Повышение эффективности статистического управления технологическими процессами путем совершенствования метода использования контрольных карт Шухарта

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность работы. Известно, что в условиях современного производства актуальны задачи гарантированного обеспечения качества и достижения максимальной идентичности изделий. Одним из наиболее эффективных путей решения отмеченных задач является применение статистических методов управления процессами.

Теоретические основы статистического контроля и управления качеством были разработаны в конце 30-х годов в США Уолтером Шухартом. Статистические методы могут рассматриваться как комплекс взаимосвязанных и взаимозависимых способов решения задач статистического анализа, контроля, регулирования и оценки качества продукции. Центральным элементом методов статистического управления качеством являются контрольные карты. Они могут быть использованы в любом производстве, независимо от вида выпускаемой продукции (машиностроение, радиоэлектроника, пищевая и легкая промышленность и т. д.), в сфере обслуживания и административной сфере.

Теоретически, данный инструмент обеспечения качества предназначен для использования в технологических процессах, параметры которых подчиняются нормальному закону распределения. Однако подобных процессов существует не так много. В большинстве реальных процессов присутствует доминирующий системный фактор, оказывающий существенное влияние на характер распределения случайной величины. Например, для технологических процессов обработки заготовок на металлорежущих станках нормальное распределение характерно, как правило, для 8 - 9 и более грубых квалитетов точности. Таким образом, чаще всего формально контрольные карты Шухарта (ККШ) могут быть использованы только там, где они не слишком нужны. Попытки обосновать использование ККШ для негауссовых процессов делались еще самим У. Шухартом, однако согласно действующего стандарта на ККШ ГОСТ Р 50779.42-99 необходимо нормальное распределение в регулируемом процессе.

С другой стороны, современное производство имеет устойчивую тенденцию к уменьшению серийности, в связи с этим период отладки параметров карты должен быть сведен к минимуму. Однако, по существующему стандарту ГОСТ Р 50779.42-99 значения параметров контрольной карты выбираются по таблицам, ни в коей мере не отражающим особенности отдельных характеристик процесса, что затрудняет процесс статистического регулирования, особенно на первоначальном этапе использования ККШ.

Дополнительным сдерживающим фактором для использования ККШ является неопределенность в отношении достигаемых результатов, то есть до практического использования ККШ неизвестно, насколько часто придется производить подналадку процесса, как изменится закон и характер распределения регулируемых параметров качества и др.

Все это требует некоторого усовершенствования действующего метода использования ККШ.

Современными прикладными науками накоплен большой теоретический и экспериментальный материал относительно характерных особенностей практически всех используемых в настоящее время технологических процессов. Эти знания могут стать основой для совершенствования существующего метода использования ККШ.

В связи с этим основные направления данного исследования можно сформулировать следующим образом:

а) обоснование возможности использования ККШ, рассчитанных на основании метода, регламентированного ГОСТ Р 50779.42-99 (ISO 8258-91), для управления негауссовыми процессами;

б) разработка методик определения основных параметров карты с учетом конкретных характеристик процесса;

в) разработка методик оценки результатов использования ККШ.

Цель диссертационной работы. Повышение эффективности и снижение трудоемкости статистического управления процессами с помощью ККШ путем разработки метода назначения и оптимизации параметров карты с учетом особенностей процесса.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо последовательно решить следующие задачи:

- разработать методику, алгоритм и программное обеспечение для компьютерного моделирования и исследования управления с помощью ККШ различными процессами (в том числе и негауссовыми);

- исследовать возможность применения ККШ, рассчитанных на основании ГОСТ Р 50779.42-99 (ISO 8258-91), для управления негауссовыми процессами;

- разработать метод назначения и оптимизации параметров ККШ, включающий методики:

а) определения основных параметров ККШ с учетом конкретных характеристик процесса;

б) оценки результатов использования ККШ (параметров распределения результатов процесса, индекса возможностей процесса, частоты подналадок, вероятности появления брака);

в) оценки экономической эффективности практического использования разработанного метода.

- апробировать разработки в производственных условиях.

Предмет исследования - статистическое регулирование процессов.

Объект исследования - действующий метод использования контрольных карт Шухарта.

Методы исследований. Для обработки первичной информации использовались общенаучные приемы анализа и синтеза. Для решения поставленных в работе задач был использован метод имитационного моделирования применительно к управлению процессом с помощью ККШ, основные положения теории вероятности и математической статистики. Исследования проводились с использованием разработанного автором инструмента для анализа процесса управления ККШ (программный комплекс CAE - система «Сontrol chart»).

Достоверность научных результатов исследования подтверждается репрезентативностью исходных материалов, сходимостью теоретических и экспериментальных данных, выбором адекватных моделей и методов, применением апробированных методик научного познания.

На защиту выносятся:

- метод назначения и оптимизации параметров ККШ;

- методика, алгоритм и программное обеспечение (программный комплекс CAE - система «Сontrol chart») для исследования процесса управления с помощью ККШ;

- результаты исследования возможности применения ККШ, рассчитанных на основании ГОСТ Р 50779.42-99 (ISO 8258-91), для управления негауссовыми процессами.

Научная новизна работы:

Разработан метод назначения и оптимизации параметров ККШ, включающий:

- методику обоснованного назначения параметров контрольной карты (объем выборки (n), периодичность ее взятия (t)) и оценки результатов ее использования (параметров распределения результатов процесса, индекса возможностей процесса, частоты подналадок, вероятности появления брака);

- методику оценки экономической эффективности практического использования разработанного методаметода;

- инструмент для анализа процесса управления с помощью ККШ (программный комплекс CAE - система «Сontrol chart»).

Практическая ценность работы: применение разработанного метода расширяет имеющиеся знания в области управления процессами и позволяет с минимальными затратами обеспечить их эффективное статистическое управление.

Апробация и реализация результатов. Основные положения настоящей работы доложены и обсуждены на ХIII Международной научно-практической конференции «Управление организацией: диагностика, стратегия эффективность» (г. Санкт-Петербург, 2005 г.), на 5-й Международной научно-технической конференции «Обеспечение и повышение качества машин на этапах их жизненного цикла» (г. Брянск, 2005 г.); на ХIII Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера XXI века» (г. Севастополь, 2006 г.); на Международной школе-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов имени П. А. Соловьева и В. Н. Кондратьева (г. Рыбинск, 2006 г.).

Разработанный автором для выполнения исследований по теме данной диссертационной работы программный комплекс CAE - система «Сontrol chart» был отмечен Дипломом Лауреата Международного конкурса «Компьютерный инжиниринг» за 2006 г.

Метод назначения и оптимизации параметров ККШ, соответствующее программное обеспечение, предложенные и реализованные в ходе выполнения диссертационной работы, были апробированы и приняты к внедрению на крупном машиностроительном предприятии, работающем в Центральном регионе России (г. Рыбинск), что подтверждено актом о внедрении.

1. Аналитический обзор главных проблем в области современного статистического управления процессами, анализу процесса использования контрольных карт Шухарта

статистический шухарт негауссовый изделие

Изучены преимущества, недостатки и возможности по управлению процессами контрольными картами.

Анализ процесса использования контрольных карт Шухарта позволил определить основные проблемы применения статистических методов управления процессами с помощью ККШ в условиях современного производства.

Основные теоретические и практические положения в области статистического управления процессами отражены в исследованиях отечественных и зарубежных ученых, таких как: Ю.П. Адлер, В.Л. Шпер, О.П. Глудкин., В.А. Лапидус, О.И. Илларионов, М.И. Розно, И.В. Никифоров, Б.Е. Бродский, А.Н. Ширяев, В.Н. Клячкин, W. Shewhart, E. Deming, К. Ishikawa, H.J. Mittag, H. Kume, T. Kanazuka, C. Bennet, H. Schneeweiss, H. Weller, A. Duncan, C. Barnard, N. Barish, K. Weichselberger, D. Montgomery, R. Hoyer.

На основании анализа представленных литературных данных можно сделать выводы о том, что

- обеспечение статистического управления процессами является для любой современной российской компании ключом к интеграции в мировой рынок и неотъемлемым атрибутом успеха большинства компаний мирового уровня;

- без применения статистического управления процессами невозможно в условиях современного производства получить продукцию, отвечающую всем требованиям к качеству;

- ККШ - простой и эффективный инструмент для статистического управления процессами;

- вопросы, связанные с возможностью разработки методик, определяющих обоснованные значения параметров контрольной карты в зависимости от конкретных характеристик процесса и возможности использования ККШ для негауссовых процессов, должного развития в научных работах специалистов по статистическому регулированию не получили.

По результатам анализа первой главы сформулированы цель и задачи исследования, выбраны объекты и методы исследования.

2. Вопросы компьютерного моделирования управления процессами с помощью ККШ

Описан программный комплекс «Control Chart» для проведения исследования по теме диссертации, его возможности и порядок работы с ним.

Поставленные в работе задачи решаются на основе имитационного моделирования управления процессами с помощью ККШ. Это обеспечивает чистоту проведения эксперимента, позволяет адекватно отразить структуру рассматриваемой сложной системы и в то же время заменяет дорогостоящий и трудоемкий эксперимент расчетом на компьютере.

Структура программного комплекса «Control Chart» приведена на рис. 1.

Разработанные методики, описывающие возможные законы распределения характеристик процесса, характер доминирующего фактора и позволяющие рассчитывать контрольные границы ККШ, учитывают все основные факторы, необходимые для реализации и построения имитационной модели управления процессами с помощью ККШ.

Рис. 1. Схема моделирования управления процессом с помощью ККШ

Программный комплекс «Control Chart» позволяет решать целый комплекс сложных и актуальных задач. Его центральным элементом является программа «KKSH for nonnormal process», в которую вводится необходимая информация об исследуемом процессе. Программа построена по модульному принципу и включает в себя несколько блоков. Блок-схема данной программы представлена на рис. 2.

Компьютерное моделирование процесса управления с помощью ККШ заключается в том, что имитируются ведение ККШ. Для виртуального технологического процесса (его роль играет блок генерации случайных чисел) периодически производится взятие заданной выборки, расчет значений и R, построение соответствующих точек на виртуальной контрольной карте, интерпретации результатов, принятия решения о необходимости выполнения подналадки.

3. Исследование и оценка возможностей практического использования разработанного программного комплекса CAE - системы «Сontrol chart» для управления процессами

С этой целью был рассмотрен процесс наружного шлифования диаметра наружной цилиндрической поверхности детали «втулка». Номинальный диаметр детали составляет 15 мм, допуск на размер составляет 0,018 мм, что соответствует 7 квалитету точности. Выбор процесса обусловлен относительной простотой получения статистической информации, известностью закона изменения параметров качества во времени.

Действительный размер детали, изготавливаемой в процессе обработки заготовки на станке, является результатом совместного действия многих независимых, переменных во времени систематически и случайно действующих факторов: неточности установки заготовки, неоднородности размеров, состава и свойств обрабатываемой заготовки, силовых и тепловых деформаций технологической системы, износа деталей технологической системы и др.

Однако наряду с данными факторами, вызывающими рассеяние, действует доминирующий систематический фактор, непрерывно и равномерно изменяющий во времени положение центра группирования размеров обработанных деталей - износ обрабатывающего инструмента (шлифовальный круг), что и приводит к распределению параметров качества процесса по закону равной вероятности.

Оптимизация параметров ККШ осуществляется путем многократного повторения описанного выше процесса в программном комплексе «Сontrol chart» с различными значениями объема выборки (n) и периодичности ее взятия (t), расчета п

§ араметр

ов распределения результатов процесса (стандартного отклонения у и поля рассеяния), индекса возможностей процесса, частоты подналадок, вероятности появления брака и последующего выбора оптимального варианта с учетом конкретных производственных условий.

Были получены следующие результаты:

1. Управление негауссовыми процессами с помощью ККШ приводит к изменению закона распределения параметров качества изготовленных деталей на нормальный или близкий к нему (рис. 3), что свидетельствует о возможности использования ККШ, рассчитанных на основании ГОСТ Р 50779.42-99 (ISO 8258-91), для негауссовых процессов.

Рис. 2. Блок-схема процесса имитационного моделирования управления процессом с помощью ККШ

Рис. 3. Изменение закона распределения параметров качества процесса: I - характер распределения параметров качества сгенерированных массивов до проведения моделирования использования ККШ; II - характер распределения параметров качества процессов, управляемых с помощью ККШ (А - для данных n = 2, t = 8, Тk = 0,00012; Б - для данных n = 4, t = 2, Тk = 0,00025; В - для данных n = 3, t = 10, Тk = 0,00036)

2. Для подобных процессов существует взаимосвязь между стандартным квадратическим отклонением параметров качества и количеством изделий в выборке n, периодичностью ее взятия t и характеристиками исходного процесса (например, интенсивностью изменения во времени доминирующего фактора). Эта связь может быть оценена количественно с помощью предлагаемого метода.

В частности, количественно были подтверждены известные тезисы о том, что:

- большие значения n, берущиеся с меньшей частотой t, могут обнаружить малый сдвиг процесса более точно.

- малые значения n, берущиеся с наименьшей частотой t, обнаруживают большие сдвиги в ходе процесса быстрее.

3. Проведенные исследования показали эффективность и целесообразность применения разработанного программного комплекса CAE - системы «Сontrol chart» при управлении процессами посредством ККШ.

4. Разработка метода назначения и оптимизации параметров ККШ

На основании полученных в ходе проведенного исследования результатов, автором был предложен метод назначения и оптимизации параметров ККШ (рис. 4), включающий:

- методику определения параметров ККШ в зависимости от характеристик процесса, оценки результатов ее использования (параметров распределения результатов процесса, стандартного квадратичного отклонения у, поля рассеяния, индекса возможностей процесса, частоты подналадок, вероятности появления брака);

- методику оценки экономической эффективности практического использования разработанного метода;

- инструмент для анализа процесса управления ККШ - программный комплекс CAE - система «Сontrol chart».

Блок-схема методики определения параметров ККШ в зависимости от характеристик процесса, оценки результатов ее использования представлена на рис. 5.

Методика оценки экономической эффективности практического использования разработанного метода основывается на методике оценки затрат на процесс. А именно на сопоставлении затрат на процесс, в котором ККШ не применяется с затратами на процесс при использовании контрольной карты, построенной согласно предлагаемого метода. Условие экономической целесообразности применения ККШ является следующим: превышение величины затрат на процесс, в котором не используется карты Шухарта над затратами на процесс, в котором они применяются:

, (1)

где t - трудоемкость контроля одной единицы (детали), н-ч; Дn - изменение количества единиц подлежащих контролю в случае перехода на управление процессом при помощи ККШ, шт; l - часовая тарифная ставка контролера, р/час; ДP - изменение доли дефектных деталей в случае перехода на управление процессом при помощи ККШ (%); с - стоимость детали, р; N - общее количество произведенных деталей; ДСвнеш.п. - изменение суммы затрат на внешние потери в случае перехода на управление процессом при помощи ККШ, р; ДСп. - изменение суммы затрат на контроль и переделку несоответствующей продукции в случае перехода на управление процессом при помощи ККШ, р; nв - количество выборок, необходимых для ведения ККШ, ед; tв - неперекрываемая трудоемкость осуществления контроля и обработки результатов контроля выборки, н-ч; lс - часовая тарифная ставка специалиста, р/ч; А - стоимость бланков для ведения ККШ, р; d - период времени на который необходима остановка процесса, час; p - коэффициент производительности труда, ед/час; U - стоимость проведения корректировки процесса, р.

Рис. 4. Структурная схема управления процессом с помощью ККШ согласно разработанного метода

Рис. 5. Алгоритм методики определения параметров ККШ в зависимости от характеристик процесса и оценки результатов ее использования

Оценка экономической эффективности применения результатов данной работы при управлении процессом шлифования наружной цилиндрической поверхности детали «втулка» показала, что трудоемкость осуществления статистического управления процессом уменьшается в среднем на 20%.

Заключение

1. Существующий метод использования ККШ ГОСТ Р 50779.42-99 (ISO 8258-91) имеет ряд принципиальных недостатков, требующих проведения исследований и уточнения самого метода.

2. В работе предложен метод назначения и оптимизации параметров ККШ. Данный метод состоит из ряда отдельных методик и инструментов. Он позволяет обоснованно определять, в зависимости от особенностей конкретного процесса, результаты использования ККШ и на этой основе оптимизировать значения параметров карты (объем выборки, периодичность ее взятия). Это дает возможность начинать реальную работу по управлению процессом с помощью ККШ, уже имея определенный багаж знаний относительно параметров карты, что существенно снижает издержки по статистическому управлению, особенно в начальный период использования контрольной карты.

3. В результате выполнения данной работы созданы математические модели, программное обеспечение и методики, которые позволяют исследовать и оптимизировать процесс статистического управления с помощью ККШ.

4. Разработанный метод позволяет с минимальными затратами обеспечить статистическую управляемость процессов.

Литература

1. Непомилуев, В.В. Контрольный карты Шухарта как инструмент управления негауссовыми процессами [Текст] / В.В. Непомилуев, И.В. Дюпин // Методы менеджмента качества. - 2005. - №9. - С. 34-38.

2. Непомилуев, В.В. Сontrol Сhart» - СAE система исследования процесса управления качеством контрольными картами Шухарта [Текст] / В.В. Непомилуев, И.В. Дюпин // Известия Тульского государственного университета. Серия Экономика. Управление. Стандартизация. Качество. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2006. - С. 87-91.

3. Дюпин, И.В. Контрольные карты Шухарта как инструмент обеспечения качества продукции, оказания услуг при управлении негауссовыми процессами организации [Текст] / И.В. Дюпин // Управление организацией: диагностика, стратегия эффективность: труды ХIII международной научно-практической конференции. - Санкт-Петербург: Изд-во Политехн. Ун-та, 2005. - С. 46-50.

4. Дюпин, И.В. Управление негауссовыми процессами с помощью контрольных карт Шухарта [Текст] / И.В. Дюпин // Обеспечение и повышение качества машин на этапах их жизненного цикла: материалы 5-й международной. науч.-техн. конф. - Брянск: БГТУ, 2005. - С. 275-276.

5. Непомилуев, В.В. Статистический контроль производственных процессов с помощью контрольных карт [Текст] / В.В. Непомилуев, И.В. Дюпин // Машиностроение и техносфера XXI века: сборник трудов ХIII международной научно-технической конференции. - Донецк: ДонНТУ, 2006. -Т.3. - С. 105-109.

6. Непомилуев, В.В. Статистический контроль производства спрямляющих лопаток компрессора двигателя Д049Р [Текст] / В.В. Непомилуев, И.В. Дюпин // Авиационная и Ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений: материалы Международной школы-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов им. П.А. Соловьева и В.Н. Кондратьева. - Рыбинск: РГАТА, 2006. Ч.4. - С. 165-167.

Размещено на Allbest.ru