面向柔性自動化的成組統(tǒng)計質(zhì)量控制技術(shù)

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面向柔性自動化的成組統(tǒng)計質(zhì)量控制技術(shù)* 注意：本文已經(jīng)在《高技術(shù)通訊》(2000,8:64～66)雜志發(fā)表
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徐翀馬玉林袁哲俊
(哈爾濱工業(yè)大學現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)中心,150001)

摘要：針對柔性自動化生產(chǎn)環(huán)境下實施統(tǒng)計質(zhì)量控制(SQC－Statistical Quality Control)的難點－質(zhì)量數(shù)據(jù)不足的問題，本研究將成組思想引入統(tǒng)計質(zhì)量控制，以提高質(zhì)量數(shù)據(jù)的先驗性和質(zhì)量數(shù)據(jù)之間的相關(guān)關(guān)系，提出了基于工序質(zhì)量數(shù)據(jù)成組的成組統(tǒng)計質(zhì)量控制(GSQC-Group Statistical Quality Control)技術(shù)。通過對柔性自動化理論的研究和對實際生產(chǎn)環(huán)境的分析，證明了GSQC技術(shù)存在良好的制造技術(shù)基礎(chǔ)。提出了以p分位數(shù)不變?yōu)樵瓌t，以這一原則為基礎(chǔ)建立了基于統(tǒng)計變換的成組統(tǒng)計質(zhì)量控制圖的數(shù)學模型，給出了計算工序質(zhì)量數(shù)據(jù)成組的均值－方差質(zhì)量控制圖控制變量的計算過程。
關(guān)鍵詞：統(tǒng)計質(zhì)量控制，柔性自動化，成組技術(shù)

長久以來，統(tǒng)計質(zhì)量控制一直是面向大批量生產(chǎn)的質(zhì)量保證技術(shù)，已有統(tǒng)計質(zhì)量控制方法的基礎(chǔ)都是基于大數(shù)定理的弱先驗性和非先驗性的統(tǒng)計理論，這些統(tǒng)計質(zhì)量控制方法很難被直接引入柔性自動化的小批量生產(chǎn)環(huán)境。但SQC低投入、高產(chǎn)出的技術(shù)特質(zhì)和在大批量生產(chǎn)中產(chǎn)生過的巨大經(jīng)濟效益[1,2]，使學術(shù)界一直沒有放棄將SQC技術(shù)引入基于柔性自動化的多品種、小批量的生產(chǎn)環(huán)境中的努力[3,4]。本文亦致力于這方面的研究

1. 成組統(tǒng)計質(zhì)量控制技術(shù)的提出目前，國際上對小批量生產(chǎn)環(huán)境下實施統(tǒng)計質(zhì)量控制的研究主要集中在提高算法精度和提出新的質(zhì)量控制圖[5][6]，但無論什么樣的統(tǒng)計算法都需要足夠的樣本來統(tǒng)計，這方面的研究無法解決質(zhì)量數(shù)據(jù)不足的根本問題，在柔性自動化生產(chǎn)環(huán)境下實施SQC需要更有效的解決方法。成組思想不僅已被公認為是提高FMS有效性和經(jīng)濟性的重要基礎(chǔ)，而且有充分理由說明成組技術(shù)是發(fā)展基于柔性自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的具有廣泛適用性的基礎(chǔ)性理論。有鑒于此，本文將成組技術(shù)引入統(tǒng)計質(zhì)量控制研究，提出了面向柔性自動化的成組統(tǒng)計質(zhì)量控制(GSQC－Group Statistical Quality Control)技術(shù)，以解決柔性自動化生產(chǎn)環(huán)境下被統(tǒng)計質(zhì)量不足的問題。

1.1 GSQC技術(shù)的工作原理在柔性自動化生產(chǎn)環(huán)境下實施統(tǒng)計質(zhì)量控制的難點在于，質(zhì)量數(shù)據(jù)的不足。引入了成組思想的GSQC技術(shù)利用工序質(zhì)量數(shù)據(jù)的特點，將具有相似的工序質(zhì)量變異的工序質(zhì)量數(shù)據(jù)歸類成組，變小批量、分散的質(zhì)量數(shù)據(jù)為成組的大批量的質(zhì)量數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計變換的方法，將其簡化為服從同一種抽樣分布的統(tǒng)計子樣，之后利用同一種統(tǒng)計方法進行統(tǒng)計分析。這樣就擴大了被統(tǒng)計樣本的容量，從根本上解決柔性自動化生產(chǎn)環(huán)境下質(zhì)量數(shù)據(jù)不足的問題。

基于這種觀點，本研究在工序相似性的基礎(chǔ)上對加工過程實現(xiàn)標準變換處理，消除被控質(zhì)量特征的量綱對控制界限和統(tǒng)計變量的影響，將反映相同或相似工序質(zhì)量變異情況的不同質(zhì)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成服從相同統(tǒng)計分布的數(shù)據(jù)形式，再利用同一種統(tǒng)計方法進行分析，實現(xiàn)不同但相關(guān)的統(tǒng)計特征之間的統(tǒng)計關(guān)系，達到充分利用同一種加工環(huán)境的歷史數(shù)據(jù)和部分相關(guān)數(shù)據(jù)的目的，從根本上解決了數(shù)據(jù)不足對中小批量生產(chǎn)中的統(tǒng)計過程質(zhì)量控制的限制。

不同統(tǒng)計量的標準化方法不同，但其基本理論可以通過一種最簡單的標準化過程說明，公式(1)是在假設(shè)正態(tài)分布的平均值和整體方差都已知的情況下對正態(tài)分布的標準化變換：

(1)

式(1)中新得到的統(tǒng)計變量T為服從標準正態(tài)分布的無量綱隨機變量，控制界限在給定了第一類統(tǒng)計錯判的容許概率的情況下為固定不變的數(shù)值[7]。

1.2 GSQC技術(shù)需要解決的主要問題實施面向柔性自動化的GSQC技術(shù)的必須解決兩個關(guān)鍵問題：

1. 如何根據(jù)相似性理論提出面向統(tǒng)計質(zhì)量控制的工序分族理論和相關(guān)的支持理論，簡言之就是如何對質(zhì)量數(shù)據(jù)進行分類成組。已有成組技術(shù)的分類方法和成組原則都是面向加工制造，基于零件的加工方法和加工工藝相似；而GSQC技術(shù)需要的是面向質(zhì)量分析、基于工序質(zhì)量變異相似的成組理論和方法。因此，如何組織和利用工序質(zhì)量變異之間的相關(guān)關(guān)系，根據(jù)柔性自動化的特點和GSQC技術(shù)的需要，研究面向成組統(tǒng)計質(zhì)量控制的成組理論和歸類方法就成為有效實施GSQC技術(shù)所必須面對的問題[7]，主要涉及制造技術(shù)。

2. 高效率的統(tǒng)計變換問題。式(1)是統(tǒng)計變換的理想狀態(tài)，是在許多前提條件已知的情況下，但是具體的小批量生產(chǎn)環(huán)境是不可能的。因此，如何在不損失統(tǒng)計信息的前提下，利用分類成組后的質(zhì)量數(shù)據(jù)實施有效的統(tǒng)計估計，實現(xiàn)對的質(zhì)量數(shù)據(jù)的成組統(tǒng)計控制是實施工序成組的統(tǒng)計質(zhì)量控制的關(guān)鍵問題，主要涉及統(tǒng)計理論。

2. 實施GSQC技術(shù)的制造技術(shù)基礎(chǔ) GSQC的靈魂是成組思想，而成組的關(guān)鍵是制造系統(tǒng)中的相似性。因此，從制造技術(shù)的角度上來看，GSQC技術(shù)是否可行的關(guān)鍵必須從兩個方面考驗：一方面是在柔性自動化生產(chǎn)中是否有足夠的相似主體，也就是質(zhì)量變異相似的工序；另一方面是這些相似工序是否具有良好的再現(xiàn)性。

首先，在柔性自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中，為了以簡化適應(yīng)計算機化的需要，必然減少工序類型，使現(xiàn)有工序更趨于簡化；其次，由于其它成組技術(shù)在柔性自動化生產(chǎn)環(huán)境下的廣泛應(yīng)用，決定了在柔性自動化生產(chǎn)過程中必然存在大量相同和相似工序；此外，由于ISO9000族質(zhì)量標準的廣泛實施[8]，人為地促進了基本工序向相同和相似的方向發(fā)展。因此，從理論分析的角度上看，可以說在柔性自動化生產(chǎn)環(huán)境下具有大量的相似工序存在。

另一方面，由于柔性自動化是高度計算機化的系統(tǒng)，是一個能駕馭生產(chǎn)過程的物質(zhì)流、能量流和信息流的數(shù)字化生產(chǎn)系統(tǒng)，保證了其工藝系統(tǒng)具有極高的再現(xiàn)性。這不但是成組統(tǒng)計質(zhì)量控制的前提，而且使生產(chǎn)者可以進行更深入的了解和實施更嚴格的控制。

表1 Hurco BMC20型鏜銑加工中心上零件的工序分類

加工種類

相同工序

相似工序

不同工序

端銑加工

側(cè)銑加工

鉆削加工

鏜削加工

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