數(shù)字化環(huán)境下質量管控技術方法研究

秦劍

摘要： 隨著全球市場競爭的不斷加劇，質量成為影響企業(yè)生存和發(fā)展的核心要素之一，提高產(chǎn)品和服務質量成了世界各國政府和企業(yè)界普遍關注的焦點。目前，國內外關于質量管理研究的主題比較廣泛，質量管理的研究對象也從最初的產(chǎn)品質量到服務質量、項目質量，再到現(xiàn)今一體化的體系質量，本文將在原有質量管理研究的基礎上，對新興的數(shù)字化質量管理進行分析和研究，并進一步推動我國質量管理的進程和發(fā)展。

Abstract： With the increasing competition in global market， quality becomes one of the core elements that affect enterprise survival and development， so to improve the quality of products and services has become the focus of the attention of businesses and governments around the world. At present， the research on quality management has extensive themes， and the research object of quality management has extended from the initial product quality to service quality and project quality， and then to today's integrated quality system. Based on the original quality management research， this article analyzes the emerging digital quality management， and further promotes the process of quality management and development in China.

關鍵詞： 質量管理；數(shù)字化；新技術；新方法

Key words： quality management；digital；new technology；new method

中圖分類號：F273.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）05-0008-04

0 引言

20世紀初到80年代以來，各種質量管理理念都是基于實踐的總結和提煉，如戴明、朱蘭、克勞斯比、休哈特的統(tǒng)計過程控制等，經(jīng)歷了檢驗、統(tǒng)計控制、全面質量管理和ISO9000標準化四個階段。目前，理論與實踐相結合，定性與定量相交叉等成為質量研究的主要方法，大樣本統(tǒng)計與多種復雜方法交叉應用是發(fā)展趨勢。何楨等提出了基于田口的質量損失函數(shù)改進模型[1]，陳榮秋提出了拓展的質量屋模型[2]，日本永井一志準教授論述了QFD的7個應用領域[3]，實驗設計也從單因素和多因素方差分析以及正交試驗設計到計算機實驗設計。

隨著并行工程（CE）、敏捷制造（AM）、精益生產(chǎn)（LP）、虛擬制造（VM）、及時生產(chǎn)（JIT）、快速響應制造（QRM）等設計和制造管理方法的發(fā)展，對產(chǎn)品質量控制提出了新的和更高的要求，出現(xiàn)了計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）、集成質量保證系統(tǒng)、DFX技術（其中包括面向制造的設計DFM、面向裝配的設計DFA、面向質量的設計DFQ、面向可靠性的設計DF、面向可維修性的設計、面向互換性的設計等）、計算機輔助工藝規(guī)劃（CAPP），CAX技術（包括計算機輔助設計CAD、計算機輔助制造CAM）等。隨著信息技術飛速發(fā)展及廣泛應用，質量管理數(shù)字化逐漸成為質量管理的熱點。然而，有關數(shù)字化研制環(huán)境下的質量管理方法研究仍然有待進一步拓展，特別是傳統(tǒng)的質量管理方法的適用性和改進等問題。

1 傳統(tǒng)質量方法在數(shù)字化環(huán)境下的應用分析

數(shù)字化質量管理系統(tǒng)核心是質量管理的數(shù)字化。它將現(xiàn)代測量技術、先進制造技術、自動化技術、現(xiàn)代信息技術與現(xiàn)代質量管理模式相結合，綜合應用于企業(yè)營銷、產(chǎn)品設計、制造、管理、試驗測試和使用維護等全生命周期質量管理的各個階段，建立了一套以數(shù)字化、集成化、網(wǎng)絡化和協(xié)同化為特征，預警和報警相結合的企業(yè)質量管理新體系。

傳統(tǒng)的質量管理方法如新老七種統(tǒng)計分析工具、PDCA循環(huán)、失效模式與影響分析（FMEA）側重從識別、分析和消除潛在功能失效來提高產(chǎn)品可靠性；田口方法側重于通過增強設計方案的穩(wěn)健性來提高產(chǎn)品質量；產(chǎn)品設計波動風險管理法側重于從總體上識別、評估和消除產(chǎn)品的關鍵特性的波動風險；設計過程防錯法側重于預防和控制設計階段的錯誤來減少質量損失；質量功能配置（QFD）側重于優(yōu)化產(chǎn)品定義，將顧客需求轉化為工程要求；六西格瑪設計從質量改進的角度出發(fā)，以識別、優(yōu)化和驗證為主線來提高產(chǎn)品設計質量；設計評估側重評價其是否有能力滿足相應的設計要求和設計約束；產(chǎn)品屬性及早確定方法側重于從預防設計缺陷負面影響，盡早對產(chǎn)品設計缺陷進行分析；保質設計側重于從總體上提出一套方法和工具來保證產(chǎn)品設計階段的質量，成為一種集成DFx工具的集成框架。還有發(fā)明問題解決理論、試驗設計（DOE）、價值工程（VA）、故障樹分析（FTA）、響應面法（RSM）、隨機模型法、相關分析、方差分析、可靠性理論、公理化設計理論（Axiomatic Design，AD）、并行設計、協(xié)同設計、仿真技術、優(yōu)化與決策等等。

具體地，各階段可以使用的質量工具如表1所示。

2 數(shù)字化質量管理技術的發(fā)展

“數(shù)字化制造”不僅僅是指研發(fā)手段和制造設備數(shù)字化，更重要的是管理技術的數(shù)字化。

①基于數(shù)字化技術的質量管理模式優(yōu)化：將數(shù)字化質量體系管理模塊融入產(chǎn)品實現(xiàn)過程質量管理，實現(xiàn)數(shù)字化質量體系協(xié)同設計與仿真管理、數(shù)字化質量體系量化評價與診斷、數(shù)字化質量體系遠程審核管理等，使之適合數(shù)字化管理的需求。

②數(shù)字化質量控制與檢測技術：產(chǎn)品在各個階段所采用的質量數(shù)據(jù)檢測與過程控制方法和工具是不同的，具體如下：

1）數(shù)字化設計階段。

在數(shù)據(jù)庫質量控制方面，為對數(shù)據(jù)庫、模型以及數(shù)據(jù)庫輸人數(shù)據(jù)進行有效的質量控制，應將主要的精力放在維護數(shù)據(jù)與模型的正確性上。模型質量控制方面，主要有設計自查、模型校審、模型完整性確認、設計綜合、碰撞檢查和審查確認等。

成品文件和記錄質量控制方面，應認真貫徹落實設計自查制度，同時加強對各類文件模板的制定。

基于PDM的質量管控方面：產(chǎn)品結構、配置和數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)對產(chǎn)品結構與配置信息和物料清單的管理。依據(jù)產(chǎn)品的技術狀態(tài)和各節(jié)點的成熟度，檢查EBOM的正確性和完整性。數(shù)據(jù)安全管理需要設定并遵循“設計、校對等審批流程中各類角色對數(shù)據(jù)操作權限。產(chǎn)品技術狀態(tài)管理將產(chǎn)品定義的全部數(shù)據(jù)包括集合信息、分析結果、技術文件明細表等與產(chǎn)品結構建立聯(lián)系，使用戶知道某項變化造成的影響，確保技術狀態(tài)正確。

數(shù)字化設計環(huán)境質量控制：包括計算機硬件和軟件兩部分，是實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化設計的基礎平臺，對它們的全面管理和有效控制是數(shù)字化設計質量控制的關鍵所在。

數(shù)字化產(chǎn)品預裝配質量控制：利用數(shù)字化三維實體模型，對零部件實際裝配過程進行模擬，進行設計協(xié)調和干涉性檢查，以驗證和完善零部件設計的協(xié)調性、裝配工藝性和維修性。

數(shù)字樣機的質量控制：裝配過程要滿足數(shù)字化產(chǎn)品預裝配質量控制要求。對數(shù)字樣機進行空間分析、人機功效分析和各系統(tǒng)及結構相互間的干涉檢查。

2）數(shù)字化工藝階段。

工藝質量主要包括工藝設計質量和過程質量。過程質量為在線質量工程技術，及時發(fā)現(xiàn)、分析和控制工藝質量中的波動，使得影響每道工藝質量的制約都能控制在一定的范圍內。設計質量為離線質量工程技術，受到設計質量的制約，又影響生產(chǎn)質量。

在工藝質量因素方面：包括工藝規(guī)劃、工藝決策和工藝試驗等要素，部分產(chǎn)品設計要素和一些售后質量要素。主要是生產(chǎn)質量或者線內質量要素，如加工條件、加工機床及裝備的狀態(tài)、加工操作的方法等等。

產(chǎn)品規(guī)劃階段，產(chǎn)品工藝主管應及時參加新產(chǎn)品設計的方案討論，研究主要參數(shù)和精度要求、結構、性能、工藝實現(xiàn)可行性、工藝上應采取的方法等。

產(chǎn)品技術設計階段，著重審查采用新工藝、新材料、新技術的可能性和技術要求的經(jīng)濟合理性、結構上的先進性、工藝上實現(xiàn)的可能性、是否采用特殊工具等。

產(chǎn)品工藝設計階段，全面了解產(chǎn)品圖樣，并按知識庫中的工藝路線劃分原則合理選擇毛坯，正確劃分零件類別、生產(chǎn)車間、工段，充分采用機床和工具制造專業(yè)及其它行業(yè)的先進工藝，采用評價方法和優(yōu)化技術選出最經(jīng)濟的加工方法，提高生產(chǎn)率。

產(chǎn)品單件試制階段，將信息實時反饋給其它有關部門，以便及時進行修改，提交有關人員審核、會簽，以便對所編制的工藝文件質量負責。

產(chǎn)品成批生產(chǎn)鑒定階段，根據(jù)產(chǎn)品整頓后的圖樣和工藝進行成批生產(chǎn)，克服設備負荷不平衡，制定成批生產(chǎn)中工藝試驗計劃。

3）數(shù)字化制造階段。

大批量生產(chǎn)模式下的質量控制方法：由于樣本容量大且加工質量特性具有相同的分布，采用休哈特控制圖進行質量分析與控制，即采用通常的統(tǒng)計過程控制方法，如統(tǒng)計公差分析、工程過程控制、統(tǒng)計過程控制。

單件小批量生產(chǎn)模式的質量控制方法：主要是基于貝葉斯預測理論的動態(tài)質量控制方法，需要建立一個工序質量波動模型，采用常均值動態(tài)線性模型理論質量波動數(shù)學模型。

批量客戶化生產(chǎn)模式的質量控制方法：通過標準變換方法將相似工序的質量特性數(shù)據(jù)轉換成為同一分布的數(shù)據(jù)，在同一張控制圖上就可以對質量數(shù)據(jù)進行分析與控制，解決由于數(shù)據(jù)樣本量不足導致無法判斷質量特性的問題。

信息質量控制：引用TQM思想，提出全面數(shù)據(jù)質量管理，即定義、分析、測量和改進。

過程能力控制：過程能力指數(shù)是指過程能力滿足產(chǎn)品質量標準要求的程度，過程能力的長期指數(shù)值越大，產(chǎn)品離散程度相對于技術標準的公差范圍越小，過程能力就越高。

測量系統(tǒng)分析：分析測量過程對產(chǎn)品質量特征值變異的影響大小及規(guī)律，分析測量系統(tǒng)本身的誤差能否滿足要求。

失效模式分析：依據(jù)由質量目標所制定的技術文件，根據(jù)經(jīng)驗分析產(chǎn)品設計與生產(chǎn)工藝中存在的弱點和可能產(chǎn)生的缺陷以及這些缺陷產(chǎn)生的風險及后果。

生產(chǎn)制造環(huán)境控制：要求成員企業(yè)各技術業(yè)務部門為生產(chǎn)制造提供合乎要求的條件，確保生產(chǎn)、檢驗現(xiàn)場所使用圖樣以及成套工藝文件、作業(yè)指導書和檢驗文件等的正確性；配套鑒定合格的生產(chǎn)設備、試驗設備和工藝裝備；確保原材料、元器件等生產(chǎn)用料質量合格；操作人員能夠正確進行工序操作。

關鍵工序質量控制：建立控制點和按實際需要選用控制圖，并將其編入工藝規(guī)程，進行操作人員技術培訓，作為工藝規(guī)范要求操作者執(zhí)行，采用統(tǒng)計分析方法輔助檢驗人員檢查。

檢驗人員的監(jiān)督控制：按照質量標準和檢驗規(guī)程，檢驗原材料、外協(xié)件、在制品和成品質量。正確規(guī)定檢驗范圍和設置檢驗工序，合理選擇檢驗方法，防止發(fā)生批次質量問題。

質量信息歸檔：確保生產(chǎn)、檢驗現(xiàn)場和各職能部門所產(chǎn)生的各種產(chǎn)品制造數(shù)據(jù)、檢驗數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)等質量信息齊全、連貫。采集質量信息，經(jīng)分類整理和信息化處理后進行信息歸檔，以便輔助后期的質量問題分析、人員考核、產(chǎn)品改進等活動。

批次管理：產(chǎn)品從投料、加工到裝配，需要建立工序流通信息記錄，特別是關鍵工序的操作記錄。保證零部件批次標記清楚，加工時間、操作者、檢驗者等數(shù)據(jù)記錄齊全，以確保產(chǎn)品質量的可追溯性。

裝配質量控制：操作人員和檢驗人員應了解產(chǎn)品的結構，掌握裝配工藝規(guī)程和技術要求，裝配時用的工夾量具、儀表、儀器及試驗設備需要經(jīng)過驗定。

4）數(shù)字化檢測階段。

基于MBD的三維數(shù)字化檢測技術：MBD描述了設計幾何信息而且定義三維產(chǎn)品制造信息和非幾何的管理信息，減少了對其他信息系統(tǒng)的過度依賴。

基于三維模型的檢驗需求提取技術包括對檢驗需求進行管理，檢驗需求包括尺寸公差、形位公差、粗糙度等。基于DMIS標準的檢驗數(shù)據(jù)提取技術包含了大量的理論檢驗數(shù)據(jù)和實例數(shù)據(jù)，提供計算機系統(tǒng)和測量機設備間雙向傳遞檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)一標準。

基于柔性支撐工裝的光學非接觸測量：主要是19世紀末20世紀初的照相檢測，雷達掃描檢測技術，直接將拍照結果數(shù)據(jù)輸入計算機，通過內部擬合計算對比實物與理論數(shù)據(jù)的差異，能夠真實、快速的量化測量結果。

基于多目視覺的管路數(shù)字測量技術：基于機器視覺的數(shù)字化測量技術具有非接觸、數(shù)據(jù)獲取快、精度高、柔性好、自動化水平高等優(yōu)點，由雙目立體視覺基礎上發(fā)展起來的多目視覺三維測量技術開始受到重視。

激光無損檢測技術：激光無損檢測成本高，安全性較差，但是可用于高溫條件下的檢測，適用于某些不宜接近的樣品，激光束可以入射到任何部位，用于檢測形狀奇異的樣品，也可用于超薄超細的樣品的表面或者亞表面的檢測。

三坐標測量機：利用先進的測量軟件3DSI輸入預測量零件的三維實體模型，利用特征測量功能進行測量數(shù)據(jù)規(guī)劃和測量數(shù)據(jù)仿真檢驗測量程序的可行性，通過對加工零件的實際測量證明尺寸合格和數(shù)控加工工藝設計和程序編制的正確性。

光柵掃描、三維激光掃描等多種計算機輔助檢測技術。

Leica激光跟蹤儀：主要針對具體應用開發(fā)專門軟件和輔助硬件，如基于成熟計量應用軟件的內部腳本程序語言開發(fā)專門應用程序，或者基于外部腳本程序為基礎，借助于Leica公司免費提供的軟件開發(fā)工具包開發(fā)專門的應用程序。

激光矢量測量機：能夠測量固定回彈、比率回彈、延伸率，能夠將測量數(shù)據(jù)和設計數(shù)據(jù)進行比較，比較完成后，測量機能自動修正工件形狀程序，對任何不同的部分進行補償，然后用修正過的數(shù)據(jù)進行生產(chǎn)。

③集成化質量信息管理。

集成化質量信息管理系統(tǒng)為數(shù)字化質量管理系統(tǒng)和質量決策系統(tǒng)提供基礎數(shù)據(jù)，包括與數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的集成、與質量管理系統(tǒng)的集成和與質量預測和決策系統(tǒng)的集成，也指與企業(yè)其它應用系統(tǒng)的集成。主要功能包括產(chǎn)品研制過程質量信息管理功能；產(chǎn)品售后質量信息管理；產(chǎn)品檢驗與試驗信息管理；產(chǎn)品裝配過程質量信息管理；零部件加工過程質量信息管理；產(chǎn)品原材料、外協(xié)、配套質量及供應商信息管理；質量管理綜合業(yè)務協(xié)同處理，實現(xiàn)對裝備研制過程、材料及設備、各階段的驗收進行完整的質量追溯。

④產(chǎn)品售后服務數(shù)字化質量管理。

采用生命周期質量信息芯片作為產(chǎn)品的身份識別系統(tǒng)，可以打開產(chǎn)品制造企業(yè)的數(shù)據(jù)庫，然后獲取產(chǎn)品制造過程的各種信息，同時利用網(wǎng)絡企業(yè)還能夠獲取產(chǎn)品使用和維修過程的信息，如此有利于產(chǎn)品的質量改進。

3 結語

隨著數(shù)字化設計技術的發(fā)展，以數(shù)字化為抓手的管理技術逐步得到應用和拓展。質量管控方法應該逐漸由過去的人工管理演變?yōu)槿斯?計算機為主的管理方式，將有效解決質量管理兩張皮的現(xiàn)象。在我國制造業(yè)轉型升級和供給側的宏觀背景下，應用信息技術和網(wǎng)絡技術實施管理管控，將有效提高企業(yè)的產(chǎn)品質量，增強企業(yè)的服務能力，特別應用在復雜產(chǎn)品，諸如雷達、飛機等質量改善中，將有助于顯著提高我國制造企業(yè)核心競爭力和持續(xù)發(fā)展能力。

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