统计过程控制概述

第一节　统计过程控制概述

SPC是英文Statistical Process Control的字首简称，即统计过程控制。SPC是应用统计技术对过程中的各个阶段进行监控，从而达到改进与保证质量的目的。其中，控制图理论是SPC最主要的统计技术。

控制图是判别生产过程是否处于控制状态的一种手段，利用它可以区分质量波动究竟是由随机因素还是系统因素造成的。

1924年美国的休哈特(Walter A.Shewhart)提出了过程控制的概念与实施过程监控的方法，并首先提出用控制图进行生产控制，稳定生产过程的质量，达到以预防为主的目的。控制图的种类很多，本节主要介绍常规控制图，也称休哈特控制图。

常规控制图要求从过程中获取以近似等间隔抽取的数据，此间隔可以用时间(例如每小时)或者用数量(例如每批)来定义。通常，这样抽取的数据在过程控制中称为子组，每个子组由具有相同可测量单位和相同子组大小的同一产品或服务所组成。从每一子组可得到一个或多个子组特性，如子组平均值x、子组极差R或标准差S。常规控制图就是给定的子组特性值与子组号对应的一种图形，它的基本格式包括两个部分:

一是标题部分，主要包括企业、车间、班组的名称，机床设备的名称、编号，零件、生产名称、编号，检验部位、要求、测量器具、操作工、调试工、检验工、绘图者的名称，以及控制图的名称、编号等。

二是控制图部分，指根据概率统计的原理，在普通坐标纸上做出两条控制限和一条中心线，然后把时间顺序抽样所得的质量特性值(或样本统计量)以点子的形式依次描在图上，通过点子的动态分布情况来分析生产过程质量及其趋势的图形。控制图的基本格式如图4-1所示。

图4-1　控制图示例

图4-1中的横坐标是以时间先后排列的样本组号(子组号)，纵坐标为质量特性值或样本统计量。两条控制限线一般用虚线表示，上面一条称为上控制限(记为UCL，Upper control limit)，下面一条称为下控制限(记为LCL，lower control limit)，中心线用实线表示(记为CL，Central Line)。

在生产过程中，应定时抽取样本，把测得的点子按时间先后一一描在图上。如果点子落在两控制限之间，且点子排列是随机的，则表明生产过程仅有随机误差存在，生产基本正常，处于统计控制状态，此时对生产过程可不必干预；如果点子落在两控制限线之外，或点子在两控制限线内的排列是非随机的，则表明生产过程中有系统性原因导致的系统误差存在，生产已处于非统计控制状态，此时必须采取措施使生产恢复正常。这样可用控制图对生产过程不断地进行监控，能够对系统性原因的出现及时警告，起到预防作用。

生产过程中无论工艺条件多么一致，生产出来的产品的质量特性值也不会完全一致，这就是所谓的质量波动。它是由人、机器、材料、方法和环境等基本因素的波动影响所致。产品质量特性的波动分为正常波动和异常波动。

正常波动是偶然性因素(不可避免因素)造成的。它对产品质量影响较小，在技术上难以消除，在经济上也不值得消除(机器的微小振动、原材料的微小差异等)。

异常波动是由系统原因(异常因素)造成的。它对产品质量影响很大，但能够采取措施避免和消除(模具磨损、误操作等)。过程控制的目的就是消除、避免异常波动，使过程处于正常波动状态。

统计过程控制是一种借助数理统计方法的过程控制工具。它对生产过程进行分析评价，根据反馈信息及时发现系统性因素出现的征兆，并采取措施消除其影响，使过程维持在仅受随机性因素影响的受控状态，以达到控制质量的目的。它认为，当生产过程仅受随机因素影响时，过程处于统计控制状态(简称受控状态)；当生产过程中存在系统因素的影响时，过程处于统计失控状态(简称失控状态)。由于过程波动具有统计规律性，当生产过程受控时，过程特性一般服从稳定的随机分布；而失控时，过程分布将发生改变。SPC正是利用过程波动的统计规律性对过程进行分析控制。因而，它强调过程在受控和有能力的状态下运行，从而使产品和服务稳定地满足顾客的要求。

实施SPC的过程一般分为两大步骤:第一步用SPC工具对过程进行分析，如绘制分析用控制图等；根据分析结果采取必要措施:可能需要消除过程中的系统性因素，也可能需要管理层的介入来减小过程的随机波动以满足过程能力的需求。第二步则是用控制图对过程进行监控。

SPC非常适用于重复性生产过程。它能够帮助我们:

(1)对过程做出可靠的评估。

(2)确定过程的统计控制界限，判断过程是否失控和过程是否有能力。

(3)为过程提供一个早期报警系统，及时监控过程的情况以防止废品的发生。

(4)减少对常规检验的依赖性，定时的观察以及系统的测量方法替代了大量的检测和验证工作。

SPC作为质量改进的重要工具，不仅适用于工业工程，也适用于服务等一切过程性的领域。在过程质量改进的初期，SPC可帮助确定改进的机会，在改进阶段完成后，可用SPC来评价改进的效果并对改进成果进行维持，然后在新的水平上进一步开展改进工作，以达到更强大、更稳定的工作能力。

一、过程控制

生产过程是产品质量形成的关键环节，在确保设计质量的前提下，产品质量很大程度上依赖于生产过程质量。过程控制是指为实现产品过程质量而进行的有组织、有系统的过程管理活动。其目的在于为生产合格产品创造有利的生产条件和环境，从根本上预防和减少不合格品的产生。

过程控制的主要内容包括:

(1)对过程进行分析并建立控制标准

分析影响过程质量的因素，确定主要因素，并分析主要因素的影响方式、途径和程度，据此明确主要因素的最佳水平，实现过程标准化；确定产品关键的质量特性和影响产品质量的关键过程，建立管理点，编制全面的控制计划和控制文件。

(2)对过程进行监控和评价

根据过程的不同工艺特点和质量的影响因素，选择适宜的方法对过程进行监控，如用首件检验、巡回检验和检查记录工艺参数等方式对过程进行监控；利用质量信息对过程进行预警和评价；利用控制对过程波动进行分析、对过程变异进行预警，利用过程性能指数和过程能力批数对过程满足技术要求的过程质量进行评定。

(3)对过程进行维护和改进

过程控制通过对过程的管理和分析评价，消除过程存在的异常因素，维护过程的稳定性，对过程进行标准化，并在此基础上，逐渐地减少过程固有的变异，实现过程质量的不断突破。

二、统计过程控制

贯彻预防原则是现代质量管理的核心与精髓，为了保证预防原则的实现，20世纪20年代美国贝尔电话实验室成立了两个研究质量的课题组，一组是过程控制组，学术领导人为休哈特(Walter A.Shewhart)；另一组是产品控制组，学术领导人为道奇(Harold F.Dodge)。其后，休哈特提出了过程控制理论以及控制过程的具体工具控制图(Controlchart)。道奇与罗米格(H.G.Romig)则提出了抽样检验理论和抽样检验表。1931年休哈特出版了他的代表作《加工产品质量的经济控制》(Economical Control of Quality of Manufactured Products)，这标志着统计过程控制时代的开始。

统计过程控制是应用统计学技术对过程中的各个阶段进行评估和监控，建立并保持过程处于可接受的并且稳定的水平，从而保证产品与服务符合规定的要求的一种技术。它是过程控制的一部分，从内容上来说主要有两个方面:一是利用控制图分析过程的稳定性，对过程存在的异常因素进行预警；二是计算过程能力指数分析稳定的过程能力满足技术要求的程度，对过程质量进行评价。

近年来，随着科学技术迅猛发展，无论是产品质量还是控制技术都有了很大的突破，从产品质量上来说，产品的不合格品率迅速降低，如电子产品的不合格品率由过去的百分之一(10^－2)、千分之一(10^－3)降低到百万分之一(ppm，10^－6)，乃至十亿分之一(ppb，10^－9)。

在控制技术上，生产控制方式由过去的3σ控制方式演进为6σ控制方式。3σ控制方式的过程均值无偏移不合格率为2.7×10^－3，过程均值偏移1.5σ的不合格品率为66807ppm。而对于6σ控制方式其过程均值无偏移不合格品率为0.002×10^－6=2ppb，过程均值偏移1.5σ的不合格品率为3.4ppm。由此可知，在均值无偏移条件下，6σ控制方式的不合格品率仅为3σ控制方式的1/1.35×10⁶；而在均值偏移1.5σ的条件下，前者的不合格品率也仅为后者的1/ 20000(见图4-2)。

图4-23　σ控制方式与6σ控制方式的比较

三、统计过程控制的特点

许多质量管理技术是对已出产的产品(包括半成品)进行分析、检验或评估，以找出提高产品质量的途径和方法，这是一种“事后”的补救性的方法。统计质量管理(SPC)则与这种方法不同，它是在生产过程中的各个阶段(工序)对产品质量进行实时的监控与评估，因而是一种预防性方法。贯彻预防性原则是现代质量管理的一个特点。此外，作为全面质量管理的一种重要技术，统计质量控制也强调全员参与团队精神，而不是只依靠少数质量管理人员。最后，统计质量控制并不是简单地解决对特定工序用什么样控制图的问题，它强调整个过程，SPC的重点就在于P(Process)，即过程。

四、统计过程诊断

SPC可以判断过程的异常，及时告警。但早期的SPC不能告知此异常是什么因素引起的，发生于何处，即不能进行诊断。而在现场迫切需要解决诊断问题，否则即使要想纠正异常也无从下手。故实际与理论都迫切需要将SPC加以发展，现代SPC已包含了这部分内容，即统计过程诊断(Statistical Process Diagnosis，简称SPD)。SPD不但具有早期SPC告警进行控制的功能，而且具有诊断功能，故SPD是现代SPC理论的发展和重要组成部分。SPD就是利用统计技术对过程中的各个阶段进行监控与诊断，从而达到缩短诊断异常的时间，以迅速采取纠正措施、减少损失、降低成本、保证产品质量的目的。SPD是20世纪80年代发展起来的。