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統計過程控制SPC概論

2016-02-01 11:25:17作者:admin    來源:    點擊: 364次
【本文導讀】SPC即統計過程控制(Statistical Process Control)。SPC是美國美國貝爾實驗室休哈特(Shewhart)博士首先應用正態分布特性于生產過程中的管理,目前已成為生產過程中控制穩定產出的主要工具之一,在
  SPC即統計過程控制(Statistical Process Control)。SPC是美國美國貝爾實驗室休哈特(Shewhart)博士首先應用正態分布特性于生產過程中的管理,目前已成為生產過程中控制穩定產出的主要工具之一,在生產型企業中應用的非常廣泛。
  
  SPC主要是指應用統計分析技術對生產過程進行實時監控,科學的區分出生產過程中產品質量的隨機波動與異常波動,從而對生產過程的異常趨勢提出預警,以便生產管理人員及時采取措施,消除異常,恢復過程的穩定,從而達到提高和控制質量的目的。
  
  在生產過程中,產品的質量特征值的波動是不可避免的。它是由4M1E,即人、機器、材料、方法和環境等基本因素的波動綜合影響所致。波動分為兩種:正常波動和異常波動,或稱為偶然誤差和系統誤差。正常波動是偶然性原因(不可避免因素)造成的。它對產品質量影響較小,在技術上難以消除,在經濟上也不值得消除。異常波動是由系統原因(異常因素)造成的,它對產品質量影響很大,但能夠采取措施避免和消除。過程控制的目的就是消除、避免異常波動,使過程處于正常波動狀態。
  
  一、SPC技術原理
  
  統計過程控制(SPC)是一種借助數理統計方法的過程控制工具。它對生產過程進行分析評價,根據反饋信息及時發現系統性因素出現的征兆,并采取措施消除其影響,使過程維持在僅受隨機性因素影響的受控狀態,以達到控制質量的目的。當過程僅受隨機因素影響時,過程處于統計控制狀態(簡稱受控狀態);當過程中存在系統因素的影響時,過程處于統計失控狀態(簡稱失控狀態)。
  
  由于過程波動具有統計規律性,隨機誤差具有一定的分布規律,當過程受控時沒有系統誤差,根據中心極限定理,這些隨機誤差的總和,即總體質量特性服從正態分布N(μ,σ2)。正態分布的特征直觀看就是大多數值集中在以μ為中心位置,越往邊緣個體數越少。在正態分布正負3σ范圍內,即樣品特征值出現在(μ-3σ,μ+3σ)中的概率為99.73%,即超出正負3σ范圍發生概率僅為0.27%。
  
  而失控時,過程分布將發生改變,數據的中心位置或離散程度發生很大變化。當數據出現正負3σ范圍以外,根據小概率事件實際不可能發生原理,即認為已出現失控。如果加工處于受控狀態,則認為樣品特征值一定落正負3σ范圍內,即存在3σ原理。SPC正是利用過程波動的統計規律性對過程進行分析控制的。在世界上大多數國家均以正負3σ范圍為控制界限。因而,它強調過程在受控和有能力的狀態下運行,從而使產品和服務穩定地滿足顧客的要求。下圖是控制圖的基本形式。
  
  控制圖有兩個坐標,縱坐標代表質量特性值,橫坐標表示樣本號。中心線CL=μ,上控制限UCL=μ+3σ,下控制限LCL=μ-3σ。
  
  生產中,定期抽取樣本,測出其質量特性值數據,計算后標在圖上,觀察點是否越限,判斷生產過程是否處于穩定狀況。
  
  二、控制圖類型
  
  控制圖是畫有控制界限,對生產過程中產品質量進行控制的一種圖。用它來判斷產品質量波動的原因(系統原因或偶然原因),進而判斷生產過程是否處于穩定狀態。按不同用途,控制圖可分為用于預防不合格品產生的管理用控制圖和主要用于分析用的控制圖兩類。
  
  根據不同的質量特性值,控制圖可分為計量型控制圖和計數型控制圖。
  
  三、SPC應用步驟
  
  實施SPC分為兩個階段,一是分析階段,二是監控階段。在這兩個階段所使用的控制圖分別被稱為分析用控制圖和控制用控制圖。分析階段的主要目的在于:一是使過程處于統計穩態;二是使過程能力足夠。
  
  分析階段首先要進行的工作是生產準備,即把生產過程所需的原料、勞動力、設備、測量系統等按照標準要求進行準備。生產準備完成后就可以進行,注意一定要確保生產是在影響生產的各要素無異常的情況下進行;然后就可以用生產過程收集的數據計算控制界限,作成分析用控制圖、直方圖、或進行過程能力分析,檢驗生產過程是否處于統計穩態、以及過程能力是否足夠。如果任何一個不能滿足,則必須尋找原因,進行改進,并重新準備生產及分析。直到達到了分析階段的兩個目的,則分析階段可以宣告結束,進入SPC監控階段。
  
  監控階段的主要工作是使用控制用控制圖進行監控。此時控制圖的控制界限已經根據分析階段的結果而確定,生產過程的數據及時繪制到控制上,并密切觀察控制圖,控制圖中點的波動情況可以顯示出過程受控或失控,如果發現失控,必須尋找原因并盡快消除其影響。監控可以充分體現出SPC預防控制的作用。
  
  在工廠的實際應用中,對于每個控制項目,都必須經過以上兩個階段,并且在必要時會重復進行這樣從分析到監控的過程。
  
  分析用控制圖作圖步驟
  
  1)選取控制圖要控制的質量特性;
  
  2)根據質量特性及適用的場合選取控制圖類型;
  
  3)確定合適樣本組、樣本大小和抽取間隔,并假定在樣本組內波動為系統因素引起;
  
  4)收集并記錄20~25個樣本組的數據,或使用以前所記錄的數據,通常每組樣本量n=4-5個,這樣保證控制過程的檢出率為84%~90%;
  
  5)計算各組樣本的統計量(均值、標準差,極差等);
  
  6)計算中心線和控制限;
  
  7)繪制控制圖(畫坐標軸,畫中心線和上下控制限,根據樣本值打點,記入相關事項);
  
  8)分析樣本點的排列形狀,判斷過程是否受控。
  
  控制用控制圖作圖步驟
  
  當分析用控制圖中點子均在控制限之內或排列無缺陷時,能表明生產過程穩定、無系統因素影響生產過程,尚不能說明不合格率小于允許值。因此,在分析用控制圖基礎上需要繪制控制用控制圖。相關步驟如下:
  
  1)消除系統因素。依據分析用控制圖提供的信息判斷生產過程是否穩定,即是否有系統因素在起作用。如果存在系統因素,應設法消除。
  
  2)重新計算控制限。剔除分析用控制圖中無代表性的數據(如落在界限外點子的數據)后,重新計算中心線和控制限。
  
  3)確認分布范圍位于公差界限之內。只有當生產過程穩定且產品質量特性值分布范圍位于公差界限之內時,才能保證不出現大量不合格品。因此應該利用分析用控制圖的數據繪制直方圖,并與公差界限比較,或直接計算工序能力指標,進而采取相應措施。
  
  4)控制用控制圖的使用。在確認和平過程穩定并具備足夠的工序能力后,便可開始批量生產,并用控制圖控制生產過程,即根據控制圖類型抽取樣本進行計算、繪圖和分析。
  
  四、SPC應用的好處和不足
  
  SPC利用控制圖,強調全過程監控、全系統參與,并且強調用科學方法(主要是統計技術)來保證全過程的預防。SPC不僅適用于質量控制,更可應用于一切管理過程(如產品設計、市場分析等)。正是它的這種全員參與管理質量的思想,實施SPC可以幫助企業在質量控制上真正作到"事前"預防和控制,SPC可以:
  
  1) 對過程作出可靠的評估;
  
  2) 確定過程的統計控制界限,判斷過程是否失控和過程是否有能力;
  
  3) 為過程提供一個早期報警系統,及時監控過程的情況以防止廢品的發生;
  
  4) 減少對常規檢驗的依賴性,定時的觀察以及系統的測量方法替代了大量的檢測和驗證工作;
  
  5)  區分散布的正常原因和異常原因,作為采取局部措施和對系統采取措施的指南。
  
  有了以上的預防和控制,應用SPC還可以促進企業:
  
  1) 降低成本;
  
  2) 降低不良率,減少返工和浪費;
  
  3) 提高勞動生產率;
  
  4) 提供核心競爭力;
  
  5) 贏得廣泛客戶;
  
  6) 更好地理解和實施質量體系。
  
  應用SPC對生產進行工序質量控制時,可能會出現兩類錯誤。如圖所示:
  
  第I類錯誤:把處于統計控制狀態下的生產工序誤判為處于非統計控制狀態,稱為第I類錯誤。把犯第I類錯誤的概率稱為第I類風險,記為α。
  
  第II類錯誤:把處于非統計控制狀態下的生產工序誤叛為處于統計控制狀態,稱為第II類錯誤。把犯第II類錯誤的概率稱為第II類風險,記作β。
  
  一般情況下,要同時避免兩類錯誤是不可能的。當樣本大小一定時,α越小,則β越大,反之,α越大,則β越小。實踐證明,3σ范圍可使兩類錯誤造成的總損失最小,較為經濟合理。
  
  五、SPC的最新發展
  
  經過近70年在全世界范圍的實踐,SPC理論已經發展得非常完善,其與計算機技術的結合日益緊密,其在企業內的應用范圍、程度也已經非常廣泛、深入。概括來講,SPC的發展呈現如下特點:
  
  1、分析功能強大,輔助決策作用明顯。 在眾多企業的實踐基礎上發展出繁多的統計方法和分析工具,應用這些方法和工具可根據不同目的、從不同角度對數據進行深入的研究與分析,在這一過程中SPC的輔助決策功能越來越得到強化。
  
  2、體現全面質量管理思想。隨著全面質量管理思想的普及,SPC在企業產品質量管理上的應用也逐漸從生產制造過程質量控制擴展到產品設計、輔助生產過程、售后服務及產品使用等各個環節的質量控制,強調全過程的預防與控制。
  
  3、與計算機網絡技術緊密結合。現代企業質量管理要求將企業內外更多的因素納入考察監控范圍、企業內部不同部門管理職能同時呈現出分工越來越細與合作越來越緊密兩個特點,這都要求可快速處理不同來源的數據并做到最大程度的資源共享。適應這種需要,SPC與計算機技術尤其是網絡技術的結合越來越緊密。
  
  4、系統自動化程度不斷加強。傳統的SPC系統中,原始數據是手工抄錄,然后人工計算、打點描圖,或者采用人工輸入計算機,然后再利用計算機進行統計分析。隨著生產率的提高,在高速度、大規模、重復性生產的制造型企業里,SPC系統已更多采取利用數據采集設備自動進行數據采集,實時傳輸到質量控制中心進行分析的方式。
  
  5、系統可擴展性和靈活性要求越來越高。企業外部和內部環境的發展變化速度呈現出加速度的趨勢,成功運用的系統不僅要適合現時的需要,更要符合未來發展的要求,在系統平臺的多樣性、軟件技術的先進性、功能適應性和靈活性以及系統開放性等方面提出越來越高的要求。
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