基于統(tǒng)計(jì)過程控制的板式家具封邊工序修邊質(zhì)量調(diào)控

婁巧蓮,郝景新,吳新鳳,聶鑫磊,孫德林

(中南林業(yè)科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410004)

封邊是板式家具生產(chǎn)中的一道重要工序，其作用是保護(hù)基材，防止水分進(jìn)入和有害氣體的釋放，增強(qiáng)產(chǎn)品的穩(wěn)定性等，還能增加家具的審美價(jià)值，達(dá)到美化的效果[1]。封邊也是極易產(chǎn)生質(zhì)量問題的工序之一。封邊時(shí)一旦產(chǎn)生崩邊、爆邊、脫膠等質(zhì)量問題，板式家具零件就需要二次返修或報(bào)廢，浪費(fèi)生產(chǎn)資源，影響生產(chǎn)效率。因此，需最大化地提升板材的封邊質(zhì)量。隨著家居信息化管控技術(shù)逐漸成熟[2]，在封邊質(zhì)量的管控中，很多學(xué)者運(yùn)用科學(xué)的方法對(duì)封邊工藝及質(zhì)量管控進(jìn)行了研究[3-6]。熊先青等[7]通過統(tǒng)計(jì)分析方法，從直線封邊現(xiàn)狀入手，通過封邊材料、封邊膠合溫度、基材特性、基材尺寸等方面因素分析其對(duì)直線封邊質(zhì)量的影響，提出了木家具直線封邊工段的質(zhì)量管控方法。王軍[8]通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)和回歸分析的方法，從設(shè)備速度、封邊條預(yù)留齊頭長度、封邊板材的形狀等方面進(jìn)行控制研究，量化影響因素和封邊質(zhì)量之間的關(guān)系，從而提出封邊質(zhì)量控制意見。這些研究提出的封邊質(zhì)量管控方法及意見大多是針對(duì)封邊基材或封邊材料，缺少從機(jī)械設(shè)備方面直接分析影響封邊質(zhì)量的關(guān)鍵因素。而在實(shí)際生產(chǎn)中，有些封邊質(zhì)量問題是由機(jī)械設(shè)備加工時(shí)造成的。

在設(shè)備加工時(shí)，傳統(tǒng)的修邊質(zhì)量控制改善是調(diào)機(jī)師傅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)控的，這種方法對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)要求很高，因?yàn)榉膺厵C(jī)在加工時(shí)，由于封邊設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制參數(shù)繁多等特性，精準(zhǔn)穩(wěn)定地控制板材的封邊質(zhì)量較難實(shí)現(xiàn)。操作人員也很難判斷根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整的控制參數(shù)是否是穩(wěn)定運(yùn)行的最佳值，且無法預(yù)知運(yùn)行時(shí)的異常，只能在質(zhì)量問題發(fā)生后進(jìn)行調(diào)整控制。“事后檢驗(yàn)”仍是質(zhì)量管控的主要手段，此方法雖能找到不合格品, 但無法杜絕不合格品的出現(xiàn)，仍不能全面解決產(chǎn)品質(zhì)量問題[9]。因此，需要有一種科學(xué)的統(tǒng)計(jì)控制方法，可以預(yù)警異常，判斷加工狀態(tài)是否穩(wěn)定。統(tǒng)計(jì)過程控制(statistical process control，SPC)，是用于在生產(chǎn)線上提高成品率和產(chǎn)品質(zhì)量的一種重要工具。運(yùn)用 SPC 可以消除引起過程變差的特殊原因， 使過程達(dá)到統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)，同時(shí)改進(jìn)過程控制能力，使過程滿足工藝設(shè)計(jì)要求。應(yīng)用SPC對(duì)修邊質(zhì)量進(jìn)行調(diào)控，通過控制部分的關(guān)鍵參數(shù)，可以有效提升修邊工序的過程能力，使板材的封邊質(zhì)量在可控范圍內(nèi)，綜合提升修邊質(zhì)量。

1 板材修邊質(zhì)量問題及評(píng)判

板材封邊的外觀美觀性是衡量封邊質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)之一，修邊質(zhì)量問題也是板材封邊時(shí)常見的問題之一。修邊是在全自動(dòng)封邊機(jī)對(duì)板材封邊以后，對(duì)有邊角的地方進(jìn)行修正，以達(dá)到和諧圓潤的效果。修邊工序單元結(jié)構(gòu)是封邊機(jī)作業(yè)的核心功能部件，其修邊質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的封邊質(zhì)量。板材常見的修邊質(zhì)量問題主要有崩邊、刮邊過多或過少、刮傷等，如圖1所示。

圖1 修邊質(zhì)量問題Fig. 1 Quality problems of trimming

崩邊是最常見且難以控制的質(zhì)量問題之一，是板材表面因各種修邊而導(dǎo)致的貼面材料局部缺失現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在板材表面邊緣與封邊條接觸的部位。修邊過少時(shí)，封邊帶會(huì)高出板材平面；修邊過多時(shí)，會(huì)損傷板材表面，造成貼面材料局部缺失。刮邊質(zhì)量問題表現(xiàn)為封邊條表面被刮傷或過多、過少刮邊，造成板材平面與封邊條邊緣不平整的問題。問題嚴(yán)重時(shí)需返修，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率[10]。

板材修邊后的狀態(tài)如圖2所示。圖2上方為板材與封邊條黏合修邊后的剖面圖，下方為板材與封邊條黏合修邊后封邊帶的細(xì)節(jié)放大圖。板材修邊后理想化的修邊厚度原則上等于板材厚度，用標(biāo)準(zhǔn)修邊厚度來表示。但板材封邊時(shí)經(jīng)過修邊和刮邊2個(gè)工步后，實(shí)際的板材修邊厚度由于上下修邊刀和刮刀加工時(shí)存在誤差的原因，封邊帶修邊后的邊緣存在波動(dòng)性的誤差。封邊帶修邊后會(huì)存在最小修邊厚度和最大修邊厚度，而標(biāo)準(zhǔn)修邊厚度介于最大修邊厚度與最小修邊厚度之間。質(zhì)量合格的封邊帶就是控制最小修邊厚度和最大修邊厚度在合理的限度內(nèi)，即控制最小修邊厚度不會(huì)修傷板材，控制最大修邊厚度不會(huì)修邊過多。定義修邊厚度偏差為最大修邊厚度與最小修邊厚度的差值，將修邊厚度偏差控制在合理的范圍內(nèi)就可以有效控制修邊質(zhì)量。

圖2 修邊后的狀態(tài)Fig. 2 The status after trimming

測量板材封邊后在端面至少3個(gè)位置封邊帶的修邊厚度，測量值的最大差值即為修邊厚度偏差。修邊合格的判斷標(biāo)準(zhǔn)，要量化評(píng)判修邊質(zhì)量，就需要量化修邊厚度偏差值的大小。偏差值一般沒有確定值，需要工廠根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備條件和對(duì)質(zhì)量的要求來設(shè)定。生產(chǎn)設(shè)備、板材厚度、封邊帶厚度的判斷標(biāo)準(zhǔn)不同，但可以通過測量統(tǒng)計(jì)和觀察，確定修邊厚度偏差。

隨機(jī)抽取A廠中板材厚度為12 mm的已封邊100件產(chǎn)品零件，任意測量其一邊的封邊帶修邊厚度偏差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。根據(jù)圖3及對(duì)修邊質(zhì)量的放大觀察，板材修邊后：其厚度方向上的偏差在0.3 mm以上，則會(huì)產(chǎn)生可見瑕疵；偏差為0.2～0.3 mm可以滿足使用，但質(zhì)量不佳；偏差在0.2 mm以內(nèi)則不會(huì)修傷板材，表面平整，滿足封邊的外觀要求。因此，本次測試以該標(biāo)準(zhǔn)來判斷分析修邊質(zhì)量問題。

圖3 厚度偏差統(tǒng)計(jì)Fig. 3 Thickness deviation statistics

2 SPC分析

SPC是一種制造控制方法, 是將制造中的控制項(xiàng)目依其特性所收集的數(shù)據(jù)，通過控制圖及過程能力的分析，發(fā)掘過程中的異常，并采取改善措施，使過程恢復(fù)正常的方法[11]。

2.1 控制圖生成

SPC通常用控制圖來分析判斷數(shù)據(jù)的分布狀態(tài)?？刂茍D是帶有控制界限的圖形工具，用于分析和判斷過程是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，以檢查異常波動(dòng)或過程變異、估計(jì)過程參數(shù)和能力。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)失控時(shí)，可及時(shí)查找原因并采取有效手段改善產(chǎn)品質(zhì)量[12]。

2.1.1 原始數(shù)據(jù)收集

本次測試的全自動(dòng)封邊機(jī)總功率為24.7 kW，板料寬度≥60 mm，進(jìn)給速度為18～30 m/min，板料厚度為8～60 mm，封邊帶厚度為0.4～3.0 mm。

本批次封邊的板材厚度為12 mm，封邊帶厚度為1 mm、寬度為14 mm。在封邊機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在連續(xù)工作的1個(gè)工作班次10 h內(nèi)每隔20 min隨機(jī)抽取5個(gè)產(chǎn)品零件作為子組樣本，共25組，測量其厚度偏差。測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 子組厚度偏差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Subgroup thickness deviation data statistics mm

2.1.2 控制圖類型選擇

控制圖分為計(jì)量型控制圖和計(jì)數(shù)型控制圖。厚度偏差可以測出具體數(shù)值，因此選用計(jì)量型控制圖。根據(jù)計(jì)量型控制圖的選用原則，結(jié)合板材封邊工作的實(shí)際，在封邊機(jī)工作現(xiàn)場，做測量計(jì)算工作不方便，但可以在間隔時(shí)間內(nèi)從封邊流水線上拿到多個(gè)產(chǎn)品做每個(gè)子組的數(shù)據(jù)收集工作，因此選用均值-極差控制圖。

2.1.3 分析用控制圖的生成

將測得的厚度偏差數(shù)據(jù)導(dǎo)入Minitab軟件工作表中，點(diǎn)擊工具欄“統(tǒng)計(jì)”，在彈出的菜單欄中依次點(diǎn)擊“控制圖”“子組的質(zhì)量控制圖”“Xbar-R”，設(shè)置檢驗(yàn)為執(zhí)行所有特殊原因檢驗(yàn)，可生成如圖4所示的樣本均值-極差(Xbar-R)控制圖。

圖4 分析用均值-極差控制Fig. 4 Xbar-R control for analysis

2.2 均值-極差控制圖分析

控制圖可視為由正態(tài)分布圖逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°獲得，并將正態(tài)分布圖的μ、μ+3σ、μ-3σ分別定義為控制圖的中心線(central line，CL)、控制上限(upper control line，UCL)和控制下限(lower control line，LCL)，再將CL到UCL及LCL區(qū)間劃分為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)等3個(gè)區(qū)域，如圖5所示。

圖5 正態(tài)分布與控制Fig. 5 Normal distribution and control

當(dāng)均值-極差控制圖的數(shù)據(jù)出現(xiàn)以下異常判斷準(zhǔn)則中的情況之一時(shí)，說明在制造過程中存在特殊原因，需立即采取措施予以消除，確保過程處于控制狀態(tài)[13]：

1)1點(diǎn)落在控制限之外，說明過程中出現(xiàn)了單個(gè)失控，如測量誤差、設(shè)備故障等；

2)連續(xù)9點(diǎn)落在中心線同一側(cè)，說明過程中心發(fā)生了偏移，應(yīng)及時(shí)調(diào)整設(shè)備；

3)連續(xù)6點(diǎn)連續(xù)遞增或遞減，說明工具逐漸磨損，應(yīng)及時(shí)更換刀具；

4)連續(xù)14個(gè)相鄰點(diǎn)上下交替，說明存在不同人員輪流操作；

5)連續(xù)3點(diǎn)中有 2點(diǎn)落在中心線同一側(cè)的B區(qū)之外，說明過程中參數(shù)μ發(fā)生了變化；

6)連續(xù)5點(diǎn)中有 4點(diǎn)落在中心線同一側(cè)的C區(qū)之外，說明過程中參數(shù)μ發(fā)生了變化；

7)連續(xù)15點(diǎn)落在C區(qū)之內(nèi)，說明過程中參數(shù)σ發(fā)生變化，數(shù)據(jù)虛假、分層不夠，需要嚴(yán)格論證數(shù)據(jù)有效性；

8)連續(xù)8點(diǎn)落在中心線兩側(cè)，但無1點(diǎn)在C區(qū)之內(nèi)，說明數(shù)據(jù)分層不夠。

分析生成的厚度偏差控制圖，根據(jù)均值-控制圖的異常判斷標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)出不合格點(diǎn)14和15，滿足第2條異常判斷標(biāo)準(zhǔn)。不合格理由是連續(xù)9點(diǎn)在中心線同一側(cè)，表明這些數(shù)據(jù)的均值在9個(gè)連續(xù)子組內(nèi)處于中心線和下極限控制線內(nèi)，預(yù)示板材厚度偏差的均值有連續(xù)性偏小的趨勢。不合格點(diǎn)19滿足第5條異常判斷標(biāo)準(zhǔn)，不合格理由是連續(xù)3點(diǎn)中有2點(diǎn)距離中心線超過2個(gè)σ，落在了B區(qū)以外。這表明子組19的數(shù)據(jù)均值超過了2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，預(yù)示板材厚度偏差的均值偏大，存在導(dǎo)致均值偏大的原因。

3 關(guān)鍵參數(shù)調(diào)控及修邊工序過程能力分析

3.1 關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)分析及調(diào)控

通過對(duì)控制圖的分析找到了加工過程中的異常點(diǎn)，進(jìn)一步分析可知，測量不合格點(diǎn)14和15，以及子組19的板材厚度均為12 mm，排除了板材的原因。這說明厚度偏差的異常是由修邊和刮邊工步導(dǎo)致的，需要討論封邊機(jī)的修邊工步和刮邊工步的關(guān)鍵控制參數(shù)。修邊工藝及修邊設(shè)備如圖6所示。

圖6 修邊工藝及修邊設(shè)備Fig. 6 Trimming technology and equipment

修邊設(shè)備的工作原理是由高頻電機(jī)帶動(dòng)的銑刀，通過垂直靠模輪和水平靠模輪定位，使刀具達(dá)到適當(dāng)位置，銑削去上下邊多余的封邊材料。刮邊工藝及刮邊設(shè)備如圖7所示。

圖7 刮邊工藝及刮邊設(shè)備Fig. 7 Cutting technology and equipment

刮邊設(shè)備的工作原理是通過垂直靠模輪和水平靠模輪定位刮刀的位置，除去前面工序中留在封邊條上的刀痕。切削量一般較小，在0.2 mm左右[14]。

根據(jù)封邊機(jī)的修邊工步和刮邊工步的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理[15-16]，近一步細(xì)化分析關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)控制，如表2所示。

根據(jù)上述關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)控制方法，結(jié)合均值-極差控制圖的分析，對(duì)此次試驗(yàn)中的封邊機(jī)設(shè)備做如下調(diào)控措施。

1)不合格點(diǎn)14和15預(yù)警加工過程中刀具中心發(fā)生偏移。檢測修邊刀刀軸的徑向跳動(dòng)，將檢驗(yàn)圓盤安裝在刀具軸上，用指示表檢測檢驗(yàn)圓盤的最大半徑處，指示表讀數(shù)的最大差值為測量值，要求徑向跳動(dòng)誤差在0.03 mm以內(nèi)。

2)不合格點(diǎn)19預(yù)警加工過程中均值發(fā)生偏移。調(diào)整修邊和刮邊靠模輪的相對(duì)位置，使刀具接觸工件表面，使接觸間隙控制在0.1 mm左右。

3)更換刮邊刀具。

3.2 工序過程能力分析

依據(jù)上述措施進(jìn)行改進(jìn)后，重新收集25組數(shù)據(jù)并生成控制圖，如圖8所示。

由圖8可知，改善后修邊加工的異常波動(dòng)因素得以排除，加工過程穩(wěn)定并處于受控狀態(tài)，修邊加工的尺寸精度得到有效控制和提升。此外，利用Minitab軟件可生成修邊過程能力分析圖。點(diǎn)擊工具欄“統(tǒng)計(jì)”，在彈出的菜單欄中依次點(diǎn)擊“質(zhì)量工具”“能力分析”，設(shè)置規(guī)格下限參數(shù)為0，規(guī)格上限參數(shù)為0.24，生成過程能力報(bào)告，如圖9所示。

圖8 均值-極差控制Fig. 8 Xbar-R control

圖9 改善前后修邊工序的過程能力報(bào)告Fig. 9 The process capability report of trimming process before and after improvement

圖9中：Pp為過程性能指數(shù)，反映了滿足工序質(zhì)量要求的程度；Cp為過程能力指數(shù)，反映了該工序的過程能力。對(duì)比改善前后的過程能力報(bào)告圖，其過程能力明顯提升。在改進(jìn)后的過程能力報(bào)告中，Cp由改善前的0.74提升到1.00，根據(jù)過程能力評(píng)定表1.00≤過程能力指數(shù)<1.33，屬于過程能力尚可。應(yīng)進(jìn)一步提高技術(shù)管理能力[17]，可將改進(jìn)后的控制圖轉(zhuǎn)為控制用控制圖，用于監(jiān)控加工過程。

綜上所述，SPC的使用對(duì)板材的修邊加工過程可有效進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，判斷運(yùn)行狀態(tài)是否穩(wěn)定。根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)信息及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過程中關(guān)鍵參數(shù)波動(dòng)的異常趨勢，從而快速采取措施消除其影響，達(dá)到提前預(yù)防的目的，使得封邊工序過程參數(shù)波動(dòng)的影響維持在僅受隨機(jī)性因素影響的受控狀態(tài)，達(dá)到控制產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

4 結(jié) 語

基于統(tǒng)計(jì)過程控制的板式家具封邊工序修邊質(zhì)量調(diào)控，通過討論板材封邊時(shí)出現(xiàn)的典型質(zhì)量問題，研究封邊機(jī)的修邊工藝及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。運(yùn)用SPC對(duì)一批封邊板材進(jìn)行分析，識(shí)別出了影響修邊質(zhì)量的控制關(guān)鍵，并通過分析封邊機(jī)結(jié)構(gòu)原理及機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制影響修邊質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，極大提升了封邊機(jī)修邊加工工序過程能力，使板材的封邊質(zhì)量在可控范圍內(nèi)，綜合提升了板材封邊質(zhì)量。

1)基于SPC技術(shù)的板式家具封邊工序修邊質(zhì)量調(diào)控，能將傳統(tǒng)修邊質(zhì)量調(diào)控的“事后檢驗(yàn)”處理方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤笆虑邦A(yù)防”的處理方式，有效降低產(chǎn)品的不合格率。

2)在運(yùn)用SPC技術(shù)時(shí)，通過均值-極差控制圖分析板材封邊后的修邊厚度偏差，能檢測到運(yùn)行時(shí)的異常波動(dòng)，判斷運(yùn)行狀態(tài)是否穩(wěn)定，給封邊機(jī)修邊的“預(yù)防性調(diào)控”提供參考。

3)通過應(yīng)用SPC技術(shù)調(diào)控板材的修邊質(zhì)量，使修邊工序的過程能力指數(shù)從0.74提升到了1.00，綜合提升了板材修邊工序的過程能力，提升了產(chǎn)品的修邊質(zhì)量。

經(jīng)本次試驗(yàn)探索，在對(duì)板材進(jìn)行修邊質(zhì)量控制時(shí)，使用SPC技術(shù)是切實(shí)可行的，這為企業(yè)管控產(chǎn)品質(zhì)量提供了新思路；此外，也可探索SPC技術(shù)應(yīng)用于其他工藝進(jìn)行質(zhì)量控制。未來企業(yè)在應(yīng)用SPC技術(shù)控制產(chǎn)品質(zhì)量時(shí)，將更趨向于數(shù)字化的控制，通過傳感器收集質(zhì)量數(shù)據(jù)信息，利用軟件分析質(zhì)量數(shù)據(jù)信息，預(yù)警數(shù)據(jù)異常狀況人工處理，或?qū)?shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)直接控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，數(shù)字化地管控產(chǎn)品質(zhì)量。