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过程质量控制基本原理

作者:上海享训

在本文中,我们将探讨生产过程质量控制的基本原理。

过程质量控制基本原理

    照片中的情形想必会开车的朋友们都比较熟悉。我们在开车的时候,希望汽车在两条白线之间平稳地运行。这就需要驾驶者时时观察汽车的运行动态。当汽车偏离两条白线的中心线时,或者有偏离的趋势的时候,就会调整方向盘,使汽车继续保持在两条白线中间。这就是预防性管控的概念。除了醉酒驾车,我们绝对不会等到汽车轮胎压倒白线后再打方向盘。如果是那样的话,我们很可能和相邻车道的汽车发生刮擦,那就太危险了。

    但是在我们驾驶时很简单很正常很常用的预防性管控的理念和方法,放在生产制造企业的现场质量管控中,大家就都忘记了,就不会用了。我们很多的企业仍然停留在以检验产品为主要的控制手段,等产品超差才去调整过程。更有甚者,把产品超差当成正常现象,靠检验来挑选合格产品,不合格就返工返修或报废,根本忘记了对过程输入的挑战。这就背离了预防性质量控制的基本理念。

    今天我们就要探讨一个基本理论,基于闭环控制理论的以控制过程输入为主的预防性过程质量控制。


开环控制和闭环控制

    在自动控制理论中有两种控制模型:开环控制和闭环控制。

    下图所示是开环控制模型。开环控制的特性是控制输入以保证输出,而输出信号不会对输入产生影响。

过程质量控制基本原理

    生活中的开环控制的应用还是很多的。例如我们用微波炉加热食物,设定火候和加热时间后,启动开关,微波炉就会开始加热。例如我们投篮球时,瞄准了篮筐,选择好力道,一旦篮球出手后我们就无法再干预篮球的运行。

    但同时我们在生活中的很多例子是不能应用开环控制的,例如开车。如果在平直的道路上把方向盘把平,车就应该开直线。如果我们把方向盘把平,闭着眼睛开车,就属于开环控制。但很显然我们没有人敢闭着眼睛开车。只要大家睁开眼睛开车,控制模型就变化了,就变成了闭环控制系统。闭环控制系统的控制模型如下图。

过程质量控制基本原理

    闭环控制过程是下面四个步骤的循环。


过程质量控制基本原理


 

    与开环控制相比,闭环控制具有更精准、更可靠的特点。因而在很多领域都会首先考虑使用闭环控制系统。在对生产过程的质量控制中,我们也利用这个闭环控制的指导思想。
 

闭环过程质量控制模型

    下图是生产过程的简化模型。

    原材料进入生产加工过程,产成品出去。产品的质量,这里首先是产品的符合性质量,是承载在产成品上的。也即生产加工之后,在本过程中所改变的产品特性是否符合预期的要求,是要在产成品上测量和检验出来的。

过程质量控制基本原理

    这个“生产过程”是个普遍代表意义上的高度概括。大家可以理解为一个工位、一个工序,或者一条生产线,或者企业里为了生产某一产品的相关多条生产线。

    如果把生产过程后所产生的产品特性看成函数Y(大写是表示由多个函数变量yi所组成的向量),我们有函数关系式:

  过程质量控制基本原理

    那么为了控制Y持续稳定地在预期的范围内,就需要研究:

  • 有哪些自变量x,会影响到Y?

  • 其中对于各个y来说,各自的有主要影响作用的自变量有哪些?

  • 这些自变量应该控制在什么范围内,使得Y可以始终预期的范围内波动?

  • 采用什么样合适的方法去控制这些自变量。

    为了得到预期的Y,而控制自变量X的控制模型,我们说是开环控制的模型。那么当然的,在过程质量控制中,闭环控制的模型更具备优势。

    下图是闭环过程质量控制的模型。


过程质量控制基本原理

    闭环过程质量控制的特点是:

  • 首先要研究过程的输入和输出的影响关系,策划出过程输入适宜的变化范围;

  • 控制过程输入在预定范围内比较稳定地波动;

  • 检测输出,也即检测产品,判定过程的变化趋势;

  • 在过程输出出现不良趋势时,及时调整过程的输入。

   这种控制模型叫做“基于闭环控制理论的,以控制输入为主的,预防性过程质量控制”。请注意这三个关键词:闭环控制、控制输入、预防性控制。

    这里强调的是,所谓预防性质量控制,一定是控制输入。即,我们要求能够做到,假设我们不去检测过程的输出,不去检测产品,只要控制好了输入就能够保证加工制造出来的产品就是合格品。这个假设设问,是我测试企业预防性质量管控是否策划和施行到位的试金石。

    而检测产品,在这里仅仅是监控的趋势,增加过程控制的可靠性和稳定性。

    在制造企业的生产过程中,人、机、料、法、环、物流、检测、等的具体的管理方法,我将在后续文章中陆陆续续加以专题讲解。在《现场质量管控》、《QCB——质量控制基础》等课程中,也会加以详细讲述。


检验控制模型

    在我们生产实践中,大量的企业并没有按照闭环过程质量控制的模型来指导现场质量管理。而是弱化,甚至放弃了对过程输入的管控,而大量依赖于对产品的检测检验。合格放行,不合格返工返修或产品报废。

    这样的以检验为主的质量控制模型如下图。

过程质量控制基本原理


 

    这样的过程,我们说既不是开环控制,也不是闭环控制。因为它放弃了对过程输入的管控。而无论是开环控制还是闭环控制,其控制的重点都是放在了对过程输入的管控。

    在我们很多企业,也贯标ISO9001和TS16949,也在强调和宣传人、机、料、法、环、测的管控,但如果我们不研究输入和输出的影响关系,没有寻找适宜的过程输入的范围,因超差大量存在而习以为常;如果我们在生产过程中经常存在大量的工废料废,大量的返工返修,而信息不向前传递,不在源头上分析原因,调整对过程的输入的管控。那么我们仍然属于检验控制的模型。

    
检验控制和闭环质量控制的差异点比较

    与闭环质量控制相比较,依赖产品检验的过程质量控制存在如下差异点:

  1. 控制的关注点和重点不同。检验控制仅关注于过程的结果,弱化或放弃了对过程输入的管控;而闭环质量控制首先关注对过程输入的管控。

  2. 产品检测的目的不同。检验控制,检验产品的目的是判断产品是否合格;而闭环过程质量控制,检验产品的目的是为了了解过程的变化趋势。

  3. 产品检测值的比较对象不同。检验控制是,产品的检测值的比较对象是产品的公差;而闭环过程质量控制,产品的检测值的比较对象首先是产品特性的目标值。如果是双向公差的话,应该和中间公差相比较。

  4. 过程质量的稳定性会有很大的不同。依赖对产品检测的指导思想下,必然放弃了对过程输入输出影响关系的研究,放弃了对过程输入的合理范围的分析,弱化或忽视了对过程输入的管控,因而过程是不稳定的;而以控制输入为主的闭环质量控制,过程的稳定性可以保证,产品特性往往是集中在中间公差的稳定的分布。

  5. 产品检测的频次会有很大不同。如果过程是稳定的,就可以利用抽检来检验。但如果过程是不稳定的,就必须采用100%检测。

  6. 质量成本不同。以检验为主的过程质量控制,因为需要100%检验而增加检验成本、因为过程的稳定性差而使报废成本增加,同时因为零部件各产品特性常常在极限公差附近波动,从而容易造产品的成功能障碍,导致顾客抱怨频繁。

    过程质量控制基本原理


闭环过程质量控制的基本原则

    基于闭环控制理论的过程质量控制,应遵守如下的基本原则:
    以控制输入优先的原则。应策划合理的过程输入的各个要素状态、各个过程特性的适宜的范围,例如设备、工装、模具、刀具的精度,电流、电压、加工速度、压力、温度、流量等动态参数的范围,人员操作的动作要领,等等。并策划合理的控制手段和方法。
    风险早预防的原则。不要等到产品超差再采取行动,应在出现不良趋势或异常迹象的时候就要及早采取行动,及早调整过程的输入预防不良的发生。
    报废和返工返修等于不正常的原则。  所有的废品和返工都暴露了过程控制