统计过程控制实验指导书

1工序质量分析（SPC）实验指导书目录西化大学机械工程与自动化学院1、开展统计过程控制（SPC）实验的目的2、统计过程控制的基本概念和推广SPC的目的意义3、统计过程控制试验的硬件工具介绍4、用于统计过程控制的主要分析工具5、软件功能及操作说明6、试验方法和步骤7、附录2前言“统计过程控制实验”是重庆迪佳科技有限公司利用重庆大学机械学院科研成果，引进现代质量控制技术，开发的一项适用于“机械设计制造及自动化”、“工业工程”等专业的本、专科学生学习“机械制造技术基础”、“质量管理”、“现代质量工程”等课程配套的教学实验；也可以作为机械制造企业推广ISO9000质量体系，对员工培训讲授“质量管理”、“统计过程控制”等内容时的基础训练科目。本项目实验的主要特点是：1、引进了现代质量控制的先进技术――统计过程控制（SPC）。统计过程控制（SPC）是企业提高产品质量，贯彻国际标准ISO9000质量体系，特别针对实行大批量生产的汽车、摩托车、家电、电子等行业必需掌握的基础技术。本实验以一个产品零件的某道工序加工作为背景，通过学习者观看加工录像，亲自实地操作，以帮助他们建立统计过程控制（SPC）基本概念和使用方法，直观清楚，便于掌握；2、目前生产企业的产品质量检测大多靠人工读数，不但手工抄录费时费力，而且检测的数据难以保留下来，不利于企业质量管理部门对生产过程出现的质量问题进行定量的系统科学的分析。本实验在实验手段方面引进了数字千分表等技术，测量数据经接口直接进入计算机处理，让学生得以初步了解先进的数字化的测量手段。本实验仅仅作为了解和实践统计过程控制（SPC）的入门，在短短的几个个学时内，能让学生在质量控制领域有一个初步的概念就算达到了实验的目的。3统计过程控制实验指导书1、实验的目的1.1了解统计过程控制的基本概念，认识统计过程控制的目的和意义；1.2了解实现零件关键尺寸统计过程控制所需的一种常用硬件设备，认识统计控制软件的几项基本功能——直方图、控制图、工序能力系数Cp、Cpk值的意义；1.3通过连续加工某工序某轴销零件的实例，在学员观察磨削（车削）加工过程录像片，使其对该零件加工工艺、设备背景有初步了解的基础上，模拟生产线上抽样零件的过程，运用数字化检测工具，完成该零件一系列的检测作业操作，被检测零件的质量数据将自动输入计算机；1.4初步学习统计过程控制（SPC）软件的运用，对产品加工过程的质量变化情况进行初步分析，并尝试提出一些改进措施。以上1.1、1.2项内容学员主要依靠阅读实验指示书、观看录像片和教师的讲解解决；1.3、1.4项内容，要求学员完成检测零件的实际操作和学习利用软件的分析功能，在教师指导下通过思考讨论，达到实验的目的。2、统计过程控制的基本概念和推广统计过程控制的目的意义2.1提出推广“统计过程控制”（SPC）技术的依据在激烈的市场竞争环境下，能否保证和不断提高产品质量已成为一个企业增其强竞争力的核心内容之一。机械产品是由许多部件、组件和零件组成的，其中零件是组成产品的最基本的单元，因此要保证产品质量首先就要保证零件的质量。为了确定某零件加工后的质量如何，我们需要对成品零件按照图纸上所规定的尺寸公差和技术要求，使用相应的检验工具或仪器对其进行检查，以判断该零件是否合格。传统工业企业质量管理比较重视成品的最终检验，通常是事后分析产品质量问题产生的原因，再来设法加以改进。随着现代化生产的发展，这种被动的质量控制方法已经不能满足进一步提高产品质量的需求。特别对于汽车、摩托车、家电、电子等大批量生产的产品，不论从成本和生产效率两方面都不允许对每个零件都进行检验，而事后解决问题还必然会出现大量废次品和浪费。为了经济合理地满足不断提高的产品质量要求，增强企业竞争力，有必要在广大企业中推广现代质量管理和质量控制方面的新成果。“统计过程控制”SPC（StatisticalProcessControl）在机械制造行业有人也称为“工序质量控制”，是指利用数理统计的方法，对生产工艺过程的各个阶段进行的监测与控制。加工工艺过程中产品零件尺寸出现误差的原因，一般是由正常的随机因素和某些系统误差因素（如刀具磨损、机床热变形等）引起的。通过对工序零件质量检测数据的统计处理，绘制并分析“控制图”、“直方图”、计算“过程能力系数”（或“工序能力系数”）Cp、Cpk值等……，即通常所称的SPC方法。该方法一方面可以评定工序保证质量的能力，同时，还可以一定程度预报产品质量变化的趋势，鉴别产生误差的原因，以便提出改进的措施，达到最终保证4与改进产品质量的目的。1924年，美国休哈特（W·A·Shewhart）博士将数理统计方法引入质量管理，发明了“控制图”，从而开始了统计质量控制阶段。使质量管理由单纯依靠质量检验、事后把关，发展到工序过程管理，突出了质量预防性控制。时至今日SPC的方法已经在国外的生产制造企业中得到了广泛的应用，并取得了显著的效益。有不少国外知名量仪公司生产的检测仪器，都带有SPC接口，以满足这项技术推广的需要。SPC是ISO9000质量标准中的重要内容。过去企业开展ISO9000质量认证中，由于实施SPC的硬、软件条件不够具备而经常被忽略，显然这种不正常的情况不可能永远下去。特别值得注意的是，2000年版的IS09000质量标准中，增加了“过程的监视与测量”新条款，特别强调了实行统计过程控制的意义。（1994年版本没有明确要求运用过程方法来管理质量体系）。在汽车QC9000质量体系新标准中，SPC是其中的重要内容。美国汽车制造商对其一级供货商联手推行QC9000标准，被纳入“制造技术发展50年大事记”，国内翻译出版了美国通用、福特、克莱斯勒汽车公司联合实施SPC的“SPC指导手册”等。都意味着对于大中规模批量生产企业，今后不论从推行生产过程的质量控制，或者通过IS09000、QC9000质量认证的评审，开展SPC都是不可缺少的。根据调查显示，国内企业中统计过程控制方法的应用还比较少，而质量控制与检测的方法基本上还停留在手工输入数据的阶段，数字化程度低不仅作业效率低下还容易出错。因此掌握SPC方法，利用数字化检测仪器进行质量检测，采用电脑进行统计分析，对提高企业产品质量和市场竞争力具有十分现实和重要的意义。2.2统计过程控制的基本概念为了便于说明问题，我们取得重庆厚强机械厂领导的支持，同意提供该厂的产品零件——曲柄销制造过程的有关工艺资料作为实例。为了让学生对这种零件的实际制造工艺环境有直观的体会，我们拍摄了该厂生产该零件主要工序的加工过程，并制作成光盘，供学生学习参考。该零件的照片如图1，成品的主要视图如图2－1所示。零件材料为20CrMo钢，其热处理工艺要求为，渗碳深度为0.8～1.2mm，淬火至硬度HRC60～65。外圆最终尺寸为009.0003.030，成品包装之前，按照规定要求以3微米的间隔为一个组别，对曲柄销零件通过尺寸检验分组包装，以利于今后的装配。产品零件的制造过程，从毛坯到成品都是由一系列工序组成。该曲柄销零件经过简化的加工工艺流程如图2－2所示。（注：图中“钻油孔”工序其实包含钻多个孔，还有倒角、钳工去毛刺等，在这里一5并简化纳入第9道序。）以下以曲柄销加工的第4道工序为例，简单说明实现统计过程控制（SPC）的若干概念。该零件最终需要控制的质量特征量显然主要是外圆尺寸009.0003.030。（1）为了保证产品质量，需要实行统计过程控制（SPC）。即对产品制造的全过程（特别是重要工序）进行监测与控制。工序是构成制造过程的基本单位。本例图1零件加工的工艺主要由切断、车削、粗磨、钻孔、热处理、精磨、超精磨等15道工序组成。（a）对产品质量的监测控制，应包括产品工艺过程所有的工序。本例产品零件的质量，不仅取决于最后的精磨、超精磨等精加工工序，棒材毛坯的质量、车削、粗磨及热处理等工序都会对最终成品零件的质量带来影响。本实验的内容是取其中的第4道粗磨工序的质量进行监测。即为了达到图1零件直径尺寸公差009.0003.030最终的技术要求，该粗磨工序允许的尺寸公差范围也必须加以限制，本例工艺文件规定允许的公差范围为005.035.30，以保证必要的精磨余量如图2－3所示。此外，如果热处理工序没有达到规定的HRC60～65范围，自然也不能合格。（b）利用检测零件尺寸得到的偏差数据和分析结果对工艺过程进行反馈控制，使该工艺过程始终处于稳定的最佳技术状态，这也是我们进行统计过程控制的最终目的。（2）SPC要求对反映工序质量的特性数据（本例为零件的直径值）进行数理统计分析，以便对该工序保证产品质量的能力及存在问题的原因进行全面、科学的估计。在制造过程中，产品零件的尺寸、形状和位置或其他质量特征值（如硬度等）出现误差无法避免，归纳起来一般是由普通因素和特殊因素两类原因引起的。设备的运转处于正常状态，加工过程中出现误差的原因通常称为普通因素或随机因素，一般符合统计规律，这种情况我们称设备处于可控状态；设备运转不正常，如刀具磨损、机床发热的变形等多种原因而使加工误差出现特异的变化（属于系统误差），引起误差的原因通常称为特殊因素。这种情6况我们称设备处于失控状态；为了保证加工质量，正确区分这二类误差因素，才有可能采取有效的针对性的解决措施。为了全面了解分析某工序加工过程产品质量的状况，SPC采取了科学的数理统计的方法。尤其在大批量生产时，不可能对全部产品零件进行检测的情况下，更需要应用数理统计中的抽样检验方法，以实现只检验少数零件而达到科学估计全体产品零件的质量及变化趋势，实现对产品工艺过程的各个阶段进行监测与控制，同时又达到降低质量管理成本的目的。实施SPC的大致流程如图3所示。这里涉及控制图、直方图、过程能力、过程能力指数（Cp、Cpk值）等概念，将在下面分别进行介绍。3、统计过程控制实验的一种硬件工具介绍当一批零件被加工出来后，需要对成品零件按照图纸上所规定的技术要求，使用相应的检验工具（仪器），对其进行检查，获得的数据通常称为“质量特性值”，对这些数据加以处理分析，可以判断该零件是否合格以及工艺上存在的问题。为此首先需要配备相应的检具和仪表。作为一个例子，结合本实验，其最简单的一种硬件配置如图4所示：检查曲柄销零件所使用的检具为D913型轴承检查仪，主要功能用于测量圆柱形零件的外径。该仪器工作台尺寸为160×160mm，测量外径的范围为30～mm120，测量高度范围为8～60mm。在仪器上方28的套筒内装上B531型电子数显千分表，该表的输出端带有RS232输出接口，可以和PC计算机主机连接，接受数显千分表测得的数据。从图4中可以看出，检查仪的工作台面上固定有定位触头1和2。触头1和数显千分表的测头保持一条直线，以作为用比较测量方法测量零件的基准。当被检零件直径改变时，可以通过松开螺母1，7使触头1沿台面的T型槽滑动至适合的位置，然后再拧紧螺母1。触头2则作为被测工件在仪器上定位的辅助支撑，以保证工件的中心通过触头1和电子数显千分表测头的联线。改变定位触头2的位置则靠松开螺母2，沿台面倾斜T型槽移动调整至适合的位置。夹紧电子数显千分表在仪器上依靠拧紧螺丝3。松开夹紧手柄2时，可通过旋转螺母3对数显千分表测头的位置进行微调，调整完毕厚再拧紧夹紧手柄2。对工件轴向检测位置的调整，则需分别松开夹紧手柄1（调整数显千分表位置）和螺丝1和2（调整定位触头1和2的位置）。4、用于统计过程控制的主要分析工具统计过程控制常用的分析工具根据ISO9000和国家标准（如常规控制图GB4901等）主要有“直方图”、“控制图”和“过程能力指数”等。在介绍上述内容之前，首先对采集和分析所用的主要数据作简单介绍。以本实验粗磨曲柄销零件测量作为例子，图3中零件的直径公差允许范围为0.0220.03019＋－，若加工第i个零件经检测后获得的实际直径值为19.012则这个零件测量获得的偏差值以符号iX表示，则iX＝0.012；当抽检多个零件时，i=1、2、3、……，则同样可测得1X、2X、3X、……。在作分析时，零件尺寸公差允