統(tǒng)計過程控制在輪胎設(shè)計和制造中的應用

李 昭，李 靜

（風神輪胎股份有限公司，河南 焦作 454003）

隨著我國交通運輸產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，輪胎行業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位持續(xù)提升[1-3]。根據(jù)我國各行業(yè)規(guī)劃發(fā)展戰(zhàn)略的根本要求，輪胎行業(yè)要實現(xiàn)國內(nèi)市場向國外市場擴張，建立、做強民族品牌輪胎，實現(xiàn)由輪胎大國向強國邁進，高質(zhì)量發(fā)展是必由之路[4-5]。近10年來，我國勞動力成本持續(xù)增長，民營企業(yè)融資成本及物流成本不斷增加，不論是勞動力、原材料還是企業(yè)經(jīng)營成本都大幅度上漲，因此企業(yè)的成本控制尤其重要，對輪胎企業(yè)更是如此，只有把降低成本落到實處，才能更好地為企業(yè)經(jīng)營減負。

質(zhì)量成本的投入，既要不斷滿足顧客的實際需求，又要符合企業(yè)增加利潤的內(nèi)在要求，這兩個因素互相制約構(gòu)成了質(zhì)量成本發(fā)展變化的基本矛盾。為了在質(zhì)量與成本的矛盾中謀求生存和發(fā)展，解決我國輪胎行業(yè)面臨的困境，提升輪胎質(zhì)量（如外觀質(zhì)量、動平衡性能、滾動阻力性能、耐磨性能等）是提升輪胎使用性能的基本出發(fā)點，而控制成本（如降低預防、鑒定成本，減少過程消耗和浪費，降低成品缺陷損失，減少客戶抱怨等）是輪胎行業(yè)擺脫困境的重要路徑。在提升質(zhì)量、降低成本的過程中，應該以全面質(zhì)量管理為基礎(chǔ)，以數(shù)字化技術(shù)應用為輔助和支撐[6-7]。

本工作以輪胎質(zhì)量控制為例，研究輪胎企業(yè)如何實現(xiàn)質(zhì)量與成本的平衡。

通常情況下，在輪胎設(shè)計結(jié)束，進入批量生產(chǎn)階段時，研發(fā)部門下發(fā)標準（如確定成品質(zhì)量公差為±2%，半成品部件公差為±2%），制造和質(zhì)量部門接受標準并按照標準進行過程和產(chǎn)品質(zhì)量控制，同時分析和控制過程穩(wěn)定性。在研發(fā)制定標準、制造和質(zhì)量部門執(zhí)行標準的過程中，需要考慮以下問題。

（1）成品質(zhì)量與半成品質(zhì)量的公差設(shè)計是否為最優(yōu)結(jié)果。

（2）公差設(shè)計是否可以控制成本，減少浪費，同時保證成品的質(zhì)量和性能。

（3）標準的可實現(xiàn)性評估。

（4）部件公差控制在標準范圍內(nèi)可否保證成品質(zhì)量。

（5）標準的可執(zhí)行性評估。

（6）過程管控與過程能力。

1 制造過程控制

制造部門執(zhí)行研發(fā)部門下發(fā)的質(zhì)量控制標準，按照標準控制輪胎成品及半成品部件的質(zhì)量，最終通過成品質(zhì)量合格率體現(xiàn)控制的效果。在這個過程中，利用統(tǒng)計過程控制（SPC）工具[8-10]進行變差管理，以穩(wěn)定過程，提升過程能力，確保標準執(zhí)行的穩(wěn)定性和一致性。以胎面質(zhì)量控制為例，在應用SPC控制工具對制造過程進行統(tǒng)計控制的過程中，需要解決以下問題。

（1）選擇胎面質(zhì)量過程控制特性（過程特性）。從胎面擠出生產(chǎn)線示意（見圖1）中可以看出：胎面質(zhì)量有米稱和單條稱兩個過程控制，選擇米稱過程控制會面臨后續(xù)的敷貼、冷卻、運輸過程存在部件拉伸和收縮的問題，同時米稱受設(shè)備影響波動較大；選擇單條稱過程控制，需要考慮敷貼膠片和聚乙烯（PE）膜的影響，以及胎面已經(jīng)過裁切，無法針對胎面結(jié)構(gòu)（見圖2）對其質(zhì)量做進一步調(diào)整的問題。

圖1 胎面擠出生產(chǎn)線及其關(guān)鍵過程特性示意

圖2 胎面結(jié)構(gòu)示意

（2）確定取樣方式，明確合理子組。選擇取樣方式需要考慮生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)量、生產(chǎn)頻次、生產(chǎn)連續(xù)性和控制圖目標等方面。在確定取樣方式時，短時間連續(xù)取樣（見圖3）數(shù)據(jù)僅能代表過程中設(shè)備本身的原因帶來的變差，通過樣本數(shù)據(jù)估計的過程標準差偏小，控制限偏小，最終會導致虛發(fā)報警增多，但適用于分析設(shè)備原因?qū)Ξa(chǎn)品的穩(wěn)定性和過程能力影響。間隔隨機取樣（見圖4）數(shù)據(jù)易受過程均值變化的影響，致使極差圖出現(xiàn)異常點，均值控制限變大，但控制階段不會因為樣本子組內(nèi)的變差增大而變寬，所以更能檢測出兩次采集樣品之間出現(xiàn)失控的情況。

圖3 短時間連續(xù)取樣方式

圖4 間隔隨機取樣方式

（3）對過程特性的測量系統(tǒng)做可靠性分析。過程特性測量數(shù)據(jù)的準確性是確定過程穩(wěn)定性和過程能力的基本條件，本工作需要對胎面質(zhì)量測量系統(tǒng)做可靠性分析。胎面質(zhì)量的測量包括對胎面質(zhì)量的直接測量和間接測量（如膠料密度、胎面截面積、胎面長度等）。

（4）數(shù)據(jù)的收集和計算。在胎面擠出生產(chǎn)線從膠料生產(chǎn)到胎面裝車的全過程中，有多個關(guān)鍵過程特性（見圖1），其參數(shù)是否均有測量，是人工手動還是設(shè)備自動測量，測量結(jié)果的收集為手動記錄還是自動上傳系統(tǒng)，對胎面質(zhì)量的控制均有較大影響。

（5）繪制控制圖。在控制圖的繪制中，采用人工描點方式會增大出錯幾率和員工的勞動強度，無形中延長了對過程異常的反應時間，需要考慮如何實現(xiàn)控制圖的自動生成，將生產(chǎn)線過程特性參數(shù)的控制圖與其產(chǎn)品性能參數(shù)控制圖進行關(guān)聯(lián)分析。

（6）控制圖判異。采取自動判異可大大縮短異常反應及其處理時間，實現(xiàn)快速診斷，但依然面臨以下問題：

①控制點都在控制限以內(nèi)且隨機分布即判定過程穩(wěn)定，但忽略了分析過程是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，未對數(shù)據(jù)分布的正態(tài)性進行驗證，無法確定分辨率是否充足，無法識別控制限的適合性；

②控制點超出控制限或分布不隨機即判定過程存在異常因素，但是未對樣本的選擇、測量數(shù)據(jù)可靠性、人工計算和描點錯誤等因素進行干預。

因此，在實現(xiàn)全過程自動控制和分析前，采用人工和自動化相結(jié)合的方式，可以避免錯誤的發(fā)生。

（7）消除異常，記錄事件日志。在控制圖的繪制過程中，建立事件日志是快速分析及異常追溯的有效手段。在消除異常的過程中，需要建立快速應急反應計劃以支撐現(xiàn)場的異常處理能力。同時需要在消除異常后，通過采取的措施類型（系統(tǒng)措施或臨時措施）來判斷是否調(diào)整控制限。

目前，直接過程特性的測量系統(tǒng)分析及過程穩(wěn)定性監(jiān)控已實現(xiàn)全過程的監(jiān)控、分析和改進，實現(xiàn)間接控制特性的測量系統(tǒng)分析，確保影響胎面質(zhì)量間接控制特性測量設(shè)備的可靠性，對影響直接控制特性的各項過程參數(shù)進行過程穩(wěn)定性和過程能力的監(jiān)控和分析，發(fā)現(xiàn)直接控制特性和過程影響特性的相關(guān)性并實現(xiàn)快速、精準改善是下一步需要實現(xiàn)的目標。

2 研發(fā)設(shè)計優(yōu)化

2.1 存在問題

輪胎質(zhì)量標準及公差確定后，對半成品質(zhì)量標準及公差的設(shè)計，就像在一個固定區(qū)域中劃分不同車輛的車位，需達到空間利用的最大化。

眾所周知，在輪胎設(shè)計階段，不僅會確定質(zhì)量標準及公差范圍，而且會針對所設(shè)計的產(chǎn)品工藝通過性進行評估，確定過程能力。若在實際生產(chǎn)過程中，制造過程的能力水平無法達到設(shè)計的要求，或者設(shè)計公差范圍在實際制造過程中受到設(shè)備精度、材料穩(wěn)定性等因素影響，難以得到準確控制，則提高過程能力或嚴格公差控制就可能面臨以下問題：

（1）生產(chǎn)、傳遞、使用不合格；

（2）嚴格按公差要求控制，造成浪費增多，成本增加；

（3）嚴格按公差要求控制，增加過程改善投資，成本增加。

以上問題最終會導致輪胎質(zhì)量水平下降，成本增加。

2.2 優(yōu)化

輪胎質(zhì)量受到胎面、胎側(cè)、墊膠、簾布等半成品部件質(zhì)量的影響，若要提高輪胎質(zhì)量控制標準，同時減少浪費和投資成本，需要找出半成品部件中的關(guān)鍵影響因子，逐步優(yōu)化其公差設(shè)計。在解決這個問題的過程中，蒙特卡洛模擬研究可以提供很大的幫助。本工作根據(jù)實際需求建立了如圖5所示的設(shè)計優(yōu)化分析流程。

圖5 設(shè)計優(yōu)化分析流程

（1）根據(jù)設(shè)計階段確定的公差及過程能力要求確定過程的輸入，如胎面質(zhì)量公差為±2%，過程能力為1.3，胎側(cè)質(zhì)量公差為±2%，過程能力為1.0，輪胎質(zhì)量公差為±2%等。

（2）對實際生產(chǎn)過程能力進行分析（見表1）。

表1 過程能力分析

（3）利用蒙特卡洛方法模擬實際產(chǎn)品性能的監(jiān)控和分析。首先建立概率統(tǒng)計模型，即胎面質(zhì)量是各個半成品質(zhì)量的總和；其次，收集過程數(shù)據(jù)，確定數(shù)據(jù)分布；然后定義參數(shù)優(yōu)化的目標和參數(shù)范圍，即輪胎質(zhì)量標準、公差和合格率，如95%的輪胎質(zhì)量在（63.705±1.270）kg范圍內(nèi)（公差為±2%）；再在目前過程能力狀態(tài)下，確定各部件的均值、標準差及分布情況（見表2）；最后進行建模和運算，通過半成品部件質(zhì)量均值及標準差運算（見圖6）和模擬，確定輪胎質(zhì)量在可接受范圍內(nèi)的概率?？梢愿鶕?jù)輸出結(jié)果（見圖7）判斷輪胎質(zhì)量公差范圍內(nèi)的概率是否在可接受的范圍之內(nèi)：通過率遠大于95%，結(jié)果不可接受，存在過度控制和浪費，需要優(yōu)化；通過率接近95%，結(jié)果可以接受，可以持續(xù)監(jiān)控；通過率小于95%，結(jié)果不可接受，成品損失增加，需要改善。

表2 各部件的均值、標準差及分布情況

圖6 各部件質(zhì)量運算界面

圖7 輸出結(jié)果界面

（4）敏感度分析。確定半成品部件質(zhì)量對輪胎質(zhì)量的影響程度，結(jié)合敏感度分析結(jié)果（見圖8）優(yōu)化變量，通過調(diào)整公差范圍提升過程控制結(jié)果或者減小流程輸入的變異，以進一步降低拒絕率（優(yōu)化影響因子的分布），即優(yōu)化過程穩(wěn)定性及過程能力。

圖8 敏感度分析界面

（5）結(jié)合現(xiàn)有的過程能力優(yōu)化公差。優(yōu)先優(yōu)化敏感度分析中對輪胎質(zhì)量影響較大的因子（如胎面），通過優(yōu)化后的公差控制（見表3），收集生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，再次運行蒙特卡洛模擬，驗證通過率是否接近95%，若不滿足，繼續(xù)優(yōu)化調(diào)整公差，循環(huán)進行蒙特卡洛模擬，直到通過率滿足要求。

表3 各部件公差優(yōu)化

3 結(jié)語

在未來的技術(shù)發(fā)展中，工藝與設(shè)備參數(shù)的大數(shù)據(jù)管理以及人工智能算法對質(zhì)量與成本控制的輔助決策將在輪胎設(shè)計和制造中發(fā)揮重要的作用，大數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等新型技術(shù)在生產(chǎn)過程管控中有巨大的能力發(fā)揮空間，快速的數(shù)據(jù)采集與建模分析優(yōu)化能夠幫助研發(fā)與質(zhì)量工程師高效精準地達成技術(shù)與管理目標。從數(shù)據(jù)采集和分析到模型的建立和部署，實現(xiàn)工藝參數(shù)組合和工藝參數(shù)再優(yōu)化，快速定位符合目標性能的工藝參數(shù)組合，從設(shè)計優(yōu)化到工藝優(yōu)化，能夠真正實現(xiàn)提升質(zhì)量、降低成本的目標。