2022年制造系统中的质量管理 .pdf

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1、质量管理研究综述质量管理的发展经历了从质量检验到全面质量管理的转变，与此同时产生了大量的质量管理理念和技术。 本节在简要回顾质量管理发展历史的基础上，着重研究了现代质量管理理念和方法及主要研究成果。质量管理的发展从二十世纪初的质量检验到四五十年代的统计质量控制，到六十年代后的全面质量管理，一般认为已经经历了这三个阶段：1) 质量检验阶段科学管理的出现引起了生产的专业化分工，专职的检验人员出现了， 质量检验人员根据产品的技术标准， 利用各种测试手段， 对已经生产出来的产品和半成品进行检查以防不合格品流入到下个工序或出厂。这一时期的质量管理主要是进行质量的检验工作， 对过程的理解不深入当作黑箱处理

2、，尤其局限于事后检验， 不能预防废品的产生，隐私不能减少因废品而造成的损失。在这一阶段控制图理论、抽样检验表、 小样本统计学这三种方法先后得到发展，奠定了统计质量管理的基础。2) 统计质量控制阶段统计质量控制使用数理统计的方法控制整个生产过程的质量。强调对生产制造过程的预防性控制， 使质量管理由单纯依靠质量检验事后把关，发展到突出质量的预防性控制和事后检验相结合的工序管理，成为生产过程质量控制的强有力工具。但由于这个阶段过于强调数理统计方法，又没有适合的工具解决质量管理的统计技术问题，影响了质量管理方法的普及。3) 全面质量管理阶段随着生产力的发展， 单一的对工序的统计质量管理已经不能满足需要

3、，质量管理需要更加广泛的理论和技术体系。费根堡姆于 1961年出版了全面质量管理 一书，主张应改变单纯强调数理统计方法的偏见，把统计方法的应用与改善组织管理密切结合起来， 建立一套完整的质量管理体系，以保证经济的产出可满足用户要求的产品。这一思想最终发展成为全面质量管理(Total Quality Management) 。国际标准中定义全面质量管理 “以质量为中心建立在全员参与上的一种管理方法，其目的在于长期获得顾客满意从而使组织成员和社会的获得利益。”将质量管理工作拓展到企业的各个方面， 包括质量在内的所有管理目标为对象，并强调最高管理层强有力的领导和对全员教育及培训的必要性。TQM 涉及

4、管理学中的运筹学、系统工程学、价值工程学、生产管理、项目管理、成本管理、和组织行为学等以及统计学、实验设计、信息技术等多种技术和学科。4) 信息时代的质量管理九十年代后出现的 6sigma质量管理、零缺陷等方法和随着信息技术的发展出现的集成质量管理可以看作第四个阶段，从质量管理的发展可以总结出一些规律和特点，质量管理的发展基本上同制造的发展相一致，连续质量改进、 集成质量管理将成为今后质量管理的重点。 这集成质量管理包括从设计制造到服务的全过程生命周期，体现了并行工程、全面质量管理的思想和信息技术的优势。事实上,质量管理的研究随着制造系统的发展逐渐深入，产生了一系列重要的研究成果。其中以连续质

5、量改进和集成质量管理系统最为典型。连续质量改进Juran 提出了质量活动的三个部分：质量计划、质量控制、质量改进。近年来连续质量改进成为了质量研究和实践的一个热点。连续质量改进从制造业的发展来看是必然的， 一方面企业追求效率和效益的提高是竞争导致的必然趋势，另一方名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 6 页 - - - - - - - - - 面产品生命周期不断缩短导致制造要不断的引入新技术、新产品，这些新技术和新产品的不稳定性必然要求企业进行连续质量改进。连续

6、质量改进的思想可以追溯到戴明提出的PDCA 循环和朱兰的质量环 (Quality Loop)。PDCA 将质量改进的步骤分为四个阶段、八个步骤，提出了一般工作流改进的概念模型。 Juran则从产品开发到售后服务的各个阶段出发，指出质量改进是一个螺旋式上升的过程。但这些都停留在概念层面上，没有形成完整的体系。IS08402(1994) 明确规定了质量改进的定义： 为向本组织及顾客提供更多的收益，在 整个 组织 内所 采取 的旨 在提高 活动 和过 程的 效 益和 效 率 的 各项 措 施。IS09000(2000版)中将质量改进定义为致力于提高有效性和效率，并进一步说明当质量改进是渐进的并且是组

7、织积极寻求改进机会时，应使用术语“持续质量改进”。质量改进是企业为了不断地满足顾客日益提升的市场需求和保持企业持续发展所进行的持续改进活动。IS09000(2000版)中突出强调了连续质量改进。但是并没有提出如何实施连续质量改进的流程和方法。连续质量改进是九十年代质量管理领域研究和应用的重点。R.P. Mohanty 和N.Dahanayka提出改进制造系统质量的六种方法( 连续质量水平检查、 过程质量水平检查、过程能力研究、过程改进计划、调优运算、模拟实验)，并对这些方法进行了综合比较研究。 实际上连续质量改进是一项复杂的系统工程，必须综合使用多种质量工具实现质量工具的有效集成，所谓有效是指

8、这种集成应该是面向应用的。 Jiju Antony等人将实验设计 (包括田口方法 ) 等高级质量工具应用于质量改进的步骤，尽管他们给出的应用高级统计工具(Advanced Statistical Quality Improvement Techniques，ASQIT)解决质量问题的流程易于应用，但其方法仅限于因子实验和田口方法 (Taguchi Method)，也并非一个系统的发现问题、分析问题和解决问题并实施有效控制的流程。EE Lipscomb论述了如何从质量体系展开(Quality System Deployment)的角度管理和实施连续质量改进。在九十年代末期，又产生了零缺陷质量管理

9、的口号和目标，相应的在质量工程领域中很多支持零缺陷质量的高级统计技术得到了发展，这方面的研究主要集中在提高过程控制技术的精度等，数据挖掘技术也在这一时期引入到质量管理的实践中。集成质量系统1985年Uirich Rembold 等人在计算机集成制造系统技术与系统一书中首先提出了质量控制的系统观和计算机支持的质量控制系统的递阶结构和功能。1987年TULLE 总结了计算机辅助质量控制(Computer Aided qualityCAQ) 的概念；美国Illinois大学的 s GKapoor等人也提出了集成质量系统(Integrated Quality SystemIQS)的概念。CAQ 和IQ

10、S都强调用系统的观念将计算机技术与质量管理技术结合，构造集成化的质量管理体系， 在概念的内涵和外延上存在交叉， 目前CAQ和IQS尚无统一公认的定义 ( 在CIMS 中常把 CAQ 和IQS成为质量信息系统： quality information system-QIS)Juran 对QIS的定义是： 支持各层决策的质量信息收集、存储、分析和报告的系统方法。最初的集成质量系统的研究大多集中在质量信息系统，通过提供质量数据的管理能力和数据分析能力来支持在设计、 制造、 质量保证等过程的全面质量管理活动。集成质量系统的发展最初就是质量信息系统的发展George Vosniakos 和Jiemin

11、Wang 提出了在离散机械部件制造业中质量控制的的计划和运作系统的软件架构。Lee就在CIM 环境下支持 TQC 的质量信息系统的设计和实施问题作了讨论，并提出了QIS设计实施的系统方法体系。NEC 公司的 M Shindo等人就 QC 信息系统的设计作了深入的研究，建立了由数据获取子系统、 数据存储子系统、过程报警子系统、名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 6 页 - - - - - - - - - 数据分析子系统四个子系统构成的QC 信息系统， 在产品质量

12、提升、 减少质量损失成本、提高工程人员效率三个方面提供工具支持。Peter Zumegen等人提出了知识管理技术和专家系统在QIS中的应用方法。集成质量系统在半导体制造业中得到了很好的发展，由于合格率是半导体制造业中关键的成功要素， 在半导体制造业中工程师们的主要工作之一就是提高产品合格率，为此发展了很多理论和应用系统，最初的集成合格率管理系统主要功能在于数据的管理、提供集成的数据环境、对合格率和过程数据进行简单统计分析，随后包括神经网络、 数据挖掘等单元技术也得到了应用和发展。简祯富博士应用数据挖掘技术建立在对半导体过程数据的工程决策分析系统框架、应用神经网络对晶圆测试图进行聚类分析从而实现

13、工序的过程控制和故障诊断。Montegamery对决策树和主成分分析方法在过程建模分析的应用作了比较，在1995年Charles weber,Bizhan Moslehi，Manjari Dutta三人提出了合格率管理的集成框架，建立了合格率管理的三维结构模型，为合格率管理的系统性发展建立了理论框架BooSik Kang ，Jang-Hee Lee等人提出了集成合格率管理中的开放式机器学习系统，与传统的对单一工序或单一过程进行统计分析的方法不同，为了管理全工艺过程，他们应用了决策树技术和神经网络技术建立了最终合格率数据与全过程参数的映射关系，进行全过程的过程控制和系统改进。IDS、YieldD

14、ynamic 等公司主要发展在集成合格率管理系统方面的产品，其功能主要有数据 的管理、基本的统计分析、 晶元图的分析、 分析报告的生成、 高阶的数据分析包括数据挖掘等技术，在半导体制造业有着很好的应用效果。集成质量系统的研究目前主要有两个方向，一个方向是集中在质量信息的集成上，863CIMS 主题的支持下开展了国内在这方面有很多的研究，如面向敏捷制造的集成质量系统的研究 、全面质量管理信息系统的研究、集成环境下质量信息管理系统等。质量信息的集成是质量活动的基础，在实际生产过程中过程工程师有很大部分的时间和精力在收集和整理数据，每个企业都可以很容易的收集到相同的数据，但产生差距的是对数据的分析和

15、针对功能的数据收集。这也就是功能集成的必要性，功能集成是集成质量管理系统的另一个方向。功能集成层次上的研究重点目前集中于质量工具在连续质量改进活动中的集成应用上，何桢等在连续质量改进和质量工具集成的研究就是集中在功能集成的角度上的，如基于 SPC DOE集成的制造过程连续质量改进模式和方法的研究、面向设计过程的 QFD 和DOE 集成来实现设计过程质量改进。由于生产系统的复杂性和多样性， 上述方法面对不同的制造环境需要进行一定的改进和创新。本文的着眼点在于研究高度自动化制造系统中的集成质量管理模式，而高度自动化是现代制造系统最主要的特征之一。因此有必要对现代制造系统进行分析。现代制造系统科技的

16、发展在一定程度上能够带动制造的发展，同时对制造技术提出了更高的要求，制造系统的复杂程度和自动化程度越来越高。现代制造模式已经发生了根本的变化。因此传统的制造管理理论和方法需要进一步提高，以适应现代制造系统的需求。制造并不是单纯的制造工艺而是一个由多种层次集成的系统，通过系统运行实现系统功能。 这一集成可以从两个层次上理解，工程的层次和组织的层次。 工程的层次主要指直接支撑制造过程的硬件和软件部分，包括：底层的制造工艺、 制造过程的控制、 实现生产的组织和计划调度系统。组织层次主要指间接支撑制造活名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -

17、 - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 6 页 - - - - - - - - - 动的管理层次：包括实现企业资源集成的并行工程和全面质量管理等管理理念、实现企业间资源集成和虚拟企业、最后层面是客户需求， 现代制造系统的体系如图11所示。图l-l现代制造系统模型电子信息产品的制造是典型的现代制造系统，其中又以半导体及其相关产品的制造为最具典型的代表，同时与半导体产品相关的PCB 制造、电脑制造、精密机械也具有类似特征。 概括起来，该产业制造模式的主要特点是系统复杂而且高度自动化，具体包括如下特点：1) 高度自动化生产线。高度自动化生产的突出特点是产品的质量与设备

18、的关系密切。产品的加工过程很大程度上由加工设备完成， 人为因素对产品质量的影响居于次要地位。另外，由于自动化程度高， 在制造过程中产生大量的数据，而有效信息就隐藏在这些数据中。因此，需要对传统的数据处理和分析手段进行改进。2) 产品加工速度快。企业大量采用自动化技术来实现高速生产。方面生产过程尽可能不出现间断，因为短暂的停顿会给企业造成很大的经济损失。另一方面，由于企业闻供应链的高度集成给企业留下的缓冲余地很小，这样生产的停顿会造成延迟交货的损失。3) 强调设备利用率。一方面自动化生产线的设备投资很大，另一方面装备制造业的技术更新速度有了大幅度的提高，设备的更新换代时间与传统的生产线相比也有了

19、大幅度的缩短。因此，为了能快速的回收设备投资，普遍重视提高设备利用率， 要求尽量减少非正常因素的停机，目前世界级企业(World ClassEnterprise)的OEE(Overall Equipment Efficiency，设备总体利用率 ) 水平已经达到了 90以上。4) 生产组织形式以多品种大批量为主。客户需求的多样化对生产系统提出了多品种大批量的要求，而多品种大批量的生产又要求生产系统在柔性、 稳定性和高效率三方面都有优秀的表现。如何在这三个方面提高能力是一个全新的挑战。目前在日本的H(A公司的高效率、省能源的多品种大批量制造系统的研究，已经得到了经济产业省、 新能源开发局提供 5

20、0的经费支持 3年内投资 80亿日元，并被评价为曰本三大半导体开发计划之一。5) 产品制造工艺日益复杂。主要体现在两个方面， 一方面制造的高精度， 一方面工序繁多。 以半导体业为代表，目前硅晶片技术的晶片直径己经达到了300mm 制造工艺达到 90nm 的线宽有在前端也就是芯片制造阶段就有近300道工序。复杂的工艺过程。高精度的工艺要名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 6 页 - - - - - - - - - 求全过程的高精度， 以芯片制造为例， 从原材料到

21、生产过程到生产过程中的辅助过程到测试封装， 任何一个环节的不稳定都会带来很大的质量损失，在保证质量的条件下快速的达到可量产的良品率是这一行业成功的关键。6) 新工艺和新产品的引入速度加快。产品生命周期短， 1959年美国科学家摩尔大胆做出一个假说：CPU 的功能和复杂性每18个月增加一倍。 这一预言成为了芯片业的真实写照，并带动了世界经济进入快速增长期。 墨尔定律所带来的直接影响就是产品生命周期的大大缩短，在制造过程中要求产品快速完成从研发到量产的过程，实现制程的快速成熟。论文的研究内容和技术路线本论文在综合前人研究成果的基础上，着重对如下内容进行了深入研究：1) 对制造过程质量管理的主要技术

22、进行了分析，如过程能力分析、统计过程控制、实验设计等，并对数据挖掘进行了重点研究。2) 结合现代制造系统特点和具体案例，提出了三维质量集成模型，综合运用各种技术手段建立集成质量管理的技术框架。3) 综合应用上述模型和方法为L公司建立了集成质量体系，并在实际应用中取得了一定的效果。本论文采取理论联系实际的方法，具体的技术路线如图12所示。基于三维质量集成的集成质量框架研究在L公司的应用研究图1-2技术路线14研究背景及研究意义本文的研究基于我们在 L公司实施的持续质量改进项目，该公司制造系统具有高度自动化生产的特征， 生产组织形式采用多品种大批量方式，多年来企业产品合格率维持在 90左右的水平上

23、， 这一质量水平在业界处于中低水平。较低的产品合格率严重制约了企业的扩张，影响了企业的进一步发展。 在该项目实施过程中，我们碰到了如下几个迫切需要解决的问题：1) 快速的质量异常诊断的问题；2) 工序能力的提高；3) 多品种大批量情况下的过程控制问题。总结起来这几个问题是现代制造系统的共性问题，这三个问题构成了本研究的基本出发点。本论文的研究意义主要体现在如下两个方面：1、理论意义1】解决了高度自动化制造模式，特别是多品种特征下的过程控制问题。应用聚类分析和 SPC 集成的方法降低了控制图数量，使SPC 在实际应用上可行。21建立了数据挖掘和 SPC 集成的框架体系，实现过程控制和快速诊断的有

24、效集成。3) 提出了面对产品合格率管理的三层合格率管理模型。解决了合格率管理分散孤立的问题，将总合格率与过程质量特性有机的结合起来。41本文将理论模型转化为可以实际运作的技术体系，并通过实证研究验证了可操作性和实际效果。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 6 页 - - - - - - - - - 2、实际意义本论文的成果已经在 L公司进行了成功的应用，取得了很好的效果，改善了该厂制造过程质量管理体系能力不足的问题，并在工程师的协助下将该厂的产品合格率提高了

25、5左右。由于 L公司的生产模式在该产业甚至产业链具有共性特征，所以本论文的成果对于该行业具有一定的指导意义。第二章集成质量管理的单元技术公式(2-1) 中，T为过程统计量的技术规格的公差幅度；弓、五则分别为上、下公差界限；仃为过程统计量的总体标准差，可以在过程处于稳态时得到。2、有偏移情形的工序能力指数当过程统计量的分布均值与公差中心M 不重合 ( 即有偏移 ) 时，如图 2-1所示，显然不合格率 (如图上的 E)增大，也即 Cp 值降低，故式 (21) 所计算的工序能力指数不能反映有偏移的实际情形，需要加以修正。 定义分布的总体均值与公差中心 M 的偏移为 s=旧一 a1，与 M 的偏移度 K为：则有偏移的工序能力指数为：3、单侧规格的工序能力指数若只有规格上限的要求，而对规格下限无要求如下： (2 3) 则单侧规格的工序能力指数(2-4) 同理，若只有规格下限的要求，而对规格上限无要求，则单侧规格Nq-序能力指数如下：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 6 页 - - - - - - - - -