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1、1999年7月系统工程理论与实践第7期面向多品种、小批量加工过程的统计质量控制应用策略与方法的探讨余忠华,吴昭同(浙江大学机械系生产工程所,浙江大学流体传动国家重点实验室,浙江 杭州310027)摘要针对多品种、小批量加工的特点,探讨了统计质量控制(SQC)的应用策略与方法,提出了相应的实施框图,并讨论了其中的关键技术工序成组方法.关键词统计质量控制,多品种、小批量加工,成组技术Study on the Strategy for U se of SQC inM ulti2Specification&Small2Batch ProductionYU Zhonghua,WU Zhaotong(Zh
2、ejiang U niversity,Hangzhou 310027)AbstractA i med at characteristics of multi2specification and small2batch production,this paper studies the strategy for use of SQC,gives the relative skeleton diagram,andalso discusses the key technologyprocesses grouping.KeywordsSQC;multi-specification&small2batc
3、h production;group technology1引言自从ISO 9000质量管理和质量保证系列标准颁布以来,世界各国都十分重视对这一标准的贯彻实施.它要求企业在制造过程中建立有效的质量保证体系,并对体系中相互关联、相互作用的要素进行有效的控制.统计质量控制(SQC)技术便是实施制造过程控制的最有效的工具之一,它能为企业带来巨大的效益1.然而,这一技术正面临新的挑战2:市场竞争日趋激烈,顾客对产品的需求日益呈现出多样化和个性化的发展趋势,促使企业打破传统的单一品种,大批量生产模式转向了多品种、小批量生产.这使得传统的SQC方法难于直接应用,但对质量控制的要求则更为迫切、情况也更加复杂
4、.事实上,许多企业常常因缺乏必要的质量控制手段,严重影响了产品的交货期和产品质量,造成巨大的经济损失.虽然早在五十年代起国外就有人开始了探讨适用于多品种、小批量制造过程的SQC方法,然而直到80年代才开始真正引起人们的重视,并围绕着质量控制的焦点在生产工序这一主题,进行了广泛的研究35.本文将在国内外学者研究的基础上,对多品种、小批量加工的特点、SQC的应用策略、方法及其关键技术等方面展开讨论.2基本思想、策略与方法2.1多品种、小批量加工的特点多品种、小批量加工的主要特点:1)加工对象多样化,零件的尺寸、形状、材料与毛坯等规格多,精度要收稿日期:1997211206资助项目:浙江大学流体传动
5、国家重点实验室开放基金资助 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.求不一,同一零件的数量少;2)加工设备多样化,尤其是刀具、夹具、量具等工装种类多,改换频繁;3)工艺方法及工艺参数多样化;4)加工过程的连续性与断续性交替.从现场质量控制的角度来看,这显然要比大批量加工困难得多:不仅影响加工质量的因素更多了,而且关系也更复杂了.由于在相同工况下加工同一规格的零件数目有限,如果直接按传统的SQC方法,仅把监视的对象着眼于零件的加工质量特征上,则很难保证统计所需的样本容量,即便采集到了足够的样本数,或
6、许这样的加工任务也已接近尾声了,当然也就失去了预防质量控制的意义.事实上,就一个特定的加工车间来说,尽管它面对的是多品种、小批量加工,如前所述的众多因素都处于变动之中,然而就工序而言,则是相对稳定的.例如,切削加工可把工序分为:车、铣、刨、磨等.又可按切削量的多少分为:粗加工、半精加工和精加工工序.因此,从工序的观点来看,尽管具体的加工对象不同,工艺参数不一样,甚至加工机床也有差异,但它们之间都具有很大的相似性.正是这种相似性,已为成组工艺设计提供了理论基础.同样,如果把统计监控的对象着眼于工序,通过控制工序的质量来达到控制零件加工质量的目的,也能使SQC方法在多品种、小批量加工中的成功应用成
7、为可能.2.2在多品种、小批量加工中实施SQC的基本思想与策略基于上述特点,我们在分析、总结前人研究的基础上,提出了以下在多品种、小批量加工中实施SQC的基本思想与策略:1)由于工序间具有更多的相似性,因此监视对象不应在产品而应在工序,工序是质量控制的焦点;2)从相似性原理出发,进行工序成组,以增加样本容量,确保统计可靠性;3)在多品种、小批量加工中实施SQC,不能局限于数学上的统计运算,应结合工程背景,强调运用现场质量工程师和操作者所具有的专业知识以及他们对过程调整、产品规范、过程能力的评价、预测和判断等极有价值的主观经验;4)应将SQC集成于质量信息系统,它需要对多因素、多目标的质量信息进
8、行综合的处理和运用.2.3在多品种、小批量加工中运用SQC的基本方法鉴于上述基本思想,我们提出了如图1所示的在多品种、小批量加工中运用SQC方法的框图.它主要包括:工序质量信息获取与处理、成组工序、SQC、加工误差源诊断及控制与评价.所谓“成组工序”,本文定义为具有广义相似性的一类实际工序的抽象集合:它可影射出造成该类实际工序质量波动的共因;通过对它的统计分析,可很好地揭示出各实工序的质量波动状况.如何构造好成组工序是在多品种、小批量加工中运用SQC的关键.图1在多品种、小批量加工中运用SQC方法的框图(图中mn)2.3.1工序质量信息获取与处理.其主要功能包括:1)为了合理地获取与处理所有有
9、关工序质量信息与数据,对工序质量状态进行全面、系统的描述,并建立工序质量信息库;2)通过使用有效的检验方法,获取工序质量的精确信息;3)通过对工序质量状态信息的综合分析,建立具有相似性的工序类,选择合适的数学变换模型,通过变换构造出成组工序,以便通过对成组工序的统计监控来反映实际工序的质量波动状况,增强SQC的统计可靠性;4)为异常工序的加工误差源分析诊断提供信息支持.2.3.2统计质量控制(SQC):也称统计过程控制(SPC).由于成组工序可增加样本容量,故可直接使用传统的SQC.具体步骤如下:921第7期面向多品种、小批量加工过程的统计质量控制应用策略与方法的探讨 1995-2005 Ts
10、inghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.1)控制图的合理选择:现已发展了多种控制图,如基于计量的有:单值(X)控制图、中值(X)控制图、中位数(X?)控制图、均值极差(X、R)控制图、指数加权移动平均(EWMA)控制图、累计和(CuSuM)控制图,等等.由于它们的适用范围和性能都有一定的差异,因此必须合理地加以选择,具体方法可参见文献6,7.如果已有的样本数不多时,可考虑采用基于贝叶斯预测的动态质量控制方法8,它是一种将有关工序的客观历史数据与人的主观经验判断相结合的质量控制方法.2)控制图设计:包括确定经济的控制界线和
11、绘制控制图.3)控制图的识别:借助控制图来识别过程是否稳定,加工中有无系统性误差源存在.传统地,可开采用A T&T的判断规则9,由人工进行识别.也可利用人工智能进行自动识别7,10.2.3.3加工误差源诊断:利用控制图原则上仅能识别过程是否稳定,以及不稳定时的趋势变化,而不能识别引起过程不稳定的具体环节和具体原因.因此,SQC一旦识别出工序异常时,还必须对引起工序异常的加工误差源进行诊断.目前,行之有效的方法有:因果图法、故障树法等.2.3.4控制与评价:针对具体的加工误差源,采取措施进行控制;并对控制的结果进行评价.3关键技术:工序成组方法的讨论构造成组工序的主要目的是力图增加样本容量,以保
12、证SQC的统计可靠性.M.AL-Salti等人4归纳了七种数学变换构造成组工序的方法,并对这些数学变换的应用条件、机理及性能进行了有益的讨论.然而,对多品种、小批量加工环境缺乏系统的和综合的考虑.鉴此,本文提出了如图2所示的建模方法:图2成组工序的构造框图1)相似性分类:在工序质量信息库的基础上,结合工程应用背景和实践经验,分析确立目标参数与影响因素间的关联关系,提取各工序的特征要因.并利用相似性分类规则,对实际工序进行分类,构成相似性工序类.2)相似性变换:对同一相似性工序类中的各实际工序的质量特征值,进行数学变换,以构造可影射该类实际工序共因的成组工序.相似性变换的方法有多种:M.AL-S
13、alti等人4归纳的七种数学变换便是经常被采用的方法,另外还可利用多元回归进行变换.3)模型评估:通过对实际工序已有的历史质量数据的回顾分析,进行统计检验,确认各成组工序模型的正确性.若检验结果不理想,则需调整分类规则或相似性变换模型,直到满意要求为止.一旦模型被确认,便可利用监视成组工序的途径来监视实际工序的质量波动状况.4结束语综上所述,在多品种、小批量加工中实施SQC是可行的,关键在于如何把握影响工序质量的主、客观信息,如何从中归纳、提取出相似工序类,并借助合适的数学变换方法,进行工序变换,构成成组工序,对成组工序实施SQC,来保证统计可靠性.本文仅从方法论的角度提出了一些粗浅的看法,很
14、多具体的技术问题都有待于进一步研究.但可以肯定,SQC在多品种、小批量加工中的应用前景是乐观的.031系统工程理论与实践1999年7月 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.参 考 文 献1并行工程文集(I DAR-338报告).C I M S情报研究课题组,19922Hubele N F el.A utomation:the challenge for SPC.Q uality,1987,26(3):14223Dovich R A.Small2lot SPCreally!M achine an
15、d ToolBlue Book,Dec.1988:12144SaltiM M,Statham A.A Review of theL iterature on theU se of SPC in Batch Production.Q ualityand Reliability Engineering International,1994,10:49615卢秉恒等.单件、小批加工质量的统计分析方法加权统计分析方法.第二届 全国 C I M S会议论文集,北京:19926A lexander SM and Jagannathan V.A dvisory system for control char
16、t selection.Computer and In2dustrial Engineering,1986,10(3):1711777T suang Kuo and A nilM ital.Q uality control expert system s:a review of pertinent literature.Jour2nal of IntelligentM anufacturing,1993,(4)8余忠华,吴昭同.基于贝叶斯预测的动态质量控制技术研究1 浙江大学学报,1997,增刊(1):1331379A T&T1StatisticalQ uality Control Handb
17、ook,Delmar Printing Company,Charlotte N.C,198510JillA Sw ift and Joe H M ize.Out2of2control Pattern Recognition and A nalysis for Q uality ControlChartsU sing L isp2based System s.Computers Ind.Engng.,1995,28(1):8191(上接第118页)由于h(t)关于t单增而jiwih(xj)ki,jh(xk)与xi无关,因此jiwjSj(X)关于xi不减,即S2满足.证毕参 考 文 献1李洪兴.因
18、素空间理论与知识表示的数学框架()变权综合原理.模糊系统与数学,1995,9(3):192李洪兴.因素空间理论与知识表示的数学框架(?)均衡函数的构造和W eber2Fechner特性.模糊系统与数学,1996,10(3):12193汪培庄,李洪兴.模糊系统理论与模糊计算机.北京:科学出版社,19964汪培庄.模糊集与随机集落影.北京:北京师范大学出版社,19855刘文奇.均衡函数及其在变权综合中的应用.系统工程理论与实践,1997,17(4):5874131第7期面向多品种、小批量加工过程的统计质量控制应用策略与方法的探讨 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.