автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.23, диссертация на тему:Разработка метода итерационной оценки ключевых параметров управления качеством технологического процесса

На правах рукописи

Богданов Алексей Викторович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИТЕРАЦИОННОЙ ОЦЕНКИ КЛЮЧЕВЫХ ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

05.02.23 «Стандартизация и управление качеством продукции»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Москва 2013

005543184

005543184

Работа выполнена на кафедре «Управление качеством и сертификация» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени КЗ. Циолковского»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Одиноков Сергей Анатольевич

Филимонов Вячеслав Иванович

доктор технических наук, профессор, Ульяновский Государственный технический университет, профессор

Ерошпна Ольга Александровна

кандидат технических наук, Ассоциация аналитических центров «Аналитика», заместитель директора по качеству

ФГАОУ ДПО «Академия стандартизации, метрологии и сертификации (учебная)»

Защита диссертации состоится «25» декабря 2013 года в 12— на заседании диссертационного совета Д 212.110.03 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» по адресу: г. Москва, ул. Оршанская, д.З.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах (заверенный печатью) просим направлять по адресу: 121552, Москва, ул. Оршанская, д.З, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского», ученому секретарю диссертационного совета Д 212.110.03.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения Высшего профессионального образования «МАТИ — Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского».

Автореферат разослан «23» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, доцент, кандидат технических наук ^ Одиноков С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования. В современных системах менеджмента качества является обязательным применение ряда взаимосвязанных принципов, таких как постоянное улучшение, принятие решений на основе фактов и др. Наибольшее внимание уделяется процессному подходу, который должен обеспечить непрерывность управления и направлен на достижение запланированных результатов.

Сегодня для занятия большей доли рынка необходимо произвести качественный скачок в улучшении имеющейся продукции или создании концептуально новых образцов. Это может быть обеспечено применением инновационных технологий, главным отличием которых является уход от стандартных методов проектирования и производства, что и позволяет достичь результатов принципиально иного уровня.

В таких условиях особое внимание должно уделяться внедрению новых технологий на производстве. Зачастую необходим тщательный анализ многочисленных параметров процесса, а также вероятна постоянная переналадка с целью поиска и создания оптимальных условий и результатов, так как случайные процессы требуют значительных усилий по управлению.

Использование классических статистических методов обычно сводится к применению корреляционно-регрессионного анализа, служащего для оценки взаимосвязей, и контрольных карт для подтверждения стабильности технологического процесса. Случайная изменчивость данных, считается экстремальным случаем и требует применения корректирующих действий к технологическому процессу. Поэтому в таких случаях важен изначальный выбор ключевых входных параметров технологического процесса для более тщательного их анализа. Использование же контрольных карт с самого начала в процессе внедрения новой технологии невозможно по причине минимального количества измеренных данных или полного их отсутствия.

В этих условиях именно математическое моделирование становится объективным гарантом всесторонней оценки, прогнозирования рисков и качества создаваемой системы. Кроме того, оно позволяет добиться ускорения научно-технического прогресса в случае создания принципиально новых процессов или применения инновационных подходов к улучшению уже существующих.

В настоящее время во многих сферах расширяется применение математических моделей различной степени сложности. Это обусловлено масштабностью распространения мощной вычислительной техники, что, в свою очередь, зачастую связано с использованием численных методов. В управлении качеством, однако, численные методы применяются очень редко по причине отсутствия разработанных рекомендаций и мнимой сложности.

Недостаточная степень научной проработки проблемы, её актуальность и высокое практическое значение для повышения конкурентоспособности предприятий Российской Федерации обусловили выбор темы диссертационного исследования и определили его цель.

Целью работы является повышение качества продукции технологического процесса на основе итерационной оптимизации управления техническими параметрами в условиях недостаточного количества данных.

Анализ состояния проблемы и сформулированная цель определили наиболее важные задачи исследования:

1. Провести сравнительный анализ современных подходов, методов и инструментов управления технологическими процессами, находящимися в стадии внедрения.

2. Сформировать критерии выбора ключевых параметров технологического процесса в условиях малого количества завершённых производственных циклов.

3. Разработать модель, а на её основе - метод итерационного улучшения качества технологического процесса с использованием математического моделирования параметров технологического процесса и их циклического влияния друг на друга.

4. Осуществить экспериментально апробацию и отработку разработанных теоретических предложений и методов на примере выбранного технологического процесса высокоскоростного затвердевания расплава.

Объектом исследования является управляемый

мультипараметрический технологический процесс на промышленном предприятии.

Предметом исследования являются научно-методические и организационно-технические методы и подходы по управлению и улучшению качества технологического процесса.

Научная новизна работы:

1. Создан метод постоянного управления качеством процесса на стадии его внедрения, отличающийся представлением его выходных параметров в виде полиномиальной зависимости от входных.

2. Разработана регрессионно-степенная методика оценки ключевых входных параметров технологического процесса, основанная на взаимных зависимостях входов и выходов с учётом важности показателей продукции для выявления наиболее значимых показателей.

3. Разработан новый вид контрольной карты, основанной на одновременном рассмотрении как изучаемого параметра технологического процесса, так и его нормированного разброса.

Практическая значимость работы.

1. Применение методик позволяет проводить совершенствование систем менеджмента качества за счёт повышения результативности на основе выделения важнейших входных параметры и анализа их влияния на выходные, то есть на качество получаемой продукции.

2. Применение предложенных инструментов позволяет ускорить первоначальное изучение технологического процесса за счёт выявления ключевых параметров на ранних этапах жизненного цикла.

3. Разработанная контрольная карта позволяет выявлять относительные колебания параметров технологического процесса и принимать решения о проведении корректирующих действий.

4. Предложенные методы могут быть использованы широким кругом промышленных предприятий как при освоении новых технологических процессов, так и в процессе внедрения систем менеджмента качества.

Методы исследования, достоверность, обоснованность.

При проведении диссертационного исследования использовались современные принципы и методы менеджмента качества, методы математической статистики, численные методы, процессный подход, системный анализ, логические и эмпирические методы.

Достоверность научных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается большим объёмом экспериментальных исследований и практической реализацией.

Реализация результатов работы. Результаты исследований используются в ООО «Стальные фильтрующие материалы» при производстве металлических волокон методом высокоскоростного затвердевания расплава. Материалы диссертации используются в учебном

процессе по специальности «управление качеством» в «МАТИ — Российском государственном технологическом университете имени К.Э. Циолковского» на кафедре «Управление качеством и сертификация».

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и получили положительные оценки на ряде конференций и научно-технических семинаров. В их числе Шестой международный аэрокосмический конгресс (Москва, 2009 г.), Девятая Всероссийская научно-практическая конференция «Управление качеством» (Москва, 2010 г.), Международная молодёжная научная конференция XXXV Гагаринские чтения (Москва, 2009 г.), Десятая Всероссийская научно-практическая конференция «Управление качеством» (Москва, 2011 г.), Седьмой международный аэрокосмический конгресс (Москва, 2012 г.), Двенадцатая Всероссийская научно-практическая конференция «Управление качеством» (Москва, 2013 г.)

Публикации. Основные результаты работы представлены в одиннадцати научных публикациях в различных сборниках научных трудов и журналах, в том числе в трёх специализированных журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов по работе, списка литературы, включающего 105 источников, 1 приложение. Общий объём работы составляется 124 страниц, в том числе 15 рисунков и 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, заключающаяся в необходимости разработки методов выявления важных параметров технологического процесса в условиях недостаточного

количества данных при постоянной переналадке производства. Определены научная новизна, практическая значимость и реализация результатов диссертационной работы.

В первой главе диссертационного исследования проводится анализ существующих и традиционно использующихся в управлении качеством методов и их сравнение с перспективными в применении методами математического моделирования. Существует множество подходов и теоретических разработок по проблемам, возникающим в процессе внедрения системы менеджмента качества с использованием статистического управления, описанных в работах Адлера Ю.П., Азарова В.Н., Аронова Н.З., Бойцова Б .В., Бойцова В.В., Васильева В.А., Круглова В.И., Меньшикова В .А., Мироша Ю.М., Панкиной Г.В., Шпера ВЛ., Деминга Э., Исикавы К, Кросби Ф., Шухарта В. и других учёных. Среди инструментов статистического управления производственными параметрами особо были рассмотрены контрольные карты и корреляционно-регрессионный анализ. Был проведён анализ их сильных и слабых сторон в условиях малого количества исходных данных измерений результатов.

Отдельно уделено внимание применению численных методов, описанному в работах Бахвалова Н.С., Гельфонда А.О., Гулина A.B., Крылова А.Н., Морозова В.А., Самарского A.A., Тихонова А.Н. и других учёных, а также сравнительному анализу применения методов статистики и численного моделирования в прогнозировании данных. Отечественная школа математического моделирования всегда делала акцент на некорректных обратных задачах с недостатком данных, что проявляется в случае исследования инновационных технологических процессов. Поэтому математическое моделирование является удобным инструментом для исследования таких процессов, несмотря на ряд недостатков, рассмотренных в главе. На основе изложенных выше факторов сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе представлена разработка модели итерационного управления качеством технологического процесса в условиях недостаточного количества данных, в том числе в процессе его внедрения на предприятии.

Для проведения анализа технологического процесса, в первую очередь, необходимо выделить все его значимые параметры и рассмотреть связи между ними. Предполагается рассматривать множество функций ^, переводящих множество входных данных X, включающее в себя N входных параметров, во множество выходных данных У, состоящее из М величин:

Х-!-+Г,{ 1)

где _

Х = {х,},/ = 1,лг

Г = {уДу = й? (2)

Для этого сначала был проведен анализ, на основе которого получена классификация параметров технологического процесса (ТП), представленная на рис.1. Также были приняты во внимание точности измерения этих параметров и параметры технологического процесса, такие, например, как время его выполнения. Каждый из непосредственно измеримых параметров может относиться к нескольким видам, как то: непрерывно и дискретно измеряемые параметры, а также логические параметры технологического процесса.

Также параметры технологического процесса можно разделить на параметры получаемой продукции и параметры процесса, такие, например, как время выполнения, процент брака, время ожидания выполнения какого-либо этапа производства или перемещения между цехами, прочие логистические параметры. В общем случае такие параметры ТП тоже должны иметь точность своего измерения в качестве побочного параметра, однако их учёт обычно не является целесообразным.

Рис. 1. Зависимости категорий параметров технологического процесса.

J

Общая зависимость р

-Классификация параметров—►

— — •Основная зависимость--

--------Побочная зависимость------►

Таким образом, возможны различные виды классификации параметров технологического процесса. Классическим является разделение по «стороне» измерения, входам и выходам. По принадлежности к продукции или к параметру производства можно выделить:

• Стартовые параметры ТП или продукции.

• Логистические и производственные параметры ТП.

• Квалификационные параметры рабочего персонала.

Также возможно разделение по типу измерения на непрерывные, дискретные и логические и по точности измерения - на параметры технологического процесса и точность их измерения.

Каждый входной параметр в той или иной степени может влиять на любой выходной. В рассматриваемом случае наибольшее влияние на результат процесса имеют исходные технологические параметры и параметры человеческого фактора. Входные же параметры зависят, в первую очередь, от результатов предыдущих производственных циклов. Точность измерения всех параметров является дополнительным фактором в обоих случаях, так как если точность велика, то она автоматически становится первичным параметром и поэтому необходимо проведение корректирующих действий с целью минимизации разброса.

Предложена следующая модель итерационного управления, показанная на рис.2, которая основана на циклическом улучшении и постоянном анализе новых поступающих данных с целью коррекции получаемых зависимостей:

1. Анализ данных на предмет наличия несоответствий проводится после каждого получения данных измерения результатов технологического процесса, а именно сравнение новых данных с прогнозируемыми.

2. Установление причин несоответствий проводится в случае получения каких-либо расхождений по основным или дополнительным параметрам. Для дополнительных параметров производится теоретический расчёт, основанный на расширении множества рассматриваемых параметров с использованием уже полученных на текущем и предыдущих этапах данных. Основные же параметры требуют последовательного анализа, т.е.

3. Оценивание необходимости действий, в целях предотвращения повторения несоответствий. Последовательно исследуется каждый параметр по следующему алгоритму:

а. Фиксируются все параметры технологического процесса, кроме некоторого рассматриваемого.

Рис.2. Модель итерационного управления качеством технологического процесса.

b. На основе данных измерений текущего этапа и тех предыдущих, в которых присутствует свободный параметр, рассчитывается, как должны быть откорректированы значения коэффициентов функций-зависимостей для исходных параметров.

c. Пункты а и Ь повторяются последовательно для всех параметров с недопустимыми значениями.

4. Определение и осуществление необходимых действий происходит после однократного прохода по всем несоответствующим параметрам. В случае если полученное значение лежит между предыдущими расчётными и полученными результатами ТП (при этом не слишком близко к старому неверному значению), формулы считаются откорректированными и готовыми для дальнейшего применения, но с полным контролем. Если же значение слишком близко или сдвинулось ещё дальше от искомого, необходимого провести ещё несколько итераций алгоритма, описанного в п.З, для получения отклонения, достаточного для принятия решения.

Помимо рассмотрения параметров был предложен алгоритм анализа для выделения оптимальной для улучшения качества категории ресурсов предприятия. Для этого рассматриваются взаимосвязи категорий ресурсов, определяется их степень влияния друг на друга в виде весов, на основании которых производится решение системы линейных алгебраических уравнений и, как итог, получение коэффициентов важности групп ресурсов предприятия.

В третьей главе описана разработка метода итерационного управления качеством технологического процесса, а также связанной с ним методики регрессионно-степенной оценки показателей качества технологического процесса.

Для определения ключевых параметров для каждой функции из множества выходных параметров У производится разложение в виде степенной зависимости от каждого входящего параметра из X.

Помимо этого, в каждое из рассчитываемых уравнений вводится функционал 50., значением которого является среднеквадратическая разность значений, полученных с помощью регрессионного анализа экспериментальных данных. Таким образом:

У,

где - коэффициенты приближённого степенного разложения при

условии минимизации функционала: (4)

где = } - множество измеренных значений выходного параметра У,. Помимо этого вводится весовой коэффициент у9: (5)

Как показано в табл.2, обычно математическое моделирование даёт эквивалентность рассматриваемых функций полиномам степени от 0,5 до 4, прочие случаи достаточно редки.

Таблица 1

Зависимость коэффициентов разложения функций

Значение Д, г Степенной коэффициент Линейный коэффициеш'

Р,> 4 Высокая степень зависимости Слабое влияние

Нормальная зависимость Степень влияния сопоставима с Д,

0,5 ¿Д,<1 Слабая зависимость Повышенное влияние на результат

0<гд, <0,5 Минимальная зависимость Высокая зависимость результата от от,..

На основе набора параметров |а,у,Д,,/,,}, полученного в результате регрессионного анализа и нахождения функции /у, в работе предложен коэффициент, оценивающий воздействие входного параметра х, на выходной

Уг

е [0,108^ а,+Д„£0

'' [уи -(1о8ч ау +Р¥), в противном случае (6), где х/ - медианы по известньм измеренным значениям параметра х{.

После выполнения расчётов получен ряд значений, показывающих степень влияния входных параметров на выходные без учёта их внутреннего взаимодействия. На их основе вычисляются коэффициенты Е,,/ = 1,Лг, показывающие важность каждого из N входных параметров технологического процесса.

Задание весов х, > определяющих вклад каждого из выходных параметров технологического процесса в общий результат производства, позволяет точно рассчитать влияние каждого из входных параметров на общий результат производства. Если же технологический процесс ещё не исследован в достаточной степени для получения таких данных, можно задать все коэффициенты равными: х] = Соп$1. Таким образом, итоговая формула для нахождения коэффициента влияния входного параметра на результаты технологического процесса является следующей:

7)

У-1

В основе методики управления лежит определение зависимости выходных параметров технологического процесса от входных. Для этого рассмотрены контрольные границы для каждой партии в виде суммы и разности функций медианы т и разброса <т. Введем функционал (нормированную квадратичную разность между экспериментальными и теоретическими данными) следующим образом для суммы функций (медианы т и разброса ег):

1 -1 -I _______+ 1.4:!_ (81

' 1 и и г -> «г 1, к '

2 1£пИ*,)]2 2 Еп-И^Г

4=1

где: ук - весовые коэффициенты, отвечающие точности измерения данных при каждом из производств, М — номер рассматриваемого технологического процесса, а Ьк - количество измерений в нём, У** ий- экспериментальные и теоретические данные, Jь - функционал невязки для параметра Ь -

максимальной дуги. Помимо этого, в случае наличия нескольких выходных параметров применяем результирующий функционал невязки

У = пш, где J¡ и соответственно функционал параметра и

степень его важности в итоговом качестве процесса.

Таким образом, для нахождения функций ь(х,) и была решена

обратная задача, в условиях достижения минимума функционала (8). Описанные выше функционалы рассчитывались заново всякий раз при получении новых данных очередного технологического процесса.

Численный алгоритм решения обратной задачи состоит в параметрическом разложении неизвестных функций по базису:

м,

где <р]={\,р,рг,р',..}1 - полиномы, Мь- степень разложения функции медианы параметра Ь, Ыь - степень разложения функции разброса.

Таким образом, решение обратной задачи было сведено к нахождению вектора неизвестных параметров из условия минимизации функционала

F = {ьjJ = m^ь,vl'jJ=Wь) (Ю)

Для первого приближения используются результаты применения метода определения ключевых параметров, так как его степенная форма хорошо подходит для данной цели.

Важнейшим пунктом в результатах вычислений является возможность прогнозирования параметров произведённых в дальнейшем партий материала на основе входных данных.

В случае если полученное уравнение не имеет действительных решений, необходимо использовать ближайшие значения, достигаемые в точках минимумов модулей экстремумов функции и проводить более тщательный анализ функции разброса а _

Если выходные параметры зависят более чем от одного входного параметра, то получается уравнение от нескольких переменных, решаемое численно с использованием классических методов в многомерном

пространстве. Его результаты рассматриваются аналогично.

Общая последовательность расчётов представлена ниже на рис. 3.

Рис.3. Общая схема алгоритма непрерывного улучшения качества.

Моделирование использования данного метода применительно к неполным данным, то есть теоретическая апробация метода на уже имеющихся данных, в процессе итераций получило формулы с расхождением от итоговой не более 10% по каждому из членов полиномиального разложения, что в сумме даёт ещё меньшее и вполне допустимое отклонение. Это говорит об успешном применении метода к имеющимся данным измерения процесса ВЗР.

На данной схеме ключевой является оценка стабильности данных технологического процесса. Помимо нестабильности и полной стабильности, рассматривается вариант «неполной» стабильности, то есть её изменчивости при применении к полному множеству, но стабильности при применении к

редуцированному. В этом случае необходимо проведение корректирующих действий.

Четвёртая глава содержит оценку результатов апробации метода итерационного управления качеством технологического процесса на примере высокоскоростного затвердевания расплава.

Результаты диссертационного исследования применялись к одному из вариантов ВЗР - экстракции висящей капли расплава. Продукция, получаемая с его помощью, имеет широкое применение, в том числе, используется в автомобильных фильтрах, соответствующих строгим экологическим стандартам.

Для метода ВЗР показателями качества получаемого волокна являются размерные характеристики: площадь приведённого сечения и фактор. Применение описанного выше метода к имевшимся изначально данным измерения технологического процесса ВЗР по формированию волокна из стали аустенитного класса Х18Н10Т дало следующую формулу зависимости площади приведённого сечения Э от скорости вращения диска-охладителя и скорости подачи материала:

5 = 386,72 -119,15 • У„ +1,72 - V] + 235,38 • V, - 2,24 -У„-Ун (11), где V, - скорость подачи расплавляемого стержня, - скорость вращения

диска-кристаллизатора.

За счёт появления в формуле (11) членов второй степени, полученный результат имеет большую точность по сравнению с полученной ранее на основе корреляционно-регрессионного анализа зависимостью: дисперсия

У2

уменьшилась на 34%. В процессе анализа было установлено, что член при » является стабильно малым, поэтому было сделано допущение о равенстве его нулю. Таким образом, зная скорость вращения диска и искомую площадь сечения волокна, можно получить рекомендуемое значение скорости подачи расплава. Показано, что наиболее стабильные результаты продукции

получаются при средних значениях исходных параметров, то есть возможно получение большего количества продукции, но в ущерб его качеству.

Для визуального представления и анализа была разработана и применена контрольная карта с нормализацией, при помощи которой на одном графике представляются как значения непосредственно параметра, так и его разброса в виде дополнительной функции.

Главной проблемой подобных ВЗР процессов является постоянная переналадка производства и малые объёмы партий, из-за чего построение контрольной карты с постоянными границами допуска невозможно. Поэтому предлагается для каждого из наборов входных данных производить вычисление индивидуальных значений медианы и размаха.

Ниже на рис.4 представлен вид контрольной карты для случая анализа одного выходного параметра: зависимость показателя технологического процесса ВЗР «приведённая площадь сечения».

Рис.4. Нормированная контрольная карта для анализа относительного

изменения размаха Аналогичным образом можно произвести построение для нескольких параметров технологического процесса, анализируя каждый из конечных параметров.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решена актуальная научно-практическая задача по определению важности параметров технологического процесса в условиях недостатка данных его измерения, а также в процессе его постоянной переналадки, что приводит к повышению качества продукции и убыстрению процесса внедрения и разработки.

1. Создан метод постоянного управления качеством процесса на стадии его внедрения, отличающийся представлением его выходных параметров в виде полиномиальной зависимости от входных.

2. Проведённый сравнительный анализ современных подходов, методов и инструментов управления качеством технологических процессов, находящихся в стадии внедрения, показал необходимость повышения точности прогнозирования результатов производства с помощью математического моделирования

3. В результате проведённых исследований решена задача определения значимых для управления качеством технологического процесса входных параметров с использованием регрессионно-степенного подхода и подтверждена его эффективность применительно к методу высокоскоростного затвердевания расплава.

4. Предложена контрольная карта, используемая для обнаружения критичных для стабильности процесса значений, отличительной особенностью которой является одновременное рассмотрение разброса наряду с измеряемым параметром.

5. Составлены рекомендации по последовательному изучению технологического процесса на стадии его внедрения, основанные на выделении очередного значимого параметра процесса, и его введение в управление качеством технологического процесса.

6. Результаты диссертационного исследования были внедрены в ООО «Стальные фильтрующие материалы», вследствие чего произошло

снижение коэффициента вариации ключевого параметра «эквивалентный диаметр» снизился на 34%.

7. Результаты исследования используются на кафедре «Управление качеством и сертификация» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К. Э. Циолковского» при преподавании дисциплины «Статические методы управления качеством».

Основные положения диссертации изложены в следующих научных трудах и публикациях:

1. Богданов A.B., Одинокое С.А., Черняев A.B. Методика итерационного управления качеством технологического процесса // Технология металлов, № 3,2013, с.30-34.

2. Богданов A.B., Одинокое С.А., Черняев A.B. Предварительная оценка ключевых параметров сложного технологического процесса // Экономика и управление в машиностроении, № 3,2013, с.48-51.

3. Барменков Е.Ю., Богданов A.B., Одииоков С.А. Разработка контрольной карты, основанной на численном моделировании нестабильного технологического процесса // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 2; URL: http://www.science-education.ru/102-6010

4. Богданов A.B. Разработка методики исследования взаимосвязанных показателей качества с помощью уравнений математической физики // Новые материалы и технологии НМТ-2008. Материалы Всероссийской научно-практической конференции, Москва, 1112 ноября 2008 г. В 3 томах. Т.З -М.: МАТИ, 2008, с.141-142.

5. Богданов A.B. Уравнения математической физики как средство повышения качества процесса высокоскоростного затвердевания расплава //

XXXV Гагаринские чтения. Международная молодёжная научная конференция, научные труды в 8 томах. Москва, 2009 г., - М.: ГОУ ВПО «МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского», 2009, т. 6, с. 175-176.

6. Богданов A.B., Одиноков С.А. Создание системы анализа взаимосвязанных показателей качества процесса экстракции висящей капли расплава // Шестой международный аэрокосмический конгресс. Тезисы докладов. - Юбилейный М.О., 2009, с. 131-132.

7. Богданов A.B., Одиноков С.А. Разработка методики исследования взаимосвязанных показателей качества процесса высокоскоростного затвердевания расплава // Сборник материалов Девятой Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством» - М.: МАТИ,

2010, с.52-53.

8. Барменков Е.Ю., Богданов A.B., Серов М.М. Методика анализа стабильности технологических процессов ВЗР в условиях постоянной переналадки оборудования // Сборник материалов Десятой Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством» - М.: МАТИ,

2011, с.58-60. ,

9. Богданов A.B., Одиноков С.А. Методика исследования сложного технологического процесса с использованием численных методов применительно к высокоскоростному затвердеванию расплава // Сборник материалов Десятой Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством» - М.: МАТИ, 2011, с.68-70.

10. Богданов A.B., Одиноков С.А. Использование численных методов для математического моделирования в рамках управления качеством сложных технологических процессов. // Седьмой международный аэрокосмический конгресс. Тезисы докладов. - Хоружевский А.И, М., 2012. с. 470-472.

11. Богданов A.B., Одиноков С.А., Серов М.М. Практическое применение математического моделирования для непрерывного улучшения качества технологического процесса. // Сборник материалов Двенадцатой

Всероссийской научно-практической конференции «Управление - М.: МАТИ, 2013, с.61-63.

Подписано в печать: 21.11.2013

Заказ № 9206 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «МАТИ - Российский Государственный Технологический Университет имени К.Э.Циолковского»

На правах рукописи

04201451701

БОГДАНОВ АЛЕКСЕЙ ВИКТОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИТЕРАЦИОННОЙ ОЦЕНКИ КЛЮЧЕВЫХ ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Специальность 05.02.23.-- «Стандартизация и управление качеством

продукции»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Одиноков С.А.

Москва-2013

Оглавление

Введение.......................................................................................4

Глава 1. Анализ современного состояния управления параметрами

технологического процесса и проблем их оценки и выбора......................11

.1.1. Управление технологическими процессами в современных системах менеджмента качества.............................................................11

1.2. Определение ключевых параметров технологического процесса.....18

1.3. Особенности управления качеством в условиях недостаточного количества данных.................................................................33

1.4. Применение математического моделирования в управлении качеством.............................................................................42

1.5. Выводы по главе 1..................................................................47

Глава 2. Разработка модели итерационного управления качеством технологического процесса..............................................................49

2.1. Анализ возможности применения модели к исследованию и улучшению технологического процесса.......................................49

2.2. Разработка классификации параметров технологического процесса.. .55

2.3. Возможности улучшения в СМК в условиях недостаточного количества данных измерений..................................................................60

2.4. Модель итерационного управления качеством технологического процесса в рамках СМК...........................................................63

2.5. Выводы по главе 2..................................................................69

Глава 3. Разработка метода итерационного управления качеством технологического процесса..............................................................71

3.1. Анализ дестабилизирующих факторов, усложняющих управление качеством............................................................................71

3.2. Разработка методики регрессионно-степенной оценки ключевых показателей качества технологического процесса...........................74

3.3. Разработка метода итерационного управления ключевыми параметрами качества...............................................................................80

3.4. Решение задачи отыскания входных параметров для случая зависимости второго порядка...................................................85

3.5. Выводы по главе 3..................................................................90

Глава 4. Результаты апробации разработанного методики итерационного управления качеством технологического процесса.................................92

4.1. Разработка плана внедрения методики итерационного управления качеством............................................................................92

4.2. Проведение регрессионно-степенной оценки ключевых показателей качества..............................................................................95

4.3. Сравнение результатов применения методики итерационного управления качеством с существующими подходами....................103

4.4. Оценка статической стабильности результатов применения методики итерационного управления качеством........................................108

4.5. Выводы по главе 4................................................................112

Общие выводы............................................................................113

Список использованных источников.................................................115

Приложение 1..............................................................................125

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В современных системах менеджмента качества является обязательным применение ряда взаимосвязанных принципов, таких как постоянное улучшение, принятие решений на основе фактов и др. Наибольшее внимание уделяется процессному подходу, который должен обеспечить непрерывность управления и направлен на достижение запланированных результатов.

Сегодня для занятия большей доли рынка необходимо произвести качественный скачок в улучшении имеющейся продукции или создании концептуально новых образцов. Это может быть обеспечено применением инновационных технологий, главным отличием которых является уход от стандартных методов проектирования и производства, что и позволяет достичь результатов принципиально иного уровня.

В таких условиях особое внимание должно уделяться внедрению новых технологий на производстве. Зачастую необходим тщательный анализ многочисленных параметров процесса, а также вероятна постоянная переналадка с целью поиска и создания оптимальных условий и результатов, так как случайные процессы требуют значительных усилий по управлению.

Использование классических статистических методов обычно сводится к применению корреляционно-регрессионного анализа, служащего для оценки взаимосвязей, и контрольных карт для подтверждения стабильности технологического процесса. Случайная изменчивость данных, считается экстремальным случаем и требует применения корректирующих действий к технологическому процессу. Поэтому в таких случаях важен изначальный выбор ключевых входных параметров технологического процесса для более тщательного их анализа. Использование же контрольных карт с самого начала в процессе внедрения новой технологии невозможно по причине минимального количества измеренных данных или полного их отсутствия.

В этих условиях именно математическое моделирование становится объективным гарантом всесторонней оценки, прогнозирования рисков и качества создаваемой системы. Кроме того, оно позволяет добиться ускорения научно-технического прогресса в случае создания принципиально новых процессов или применения инновационных подходов к улучшению уже существующих.

В настоящее время во многих сферах расширяется применение математических моделей различной степени сложности. Это обусловлено масштабностью распространения мощной вычислительной техники, что, в свою очередь, зачастую связано с использованием численных методов. В управлении качеством, однако, численные методы применяются очень редко по причине отсутствия разработанных рекомендаций и мнимой сложности.

Недостаточная степень научной проработки проблемы, её актуальность и высокое практическое значение для повышения конкурентоспособности предприятий Российской Федерации обусловили выбор темы диссертационного исследования и определили его цель.

Целью работы является повышение качества продукции технологического процесса на основе итерационной оптимизации управления техническими параметрами в условиях недостаточного количества данных.

Анализ состояния проблемы и сформулированная цель определили наиболее важные задачи исследования:

1. Провести сравнительный анализ современных подходов, методов и инструментов управления технологическими процессами, находящимися в стадии внедрения.

2. Сформировать критерии выбора ключевых параметров технологического процесса в условиях малого количества завершённых производственных циклов.

3. Разработать модель, а на её основе - метод итерационного улучшения качества технологического процесса с использованием

математического моделирования параметров технологического процесса и их циклического влияния друг на друга.

4. Осуществить экспериментально апробацию и отработку разработанных теоретических предложений и методов на примере выбранного технологического процесса высокоскоростного затвердевания расплава.

Объектом исследования является управляемый

мультипараметрический технологический процесс на промышленном предприятии.

Предметом исследования являются научно-методические и организационно-технические методы и подходы по управлению и улучшению качества технологического процесса.

Научная новизна работы:

1. Создан метод постоянного управления качеством процесса на стадии его внедрения, отличающийся представлением его выходных параметров в виде полиномиальной зависимости от входных.

2. Разработана регрессионно-степенная методика оценки ключевых входных параметров технологического процесса, основанная на взаимных зависимостях входов и выходов с учётом важности показателей продукции для выявления наиболее значимых показателей.

3. Разработан новый вид контрольной карты, основанной на одновременном рассмотрении как изучаемого параметра технологического процесса, так и его нормированного разброса. Практическая значимость работы.

1. Применение методик позволяет проводить совершенствование систем менеджмента качества за счёт повышения результативности на основе выделения важнейших входных параметры и анализа их влияния на выходные, то есть на качество получаемой продукции.

2. Применение предложенных инструментов позволяет ускорить первоначальное изучение технологического процесса за счёт выявления ключевых параметров на ранних этапах жизненного цикла.

3. Разработанная контрольная карта позволяет выявлять относительные колебания параметров технологического процесса и принимать решения о проведении корректирующих действий.

4. Предложенные методы могут быть использованы широким кругом промышленных предприятий как при освоении новых технологических процессов, так и в процессе внедрения систем менеджмента качества. Методы исследования, достоверность, обоснованность.

При проведении диссертационного исследования использовались современные принципы и методы менеджмента качества, методы математической статистики, численные методы, процессный подход, системный анализ, логические и эмпирические методы.

Достоверность научных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается большим объёмом экспериментальных исследований и практической реализацией.

Реализация результатов работы. Результаты исследований используются в ООО «Стальные фильтрующие материалы» при производстве металлических волокон методом высокоскоростного затвердевания расплава. Материалы диссертации используются в учебном процессе по специальности «управление качеством» в «МАТИ - Российском государственном технологическом университете имени К.Э. Циолковского» на кафедре «Управление качеством и сертификация».

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и получили положительные оценки на ряде конференций и научно-технических семинаров. В их числе Шестой международный аэрокосмический конгресс (Москва, 2009 г.), Девятая Всероссийская научно-практическая конференция «Управление качеством» (Москва, 2010 г.), Международная молодёжная научная

конференция XXXV Гагаринские чтения (Москва, 2009 г.), Десятая Всероссийская научно-практическая конференция «Управление качеством» (Москва, 2011 г.), Седьмой международный аэрокосмический конгресс (Москва, 2012 г.), Двенадцатая Всероссийская научно-практическая конференция «Управление качеством» (Москва, 2013 г.)

Публикации. Основные результаты работы представлены в одиннадцати научных публикациях в различных сборниках научных трудов и журналах, в том числе в трёх специализированных журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов по работе, списка литературы, включающего 105 источников, 1 приложение. Общий объём работы составляется 124 страниц, в том числе 15 рисунков и 10 таблиц.

Основные положения диссертации изложены в следующих научных трудах и публикациях:

1. Богданов A.B., Однноков С.А., Черняев A.B. Методика итерационного управления качеством технологического процесса // Технология металлов, № 3, 2013, с.30-34.

2. Богданов A.B., Одиноков С.А., Черняев A.B. Предварительная оценка ключевых параметров сложного технологического процесса // Экономика и управление в машиностроении, № 3,2013, с.48-51.

3. Барменков Е.Ю., Богданов A.B., Одиноков С.А. Разработка контрольной карты, основанной на численном моделировании нестабильного технологического процесса // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 2; URL: http://www.science-education.ru/102-6010

4. Богданов A.B. Разработка методики исследования взаимосвязанных показателей качества с помощью уравнений математической физики // Новые материалы и технологии НМТ-2008.

Материалы Всероссийской научно-практической конференции, Москва, 1112 ноября 2008 г. В 3 томах. Т.З -М.: МАТИ, 2008, с.141-142.

5. Богданов A.B. Уравнения математической физики как средство повышения качества процесса высокоскоростного затвердевания расплава // XXXV Гагаринские чтения. Международная молодёжная научная конференция, научные труды в 8 томах. Москва, 2009 г., - М.: ГОУ ВПО «МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского», 2009, т. 6, с. 175-176.

6. Богданов A.B., Одиноков С.А. Создание системы анализа взаимосвязанных показателей качества процесса экстракции висящей капли расплава // Шестой международный аэрокосмический конгресс. Тезисы докладов. - Юбилейный М.О., 2009, с. 131-132.

7. Богданов A.B., Одиноков С.А. Разработка методики исследования взаимосвязанных показателей качества процесса высокоскоростного затвердевания расплава // Сборник материалов Девятой Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством» - М.: МАТИ,

2010, с.52-53.

8. Барменков Е.Ю., Богданов A.B., Серов М.М. Методика анализа стабильности технологических процессов ВЗР в условиях постоянной переналадки оборудования // Сборник материалов Десятой Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством» - М.: МАТИ,

2011, с.58-60.

9. Богданов A.B., Одиноков С.А. Методика исследования сложного технологического процесса с использованием численных методов применительно к высокоскоростному затвердеванию расплава // Сборник материалов Десятой Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством» - М.: МАТИ, 2011, с.68-70.

10. Богданов A.B., Одиноков С.А. Использование численных методов для математического моделирования в рамках управления качеством сложных технологических процессов. // Седьмой международный

аэрокосмический конгресс. Тезисы докладов. - Хоружевский А.И, М., 2012. с. 470-472.

11. Богданов A.B., Одиноков С.А., Серов М.М. Практическое применение математического моделирования для непрерывного улучшения качества технологического процесса. // Сборник материалов Двенадцатой Всероссийской научно-практической конференции «Управление качеством» - М.: МАТИ, 2013, с.61-63.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА И ПРОБЛЕМ ИХ ОЦЕНКИ И ВЫБОРА.

1.1. Управление технологическими процессами в современных системах менеджмента качества.

С самого момента своего появления в качестве науки, управление качеством неразрывно была связана с рыночной экономикой, оказывая на последнюю всё большее и большее влияние. Окончательным документированным закреплением роли управления качества явилось создание серии международных стандартов ISO 9000 в 1987 году. Постоянные пересмотр и коррекция этих стандартов серии 9000 и других, связанных с менеджментом прочих отраслей, свидетельствуют об их неослабевающей актуальности и необходимости поддержания в соответствии с текущей ситуацией на мировом рынке.

В условиях рыночной экономики и глобального рынка товаров и услуг именно их качество является одним из ключевых факторов востребованности продукции. Именно внедрение систем менеджмента качества, постоянное поддержание их в рабочем состоянии и развитие в соответствии с меняющимися стандартами, подходами и общими тенденциями обеспечивает реализацию принципов качество, изложенных в стандартах серии ISO 9000. Подобные системы внедряются практически на всех крупных предприятиях, выпускающих серийную продукцию в больших масштабах. Именно на таких производствах они появились исторически, и там эффективность их применения имеет наибольшее значение, так как позволяют оптимизировать массовые операции контроля и исправления. Однако внедрение систем менеджмента качества приносит положительные плоды и в случаях предприятий небольшого масштаба или мелкосерийного или даже

единичного производства (оно, в свою очередь, может быть развёрнуто и на больших предприятиях, таких как производство уникальных тяжёлых станков).

Помимо производства, системы менеджмента качества эффективны для использования при разработке новой образцов продукции или технологии. Главная их цель - обеспечение стабильности производимой продукции и предоставляемых услуг - является ключевой в условиях рыночной экономики и нарастающей конкуренции. Также внедрённая в рамках всего предприятия система менеджмента качества позволяет осуществлять более лёгкое внедрение новых для компании направлений, что также положительно сказывается на конкурентоспособности.

Полностью раскрываются все преимущества системы менеджмента качества при внедрении