生产过程的SPC实时监控技术

生产过程的SPC实时监控技术

SPC技术存在的不足

根据《SPC手册》，针对金属加工特点，我们归纳出实施SPC的流程，如图1所示。

图1 某发动机厂机加工SPC流程图

其中，对SPC控制项目的选择确定了下列原则：

1）KPC（关键特性）项目。

2）不是100%检验的项目。

3）不是送实验室检验的项目，确保检测数据获得及时。

4）不是目测和通止规检查项目，确保过程特性为计量值。

5）现场检具为工控机，具有SPC功能，避免人工统计计算和作图。

图2为按SPC手册确定控制限后，用于实时过程监控的SPC实例。该图由Q－DAS?统计分析软件生成，同一界面同时生成四张图，分别如图2所示。

从图2中可看出，全部样本分布范围约占总公差的1/5，且分布在公差中心区域，其能力指数为3.94。对于这样的控制图，直观上讲应是相当好的，但该控制图已发出报警，原因是均值－极差图（图2c）上有两个点超出控制限，离散图不稳定，根据SPC手册要求，应分析发生异常的原因并采取适当的措施。由于是离散性超上控制限，查找出真正原因有一定难度，又由于本过程能力指数高达3.94，工作人员都不愿意花精力去查找原因，也不可能有改进措施，SPC控制在报警响应环节“失效”。

随着我国基础装备水平的不断进步，以及引进国外先进设备的增多，虽然本例中的过程能力很高，但按常规SPC监控时，频繁报警的事例也越来越多。对于这样的报警，为防止过度调整，处理方法基本都为“不采取措施”。

SPC技术的改进措施

能否应用一种对生产过程有效进行实时监控，又不至于频繁发出报警导致过度调整的SPC 方法呢？我们进行了有益的尝试，供大家参考。

1.初始研究

由质量工程师、工艺工程师、生产现场工程师等人员组成SPC小组，首先按《SPC手册》的要求进行初始研究，以早期发现并消除引起过程不稳定的原因为主。

第一步，数据收集按规定的频次进行抽样（也可连续抽样），每组3～5件，共抽25组，记录在控制图表内或将检测数据保存在工控机内。第二步，计算各组平均值Xbar及极差R，计算25组的总平均值X2bar及极差Rbar。第三步，计算控制限，此控制限仅作为判断初始过程是否稳定的参考。第四步，选择控制图刻度并画控制图（上述画控制图及计算控制限也可使用相关SPC软件（如Q－DAS?）完成）。第五步，观察分析控制图，计算过程能力指数。

如发现有异常点，说明过程还未稳定，应查明原因并消除，再进行SPC分析时将这些点数据删除，并重新补充数据制作控制图及计算控制限，直至根据控制图判定过程稳定且计算的过程能力指数达到了规定的要求。

2.SPC日常监控用控制图的控制限确定方法

在日常运用SPC监控生产过程时，不使用初始研究时计算的控制限。日常监控用控制图的控制限确定方法如下。

根据《PPAP手册》第四版的要求，质量指数>1.67的过程满足接受准则。现在通过反向推导来确定现场SPC的控制限。假设过程质量特性的工程规范（公差）为T，作均值—极差控制图，样本数n=5，初始研究后是一个对中的正态分布过程，分布宽度为B，则T/B≥1.67，得出B≤0.6T。

因此，均值控制图的控制限为：双向公差：UCLX= M+0.3T，LCLX=M-0.3T（M为公差中心）；单边公差：UCLX= M+0.6T，LCLX=0。由于是稳定过程，则B=6Rbar/d2，UCLR=D4Rbar。根据《SPC手册》，当样本量n=5时，d2=2.33，D4=2.11，可得极差R图的控制UCLR=0.49T。

控制限设定后，仅当测量点超出控制限时报警。

尽管在推导日常监控用均值—极差控制图的控制限时作了某些假设，但这些假设在日常

生产中是可以再现的，这是因为在初始研究时已将过程调整为稳定状态。

按上述方法设置的控制限对多数使用均值—极差控制图的过程是适用的，对于一些特殊情形，例如由于某种原因而人为地将产品特性值控制在公差上限或下限附近时则不适用，在这类情况下，必须按《SPC手册》的方法计算控制限，且质量指数只考虑Cp或Pp。

3.SPC实时监控实例分析

某发动机厂曲轴生产过程SPC实时监控实例如图3所示，测试结果由Q-DAS?统计分析软件生成。

图3中所测曲轴OP90工序精磨连杆颈直径的工艺要求为φ48-0.012 +0.004mm，控制限为：UCLX=47.998 7mm，LCLX=47.994 1mm，UCLR=0.000 957mm。由图3可见，两个点超过均值图的上控制限，一个点超过极差图的上控制限，已报警，Ppk=1.90。

图3 曲轴连杆颈直径精磨均值—极差图

本例中，工程规范给出的公差为T=0.016 0mm，而按《SPC手册》计算后，均值允许波动范围B=0.004 3mm，公差利用率仅为B/T×100%=27%，且组内极差仅允许波动0.000 957mm，公差利用率仅为5.98%，这对制造过程提出了过高的要求，当生产环境温度有所波动，检具有轻微的变化，甚至零件表面上有点灰尘都会造成检测数据的变化超过极差控制图的上控制限而报警。若采取响应措施，如停机检查机床主轴跳动是否过大、对检具检修等，这些措施都将影响生产的正常进行。很明显，这种质量控制方式很不经济。

同时期按本文提出的控制限方案并重新计算设置控制限后，均值—极差控制图如图4所示。经计算，控制限为：UCLX=48.000 8mm，LCLX=47.991 2mm，UCLR=0.007 84mm，控制限已在现场工控机内设定。

图4 曲轴连杆颈精磨控制图（重新计算控制限）

在控制图中，由于没有点超出控制限，故未发出报警，避免了过度调整。经过计算，过程能力指数Cpk=5.20，过程发生不合格的概率极低，因此，不需要对过程作任何调整（由Q －DAS?软件计算出的质量指数较低，这是由于Q－DAS?软件对非标准型正态分布在计算质量指数时有修正）。

控制图生成后，当点子排列出现“链”、“周期性波动”、“靠近控制限”等异常情形时，为避免过度调整，工作人员结合质量指数确定是否对过程采取纠正措施。

（1）质量指数≥1.33 不采取纠正措施。

（2）1.33＞质量指数≥1.0 生产现场工程师召集相关人员分析异常点出现的原因，制定整改措施预案，密切关注产品质量变化趋势，发生批量不合格的可能性增大时实施整改措施预案。

（3）质量指数＜1.0 短期措施操作工抽检频次加严，直至全检，具体抽检频次由生产现场工程师和质量保证工程师商定。长期措施：生产现场工程师召集相关人员进行原因分析，制定改进措施并组织实施，质量保证工程师对改进措施实施后的过程组织初始研究，计算过程能力指数（≥1.67）并重新计算、设定控制限。

结语

总之，采用本文所提出的生产过程SPC控制限确定方案，可有效实现过程实时监控、防止过程发生批量性不合格，并可杜绝SPC监控频繁报警引起的过度调整，减小由此造成的生产停顿、资源消耗的损失，并可避免由于对设备频繁调整而造成的精度下降。