Статистическое регулирование технологического процесса

Поскольку качество изготавливаемой продукции зависит от качества технологического процесса, то по качеству первой можно судить о качестве последнего.

Заключение о качестве технологического процесса делают по результатам выборочного контроля параметров производимой продукции.

Для того, чтобы вовремя выявить нарушения в ходе процесса, необходимо периодически брать пробы (выборки), осуществлять измерение их параметров и в зависимости от результатов измерений либо продолжать процесс (если отклонений не выявлено), либо (если выявлены отклонения) остановить его и осуществить подналадку.

Данные измерений заносят в контрольную карту и по расположению данных в контрольной карте делают вывод о качестве технологического процесса, а именно - выход контролируемой статистической характеристики за границу регулирования является сигналом о разладке данного технологического процесса.

Метод контрольных карт основан на теории вероятностей и математической статистики. При этом исходят из следующих основных положений:

1. В процессе производства любых изделий невозможно получить всю продукцию тождественного качества. Изменение параметров продукции, колеблющееся в определенных пределах, называется рассеянием (распределением) параметров и отражает закономерности данного технологического процесса. Рассеяние параметров вызывается комплексом случайных и систематических причин, которые действуют в процессе производства и определяют погрешности данного технологического процесса.

Как показывает практика, большинство технических параметров распределяется по закону нормального распределения Гаусса (размеры, объемы, температура, твердость, масса и другие). Может быть и равномерное распределение. Реже встречается распределение по закону Максвелла, который отражает одностороннее распределение параметров (биение, дисбаланс, неперпендикулярность и другие).

2. Группа предметов, объединенных каким-либо общим качественным или количественным признаком, называется статистической совокупностью. Предметы, ее образующие, называются членами совокупности, число членов образует объем совокупности.

Часть членов статистической совокупности, отобранная из нее для получения сведений о всей совокупности, называется выборочной совокупностью (выборкой). Число членов выборки образует ее объем.

Различают выборки: малые (<25) и большие (25).

3. На основании закона больших чисел утверждают, что если генеральная (статистическая) совокупность подчиняется определенному закону рассеяния, то и выборка при достаточном ее объеме подчиняется тому же закону и наоборот.

Как известно, основными статистическими характеристиками нормального распределения являются:

· среднее значение;

· стандартное (среднеквадратическое) отклонение ()

Беря выборку из статистической совокупности и вычисляя ее статистические характеристики и, считают, что они являются оценками характеристик всей совокупности, то есть и

График нормального распределения (рис. 6.9) отражает изменение частоты попадания измеряемой величины в соответствующий интервал значений. Он строится на основании соответствующей гистограммы (см. п. 6.2).

Рис. 6.9. График нормального распределения.

Частота попадания измеряемой величины в соответствующий диапазон распределения указана в таблице 6.7.

Таблица 6.7

Диапазон распределения	Частота попадания в диапазон, %	Частота попадания за пределы диапазона, %
X±1	68,26	31,74
X±2	95,44	4,56
X±3	99,73	0,27
X±4	99,994	0,006

Как можно видеть, вероятность того, что данные выйдут за предел диапазона тройного стандартного отклонения, составляет 0,27%. Это значит, что в случае, когда стандартное значение параметра изделия отличается от среднего (номинального) на ±3(поле допуска =6), если даже все изделия в выборке из партии оказались годными, в партии около 0,3% изделий могут оказаться бракованными.

Таким образом, для обеспечения качества при выборочной проверке стабильность процесса должна быть таковой, чтобы разброс параметров изделий удерживался в пределах 8-10-кратного стандартного отклонения в одну и в другую сторону от стандартной нормы параметра (от его номинального значения).

4. Указанное утверждение верно для случая, когда среднее значение распределения совпадает с номинальным значением параметра X_ном. В случае же их несовпадения наличие брака обусловливается не только соотношением ширины поля допуска и диапазона рассеяния, но и величиной смещения среднего значения распределения относительно X_ном. (рис. 6.10).

Годными являются все изделия, у которых контролируемый параметр X отклоняется от его номинального значения X_ном. не более чем на величину допуска /2. Сравнивая практическую зону рассеяния (6) с полем допуска () на заданный параметр, определяют возможный брак.

Брак может появиться в трех случаях:

1. практическая зона рассеяния больше поля допуска на исследуемый параметр. Это означает, что точность процесса низкая и не обеспечивает заданной точности параметра;

2. практическая зона рассеяния меньше поля допуска, но имеется значительное смещение середины зоны рассеяния относительно середины поля допуска. Это указывает на смещение центра настройки оборудования;

3. имеют место обе причины.

При построении контрольных карт необходимо определить:

· контрольные границы для статистических характеристик измеряемой величины, характеризующие границы регулирования технологического процесса;

Рис. 6.10.

· периодичность отбора выборок или проб;

· объем выборки или пробы;

· меры, которые необходимо принять при предупреждающем сигнале и сигнале о разладке процесса.

Контрольные границы (контрольные нормативы) определяются на основе сбора и статистической обработки данных, характеризующих нормальное состояние процесса.

Часто в основу определения значений регулируемой характеристики, при которых наступает разладка, берут и экономические соображения.

В этом случае исходными данными для расчета границ регулирования и объема выборки являются значения вышеуказанных статистических характеристик, а также значения риска излишней наладки и риска незамеченной разладки.

Риском излишней наладки называется вероятность того, что по статистической оценке параметров технологического процесса будет принято решение произвести очередную настройку, когда в ней нет необходимости.

Риском незамеченной разладки называется вероятность того, что по статистической оценке параметров технологического процесса будет принято решение не производить настройку, когда она в действительности необходима.

Оба риска устанавливаются экономическими расчетами или соглашением отдела - разработчика технологического процесса с ОТК на основе практического опыта.

Период отбора выборок или проб устанавливается на основании распределения времени разладки процесса, которое определяется обработкой результатов наблюдений разладки процесса в предшествующем периоде.

Объем выборки или пробы определяется по нормативным таблицам на основании статистических характеристик технологического процесса, требуемой вероятности обнаружения брака и принятой периодичности отбора проб.

Методы статистического регулирования технологических процессов с применением различных контрольных карт стандартизованы в государственных стандартах РФ, международных стандартах ИСО и национальных стандартах многих стран.

В производственной практике используют различные виды контрольных карт, отличающиеся характером используемых данных. Наиболее широко применяемыми являются следующие их виды:

· карта средних арифметических и размахов, -карта;

· карта медиан и крайних значений, (M-X)-карта;

· карта контроля по альтернативному признаку (P-карта);

· карта числа дефектов (C-карта);

Карта средних арифметических и размахов (рис.6.11) содержит две контрольные диаграммы:

· контрольная диаграмма для наблюдения за средними арифметическими значениями выборки (диаграмма настройки). На диаграмму наносятся верхняя и нижняя технические границы (T_В и T_Н), соответствующие границам поля допуска, верхняя и нижняя предупредительные границы (P_В и P_Н), определяющие допустимые отклонения средних арифметических значений контролируемого параметра при нормальном устойчивом процессе, а также точками - значения средних арифметических для выборок;

· контрольная диаграмма для наблюдения за размахами выборок. На диаграмму наносятся верхние техническая (T_В) и предупредительная (P_В_R) границы, а также значения размаха в выборках (точками).

Карта медиан и крайних значений (рис. 6.12) содержит совмещенную диаграмму результатов измерений. На диаграмму наносят шесть контрольных линий: верхняя и нижняя технические границы (T_В и T_Н), верхняя и нижняя предупредительные границы для медиан (P_ВМ и P_НМ), верхняя и нижняя предупредительные границы для крайних значений выборок (P_ВК и P_НК), а также крайние (минимальный и максимальный) или все результаты замеров в выборках (точками) и значения медиан выборок (крестиками). (Медианой в математической статистике называют серединное значение упорядоченного по возрастанию или убыванию ряда чисел).

Расчетные зависимости, необходимые для построения контрольных диаграмм, представлены в таблице 6.8.

Анализ контрольных диаграмм и соответствующее заключение о качестве изготовленной продукции и качестве технологического процесса осуществляются следующим образом.

Для метода средних арифметических и размахов:

1. если среднее арифметическое значение и размах находятся внутри своих предупредительных границ, то это означает, что процесс настроен и брак отсутствует;

2. если среднее арифметическое или (и) размах вышли за пределы предупредительных, но находятся внутри технических границ - процесс расстраивается, но это еще не привело к браку. Необходимо выяснить причины разладки и подналадить процесс;

3. если среднее арифметическое или (и) размах вышли за пределы технических границ, то это означает, что процесс расстроен и имеется брак. В этом случае необходимо наладить процесс, а всю продукцию, изготовленную после взятия предыдущей выборки, подвергнуть сплошному контролю и разбраковке.

Выход средних арифметических значений за контрольные границы указывает на смещение центра настройки. Выход же размахов за ограничения указывает на потерю точности.

Для метода медиан и крайних значений анализ контрольных диаграмм осуществляется аналогично изложенному с тем отличием, что в качестве анализируемых величин рассматриваются медиана и крайние значения контролируемого параметра в выборке в их соотношении с соответствующими предупредительными и техническими границами.

Рис.6.11. Контрольная- карта.

Рис.6.12. Контрольная (M-X)-карта.

Таблица 6.8.

Расчетные зависимости для построения контрольных диаграмм.

Элементы расчета	Расчетная формула
Среднее арифметическое значение
Размах
Ордината верхней предупредительной границы для средних значений
Ордината нижней предупредительной границы для средних значений
Ордината верхней технической границы для размаха
Ордината верхней предупредительной границы для размаха
Ордината верхней предупредительной границы для медиан
Ордината нижней предупредительной границы для медиан
Ордината верхней предупредительной границы для крайних значений
Ордината нижней предупредительной границы для крайних значений

Условные обозначения:

Х_i - i-е значение контролируемого параметра в выборке; n - объем выборки; X_max и X_min - максимальное и минимальное значения контролируемого параметра в выборке; T_В и T_Н - максимальное и минимальное значения контролируемого параметра, определяемые его верхним и нижним допустимыми отклонениями; - ширина поля допуска на параметр; и - соответственно среднее арифметическое значение и среднеквадратическое отклонение контролируемого параметра в партии деталей (генеральной совокупности) при настроенном процессе; А₁, d_n, T_n, К_М, К - статистические коэффициенты, зависящие от объема выборки.

Рассмотренные методы составления контрольных карт используются в тех случаях, когда показатели качества могут быть выражены количественными данными (размеры, масса, прочность и т.д.). В тех случаях, когда показатели качества характеризуются качественными оценками (интенсивность окрашивания, степень загрязнения и т.п.) обычно применяют другой вид контрольных карт, которые называются контрольными картами поальтернативному признаку. В таких случаях качество определяется двумя оценками: "качественно" и "некачественно". Одним из видов контрольных карт по альтернативному признаку являются P - карты, позволяющие контролировать качество изготовленной продукции по числу дефектных изделий.

При построении P- карты вначале собирают предварительные данные так, чтобы их число можно было представить 20-25 группами, и для каждой группы рассчитывают долю (%) дефектной продукции P по формуле:

P=P_n/n

(6.2)

где P_n - число дефектных изделий; n - число изделий в группе.

При определении доли дефектной продукции P подсчитывают число дефектных изделий из партии произведенной продукции только в отношении установленного показателя качества. Собранные данные заносятся в табл. 6.9.

По данным таблицы строят контрольную P - карту:

1. Определяют долю дефектных изделий для каждой группы по формуле (6.2).

2. На бланке контрольной карты по горизонтальной оси откладывают номера групп, а по вертикальной оси - найденные для этих групп значения доли дефектной продукции P в процентах (рис. 6.13).

3. Рассчитывают ординаты центральной линии и контрольных границ по формулам:

центральная линия:		(6.3)
верхняя контрольная граница:		(6.4)
нижняя контрольная граница:		(6.5)

4. Если получаетсяT_Н<0, то в этом случае T_Н отсутствует.

5. Определенная указанным образом центральная линия обозначается на карте сплошной линией, а контрольные границы - пунктирной линией.

Таблица 6.9

N группы	Число изделий в группе, n	Число деффектных изделий, P_n	Доля деффектных изделий, Р
... ... ...	... ... ...	... ... ...	0,04 0,02 ... ... ...
Всего	n	P_n

Рис. 6.13. Контрольная P - карта.

Контрольные границы P - карты меняются в зависимости от числа изделий в каждой из групп. В нашем примере для каждой группы n постоянно (=100). Поэтому и контрольные границы одинаковы.

С помощью контрольных карт можно контролировать также суммарное число дефектов, например, число царапин на поверхности изделия и т.п. В этом случае применяют C - карты.

Данные по подсчету числа дефектов в изделиях для каждой выборки заносят в табл. 6.10.

Построение С - карты с использованием данных табл. 6.10 производится следующим образом:

1. Значения суммарного числа дефектов C для каждого номера выборки наносят на бланк контрольной карты (рис. 6.14).

2. Определяют среднеарифметическое значение числа дефектов путем деления общего числа подсчитанных дефектов на число групп (выборок):

(6.6)

4. Рассчитанное значение определяет среднюю линию.

6. Для нашего примера.

7. Рассчитывают ординаты контрольных границ по формулам:

верхняя контрольная граница		(6.7)
нижняя контрольная граница:		(6.8)

Для рассматриваемого примера:

Т_В = 4,1+3=10,17>;

Т_Н = 4,1-3=-1,97 (отсутствует).

Таблица 6.10

N выборки	Суммарное число деффектов, С	N выборки	Суммарное число деффектов, С

Рис. 6.14. Контрольная С - карта.

Аналогично картам и (M-X), если все точки графика оказываются внутри контрольного диапазона Р - карты или С - карты, это означает, что процесс протекает стабильно. Если же одна или несколько точек выходят за контрольные границы, это означает, что в процессе произошли какие-то отклонения, грозящие выходом дефектной продукции. При этом, для предотвращения повторного "выброса" необходимо быстро найти причину отклонения и принять меры по ее устранению.

Планы контроля

Для организации контрольных операций с целью обеспечения требуемого качества продукции разрабатываются планы контроля (ГОСТ 15895-77).

В плане контроля отражаются данные:

· вид контроля;

· объем контролируемой партии продукции;

· объем выборок или проб;

· контрольные нормативы;

· решающие правила.

Планы контроля включаются в стандарты на правила приемки продукции, на методы контроля (испытаний, анализа, измерений), в документацию на технологию контрольных операций, в договора на поставку продукции.

Под видом контроля понимается сплошной или выборочный контроль.

При выборочном контроле партий продукции может осуществляться одноступенчатый, двухступенчатый, многоступенчатый и последовательный контроль. Количество ступеней контроля соответствует максимальному количеству выборок для принятия решения о приемке или браковке контролируемой партии, в случае последовательного контроля это число неограничено.

Целесообразность выборочного контроля устанавливается на основе сопоставления затрат на контроль и на возмещение убытков от брака.

Контроль может быть по альтернативному или по количественному признаку. При первом виде контроля решение о годности партии продукции принимается в зависимости от числа дефектных единиц продукции в выборке или среднего числа дефектов в нескольких выборках. При втором виде - в зависимости от измеренных значений контролируемого параметра продукции.

Объем контролируемой партии продукции назначается в зависимости от организационно-технических условий проведения контроля. В случае производственного контроля главным условием формирования контролируемой партии является однородность условий производства единиц продукции, составляющих эту партию. При выполнении этого условия для обоснования объема партии принимаются во внимание наличие производственных площадей для размещения партии, темп подачи продукции на последующие технологические операции и участки, наличие контролеров и т.д.

Объем выборки, т.е. число единиц продукции, подвергаемых контролю, зависит от объема партии, важности и сложности продукции, а также от характера последствий брака.

Общетехнические стандарты на статистический приемочный контроль содержат значения объемов выборок и контрольных нормативов в зависимости от объемов партии и некоторых величин, характеризующих условия контроля.

Контрольный норматив - это значение показателя качества продукции, определенное НТД и представляющее собой критерий для принятия решения о соответствии продукции установленным требованиям по результатам контроля. При статистическом приемочном контроле контрольными нормативами являются приемочный и браковочный нормативы (по ГОСТ 18242-72 или 20736-75).

Решающее правило представляет собой указание или совокупность указаний, предназначенных для принятия решения относительно приемки партии продукции по результатам контроля.

Вследствие того, что при статистическом приемочном контроле контролируется только часть партии продукции, для любого плана контроля существует отличная от нуля вероятность принять ошибочное решение: принять партию продукции, не соответствующую установленным требованиям, или забраковать партию продукции, соответствующую установленным требованиям.

Указанные ошибочные решения сопровождаются убытками, в первом случае - потребителя, во втором - поставщика. Убытки можно уменьшить, если увеличить объем выборки, но при этом увеличиваются затраты на контроль.

План контроля, для которого суммарные затраты на контроль и возмещение убытков от ошибочных решений минимальны, считается оптимальным. Оптимизация плана контроля может осуществляться и по критерию минимального объема выборки при заданных условиях контроля.