质量管理学第6章过程能力和过程性能

第六章过程能力和过程性能 过程质量的两种波动过程能力 过程性能的基本概念过程能力指数 过程性能指数过程能力的分析与评定过程能力的调查 主要教学内容 学习要求 理解和区分过程能力 过程性能的基本概念 掌握过程能力指数 过程性能指数的计算 掌握不合格率的估算方法 理解过程能力分析 评定 调查方法 重点和难点 过程能力指数 过程性能指数 不合格率的计算 第一节过程质量的两种波动 ISO9000 2005 质量管理体系基础与术语 所有的活动都是通过过程来完成的 只有对影响过程质量的所有因素进行识别 控制 才可以保证过程的输出满足输入的要求 产品 过程的结果 第二节过程能力的基本概念 过程能力分析 分析与过程有关的设备 工艺 人的操作 材料 测量工具与方法及环境等过程因素对过程质量的影响程度 有助于了解过程的有效性和效率 掌握产品生产工序的质量保证能力 为产品设计 工艺 工装设计 设备的维修 调整 更新 改造提供必要的资料和依据 过程能力分析的意义 一 过程能力的概念 过程能力 是对已被证明处于统计受控状态的过程特性的输出的统计度量 用来描述过程特性满足要求的能力 过程能力可以衡量过程的有效性和效率 对机械产品的生产加工工序来说 过程能力就是工序能力 指处于稳定 受控的状态下 工序的实际加工能力 统计受控过程 或称过程处于统计受控状态 只受偶然因素的影响 过程的分布状态不随时间的变化而变化 可以用统计方法预测变异 工序处于标准状态 设备 材料 工艺 环境 测量均处于标准作业条件 人员的操作也是正确的 过程能力和生产能力不可混淆 生产能力指加工数量方面的能力 过程能力决定于质量因素 即人 机 料 法 环 测量 为对各个过程的能力统一进行比较 一般取稳态下的过程作为比较的标准 即该过程只有偶因而没有异因 常以6 描述过程能力 它的数值越小越好 实践证明 用这样的分散范围表示过程能力既能保证产品的质量要求 又能具有较好的经济性 二 过程能力和过程性能 短期过程能力和长期过程能力 所谓短期过程能力是指在任一时刻 过程处于稳态的过程能力 长期过程能力则考虑了工具磨耗的影响 各批之间材料的变化及其他类似的可预期微小波动 换言之 短期过程能力表示了组内变异 而长期过程能力则表示了组内变异和组间变异之和 GB T3358 2 2009 统计学词汇和符号第2部分 应用统计 给出了过程能力和过程性能 指已被证明处于统计受控状态的过程特性的输出的统计度量 仅由偶因所引起的这部分变异所形成的过程能力 它实际上反映了 短期 变异 输出的分布需要判定其分布类型并估计参数 对于正态分布 过程的总标准差 t能用St进行估计 此外 在某些特定情况下 表示子组内变异的标准差Sw可以代替St作为 t的估计量 1 过程能力 1 过程能力 d2 c4 基于子组样本量为n的常数 可参见GB T4091 2001 也可根据子组样本量n查p220表7 2得到控制图的控制限系数A2 A3后按下两式计算 或 或 过程性能是指对未被证明处于统计受控状态的过程特性的输出的统计度量 此时因为可能包括异常因素 其值又不可预测 故使用过程性能这个度量应特别谨慎 过程性能同时考虑了由偶因与可能存在的异因共同引起的变异 它实际上反映了长期变异 2 长期性能 2 长期性能 若正态分布的标准差St仅由一个样本量为n的样本来估计 则过程标准差可表示为 式中 St是一个描述性统计量 用来代替 t 对正态分布 过程性能可以根据下式估计 z值通常取3 4或5 过程性能可以利用适当的概率纸或数据拟合的分布参数加以评估 过程性能表达为 三 影响过程能力的因素 操作者设备材料操作方法环境监视与测量 5M1E 另一种说法 影响产品质量的9M 市场 Markets 资金 Money 管理 Management 人 Men 激励 Motivation 材料 Materials 机器和机械化 MachinesandMechanization 现代信息方式 Moderninformationmethods 产品规格要求 Mountingproductrequirement 以上每一个方面对当代产品生产和服务的质量都有影响 第三节过程能力指数和过程性能指数 一 过程能力指数的概念 Processcapabilityindex 过程能力指数 描述过程能力相对于容差的指数 衡量过程能力满足过程要求的程度的数量值 记为PCI或Cp 过程要求 可以是技术标准 产品规格 公差等要求 过程能力和过程能力指数都是用来描述处于统计受控状态的过程的 2 过程能力与过程能力指数的区别 过程能力是过程具有的实际能力 而过程能力指数是指过程能力对过程要求满足的程度 这是两个完全不同的概念 过程能力强并不等于对过程要求的满足程度高 相反 过程能力弱也不等于对过程要求的满足程度低 当质量特性服从正态分布 而且其分布中心与规格中心重合时 一定的过程能力指数将与一定的不合格品率相对应 因此 过程能力指数越大 说明过程能力的贮备越充足 质量保证能力越强 潜力越大 不合格品率越低 但这并不意味着加工精度和技术水平越高 二 过程能力指数的计算 1 无偏移双侧规范情形的短期过程能力指数 过程特性值分布的总体标准差 6 反映了过程能力 对处于统计受控的过程 式中 分别是分布的99 865 0 135 分位数 TU TL分别为上规范限和下规范限 反映了技术标准与技术要求 对正态分布来说 分别为3 3 此时 Cp为 图6 1各种分布情况下的Cp值 Cp值越大 表明过程能力越高 对统计控制状态的人 机 料 法 环的要求也越高 相应的成本也会越大 当T 6 Cp 1时 如果过程出现波动 就会带来分布中心的偏移 过程不合格率会增加 因此 通常要求Cp大于1 例6 1某零件尺寸要求为mm 通过抽样检验得知 样本平均值与公差中心重合 s 0 0067mm 试求过程能力指数 并估计过程不合格率 解 属于无偏移情形 2 无偏移单侧规范情形的过程能力指数 只有上限要求时 当 TU时 CpkU为负值 与过程能力的含义矛盾 故令CpkU 0 表示过程能力严重不足 此时过程的不合格率高达50 以上 而只有下限要求时 新标准称为上过程能力指数 新标准称为下过程能力指数 例6 2 某机械零件 要求其圆度误差不超过0 060mm 通过抽样得到样本平均值mm 样本标准差 0 014mm 求该过程的过程能力指数 解 3 有偏移情形的短期过程能力指数 当 与规范中心值M不重合 不合格率增大 Cp值降低 0 K 1 当 M时 即分布中心与规范中心重合时 K 0 CpK Cp 当 TU或 TL时 K 1 CpK 0 实际上 这时合格率仍为50 故CpK 0是不适当的 实际上CpK只能用于0 K 1的情况 Cpk也称为最小过程能力指数 例2测试一批零件外径尺寸的平均值 19 0101 S 0 0143 规格要求为 试计算过程能力指数并估计不合格品率 Cpk计算方法 1 解 Cpk计算方法 2 计数值 计件值 以不合格品率上限pU作为规格要求 1 取k个样本 每个样本的样本容量分别为n1 n2 nk 每个样本中的不合格品数为d1 d2 dk 3 计算过程能力指数Cp 2 计算平均不合格品率及平均样本量 计件值数据一般服从超几何分布和二项分布 例1某产品规格要求pU 0 1 现取5个样本 n1 n2 n5 100 各样本中不合格品数为 d1 7 d2 5 d3 6 d4 2 d5 4 求过程能力指数Cp 解 计数值 计点值 计算公式规格要求是单位产品平均不合格数 或疵点数 上限或不合格品率很小时的样本中不合格品数上限CU 1 取k个样本 每个样本的样本容量分别为n1 n2 nk 每个样本的疵点数 或不合格品数 为C1 C2 Ck 2 计算平均疵点数 或平均不合格品数 3 计算过程能力指数Cp 计点值数据一般服从泊松分布 例2 设某产品规格要求单位产品平均不合格数上限CU 2 取容量为10的样本5个 各样本中产品的不合格数分别为C1 7 C2 5 C3 6 C4 2 C5 4 求过程能力指数Cp 解 三 过程性能指数 processperformanceindex 过程性能指数是描述过程性能相对于容差的指数 可能影响分布的波动源 机器的移动与机器的老化 操作者的变动或情绪的变动 修理不当或修理工的调换 测量设备或量具没有及时校准 原材料或零配件的供应商的变动 车间温度 湿度的变化等环境因素的变化等 三 过程性能指数 过程性能指数常表示为 对于正态分布 过程性能指数可以表示为 其中 对于单侧规范限 分别用下过程性能指数PpkL和上过程性能指数PpkU表示 式中 X0 50是分布的50 分位数 对于正态分布 X0 50既是中位数 又是均值 三 过程性能指数 对于正态分布 下过程性能指数PpkL和上过程性能指数PpkU可以分布表示为 Ppk称为最小过程性能指数 它也是上过程性能指数和下过程性能指数中的较小值 三 过程性能指数 需要注意的是过程能力指数是针对已被证明处于统计受控状态的过程 而过程性能指数则是针对未被证明处于统计受控状态的过程 例6 4 某供应商提供了一批产品 尺寸为 每次抽取5个样本 数据如表6 1 试分析其过程能力 和教材不同 全部数据作为一个供应商考虑 没有考虑供应商的不同 对样本数据进行分析 其 组内 过程能力指数Cp 1 16 Cpk 0 90 过程性能指数Pp 1 08 Ppk 0 83 过程能力不足 其实测性能不合格率为10000PPM 过程能力图中也提供了组内性能和整体性能的预测 第四节过程能力的分析与评定 一 Cp和CpK的比较与说明 无偏移情况的Cp表示加工过程的一致性 即 质量能力 Cp越大 则质量特性值的分布越集中 质量能力越强 而有偏移情况的CpK表示过程中心 偏离规范中心M的偏移情况 CpK越大 则两者偏离越小 亦即过程中心 对规范中心M越接近 这是过程质量能力和管理能力两者综合的结果 故CpK和Cp两者的着重点不同 需要同时加以考虑 联合应用Cp和Cpk 可对产品质量有更全面的了解 表6 2联合应用Cp和Cpk所代表的合格品率 二 过程能力指数Cp CpK和不合格品率p的关系 1 无偏移时Cp和不合格品率p的关系 例6 4 某零件加工尺寸为mm 经抽样200件 得到样本平均值 49 969mm 标准差为s 0 012mm 求不合格率p和合格率q 解 从题可得 由题可知规范中心为 由于规范中心和分布中心重合 故 查标准状态分布表 知 不合格品率 合格品率q 1 p 1 0 98 99 02 2 有偏移过程能力指数CpK 偏移度K和不合格率p之间的关系 1 当分布中心向规范上限TU偏移时 因 故 故总不合格率为 当K较大时 pL可略去 故 2 当分布中心相规范下限TL偏移时 同理 可求得 当K较大时 pU可略去 故 表6 3 0时 过程能力指数 Cp值 与不合格率p的关系 用Cp和k值估计不合格品率 单位 三 Cp和误判概率 四 过程能力评价标准 2 当Cp 或Cpk 值过大时的处置措施 适当缩小产品要求的公差范围 适当放宽过程控制的随机波动幅度 即增大 值 如延长刀具更换周期 加大进给量 以提高效率 降低成本 可能时 改用精度较低的过程设备 降低成本 简化质量监控 质量检验 将全数检验改为抽样检验或减少抽样频次和抽样样本量 从而降低检验 监控的费用等 3 当Cp 或Cpk 值过小时的改进措施 当Cp过小时 需要调整过程加工的分布中心以减少偏移量 或提高过程能力以减少分散程度 减小分散程度的措施 在不影响最终产品质量的情况下 适当放宽该过程产品的公差范围 但必须通过严格的论证 确定放宽公差范围不会影响产品质量 分析过程质量低的原因 有的放矢地采取相应措施改进过程 如采用过程控制图对过程进行控制 改进工艺方法 修订操作规程 优化工艺参数 推广新材料 新工艺 新技术 检修 改造设备 可能时 采用精度更高的设备 加强过程质量监控 如进行全数检验 当Cp 或Cpk 太低时 可考虑停止生产 分析原因并采取相应措施改进过程 从而提高Cp 或Cpk 值 否则 必须进行全数检验剔除不合格品 4 过程分布中心 与公差中心 存在偏移时的处理 1 当Cp 1 33时 若偏移度K 0 5 则不必进行特别的调整 2 当Cp 1 33时 若K 0 25 则必须采取措施 解决中心偏移的问题 减少过程中心偏移量的主要措施 对大量生产过程进行统计分析 寻找人 机 料 法 环 测量随时间推移而逐渐变化的规律 及时进行调整或采取设备自补偿调整等 根据中心偏移量 通过首件检验调整设备 改变操作者的操作习惯 如孔 轴加工向最大实体尺寸偏移的倾向性习惯 以公差中心值为加工依据 第五节过程能力的调查 过程能力调查的目的 了解控制特性值的波动情况 找出影响过程质量的主要因素 通控制主要因素 提高过程能力 一 过程能力调查的步骤与方法 1 明确过程能力调查的目的首次调查通常是为了摸清过程能力状况 以便必要时采取措施 使过程能力满足生产要求 以后进行的过程能力复查 一般是为了掌握过程能力的变化情况 以便采取措施 保持过程能力 2 确定调查计划的内容 明确所要调查的特殊过程 确定调查过程的产品质量特性 一般选择能定量表示的过程产品的关键特性 这些特性可能要通过破坏性检验或试用调查获得 明确采用的调查方法 包括抽样方案 检验或试验方法 获取什么质量数据 以及数