SPC控制图数据采集过程研究

张德军 林春梅

摘要：SPC控制图即应用统计分析方法对生产过程进行监控，科学地区分出生产过程中产品质量的正常波动与异常波动，从而对生产过程的异常趋势提出预警。质量控制图数据的采集工作是质量过程监控的关键，为了保证数据采集的真实性、及时性和可靠性，文章通过分析SPC控制图原理，确定了过程关键质量特性参数，将参数的测量方法和抽样方法标准化，提出了数据采集过程中的注意事项及原则。

关键词：SPC；数据采集；控制图；质量控制

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）29-0025-03

SPC，统计过程控制（Statistical Process Control），

SPC控制圖就是应用统计分析方法对生产过程进行监控，科学地区分出生产过程中产品质量的正常波动与异常波动，从而对生产过程的异常趋势提出预警，以便生产管理人员及时采取措施，消除异常，恢复过程的稳定，使过程处于正常波动状态，从而达到提高和控制质量的目的。这种方法是1924年由美国质量管理大师W.A.Shewhart博士发明的，因其用法简单、效果显著，目前已成为生产过程中控制产品质量的重要要工具。其基本原理是数理统计的中心极限定理、3σ原理和假设检验理论。根据概率统计中心极限定理可知无论随机变量的共同分布是什么（离散分布或连续分布，正态分布或非正态分布），只要独立统计分布随机变量的个数n较大时，样本均值的分布总是正态分布N中的概率为99.73%，即超出正负3σ范围发生概率仅为0.27%，在过程正常波动的情况下这是一个小概率事件，发生的概率很小，如果在有限的取样点内小概率事件却发生了，说明系统存在异常波动。控制图是根据产品质量特性值的抽样数据分析计算绘制的，抽样数据的采集方法将对控制图的精度和反映问题的真实性产生直接的影响。因此需根据控制图的判读准则和原理对抽样数据采集的方法和程序进行研究并规范其操作步骤。

1 确定过程关键质量特性参数

1.1 识别关键过程

一个产品品质的形成需要许多过程（工序），其中有一些过程对产品品质好坏起着至关重要的作用，这样的过程称为关键过程，SPC控制图应首先用于关键过程，而不是所有的工序。因此，实施SPC，首先是识别出关键过程。然后，对关键过程进行分析研究，识别出过程的结构（输入、输出、资源、活动等）。确定关键过程后还要确定影响过程质量特性的因素，如关键过程与其周围的其他操作和上下使用者密切协作之间的关系以及材料、设备、人员、方法、测量、环境等。对关键过程的分析可以采用因果分析图、过程流程表等技术分析研究，使这些影响因素对过程的影响关系更加直观，方便不同部门的人员之间的经验集中起来。

1.2 确定过程重要特性参数

每一个加工过程可能会影响产品的几个特性参数，通过对关键过程进行分析，找出其中一个或几个影响产品质量最大的特性参数作为监控对象的进行控制。选择的重要特性参数一般要满足以下六个特点中的一种或几种：（1）能测定的产品或过程特性；（2）对客户使用及生产关系重大的特性；（3）对下工程影响较大的特性；（4）经常出问题的特性；（5）关键产品或过程特性；（6）控制计划有规定的控制项目。

选择的重要质量特性参数还要考虑测量系统的精度，如果关心的特性很难或者不可测量（比如体积），可以选择一个相关的容易测量的代用质量特征性（比如重量）进行控制，但一定要确认代用质量特征与关键质量特征密切相关，且要注意统计上的相关性不意味着变量之间存在因果关系。在缺乏现存过程的知识时，需要设计一个试验来验证这些关系及其重要性。如果一个项目的几个单独的特性具有相同的变化趋势，可能只用一个特性来画图就足够了。另外还要确定特性值的数据类型，根据抽样数据质量特性值的不同，取样的方法是有些不同的。凡是可以连续取值的或者说可以用测量工具具体测量出小数点以下数值的这类数据，叫计量值数据，如长度、重量、温度、力度等，这类数据服从正态分布。凡是不能连续取值的或者说即使用测量工具也得不到小数点以下数据的，而只能以0或1、2、3等整数来描述的这类数据，叫计数值数据，如不合格品数、缺陷数等，这类数据一般服从泊松分布或二项分布。

2 确定抽样方案

2.1 测量方法标准化

在确定好关键质量特性值后就要制定测量仪器的测量方法标准来保证测量的准确性。在测量过程中必须规范测量，这样每天就可以以同样的方式将数据传送给所有有关人员。还要明确收集哪些信息，在何处、如何以及在什么条件下收集，可以按照5W1H（Why，What，When，Where，Who，How）的方式进行规范。测量设备的本身的准确性和精密性也必须是可预测的，量程及精度需要符合工艺规范要求和操作的方便性，对于要求比较高的测量仪器可能还要规范测量的环境条件。

2.2 抽样方法标准化

在确定抽样方案时除了标准化测量方法外还要对关键质量特性的抽样方法进行标准化，明确每个控制点的样本大小、抽样频率、样本组数等。

2.2.1 确定子组大小。选择子组时应使一个子组内在该单元中的各样本之间出现变差的机会小。如果一个子组内的变差代表很短时间内的零件间的变差，在子组之间出现不正常的变差则表明过程发生变化，就进行调查并采取适当的措施。在过程的初期研究中，子组一般取3到6件连续生产的产品的组合，仅代表单一刀具、冲头、模槽（型腔）等生产出的零件（即一个单一的过程流）。这样做的目的是每个子组内的零件都是在很短的时间间隔内及非常相似的生产条件下生产出来的并且相互之间不存在其他的系统的关系。因此，每个子组内的变差主要应是普通原因造成的，当这些条件不满足时，最后的控制图可能不会有效地区分变差的特殊原因，对于所有的子组样本的容量应保持恒定。

2.2.2 确定子组频率。确定子组频率的目的是检查经过一段时间后过程中的变化。应根据产品的特性和当前质量状况来确定抽样频率，产品特性越易检验或越重要抽样频率通常越高，应当在适当的时间收集足够的子组，这样子组才能反映潜在的变化。这些变化的潜在原因可能是换班、操作人员更换、温升趋势、材料批次等。在过程的初期研究中，通常是连续进行分组或很短的时间间隔进行分组，以便检查过程在很短的时间间隔内是否有其他不稳定的因素存在。当证明过程已处于稳定状态（或已对过程进行改进），可视情况子组间的时间间隔可以增加，减少抽样频率，甚至放弃该点的计量监控。抽样频率在初始阶段相对高一点，在过程中如发现质量受控较稳定时，可视情况酌情减少抽样频率，甚至放弃该点的计量监控。例如在第一个月，每小时抽5个；经过1个月的监控，质量已稳定，已经有2周时间是CPK值达到了2.0以上，可采用4个小时抽5个（注：一般不宜采用减少每次抽样数）；又经过一个月，发现CPK还是在2.0以上，且没有大幅的周期变化的特性，则可放弃该点做计量控制。

2.2.3 确定子组数。子组数的大小应满足两个原则从过程的角度来看收集越多的子组可以确保变差的主要原因有机会出现。一般情况下，包含100或更多单值读数的25或更多个子组可以很好地用来检验稳定性，如果过程已稳定，则可以得到过程位置和分布宽度的有效的估计值在有些情况下，可以利用现有的数据来加速这个第一阶段的研究。然而只有它们是最近的，并且对建立子组的基础很清楚的情况下才能使用。在制定这些标准时要注意樣本大小一般取4～5，不宜太大，太大会减少控制系统的敏感性；初期分析的过程系统尽量以较高的抽样频率连续取样，稳定的过程系统频率可以较低；收集数据的样本组数要在20～25组以上才能较好地反映生产问题。这样在SPC控制开始后生产工人和质监人员就可以根据这些标准开展工作。

3 质量数据的采集和整理

在确定抽样方案后就可以开始采集数据了，目前常用的数据收集方法就是采用抽样的方法，收集所有数据的一部分，对该部分数据进行分析得出结论，并对所有数据进行推论。即用样本数据得出统计推论，因样本是总体的缩影（非常类似，只是小一些），抽样是获得对一个流程或大的总体的认识的一种快捷、低成本的方法。SPC的应用在于收集原始的数据，经过一系列复杂的计算，以最简单、直观、明了的方式表现，便于深入分析质量状况及预测问题，所以SPC在数据收集过程中必须强调两项原则：真实性和及时性。

3.1 数据的真实性

只有真实的数据才能反映真正的质量状况，不真实的数据分析出的结果肯定也不正确，易导致决策者失误。数据的不真实性通常表现在六个方面：（1）品检人员不认真，根本没有通过实际的检验，只根据经验直接填写数据；（2）品检人员感觉检验数量太多，不愿检验到规定的数量，而只做一部分，剩下一部分就全都是主观估计值；（3）测量设备有问题，精度不够，需要靠检验人估计；（4）检验出来的数据不符合规格，人为地改写数据；（5）检验人员字迹不清，在输入电脑过程中输错；（6）抽样计划制定不合理，检验数据太少，造成分析无价值。

3.2 数据的及时性

SPC的主要功能之一就是预测质量，因此只有及时收集数据，才能及时分析，预测质量，如果不良品都已经产生，所有的预测都无意义。数据收集分为计量值的数据收集和计数值数据收集：（1）计量值的数据收集：按一定时间间隔抽取一定的样本，然后进行测量，再将测量到的数据记录下来。计量型数据具有连续性，故它的抽样计划与计数值有很大的差异。它通常根据产品要求，对产品的重要特性定时抽取固定样本个数。（2）计数值数据收集：根据计数值的理论，计数值具有不连续性，是以某一批产品为母体来抽取样本数的，但这会使生产人员无法确定下一批检验时间，难以做到质量的预测。因此，建议计数值也尽量做到连续抽样，这样可以预知下批的检验时间，也可以根据图形预测下一步的质量状态。

4 结语

数据的采集是应用SPC控制图实现质量过程监控的关键，只有根据产品的质量要求，确定了影响质量的关键过程和重要质量特性参数，才能使质量监控过程有的放矢，过程控制有合适的目标。只有制定了合理的抽样方案和数据采集方法，才能保证采集到的数据真实、可靠和及时，过程监控才有意义。

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基金项目：烟台南山学院青年教师基金项目（项目编号：201402）。

作者简介：张德军（1980-），男，山东沂源人，供职于烟台南山学院工学院，硕士，研究方向：机电一体化、企业

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