的一个重要的组成子系统 该子系 统的开发都是基于传统的s p c 理论模型的 在各大企业纷纷追求6 d 质量战略的 今天 这种理论模型需要进一步的改进以适应高质量的要求 由质量监控过程中采样样本得到的参数实际上是质量特性值总体的估计值 这些估计值以一定的置信概率接近参数的真实理论值 本文在利用统计公差技术 进行质量监控时考虑了估计值和理论值的差别 使质量监控过程建立在一定的置 信概率基础之上 这样 连同置信概率一并提交的过程监控报告 实际上是更严 格意义的质量监控 在由过程能力指数c 和偏移系数k 或标准化偏移系数j 确立的统计公差 平面上 可以很方便的把质量目标 废品率 中间区频率和质量损失率等 要求 和过程能力指数c 及偏移系数k 或标准化偏移系数艿 联系起来 实现在满足 质量目标条件下的过程稳定性的监控 指数加权移动平均控制图 e w m a 是一种 对过程小偏移非常敏感的控制图 利用该种控制图可实现高质量水平的监控 本 文以面向质量目标思想为指导 探讨了在满足质量目标的条件下 e w m a 控制图优 化设计和实现问题 对于s p c 系统的建设 以实验室设备为基础 以c 十b u i l d e r 6 0 为开发平台 解决了数显千分表在w i n 3 2 环境下与p c 的通信问题 开发了一个集数据采集 传 输 处理及质量监控和分析为一体的s p c 系统 该系统封装了复杂的统计计算和控制图参数的优化设计计算过程 为质量控 制提供了一种先进的 易操作的工具 可以实现在线质量控制分析 有利于我国 企业在资金短缺 设备陈旧 应用s p c 落后的情况下做好质量控制 提高产品质 量 关键词 统计质量控制 过程能力指数 e w m a 控制图 s p c 本文得到国家自然科学基金项目 面向质量目标的统计公差技术 5 0 1 7 5 0 6 6 资助 l 山东理大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t c o m p u t e ra i d e dq u a l i t yc o n t r o ls y s t e m c a q i so n eo fi m p o r t a n ts u b s y s t e m so f c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r es y s t e m c i m s n o w a d a y s m a n yb i ge n t e r p r i s e sh a v er e g a r d e d 6 盯a st h e i rq u a l i t ys t r a t e g y h o w e v e r t h et h e o r ym o d e lo ft h i ss u b s y s t e mi sb a s e do nt r a d i t i o n a l s p ct h e o r y i ti sn e e d e dt oa m e n ds oa st om e e tt h eh i g hq u a l i t yr e q u i r e m e n t t h ep a r a m e t e r sc o m i n gf r o mm a n u f a c t u r ep r o c e s ss a m p l ea r ea c t u a l l ye s t i m a t e dp a r a m e t e r s t h e r ei sac e r t a i nf i d u c i a lp r o b a b i l i t yb e t w e e nt h e o r yp a r a m e t e r sa n de s t i m a t e do n e s i nt h i sp a p e r t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e s et w os o r t so fp a r a m e t e r sm e n t i o n e da b o v ew a st a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n s oc a qb a s e do nt h i sa m e n d e ds t a t i s t i c sp r o c e s sc o n t r o lt h e o r yc a nm o n i t o rm a n u f a c t u r ep r o c e s s s t r i c t e rt h a nb e f o r e i ti se a s yt oe s t a b l i s ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o c e s sc a p a b i l i t yi n d e xc p d e v i a t i o n c o e f f i c i e n tka n dq u a l i t yt a r g e to at h et w od i m e n s i o n a lp l a n e c 口 kp l a n e s om a n u f a c t u r e p r o c e s sc a nb em o n i t o r e du n d e rt h ec o n d i t i o no fm e e t i n gq u a l i t yt a r g e t a sak i n do fc o n t r o lc h a r t s s e n s i t i v et os m a l ls h i f t t h ee x p o n e n t i a l l yw e i g h t e dm o v i n ga v e r a g e e w m a c o n t r o lc h a r t sc a l lb e u s e dt oe v a l u a t e dm a n u f a c t u r ep r o c e s so fh i g hq u a l i t yl e v e l i nt h i sp a p e r w eo p t i m i z et h e p a r a m e t e r so fe w m ac o n t r o lc h a r t ss oa s t oi tc a nn o to n l yb ea p p l i e di np r a c t i c eb u ta l s om e e t q u a i l t yt a r g e t s e l e c t i n gc b u i l d e r 6 0f o rf r o n t e n dd e v e l o p m e n t t h ep a p e rr e a l i z e st i mc o m m u n i c a t i o n b e t w e e nd i g i t a ld i s p l a ym e t e ra n dp ca n db u i l d sas p cs y s t e m w h i c hc o u l dc o l l e c td a t af r o m d i f f e r e n td a t as o u r c e sa n da n a l y z ed a t aa n dm o n i t o rm a n u f a c t u r ep r o c e s sa u t o m a t i c a l l y t h es p cs y s t e m e n c a p s u l a t e sc o m p l e xs t a t i s t i c a l c a l c u l a t i o na n dr e a l i z e so n l i n e i n s p e c t i o n i tm a k e sq u a l i t yc o n t r o le a s y i tc o u l dh e l pt h ed o m e s t i ce n t e r p r i s e s w h i c hl a c kc a p i t a l a n da d v a n c e dm a c h i n e t oi m p r o v et h e i rp r o d u c tq u a l i t y k e yw o r d s s t a t i s t i c a lq u a l i t yc o n t r o l p r o c e s sc a p a b i l i t yi n d i c e s e w m ac o n t r o lc h a r t s p c i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果 也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意 研究生签名 术历禾禹冈1 1 时间 加口 年6 月z f 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 学校可以用不同方式在不同媒体 上发表 传播学位论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保 存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 研究生签名 导师签名 栖福爵1 弓挺寺 时间 知 捧b 月z n 时间 知哕年 月2 f 日 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 计算机辅助质量 c a o 系统的提出与发展 在竞争日趋激烈的当今社会中 产品的质量已经成为影响企业生死存亡的 主要因素 提高机械加工产品的质量是机械工程技术人员永恒的目标 统计过 程质量控制 s t a r i s t i c a lp r o c e s sq u a l i t yc o n t r o l s p q c 方法是机械加工 中质量控制的有效手段之一 能够以较低成本投入 有效提高大批量生产的产 品质量 统计过程质量控制产生于上世纪2 0 年代 其人工采集数据 处理数 据 离线进行数据分析 加工中由质检员描点进行预防性控制等操作方法被加 工企业广泛应用 在提高产品质量方面起到了很大作用 1 1 统计过程质量控 制方法是在计算机技术尚未出现 统计过程质量控制中的数据采集 处理工作 都需要人工完成的技术背景下研制出来的 现在技术背景已经发生了变化 特 别是计算机辅助测控技术和数据处理技术飞速发展 为统计过程质量控制提供 了新的技术手段 传统控制方法在新的技术背景下暴露出其存在的一些不足 统计过程质量控制的方法有必要进行相应改进 1 9 8 5 年 u i r i c hr e m b o l d 等人首先在 计算机集成制造系统技术与系统 一书中提出质量控制的系统观和计算机支持的质量控制系统的递阶结构和功 能 3 1 9 8 7 年 t u t t l e 总结了已经被广泛接受的计算机辅助质量系统 c o m p u t e r a i d e dq u a l i t ys y s t e m c a q 系统 的概念 c a q 系统运用计算机实现产品 质量数据的采集 分析 处理 传递的自动化 实现了质量控制 质量保证 质量管理的自动化 9 0 年代以来 在世界范围内出现了研究 开发 实施c a q 的热潮 德国 政府出资数亿马克进行 质量设计 质量与制造 质量与装配 质量与 管理 以至 质量与时间 的研究 3 一些大型企业如美国麦道飞机公司 福特汽车公司均由运行c a q 中取得了经济效益 在中国 随蓿c l m s 的推广应 用 开发和运行c a q 系统已经成为我国制造企业c l m s 工程必不可少的组成部 分 同时 制造企业为提高产品质量也需要计算机实现质量管理 质量控制和 质量保证 目前国内商业化的s p c 的软件包一般能实现控制图等统计图形的生成与 打印 它们的出现和销售 对于人们对s p c 的认识与使用有着推动作用 但是 也有它的缺陷 首先 现有统计软件包不是从具体的控制要求考虑问题的 而只是实现统 山东理工人学碗士学位论文 第一章绪论 计计算的计算机化 不能从根本上解决s p c 的具体应用问题 其次 现有统计软件包提供的常用控制图 如均值一极差控制图 单值一 移动极差控制图 不合格数控制图 直方图 这些控制图都是建立在传统的 s p c 理论基础之上的 在追求高质量控制的今天 需要对传统的s p c 理论基础 进行修改 使之具有更高的质量控制精度 1 2 计算机辅助质量系统对企业的重要作用 8 0 年代后期以来 计算机辅助质量控制系统在世界范围受到广泛的重视 被认为是提高企业市场竞争能力的重要途径 对制造企业在战略和策略上均有 十分重要的意义 一 计算机辅助质量控制对企业的战略作用 l 产品质量对制造企业具有前所未有的重要作用 随着社会经济和生产 力的发展 贸易竞争日益激烈 工业产品质量的水平已成为经济和技术的决定 性因素之一 它直接反映了国民经济发展的水平和速度 对一个制造企业而言 在企业为市场和利润进行的斗争中 质量是最有力的战略竞争武器 是企业求 得生存 提高效益的关键 日本质量管理专家水野滋认为 目前已处在 质量 新时代 这意味着对企业经营来说 产品质量所处的地位从来没有像今天这 么重要过 采用先进的技术 实现质量系统的自动化 提高企业的质量能力 适应质量新时代的需求是企业的重要战略决策 在我国 制造企业长期以来存在的主要问题是效益低下 其主要原因之一 是产品质量问题 每年由于产品质量带来的经济损失达数百亿元 运用计算机 及信息技术 实现质量系统自动化 提高质量管理水平 对提高我国制造企业 市场竞争能力具有特殊重要的意义 2 计算机辅助质量控制有效地支持企业实施全面质量管理 全面质量管 理强调 三全 要求全体人员和全体部门都参与对全过程的管理 1 要实现 这目标 一方面取决于完善的管理机制 同时取决于不同部门之间及时的信息 交换和及时的向不同层次 从操作者到企业的高层决策者 提供正确而充分的 信息 质量部门需要及时了解用户的反馈意识 生产管理部门需要根据产品及 其零部件的质量状况动态地安排生产计划 计算机辅助质量系统及集成质量系 统在计算机网络的支持下实现企业内部门间以及企业集团问质量信息的自动 传递 及时的向各个层次人员提供正确的有关产品及过程质量信息 以便及时 做出响应 这为实施全面质量管理提供了有效的支持 3 计算机辅助质量控制是企业实施c l m s 及其他先进生产模式的基础 面 对国际市场的新挑战 为了求得生存和发展 越来越多的企业正在向先进的生 山东理工大学碘士学位论文 第一章绪论 产模式转变 在我国 随着高技术计划c i m s 主题应用工程的推进 一大批企 业已纳入c i m s 典型应用工厂或企业的行列中 如果企业在向柔性化和高效发 展过程中 在实现产品开发 生产管理及产品制造等自动化过程中忽略了自动 化的质量系统 则落后的质量控制手段 滞后的质量信息反馈 大量有用的质 量信息的丢失等 都将成为企业有效运行的薄弱环节 美国a b 公司在总结其 经营经验时认为 没有c a q 的c i m s 是不完善的 也是没有生命力的 二 计算机辅助质量控制对企业策略上的作用 1 能实现对急剧增涨的 大量的质量数据的有效管理 在现代化的制造 企业中质量信息量猛增 其主要原因是 第一 产品性能的完善化 结构的复 杂化 精细化和功能的多样化使产品所包含的设计信息 工艺信息以及与其相 应的质量信息猛增 第二 消费的个性化 市场的多变性 以及由此而产生的 多品种 小批量的柔性化生产趋势 促使质量信息剧增 第三 在线检测 监 控 补偿技术的发展和广泛应用使检测数据大量增加 近年来 从坐标测量机 各类自动检测装置 机器视觉甚至语言系统在生产中的应用 都使检测数据大 量增加 以英国p 1 e s s e y 电器制造厂为例 每天要产生5 0 万个检测数据 这 些大量的数据需要有效的管理手段 第四 制造企业规模的扩大 跨地区 跨 行业和跨国的制造企业的形成 都极大的增加了信息量 2 能高质量的 及时的提供国际合作生产所需的各类报告及文件 为了 实现国际合作生产 必须得到合作伙伴的信任 合作伙伴不但要对产品质量进 行评价 还要对质量体系进行评价 这已成为贸易成交和国际合作的前提 而 计算机辅助的质量控制 质量保证以及所产生的报告和文件可以提供最充分的 客观证据 3 为各个层次的决策者提供决策支持 在计算机网络和数据库系统的支 持下 计算机辅助质量控制系统可以向各个层次的决策者提供快速而正确的各 类信息 提供决策支持 以便根据变化了的情况及时做出决策 4 提供先进的质量控制手段 缩短故障响应时间 减少故障损失 1 3 统计公差技术的发展现状 1 9 2 4 年 美国贝尔电话实验室工程师休哈特 w a s h e w h a r t 博士首先 提出用于过程控制的控制图 从而开创了利用统计公差技术进行质量管理的 新思路 利用统计公差技术进行质量控制的管理方法在实际的应用中产生了巨大 的经济效益 得到了各国的广泛重视 为了使这种质量控制的方法更有效地 发挥作用 一些国家和组织在统计公差标准化方面作了大量的研究工作 联 山东理工大学做士学位论文 第一章绪论 邦德国是最早提出统计尺寸公差标准的国家 d i n 7 l8 6 1 9 7 4 之后 美国 机械 程师学会在1 9 9 4 年颁布的最新的尺寸与公差标准中首次增加了有关 统计公差的内容 1 9 9 5 年 i s o t c 2 13 建立了w g l 3 统计公差工作小组着手 统计公差标准的研究和准备工作 主要是以美国科学家s r j l l i v a s a n 和 0 c o n n o r 为主 他们总结了4 种统计公差带的定义域 它们分别是在c 一c i f 面 均值卢一标准偏差仃平面 均值 一方差巧2 平面和正态分布概率纸e 以 封闭的折线和曲线图形表示出特定的统计公差 9 1 目前i s o 统计公差标准制 定工作是以s r i n i v a s a n 为主 已提出两个工作文件草案 其最终目标是建立关 于零件层次的统计公差的系统标准 包括从术语 符号和图样表示 公差定 义 几何量的特性值 零件批的接受 机械装配的统计公差分析 近十年来 随着计算机网络技术 智能制造和检测技术的应用 现代制造 技术的发展和统计过程控制 s p c 技术的普及 6 西格玛质量战略的实施 1 0 j 使许多国际制造商对制造质量的追求达到 个新的境界 使产品质量特性值 最大限度地接近设汁目标值并将过程不合格率控制在百万分之一 p p m 的 水平h 1 加上计算机辅助公差设计研究 2 1 过程能力分析研究的深化 5 1 以及精益生产和精益思维 并行公差设计理论 等新概念的提出 均为统计公差技术进一步深入研究和推广应用提供了新的需求 并迫切需要 在理论研究和工程应用结合方面做一些开发研究 中国统计尺寸公差机械行业标准 j b t 9 1 8 4 1 9 9 9 已颁发 但实施中还有一一 些关键问题需解决 如何将其与过程质量控制相结合 如何根据过程质量要 求确定统计公差值 如何形成一套可操作的规范 还有待做进一步的探索 对比我国现有的统计尺寸公差标准j b t9 1 8 4 1 9 9 9 和i s o 统计公差工作 小组提出的两个工作文件 i s 0 1 6 0 5 1 1 和i s 0 1 6 0 5 1 2 有几点是值得注意的 1 j b t9 18 4 1 9 9 9 关于统计尺寸公差表达形式 侧重于中间区宽度和频率的 规定以及对均值和标准偏差值规定的统计公差 2 i s o w g l 3 统计公差工作小组提出的两个工作文件并没有吸取我国和德国 标准中关于中间区频率的概念 而是吸收了国际学术界在过程能力指数方面的 一些新概念 如引入了f p f p k f p l f p u f c f c l f c u f c m 等新代号以及质量 损失的概念 其与我国的机械标准在公差带的表达方式和定义方面均有不少差 异 3 我国现有的统计公差标准只有一个 主要是针对尺寸的统计尺寸公差机械 行业标准j b t9 1 8 4 1 9 9 9 而i s o 统计公差工作小组的工作文件则意图将统 计公差覆盖任何几何量 4 i s o 统计公差工作小组的工作文件虽然吸取了统计公差和统计质量控制中 一些新的研究成果 但其在应用中仍存在和过程质量控制参数的对接问题 山乐理工太掌砚士学位论文 第一章绪论 因此 无论是对于统计公差自身的理论与方法研究 还是各种特定的几何 量采用统计公差数值的依据 以及统计公差和几何公差 统计过程控制参数 检验方案等在从产品设计到制造 检验全过程中的交互作用 均还需更深入的 研究 这些研究不仅对于i s o t c 2 1 3 的统计公差制定过程及我国统计公差标 准的修订极为必要 而且也对于如何在我国制造业推广应用统计公差技术促进 质量控制水平的提高大为有益 1 4 课题的提出和意义 正如前面分析指出的 统计质量控制技术是实施制造质量控制最有效的工 具 也是并行工程中质量保证的关键技术之一 它能为企业带来巨大的经济效 益 然而 这 技术正面临着巨大的挑战 传统的统计过程质量控制技术是对 过程稳定性进行监控与判别的方法 它在监控过程稳定性时既对高质量水平的 过程稳定性反映不灵敏 又不能有效的反映产品质量特性值质量指标 如废品 率 中间区频率 质量损失率等 的变化和波动情况 另外 传统的统计过程 质量控制技术在建立理论模型基础时 没有考虑采样样本估计值和理论值之间 的差异 这在对质量控制要求不高的情况下 它的表现不是很明显 可以忽略 不计 但是 在追求高质量控制目标的情况下 这种近似的理论模型需要进一 步的修改 需要考虑估计值相对于理论值的置信概率 因此 在对质量要求精益求精的今天 传统的统计质量控制技术已经不能 很好的满足质量控制要求 需要对其理论模型进一步的修改和完善 事实上 国内许多企业常常因为缺乏必要的高质量控制手段 严重影响了产品的质量 造成了巨大的经济损失 这一现象 在对质量要求比较高的精密机械制造业尤 为突出 比如一些精密轴承制造企业常常受到制造质量问题的困扰 本课题着眼于当前制造技术发展趋势和我国加入w t o 后机械工业面临的 质量挑战 旨在将最新的统计公差和现代质量控制技术与信息技术相结合 以 最低制造成本实现零件的最佳质量和预期的质量目标 它的应用价值在于可以 用和传统方法相同的工艺成本和设备条件实现机械产品更高质量精度 为有效 地定量控制关键工序的废品率进而实现零废品率提供了一种可操作性强且规 范化的新方法 该项研究将对我国机械制造业的特殊意义在于 由于我国许多 机械制造企业现有设备的工序能力指数不足 许多企业的技术改造走的是以巨 额资金引进高精度加工设备有巨大投资风险的路子 许多企业因此被巨额债务 拖跨 利用本项研究建立的基于面向质量目标的统计公差技术的过程质量控制 技术 将可使我国机械产品质量和精度水平大幅度提高 对降低我国机械产品 制造成本 提高在国际市场的竞争力将有重大现实意义和明显的经济效果 从 山东理工大学硕上学位论文 第一章绪论 而为提高我国机械产品质量和市场竞争力开辟一个新的思路和途径 1 5 主要研究内容和方法 本课题是结合国家自然科学基金资助项目 面向质量目标的统计公差技术 项目编号5 0 1 7 5 0 6 6 进行的研究工作 论文的主要研究内容如下 1 在对传统统计过程质量控制方法进行深入分析的基础上 以技术背 景的变化为依据 研究如何对传统统计过程质量控制方法理论模型进行改进 提高控制精度 使之能够更好的与现代化加工环境相融合 提出具体的改进方 案 2 在对质量要求日益严格的时代背景下 对高质量控制要求比较有效 的控制图一指数加权移动平均控制图作了深入的研究 建立了在满足具体质量 目标下 利用该控制图进行质量控制的一套现实可行的方案 3 针对改进后的统计过程质量控制数据采集和处理的需要 寻找合适 的数据采集 数据处理和管理方法 4 根据需求分析 建立面向质量目标的c a q 系统的信息模型和数据库 结构 开发了面向质量目标的计算机辅助质量控制系统 结合生产实例检验了 系统的运行状况并进行了分析 5 对全文进行了总结 并对以后的工作提出了建议 1 6 本章小结 本章研究的内容和所得结论如下 1 总结了计算机辅助质量控制技术的发展历程 国内外研究现状以及零件 层次的标准化统计公差技术的国内外研究现状 计算机辅助质量控制技术在现 代化生产制造企业中起着至关重要的作用 但是在高质量要求下 传统的理论 模型需要进一步的完善 2 阐述了本论文提出的意义 所要做的主要工作及所用的研究方法 6 而为提高我国机械产品质量和市场竞争力开辟一个新的思路和途径 1 5 主要研究内容和方法 本课题是结合国家自然科学挂金资助项i 面向质量目标的统训公差技术 项目编号5 0 l7 5 0 6 6 进行的研究工作 论义的主要研究内容如下 1 在对传统统计过程质量控制方法进行深入分析的基础上 以技术背 景的变化为依据 研究如何对传统统计过样质量控制方法理论模犁进行改进 提高丰孥制精度 使之能够更好的与现代化加工环境相融合 提出具体的改进方 案 2 在对质量要求日益严格的时代背景下 对高质量控制要求比较有效 的控制图一指数加权移动平均控制图作了深入的研究 建立了在满足具体质量 目标下 利用该控制图进行质量控制的套现实可行的方案 3 针对改进后的统计过程质量控制数据采集和处理的需要 寻找合适 的数据采集 数据处理和管理方法 4 根据需求分析 建立面向质量目标的c a q 系统的信息模型和数据库 结构 开发了面向质量日标的计算机辅助质量控制系统 结合牛产实例检验了 系统的运行状况并进行了分析 5 对伞文进行了总结 并对以后的1 作提出了建议 1 6 本童小结 本章研究的内容和所得结论如下 1 1 总结了计算机辅助质量控制技术的发展历程 国内外研究现状以及零件 层次的标准化统计公差技术的国内外研究现状 计算机辅助质量控制技术在现 代化生产制造企业中起着至关重要的作用 但是在高质量要求下 传统的理论 模型需要进一步的完善 2 阐述了本论文提卅的意义 所要做的末要工作及所用的研究方法 2 1 阐述了本论文提出的意义 所要做的主要工作及所用的研究方法 6 第二章面向质量目标的工序质量监控系统 理论模型研究 2 1引言 传统的以至一r 控制图为代表的统计控制方法是对过程稳定性进行监控与 判别的方法 它在监控过程稳定性时既对高质量水平的过程稳定性反映不灵 敏 又不能有效的反映产品质量特性值质量指标 如废品率 中间区频率 质 量损失率等 的变化和波动情况 本文利用过程能力指数和质量指标的联系 3 提出在c k 和c 一万确立的平面上对质量指标进行监控 但是当我们只 有产品抽样样本 这些样本或是由供货商提供的或是通过接收检验的1 没有生 产过程直接的观测数据时 我们只能估计产品质量特性的分布或过程合格率 符合规格的百分比 不能对生产过程的动态特性或统计控制状态评价 如 果我们能观察过程并能控制或监控数据采集活动 该研究才是真实的过程能力 研究 通过在生产现场进行数据采集 可以推断出该过程在一段时间内的过程 能力和偏移大小 借助过程能力指数和偏移系数与质量指标的联系 从而能够 准确的监测到实际的质量指标 将以上理论模型软件化 利用计算机和传感技术组建质量监控系统 通过 该系统采集生产现场数据 利用计算机强大的数据存储和快速计算功能准确的 预置质量指标界限 甚至可以随大量数据的实时产生而使生产过程的质量指标 控制界限更接近于近期 并可以生成动态的控制界限 因此 面向质量指标的 过程质量监控系统可以根据数理统计理论预置的各项判断规则 实现实时判 定 监控等功能 从而确保生产过程在受控状态下进行 并且能够反映质量指 标 1 2 2 建立实际过程控制参数和质量指标之间的联系 过程能力指数已是用来度量 个过程满足顾客要求的程度 c u s l l s l 二 2 1 0 盯o 盯 其中用u s l 和l s l 分别代表质量特性值的上限和下限 用t 代表质量特性值的 山东理工大学硕士学位论文 第二章面向质量目标的工序质量监控系统理论模型研究 i i i i i 公差 定义k 为过程均值 相对于目标值m 的偏移系数 k 上二黑i 2 2 u s l 一上s l 2 其中m 代表质量特性值的目标值 定义占为过程均值 相对于目m 的标准偏 移系数 一m o l 一 或占 趣 弋 o n 式中n 是样本大小 o 是样本的标准差 文献 0 1 提到常用的过程质量指标可归纳为 零件层次的具有双侧极限的计量型质量特性值的质量指标主要有废品率 和合格品率 中间区频率 质量损失率 废品率乃及合格品率r 是评价过程 质量合格率的主要指标 评价过程质量对中性的主要指标是中间区频率p 田 口的产品质量损失函数已被国内外学术界广泛接受 但由于缺乏适当的控制 界面 它作为实际的质量指标还极少见到 我们使用基于质量损失函数概念的 过程质量损失指数乃 上述三个过程质量指标均可表示为c 女 过程偏移系数 和c 6 过 程标准化偏移 的函数 这就为在c 一 或c 一万二维平面建立基于上述三个 过程质量指标的统计公差带奠定了基础 为使评价过程质量的主要指标的量化特征标准化以便于应用和比较分析 将上述三个方面主要的过程质量指标统一用百分比表示 并均可表示为c 和 或c 和占的函数 根据文献 屹 只 只 可表示为 和k 的函数 按下式计算 岛2 1 一中 3 c p 1 一七 o 3 c p 1 女 1 0 0 2 4 只 中 c p 1 3 中卜c p 1 3 k j 1 0 0 2 5 i 矗了 旷 1 0 0 q 石 同样 根据文献 2 只 p 口 可表示为c 和艿的函数 按下式计算 只3 i 一0 3 c p 一占 十巾 一3 c 一占 x 1 0 0 2 7 只 0 c p 一万 一0 c 一万 1 0 0 2 8 o 2 两弃 1 扩 枷慨 2 9 8 山东理工大学硕士学位论文 第二章面向质量目标的工序质量监控系统理论模型研究 2 3 面向质量目标的均值一极差控制图理论模型设计 最典型的常规计量型控制图是i r 控制图 对于常规计量型控制图中的 均值控制中线是以实际测得过程质量特性值的均值为控制中心线的 因此 均 值控制中线的位置并不是设计规范的中心线或目标值 而是一个由实际数据确 定的接近目标值的位置 其偏离目标值的允许范围在现有的有关控制图的研究 和标准中均未有说明 一些文献 如均值一极差控制图国家标准 g b t 4 0 9 1 2 0 0 1 是粗略地以过程能力指数作为生产过程质量要求的指标 这并不能满足实际控制中不同内涵的质量控制要求 所以 传统的以常规控制 图为代表的统计控制方法实际上是一种对过程稳定性的判别与监控技术 这种 判别与监控和质量指标并无直接的关系 为将上述讨论的过程质量指标在实际质量控制过程中定量她控制并实现 需要采用面向质量目标的统计公差技术来确定均值控制中线和极差控制中线 的位置范围 从理论上讲 当采用i r 控制图来监控过程的稳定性 同时保 证预期的质量目标 根据文献 应粟用以下联立公式作为对i r 控制图的 两个控制中线的约束条件 在此基础上再建立上 下控制线 对实际过程进行 统计监控 对i r 控制图 i m 一0 5 k i c 三 m 0 5 k f 豆鲺上 2 1o i 6 c 式中 c 女 分别是过程能力指数和偏移系数的理论值 m 代表质量特 性值的目标值 t 代表公差值 d 是和样本大小相关的系数 上述计算公式中c t 均是采用理论值 在实际过程控制中 如果过程能 力指数及偏移相关参数的估计值极限能以置信概率l g 满足其各自的统计公 差要求 则就可保证过程质量指标的目标值 所以 上述理论值的统计公差应 转换成等效的以过程能力指数及偏移相关参数的估计值极限表示的统计公差 即 c h m 岫 n 一 m a x 2 1 1 满足目标值的估计值极限表示的统计公差还要转换成等效的均值控制中 线和极差 或标准差 控制中线的位置范围 根据文献心 各极限值的计算分述 9 山东理3 5 大学硕士学位论文 第二章面向质量目标的工序质量监控系统理论模型研究 如卜 i 均值控制中线的位置范围的实际确定 为保证预定的质量目标 以置信概率l d 满足预定的质量目标的均值控制 中线c l 的位置实际控制范围应为 m 一0 5 k 卜 缸 f 2 c l m o 5 k l f 2 一1 2 式中 分r m a x m a x o 旷一南1 n 是采样样本总数据量 表示 自由度为y 置信概率为l a 的t 分布概率密度 2 满足c 目标值c 的最大平均极差百 对于i r 控制图中的极差控制中线的确定 现行的做法是以各组极差的均 值作为控制中线比 而对于鬲是否满足特定的质量目标不作考虑 如果要满 足特定的质量目标 按照面向质量目标的统计公差要求 以置信概率l 一倥满 足c 目标值c 的最大平均极差趸一 m a x 为 耻 一净筹 2 13 在上述对i r 控制图的两个控制中线的约束条件的基础上 再加上常规计 量型控制图的判别过程失控的有关准则 就既能保证过程受控又能保证过程以 预期的置信概率稳定地满足质量目标要求 2 4 面向质量目标的e w m a 控制图理论模型研究 以休哈特控制图为代表的常规控制图作为一种成熟的统计控制技术已经 被工业界广泛接受 但是常规控制图对于过程均值相对于目标值的小偏移时不 敏感 因而在过程均值相对于目标值偏移较小的情况下控制效果不佳 目前 许多跨国企业都在推广六西格玛质量战略 对于过程质量的控制提出更严格的 要求 因此 累积和控制图 c u s u m 和指数加权移动平均控制图 e w m a 这 两种对控制小偏移非常有效的控制图技术正在得到工业界的重视而获得广泛 应用 24 1 e w m a 控制图和传统控制图的比较 传统休哈特控制图的统计变量由当前观测值得出 而以前的观测值被弃置 降 山东理工大学硕士学位论文 第二章面向质量目标的工序质量监控系统理论模型研究 不用 这种当前统计变量不与以前观察值相关联的统计方法实际上弃置了系统 的时域特征 浪费了大量的历史信息和相关信息 造成了传统休哈特控制图无 法具有较高的精度和对小波动 当过程均值相对于目标值偏移小于1 5 盯时 持续上升 下降以及循环趋势质量变异敏感性差的缺点 由此人们提出了累积 和c u s u m 控制图 累计和统计量为 c 一x j j l o 2 一1 4 式中 z 为样本中第 个子组中观测值的平均值 是过程均值的目标 值 由公式 2 1 4 可以看出 累积和控制图的控制变量与休哈特控制变量有所 不同 每一个统计变量c 都不是孤立的 雨是包含当前观察值在内的以前的观 察值的累积 也就是说 它是有记忆的 考虑了以前的观察值对系统的影响 在 使用过程中研究人员渐渐认识到 c u s u m 控制模型虽然对被控系统时域信息有 所考虑 但c u s u m 模型没有考虑不同时刻的观测值反应系统质量信息多寡不相 同的原则 如果说 休哈特方法过分的强调了系统当前观测值的作用 造成了控 制图对趋势性的质量变异的敏感性不足 那么c u s u m 控制图则由于过多考虑了 时域信息 常常导致无事生非的现象 同样降低了系统性能 而且 由于c u s u m 控制图在实际的使用过程操作十分复杂 进一步限制了这种控制图的使用 本 文研究的指数加权移动平均算法 e x p o n e n t i a lw e i g h t e dm o v i n ga v e r a g e 的 指导思想是基于在加工过程中最近的观察值可以反应更多的质量信息的理论 新的统计变量的权值较大 过去的权值逐渐减小 能够同时兼顾系统的频域和 时域特性 基于这种思想 又考虑到指数加权移动平均算法的判断十分简易 复杂程度并不比传统的休哈特方法高 因此本文在面向质量目标的统计公差技 术基础上 探讨了满足质量目标的指数加权移动平均控制图 e w m a 的优化设 计 2 4 2 在面向质量目标的统计公差技术指导下的e w u 控制图优化设计 一 构建e w m a 控制图 1 e w m a 统计量的计算 e w m a 控制图利用了所有的历史数据 它可以对不同阶段的数据取不同的 权重 距当前越近的数据权重越大 距当前越远的数据权重越小 e w m a 控制 图在第i 个子组时的统计量z 表示为 山东理工大学硕士学位论文 第二章面向质量目标的工序质量监控系统理论模型研究 z a x 1 一五 z f 1 21 5 其中 o l 是当前观测值的权重因子 是一个常数 起始值 第一个 样本值 为过程的目标值 即z 是第i 个子组均值 2 e w m a 控制图的中线和控制界限计算 根据文献 e w m a 控制图的中线和控制界限可以表示如下 上控制限 u c l 确山层 砑 2 1 6 中线 c l 风 下控制限 上c l j o l o 层 砑 2 17 式中 为宽度系数 a 是权重系数 h 为子组大小 风和仃分别为受控过 程的均值和标准偏差 二 面向质量目标的e w m a 参数优化设计 在确定e w m a 控制图的控制限时 宽度系数三和权重系数九的选择与多个 因素有关 但主要的目标是根据标准偏移系数6 的大小能迅速的探测出过程的 偏移 一般公认的规则是小的权重系数能更快的探测出小的偏移 而选择大的 权重系数对迅速探测出大的偏移会更有效 具体的说 三和 应该根据生成 e w m a 平均运行链长 a r l 曲线的需要来选择 e w m a 平均运行链长的研究始于1 9 5 9 年 当时r o b e r t s 利用仿真结果得到了 正态分布变量的e w m a 控制图平均运行链长的列线图 1 9 7 8 年r o b i n s o n 和h o 利用e d g e w o r t h 展开式得到了e w m a 控制图平均运行链长的数值结果 在1 9 8 7 年c r o w d e r 证明了e w m a 控制图平均运行链长可以写成f e r d h o l m 积分方程的第 二种形式 这样a r l 曲线可以利用f e r d h o l m 积分方程的第二种形式 通过近似 积分的方法来求解 j m l u c a s i i m s s a c c u c c i 利用马尔可夫链 m a r k o v c h a i n 的 方法来求解e w m a 控制图的a r l 7 2 本文利用了j m l u c a s 年1 m s s a c c u c c i 山东理工大学硕士学位论文 第2 2 章面向质量目标的工序质量监控系统理论模型研究 提出方法 利用马尔可夫链 m a r k o v c h a i n 编写求解e w m a 控制图平均 运行链长的程序 然后利用牛顿插值的方法来得到宽度系数l 和权重系数 1 利用马尔可夫链 m a r k o v c h a i n 来求解e w m a 控制图的平均运行链长a r l 将e w m a 控制图的上下控制限之间的区域分为2 m 1 个宽度为26 的子区 间 过程中得到的连续的e w m a 的值可以看作离散化的马尔可夫链 如果 s 一巧 w j s 占 可认为e w m a 统计量z 在t 时刻处于状态i 其中 i 一m 一m 1 坍 s 代表第i 个子区间的中点 这些受控的状态看作是 一种瞬态 失控的状态可以用模型a 表示 因此 当z 处于瞬态对假设过程处 于受控状态 当过程处于状态a 时假设过程处于失控状态 如果用p 表示e w m a 初始状态处于状态i 的概率 那么初始概率矢量p 可以表示成如下的形式 p 7 p p i i p l p o p p p 印7o 2 1 8 其中p 7 p 一 p p a p 因为假设过程开始处于受控 状态 所以儿为零 转移概率矩阵可以表示为如下形式 p 曙 2 m 1脚1 j 2 1 9 其中子矩阵r 是 2 聊 1 2 m 1 矩阵 它包含从一种瞬态到另一种瞬态的概 率 是一个 2 m 1 阶的单位矩阵 l 和o 分别表示单位列向量和零向量 r 的代表元素可以用p j 表示 它代表z 从状态i 经一步转移到状态 的概率 l u c a s 和s a c c u c c i 通过假设过程处于状态f 时e w m a 值等于s i 来估计b 由此可 以得到 弓 只 转移到状态ql i 处于状态s 2 2 0 尸 s 一 一 1 一五 s h 时 过程发出失控信号 f o 表示观察值x 的 概率密度函数 实际上方程 2 2 5 是f r e d h o l m 积分方程的第二种形式 参 考f r e d h o l m 积分方程的求解方式可以得到该积分方程的具体空间曲线 在己 经确定受控平均链长的情况下 可以得到文五 的三维空间曲线 曲线上的 每一组五和 组合能够保证按这种系数组合设计出的控制图具有最小的失控平 均链长 将这种三维的空间曲线分别在 aa 占 平面上投影 得到 如图 2 1 2 2 所示类似曲线 在这种图上可以根据具体的偏移量的大小 来确定五和三 在已知具体的i ca r l 值和过程均值偏移大小的情况下 利用图 2 1 和图 2 2 确定合适的参数能够保证失控平均链长最小 按照这种模 型 利用牛顿差值的方法 用计算机程序来实现具体的名和 值的选择 具体 的程序设计流程图见图2 3 三面向质量目标的统计公差技术对e w m a 控制图设计的指导作用 对于一道工序 般的情况下它的过程能力指数是相对稳定的 可以通过 历史数据得到 在过程能力指数为已知的条件下 由公式 2 1 6 和 2 1 7 可见 e w m a 控制图的控制界限设计参数为 和九 另外 判定过程均值对目 标值的偏移程度是以标准偏移量6 衡量 以最小失控平均链长a r l 作为判断 依据 面向质量目标的统计公差技术提出了质量指标和过程能力指数c 以及标 准偏移量6 之间的函数关系 并且建立了在c 一6 二维平面下的统计公差带 这样就为e w m a 控制图的参数设计提供了更明确的基于质量目标的指导 其 指导作用如图2 4 所示 1 确定目标值和受控平均运行链长 合理地