紀(jì)亭賀，閆傳輝，劉宏亮，何立超，陳 陽(yáng)

(東方電氣(天津)風(fēng)電葉片工程有限公司 天津 300480)

0 引 言

隨著風(fēng)電葉片大型化、輕量化的快速發(fā)展，其對(duì)于葉片穩(wěn)定性的要求越來越高。為了更好地提升質(zhì)量管控水平，近幾年風(fēng)電葉片行業(yè)引入了汽車行業(yè)的質(zhì)量管理工具，包括產(chǎn)品質(zhì)量先期策劃(APQP)、潛在失效模式及后果分析(FMEA)、測(cè)量系統(tǒng)分析(MSA)、統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)和生產(chǎn)件批準(zhǔn)程序(PPAP)，其中也包括引入關(guān)鍵產(chǎn)品特性(KPC/CTQ)的管控要求等。本文通過對(duì)客戶提出的部分 KPC進(jìn)行MSA和SPC的分析，根據(jù)分析結(jié)果可提前識(shí)別葉片制造過程能力水平，給管理者預(yù)警和改進(jìn)的空間，以此來提升過程穩(wěn)定性；MSA和SPC在實(shí)際應(yīng)用中需建立相關(guān)制度，并輸出標(biāo)準(zhǔn)文件，為風(fēng)電行業(yè)KPC的管理活動(dòng)提供相應(yīng)指導(dǎo)。

1 關(guān)鍵產(chǎn)品特性清單及提升步驟

客戶基于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)要求、風(fēng)場(chǎng)失效的產(chǎn)品分析和制造過程中的教訓(xùn)等經(jīng)驗(yàn)積累，向供應(yīng)商或制造商輸入關(guān)鍵產(chǎn)品特性清單。KPC具有最高管控要求，若出現(xiàn) KPC失效，會(huì)導(dǎo)致大量的劣質(zhì)成本損失，進(jìn)而影響公司聲譽(yù)和市場(chǎng)訂單等，為了將事后補(bǔ)救轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑邦A(yù)防，以及應(yīng)客戶要求和葉片制造公司自身質(zhì)量提升的需求，部分 KPC需要進(jìn)行 MSA和 SPC的研究。部分 KPC清單內(nèi)容見表1。為追求KPC過程能力的持續(xù)穩(wěn)定，需建立完備的數(shù)據(jù)收集、分析、改進(jìn)、監(jiān)控等流程，以達(dá)到持續(xù)改進(jìn)的目的，圖 1為“關(guān)鍵特性過程能力”改進(jìn)流程。

圖1 “關(guān)鍵特性過程能力”改進(jìn)流程Fig.1 Improvement process of “key characteristic process capability”

表1 摘錄部分KPC清單Tab.1 Excerpt of KPC list

2 測(cè)量系統(tǒng)分析

2.1 測(cè)量系統(tǒng)分析的意義

高質(zhì)量的數(shù)據(jù)來源于可靠的測(cè)量系統(tǒng)，因此，進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)分析(MSA)是非常有必要的[1]，SPC分析的輸入為 KPC的測(cè)量數(shù)據(jù)，為了保證 SPC結(jié)果有效，首先要保證 KPC測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。由于測(cè)量結(jié)果受人為因素、測(cè)量設(shè)備、測(cè)量環(huán)境等影響較大，故需要一套穩(wěn)定可靠的測(cè)量系統(tǒng)來保證測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性；測(cè)量系統(tǒng)分析(Gage R&R)的目的就是用來衡量以上因素的穩(wěn)定程度。

測(cè)量系統(tǒng)分析，是指用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來了解測(cè)量系統(tǒng)中的各個(gè)波動(dòng)源及其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并最后給出該測(cè)量系統(tǒng)是否合乎使用要求的明確判定[2]。

對(duì) KPC過程能力分析之前，需要先進(jìn)行 MSA分析以確保測(cè)量系統(tǒng)的有效，其中測(cè)量系統(tǒng)的重復(fù)性和再現(xiàn)性是定量地給出測(cè)量系統(tǒng)的波動(dòng)大小，以確認(rèn)測(cè)量系統(tǒng)是否合格。

2.2 測(cè)量系統(tǒng)規(guī)范

為了保證測(cè)量系統(tǒng)分析的有效，在測(cè)量系統(tǒng)分析前，需建立一套完善的人員培訓(xùn)、測(cè)量方法和測(cè)量設(shè)備管理的標(biāo)準(zhǔn)，來保證測(cè)量系統(tǒng)的有效運(yùn)行。

2.2.1 人員培訓(xùn)

從事檢驗(yàn)測(cè)量工作的人員需經(jīng)過系統(tǒng)的培訓(xùn)和實(shí)習(xí)，在獨(dú)立工作前充分掌握操作方法、注意事項(xiàng)、測(cè)量設(shè)備維護(hù)等操作要領(lǐng)，并通過考核。

2.2.2 測(cè)量方法

需針對(duì)每種測(cè)量設(shè)備，建立標(biāo)準(zhǔn)的操作指導(dǎo)文件，員工需熟知文件提及的測(cè)量方法和要求，以保證測(cè)量手法的統(tǒng)一性，并符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.3 測(cè)量設(shè)備管理

為了保障測(cè)量設(shè)備的正常運(yùn)行和測(cè)量誤差的可控，需建立測(cè)量設(shè)備校驗(yàn)、維護(hù)、保養(yǎng)、保修的規(guī)范，并形成標(biāo)準(zhǔn)文件。

2.3 測(cè)量系統(tǒng)分析的方法

重復(fù)性主要體現(xiàn)為在相同的條件下進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，以反映量具本身的波動(dòng)，一般記為 EV(可重復(fù)性，測(cè)量設(shè)備變異)：

其中，N 為操作工數(shù)量；RA、RB、RC即每個(gè)人測(cè)量結(jié)果極差的均值；K1隨測(cè)量次數(shù)而改變，Trials＝3時(shí)K1＝0.5908，Trials＝2 時(shí) K1＝0.8862。

再現(xiàn)性為不同的操作者使用相同的量具進(jìn)行多次測(cè)量產(chǎn)生的波動(dòng)，主要體現(xiàn)不同操作者在測(cè)量過程中所產(chǎn)生的波動(dòng)，記為AV(再現(xiàn)性，評(píng)價(jià)者變異)：

其中，K2隨測(cè)量人數(shù)而改變，Operator＝3時(shí) K2＝0.5231，Operator＝2 時(shí) K2＝0.7071；nr 為零件數(shù)與測(cè)量次數(shù)的乘積。再現(xiàn)性指人與人之間的變差，XDiff是指 3個(gè)人之間的極差，即 XDiff＝Max(X)ABCMin(X)ABC，Max(X)ABC為測(cè)量均值最大者，Min(X)ABC為 ABC測(cè)量均值最小者；(XDiff×K2)2就是3個(gè)平均值之間的變差。

可重復(fù)性與可再現(xiàn)性(R&R)指的是定量評(píng)價(jià)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)(主要指設(shè)備，測(cè)量工具，人員等，不包括零件本身差異)：

下面舉例對(duì)葉根端面平面度的測(cè)量過程進(jìn)行GR&R 分析，執(zhí)行的步驟如下：在后處理檢驗(yàn)員中隨機(jī)抽出3名檢驗(yàn)人員A、B、C和3名記錄人員D、E、F；選出 10支葉片；對(duì)量具進(jìn)行校準(zhǔn)；由 A檢驗(yàn)員對(duì)10支葉片進(jìn)行測(cè)量，每支葉片記錄 3次，并由 D檢驗(yàn)員讀取數(shù)據(jù)并記錄，記錄數(shù)據(jù)不告知A檢驗(yàn)員；由檢驗(yàn)員B、C重復(fù)A的測(cè)量方式，由E、F進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和記錄；將每個(gè)檢驗(yàn)員記錄的數(shù)據(jù)錄入到 GR&R數(shù)據(jù)表；計(jì)算出重復(fù)性-設(shè)備變差；計(jì)算出再現(xiàn)性-人員變差；計(jì)算出重復(fù)性和再現(xiàn)性；計(jì)算出零件的變差；計(jì)算出總變差。

經(jīng)過測(cè)量所得原始數(shù)據(jù)，如表2所示。

將分析結(jié)果總結(jié)如表3所示。

對(duì)于上表中參數(shù)的解讀見表4。

R&R分析結(jié)果的判定：數(shù)值越大，說明離散型越大，測(cè)量結(jié)果越不可靠，需要進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。注意當(dāng) R&R%〈10%時(shí)，測(cè)定的結(jié)果才可作為 SPC分析的輸入。參考以下判定見表5。

表5 R&R結(jié)果判定表[2]Tab.5 R&R result judgment table

以上數(shù)據(jù)的分析也可通過 MINITAB軟件進(jìn)行計(jì)算，從統(tǒng)計(jì)→質(zhì)量工具→量具研究→量具 R&R研究(交叉)入口，填寫各變量名稱后，在“分析方法”中圈定“Xbar和R”，得出計(jì)算結(jié)果。

同時(shí)還對(duì)其他關(guān)鍵特性做了同樣的分析，評(píng)價(jià)現(xiàn)有測(cè)量系統(tǒng)是可以接受的，但是由于設(shè)備誤差均為主要變差，故對(duì)相關(guān)量具進(jìn)行了校正和必要的維護(hù)。

3 過程能力分析

SPC應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法是指從產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)中找出規(guī)律，捕捉生產(chǎn)過程中的異常先兆，并經(jīng)過質(zhì)量分析找出影響質(zhì)量異常因素并采取措施將其消除，使生產(chǎn)過程的各個(gè)環(huán)節(jié)控制在正常的生產(chǎn)狀態(tài)，從而保證性價(jià)比最高地生產(chǎn)出符合標(biāo)準(zhǔn)要求的產(chǎn)品[3]。過程能力分析是評(píng)價(jià)過程滿足預(yù)期要求的能力及其表現(xiàn)的方法，是改進(jìn)方向和目標(biāo)的重要工具。

3.1 過程能力指數(shù)的分類

在一般制造過程場(chǎng)景中，將過程能力指數(shù)分為3類，即Cp、Cpk、Ppk，下面介紹這3類的區(qū)別。

3.1.1 Cp指數(shù)

僅適用于統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定過程，是過程在受控狀態(tài)下的實(shí)際加工能力，不考慮過程的偏移，是過程固有變差(僅由于普通原因產(chǎn)生的變差)的6σ范圍，式中σ通常用R-bar/d2或s-bar/c4來估計(jì)，即過程能力是用過程在受控狀態(tài)下短期數(shù)據(jù)計(jì)算的。因此，又將過程能力稱為“短期過程能力”，實(shí)際中常將短期省略，這個(gè)指數(shù)只是針對(duì)雙邊公差而計(jì)算的，對(duì)于單邊公差沒有意義。計(jì)算公式為Cp＝(USL-LSL)/6σ。

3.1.2 Cpk

過程能力指數(shù)(K指數(shù))，是在過程有偏移情況下的過程能力，前提是要過程穩(wěn)定且數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，而且數(shù)據(jù)應(yīng)該在 25 組以上(建議最少不要低于20組，數(shù)據(jù)組越少風(fēng)險(xiǎn)越大)，只考慮過程受普通原因的影響。因?yàn)檫^程只受到普通原因變差影響是理想狀態(tài)下的，從長(zhǎng)期來說過程總會(huì)受到各種特殊原因的影響，所以又被稱為短期過程能力，也叫潛在過程能力。Cpk通過CPU或CPL的最小值來計(jì)算，計(jì)算公式為 CPU＝(USL-X-bar)/3σ；CPL＝(X-bar-LSL)/3σ。

3.1.3 Ppk

過程性能指數(shù)(K指數(shù))，因?yàn)橛?jì)算不需要過程穩(wěn)定(在計(jì)算公式中已經(jīng)考慮了普通和特殊兩種原因的影響)，所以在 PPAP手冊(cè)中要求在產(chǎn)品進(jìn)行試生產(chǎn)過程不穩(wěn)定時(shí)(此時(shí)過程受 2種原因影響)用 Ppk衡量過程能力，要求 Ppk≥1.67才能進(jìn)入量產(chǎn)階段，因此又把 Ppk稱為初期能力指數(shù)。Ppk通過 PPU或PPL的最小值來計(jì)算，計(jì)算公式為 PPU＝(USL-X-bar)/3s；PPL＝(X-bar-LSL)/3s。

3.1.4 過程能力指數(shù)的綜合應(yīng)用

很多公司在進(jìn)行過程能力分析時(shí)，往往只要求計(jì)算 Cpk的指數(shù)來衡量過程能力是否足夠，事實(shí)上進(jìn)入正常生產(chǎn)后應(yīng)該通過CpCpkPpk 3類指數(shù)之間的差別來判斷過程是否有問題，如果有問題是屬于管理上還是技術(shù)上的問題。當(dāng) Cp〉1.33表明過程變差比較小，此時(shí)還要看 Cpk，當(dāng) Cp和 Cpk相差很大時(shí)表明過程有較大的偏移，需要做居中處理，再比較 Cpk和 Ppk，如果兩者相差不大表明受特殊因素的影響小，如果兩者相差很大表明受特殊因素的影響很大，特殊因素的影響往往比較容易找到。如果Cp值本身就很小則說明過程受普通因素的變差影響大，此時(shí)若想提升過程能力往往需要更多的投入和更高的決策才能使問題得到解決。所以即使有時(shí)候 Cpk值很高(比如大于2)，如果其余CpPpk相差較大的話，還是需要對(duì)過程進(jìn)行改進(jìn)。如果Cpk比Ppk大很多，往往一種可能是過程并沒有受控，控制圖上有異常點(diǎn)的出現(xiàn)，計(jì)算人員錯(cuò)用了結(jié)論[3]。

在葉片行業(yè)，根據(jù)近幾年來的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)，可將CpCpkPpk的應(yīng)用按表6進(jìn)行歸納。

表6 CpCpkPpk應(yīng)用總結(jié)Tab.6 CpCpkPpk usage summary

CpCpkPpk一般采用MINITAB進(jìn)行計(jì)算，具體步驟為“統(tǒng)計(jì)”→“質(zhì)量工具”→“能力分析”。

3.2 取值及分析步驟

按照KPC清單中的規(guī)定，需要對(duì)部分KPC進(jìn)行SPC分析(量產(chǎn)穩(wěn)定階段)，對(duì)于過程能力 Cpk應(yīng)≥1.33，選取前10支葉片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。若過程能力指數(shù)偏低，則應(yīng)采取適當(dāng)?shù)募m正措施，以提高過程能力，同時(shí)應(yīng)進(jìn)行 100% 檢查，直至達(dá)到所需的過程能力。經(jīng)過測(cè)量所得原始數(shù)據(jù)，選取部分 CTQ進(jìn)行展示，詳見表7。

表7 分CTQ過程能力指數(shù)表Tab.7 Partial CTQ process capability index table

通過對(duì)前10支葉片的關(guān)鍵產(chǎn)品特性過程能力的分析，對(duì)于Cpk低于1.33的情況制定相關(guān)措施，對(duì)粘接劑比例 Cpk＝1.13這項(xiàng)進(jìn)行改進(jìn)，輸出相關(guān)措施見表8。

表8 改進(jìn)措施表Tab.8 Improvement measures table

通過對(duì) 15#～24#葉片的數(shù)據(jù)分析，采取調(diào)整措施后，重量的Cpk提升到1.55，保證了生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

MSA和 SPC分析方法作為汽車行業(yè)質(zhì)量管理五大工具中的2種重要工具，在測(cè)量系統(tǒng)分析和過程能力提升方面具有重要的指導(dǎo)作用，能實(shí)現(xiàn)問題的精準(zhǔn)定位和為改進(jìn)預(yù)防提供指引。

風(fēng)電行業(yè)作為新興制造行業(yè)，大量采用人工作業(yè)，具有產(chǎn)品制造難度大，過程不穩(wěn)定等特點(diǎn)，且葉片掛機(jī)后維護(hù)成本高，如何保證葉片關(guān)鍵特性(KPC/CTQ)的受控是風(fēng)電行業(yè)亟待攻克的難題。鑒于此，汽車行業(yè)質(zhì)量管理工具的應(yīng)用切實(shí)提升了制造過程的質(zhì)量穩(wěn)定，可全面進(jìn)行推廣。