Методы менеджмента качества

качества в рамках организации сводится к планированию, обеспече­ нию, управлению и совершенствованию каждого этапа жизненного цикла изделия.

Проектирование общепризнанно является ключевым этапом жиз­ ненного цикла изделия в формировании заданного уровня качества

иконкурентоспособности. Ошибка на данном этапе жизненного цик­ ла приводит к астрономическим потерям финансовых, материальных, человеческих ресурсов на выходе процесса, поскольку принятые уже на этом этапе решения во многом определяют организацию и затраты на производство, контроль, сбыт и эксплуатацию. В процессе конст­ рукторской проработки формируется состав изделия, а закладывае­ мая конструктором информация о применяемых материалах, сорта­ менте, назначаемых допусках и отклонениях впоследствии оказывает существенное влияние на технологичность конструкции, сроки про­ изводства и стоимость продукции.

По данным исследователей, около 80 % всех дефектов, которые вы­ являются в процессе производства и использования изделий, обуслов­ лены недостаточным качеством процессов разработки концепции изде­ лия, конструирования и подготовки его производства. Около 60 % всех сбоев, которые возникают во время гарантийного срока изделия, имеют свою причину в несовершенной разработке. Поданным исследователь­ ского отдела фирмы «Дженерал Моторе» (США) при разработке и про­ изводстве изделия действует правило десятикратных затрат: затраты на устранение дефекта, появившегося на некоторой стадии производства

ивыявленного только на последующей стадии, возрастают в 10 раз, че­ рез одну стадию — уже в 100 раз, через две стадии — в 1000 раз и т. д.

Основным принципом современного менеджмента качества являет­ ся так называемый системный подход, который в полной мере должен определять стратегию проектирования изделия. Объект проектирова­ ния должен рассматриваться как система, в которой выделенные эле­ менты и связи между ними, влияющие на функциональные показатели, выстроены в структуру для достижения цели — обеспечения требуемо­ го показателя качества.

Структура процесса проектирования, т. е. создания продукции в виде информации о нем, с позиций системного подхода может быть пред­ ставлена в виде трех взаимосвязанных этапов:

1.Проектирование системы, обеспечивающей выполнение требуе­ мых функций (концепция изделия, схема, общая компоновка изделия, выбор блоков и материалов) — System Design.

2.Проектирование параметров, определяющих функциональное на­ значение узлов, соединений, деталей изделия (конструктивные пара­

метры изделия для принятого варианта решения, представленные в виде номинальных значений) — Parameter Design.

На этом этапе выполняется конструкторская проработка изделия и его составных частей (эскизный проект), выполняются расчеты, под­ тверждающие отдельные аспекты работоспособности изделия, напри­ мер, кинематический, силовой, расчеты на прочность, жесткость, изно­ состойкость.

3. Проектирование полей допусков. Предполагает назначение допус­ тимых диапазонов рассеяния параметров, определенных на предыду­ щей стадии — Tolerance Design.

Очевидно, что все три этапа тесно связаны между собой не только прямыми иерархическими связями, но и обратной связью. Например, в рамках третьего этапа проектирования полей допусков может быть принято решение вернуться ко второму этапу и скорректировать те или иные конструктивные параметры изделия. Более того, может быть при­ нято решение вернуться к первому этапу и корректированию концеп­ ции всей конструкции изделия или его отдельных частей.

В данном учебном пособии рассматривается третий этап процесса проектирования изделия — этап «сквозного» проектирования полей до­ пусков (норм точности) —от требований технического задания к пара­ метрам качества изделия до требований к параметрам сборочных еди­ ниц и деталей.

Создание изделия сопряжено с принятием множества решений, свя­ занных с точностью функционирования его отдельных элементов, по­ этому на всех этапах этого процесса необходимо иметь критерии точ­ ности в виде количественных требований. Стоимость «излишней» точности или потеря качества в виде неизбежного процента брака из-за слишком широких допусков на параметры, обеспечивающие заданные функции изделия, приводят к потере конкурентоспособности, поэтому нормирование точности является важнейшей частью создания продук­ ции и определяет все аспекты проектирования и производства.

Для обеспечения воспроизводимости данного этапа в отношении вновь разрабатываемых изделий самого разного назначения необхо­ димо наличие методики, разработанной с позиций инженерного под­ хода, в соответствии с принципом необходимости и достаточности, учетом современных тенденций развития машиностроения и прибо­ ростроения.

В учебном пособии предложена методика проектирования норм точ­ ности, построенная по единым принципам расчета, позволяющая алго­ ритмизировать процедуру проектирования норм точности изделий машиностроения и приборостроения самого разного назначения.

ГЛАВА 2

ОБЩЕЕ РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НОРМТОЧНОСТИ ИЗДЕЛИЯ

2.1. Алгоритм проектирования нормточности изделия

Методология обеспечения качества изделий на стадии разработки в части проектирования норм точности (допусков) должна быть гармо­ низирована с требованиями стандартов ИСО серии 9000, соответство­ вать принципу системного подхода и основываться на технологии раз­ вертывания функции качества QFD.

QFD — это тщательно разработанная, до предела формализованная процедура перевода требований потребителя в технические характе­ ристики будущей продукции, которыми, в свою очередь, оперирует производитель, преобразуя их в характеристики процессов жизненного цикла (закупок, производства, контроля, монтажа, обслуживания). Процедура представлена как алгоритм последовательного решения определенных типовых задач и типового представления результатов их решения.

По аналогии с процедурой QFD представим алгоритм проектирова­ ния норм точности изделия как последовательность этапов и соответ­ ствующих им задач:

1-й этап — идентифицировать и проанализировать проектируемый показатель качества изделия в виде диапазона допускаемых значений положения/перемещения рабочего элемента;

2-й этап — представить структуру изделия в виде «иерархической пирамиды», позволяющей идентифицировать источники влияющих факторов («носителей» частных неопределенностей положения/перемещения рабочего элемента);

3-й этап —реализовать процедуру проектирования норм точности как последовательность решения трех задач:

♦выявить и классифицировать влияющие факторы;

♦оценить коэффициенты влияния влияющих факторов;

♦распределить диапазон допускаемых значений положения/пере­ мещения рабочего элемента изделия между его структурными элемен­ тами в виде полей допусков влияющих факторов (норм точности).

2.2. Этапы алгоритма проектирования норм точности изделия

2.2.1.Первый этап. Идентификация и анализ проектируемого показателя качества изделия в виде диапазона допускаемых значений положения/перемещения рабочего элемента

В теории механизмов и машин используется допущение, что реаль­ ные количественные характеристики механизма (геометрические, фи- зико-механические) равны заданным и, следовательно, предписанный закон движения осуществляется абсолютно точно. В реальных меха­ низмах в силу неизбежной вариации геометрических, физико-механи- ческих характеристик отдельных звеньев и их соединений (например, возникают отклонения размеров, формы, взаимного расположения от теоретически заданных) закон движения рабочего звена воспроизво­ дится неточно. Таким образом, можно говорить о неопределенности положения или перемещения выходного звена (рабочего элемента из­ делия), которая зависит от множества объективных и субъективных причин.

Основными причинами неопределенности положения (перемеще­ ния) рабочего элемента изделия механического типа являются:

♦допущения, принимаемые преднамеренно или вынужденно в про­ цессе проектирования изделий;

♦вариации параметров деталей и их соединений (геометрические размеры, отклонения формы и расположения поверхностей) в про­ цессе:

изготовления и сборки, вызванные несовершенством производства (вариации характеристик оборудования, приспособлений, инструмен­

та и др.); эксплуатации (силовые и температурные деформации, износ).

Основными требованиями технического задания являются требова­ ния к выходным эксплуатационным показателям качества изделия. «Точность» реализации показателей задается в виде допускаемого диа­ пазона рассеяния, например, допускаемый диапазон рассеяния значе­ ния угла поворота барабана механизма привода магнитной ленты ±5°

за 2я рад. При выборе отдельных конструктивных решений для узлов и деталей воспользоваться таким параметром не представляется воз­ можным, необходимы частные критерии точности, относящиеся к от­ дельным элементам конструкции, представляющие собой по форме тот же допускаемый диапазон рассеяния.

В соответствии с требованиями международных стандартов ИСО се­ рии 9000 все параметры качества продукции и процессов должны зада­ ваться в виде «... номинального значения с допуском». Это означает, что каждый параметр качества должен быть представлен в виде диапазона допустимого рассеяния значений, который нормируется соответству­ ющими стандартами и обозначается должным образом, причем ограни­ чения могут быть как двухпредельными, так и однопредельными (рис. 2.1, а, б, в).

в — ограничение сверху: не более чем А ^ , Y < А°тах.

Двухпредельные ограничения могут быть как в явном (например, поле допуска линейного размера 30/fc6( )), так и в неявном виде (напри­ мер, «допуск прямолинейности хода стола контрольного приспособле­ ния 3 мкм» означает, что диапазон допустимого рассеяния действитель­ ных значений отклонения от прямолинейности 0..3 мкм; аналогично «значение параметра шероховатости Ra 1,6 мкм» означает, что диапазон допустимого рассеяния действительного значения среднего арифмети­ ческого отклонения профиля Ra 0... 1,6 мкм). Однопредельными огра­ ничениями нормируются, как правило, такие показатели, как прочность, надежность, работоспособность (например, период безотказной работы элемента схемы 2000 ч, не менее; предел прочности детали 700 МПа, не менее), расход топлива, электроэнергии (например, расход топлива 7 л на 100 км, не более; масса изделия 250 кг, не более).

Диапазон рассеяний параметра, характеризующийся разностью ре­ ального и соответствующего ему целевого (расчетного) значений мо­ жет быть ассоциирован с такими понятиями, как ошибка, погрешность, неопределенность. В данном пособии с целью гармонизации подходов к количественному выражению требований к точности в виде допусков параметров будет использован термин «неопределенность», применяе­ мый в метрологии, как наиболее корректный.

Понятие «неопределенность» в самом широком смысле означает со­ мнение относительно того, что событие произойдет. Термин «неопре­ деленность измерения» означает сомнение относительно достовернос­ ти результата измерения и трактуется следующим образом.

Неопределенность измерения есть параметр, связанный с результа­ том измерения и характеризующий дисперсию значений, которые мог­ ли быть обоснованно приписаны измеряемой величине. Параметром может быть, например, стандартное отклонение (или данное, кратное ему) или полуширина интервала, имеющего установленный уровень доверия.

Концепция неопределенности в метрологии основывается на фунда­ ментальном положении теории вероятности и математической статис­ тики: все величины, вовлеченные в процесс измерения, являются слу­ чайными по своей природе, т. е. каждую из них можно охарактеризовать тремя основными вероятностными характеристиками: закон распреде­ ления, математическое ожидание, стандартное отклонение или диспер­ сия. При этом каждая случайная измеряемая величина может быть представленакакдиапазон значений (рис. 2.2), которыемогут быть сдос­ таточным основанием приписаны величине А:

где А0 —оценка результата измерения (математическое ожидание) — неслучайная величина; U = k-uz (A°) — расширенная неопределенность результата измерения Л°; ±U — диапазон рассеяния параметра Л° с ве­

ределенность оценки результата измерения Л°, представленная стан­ дартным отклонением результата измерения, характеризующим разброс его значений;/ — функция, представляющая собой модель из­ мерений как математическую зависимость между оценкой результата измерения и оценками (математическими ожиданиями) всех входных величин jc®г = 1... N, вовлеченных в измерение:

где м2(х) — дисперсии или ковариации влияющих параметров х., взве­ шенные в соответствии с тем, как результат измерения А 0 изменяется в зависимости от изменения оценок входных влияющих величину., i = 1...ЛГ; и (г.) — стандартная неопределенность влияющего параметра хР

оцененная по типу Л или 5; ( z f- I — частные производные, называе-

{ d x j

мые коэффициентами чувствительности (влияния), показывающие, как оценка результата измерения /4° изменяется с изменением значе­ ний оценок входных влияющих параметров x t, х2>... х ^

ностей примет вид:

где к — коэффициент охвата. Значение коэффициента охвата выбира­ ется на основе уровня доверительной вероятности. Обычно к назна­ чают в диапазоне от 2 до 3 (для уровня доверительной вероятности Р= 0,95...0,99).

Рис. 2.2. Графическое представление неопределенности результата

измерения в метрологии

Очевидно, что концепция неопределенности в метрологии может быть использована для решения задачи проектирования норм точности изделий.

Определим диапазон значений, которые может принимать параметр качества изделия А или его структурного компонента с заданной ве­ роятностью Р как неопределенность параметра А .

Неопределенность параметра в учебном пособии рассматривается

вдвух аспектах:

♦как допустимая неопределенность параметра А, —заранее опре­ деленный по предельным границам диапазон рассеяния параметра;

♦как ожидаемая неопределенность параметра ^'’*ила'ч°' —получен­ ный в результате проектировочного расчета (комплексирования част­ ных неопределенностей) диапазон рассеяния параметра.

Частным случаем неопределенности параметра является неопреде­ ленность положения (перемещения) рабочего элемента изделия или его составной части.

Положение рабочего элемента — это его координата, функционально соответствующая заведомо определенной координате базового (вход­ ного) элемента. Перемещение рабочего элемента — это значение его кинематического параметра (например, путь, перемещение, скорость), функционально соответствующее заведомо определенному перемеще­ нию базового (входного) элемента.

Втом и другом случаях они могут быть выражены по аналогии с кон­ цепцией неопределенности результата измерения, как

где Л° —математическое ожидание значений параметра А\ +U — диа­ пазон рассеяния параметра А0 с вероятностью Р.

Неопределенность положения (перемещения) рабочего элемента изделия А является интегральной величиной, представляющей со­ бой некоторую комбинацию (взвешенную сумму) комплексных и / или элементарных первичных неопределенностей влияющих пара­ метров Аг В качестве последних выступают неопределенности поло­ жения/перемещения А. рабочих элементов составляющих изделие компонентов или неопределенности других конструктивных пара­ метров.

Для иллюстрации влияния комплексных первичных неопределеннос­ тейвлияющих параметров А. рассмотрим функциональную схему при­ вода стола измерительного прибора (рис. 2.3). Предположим, в техни­ ческом задании на проектирование привода стола измерительного прибора сформулноовано требование к скорости перемещения стола в установившемся движении 20±0,5 мм/с. Диапазон допускаемых

значений скорости стола 19,5...20,5 мм/с можно рассматривать как до­ пустимую неопределенность параметра качества (допустимую неоп­ ределенность перемещения рабочего элемента привода измерительно­ го прибора).

Очевидно, что показатель качества А изделия определяется множест­ вом влияющих факторов, которые «представляют» показатели качества составных функциональных частей изделия — функциональных уст­ ройств ФУк двигателя ФУ1, муфты ФУ2, зубчатой передачи ФУЗ, пе­ редачи «винт — гайка» ФУ4.

Ри с . 2 .3 . Функциональная схема привода стола измерительного прибора

Всоответствии со схемой работы изделия можно предположить, что вариация скорости Vвызывается неопределенностями угловых скорос­ тей рабочих элементов (выходных валов) двигателя (ФУ1), муфты (ФУ2), зубчатой передачи (ФУЗ) и неопределенности линейной ско­ рости рабочего элемента передачи «винт —гайка» (ФУ4).

Примерами первичных элементарных неопределенностей влияющих параметров Л;могут выступать отклонения размеров и формы геомет­ рических элементов деталей, отклонения взаимного расположения де­ талей в кинематической паре, например, за счет зазора в посадке и т. п., влияющих на неопределенность положения рабочего элемента сбороч­ ной единицы. Как правило, первичные элементарные неопределеннос­ ти присущи параметрам деталей и соединений — элементарным состав­ ным частям изделий механического типа.

Вколичественном отношении первичная/комплексная неопреде­ ленность параметра подразумевает, что рассматриваемый влияющий параметр представлен единообразно интервалом значений с заданной

вероятностью:

(2.5)