Полная версия статьи из архива альманаха «Управление производством».
Контроль производственных процессов играет огромную роль в достижении высокого качества продукции, и на сегодняшний день разработано огромное количество самых разных измерительных инструментов и систем, призванных предоставить оператору полную и точную информацию о состоянии процесса. Но как контролировать работу самих измерительных систем? Как оценить их стабильность? Как определить, насколько точны полученные данные? В данной статье на примере иранского производителя газовых турбин мы проработаем процесс расчета и оценки пригодности измерительных систем.
Кроме портала, мы предлагаем вам и альманах «Управление производством». Все самое интересное и уникальное мы публикуем именно в нем. 300+ мощных кейсов, готовых к использованию чек-листов и других полезных материалов ждут вас в полном комплекте номеров. Оформляйте подписку и получайте самое лучшее!
MSA (Measurement System Analysis, анализ измерительных систем) – это метод, призванный дать заключение относительно приемлемости используемой измерительной системы через количественное выражение ее характеристик. Под измерительными системами понимаются совокупность приборов, стандартов, операций, методов, персонала, компьютерных программ, окружающей среды, используемых для придания количественных значений измеряемым величинам. Цель MSA – представить процедуры аттестации измерительных систем по следующим характеристикам:
Все перечисленные составляющие могут вносить искажение в истинное значение оцениваемой величины. Качество измерительной системы определяется статистическими характеристиками производимых ею данных. |
За последние годы автомобильная промышленность Ирана сделала большой шаг вперед в направлении сокращения дефектов на производстве, повышения качества продукции и расширению возможностей измерительных систем. Однако, к сожалению, в других не менее важных отраслях промышленности (к примеру, в сфере энергетики) отсутствуют даже предпосылки для анализа возможностей измерительных систем, которые используются на разных уровнях для сбора данных о происходящих процессах. И это при том, что в большинстве случаев эти данные имеют огромное значение для эффективности работы и уровня ее безопасности; при увеличении числа измерительных ошибок есть риск столкнуться серьезными потерями и рисками.
В связи с высоким процентом ошибок и проблем, связанных с проведением измерений и обработкой их результатов, а также стабильно низкой эффективностью самих систем, на предприятии по производству газотурбинных двигателей и установок было решено предпринять меры для исключения или минимизации разных видов осложнений, связанных с измерительными системами. В решении этой проблемы помогает статистический анализ измерительных систем, открывающий возможности их совершенствования, сокращения числа ошибок и максимизации ценности каждой операции.
В развитых промышленных странах, таких как, к примеру, Япония, статистическому контролю процессов (SPC) и статистическому анализу измерительных систем (MSA) уделяется повышенное внимание. В свое время в развитие этих методов было вложено немало усилий, а усовершенствование программного обеспечения для получения точной статистики принесло впечатляющие результаты. Предприятиям Ирана еще предстоит пройти долгий путь к снижению числа ошибок при измерении до допустимого уровня.
Лучшим решением для минимизации потерь, вызванных ошибками в измерительных системах, является MSA. Именно этот метод был использован для статистического анализа измерительных систем сопла первого каскада газовой турбины Ruston TA1750, который мы и рассмотрим в данной статье в качестве примера. Целью данного исследования стал анализ измерительной системы параметра вращения сопла первого каскада газовой турбины Ruston TA1750, а также оценка точности измерительной системы и ее возможностей, минимизация или полное устранение ошибок. Измерительный прибор продемонстрирован на рисунке 1. Процесс измерения оператором параметра вращения с использованием прибора для замера высоты можно увидеть на рисунке 2.
Рис. 1. Измерительный прибор для сопла первого каскада газовой турбины Ruston TA1750.
Рис. 2. Измерение оператором параметра вращения с использованием прибора для замера высоты.
Оценка пригодности измерительных инструментов с использованием индексов пригодности Cg и Cgk и расчет смещения
Через расчет возможностей измерительных инструментов мы можем оценить вероятность внутренней ошибки инструментов любой системы измерения. С помощью индексов пригодности Cg и Cgk можно одновременно определить показатели повторяемости и смещения измерительного инструмента. Обычно эти индексы используются для оценки нового инструмента или инструмента, недавно прошедшего ремонт, а также для оценки надежности самого метода измерения. Математическое обоснование данных индексов проиллюстрировано на рис. 3.
Рис. 3. Основа расчета индексов пригодности инструментов.
На верхней части схемы указан диапазон допустимых значений (размах доступа, Т) для измеряемой характеристики (в данном случае – вращение). А на нижней части схемы указан диапазон вариативности измеряемых данных. Измерительный инструмент работает в пределах нормы и является пригодным, если диапазон вариативности не превышает 20% от диапазона допустимых значений.
Чтобы оценить пригодность измерительного инструмента, замер контрольной детали стандартного размера проводится минимум 25 раз. Результаты замеров тщательно фиксируются и впоследствии заносятся в таблицу, чтобы процесс оставался контролируемым. Сам процесс определяется методом случайного выбора для сохранения объективности.
Определение стадий анализа измерительных систем сопла первого каскада газовой турбины Ruston TA1750
Статистический процесс анализа измерительных систем был разделен на две стадии:
Стадия 1. Выбор измеряемых характеристик для анализа измерительной системы (таблица 1).
Таблица 1. Выбор характеристик для анализа измерительной системы.
| Тип характеристики | Наименование характеристики | Допустимые значения | Измерительный инструмент | Код инструмента | Операторы |
|---|---|---|---|---|---|
| Количественная | Вращение | 0+0,2 | Прибор для измерения высоты и специальное крепление | Е14, J1A6212 | 1 и 2 |
Стадия 2. Измерение вращения. Анализ выбранной характеристики (вращение) в случае с соплом также проходит ряд этапов:
1. Первоначальная оценка пригодности измерительной системы через использование индексов Cg и Cgk и расчет смещения.
Для начала с помощью прибора измерения высоты и контрольного прибора, используемого в качестве крепления сопла сотрудником, отвечающим за контроль качества, проводится замер контрольной детали 30 раз, а результаты фиксируются в специальной форме, показанной на рисунке 4.
Вариативность данных, как видно на диаграмме Х, со временем снижается. Это связано с тем, что оператор привыкает к определенному размеру. Поэтому для измерения оператору предоставляются две другие контрольные детали, однако для оценки используются только показатели по одной детали из трех; оператору об этом не сообщается.
Смещение измерительного инструмента вычисляется по следующей формуле:
(1)
Метод, указанный выше, позволяет нам вычислить только смещение. Мы не можем оценить приемлемость этой цифры, но на следующем этапе, используя индекс пригодности Cgk и определенный для него предел, мы уже можем судить о приемлемости показателя смещения. Индекс пригодности инструмента Cg указывает на точность инструмента и определяется по формуле:
(2)
Индекс Cgk отражает точность измерений инструментом и вычисляется по формуле:
(3)
В данной формуле Т – это диапазон допустимых значений, а σ – стандартное отклонение для измеряемой характеристики, X‾ – средний показатель измеряемых данных, а Xm – основное количество.
Согласно данным, отраженным на рисунке 4, и рассчитанным индексам Cg и Cgk и показателю смещения, инструмент прошел проверку и был признан пригодным.
| 1 0,01 | 6 0 | 11 0 | 16 0 | 21 -0,01 | 26 0 | 31 |
| 2 0,01 | 7 0,01 | 12 0 | 17 0 | 22 0 | 27 0 | 32 |
| 3 0 | 8 0 | 13 0 | 18 0 | 23 0,01 | 28 0 | 33 |
| 4 0,01 | 9 0 | 14 0 | 19 0 | 24 0,01 | 29 0,01 | 34 |
| 5 0,01 | 10 0,01 | 15 0,01 | 20 0 | 25 0 | 30 0 | 35 |
| Т = 0,4 n = 30 | Xm = 0 Xg = 0,003 | Cg = 2,279722048 Sg = 0,005848666 | Cgk = 2,108742894 | |||
Рисунок 4. Результаты контроля качества прибора, использованного в качестве крепления контрольной детали сопла.
2. Оценка стабильности
Стабильность измерительного процесса базируется на двух важных показателях:
- точность средства измерения – степень совпадения показаний измерительного прибора с истинным значением измеряемой величины. Чем меньше разница, тем больше точность прибора. Точность эталона или меры характеризуется погрешностью или степенью воспроизводимости. Точность измерительного прибора, откалиброванного по эталону, всегда хуже или равна точности эталона.
- точность результата измерений – одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения.
Поскольку точность инструмента (средства измерения) и результата измерений подвержены изменениям, стабильность измерительного процесса должна оцениваться и контролироваться постоянно. Если один из двух индексов изменяется, то процесс не стабилен. В данном случае важно подчеркнуть, что отсутствие в процессе стабильности поставит под сомнение результаты таких измерений, как смещение, повторяемость и воспроизводимость и других.
В начале процесса выбирается контрольная деталь от одного из контрольных сопл. Ее размер известен, и она схожа с производимыми деталями. Данную деталь измеряют в определенных промежутках с помощью отобранного измерительного прибора. При каждом замере деталь измеряется 5 раз, результаты записываются. Процесс повторяется 25 раз с разными интервалами (в зависимости от измерительного процесса и системы). На основании полученных данных выстраиваются диаграммы средних и стандартных отклонений (рис. 5 и рис. 6). После анализа каждой диаграммы оценивается стабильность измерительной системы.
Рис. 5. Диаграмма средних отклонений измерительного процесса.
Рис. 6. Диаграмма стандартных отклонений измерительного процесса.
3. Изучение индекса GR&R
Для определения точности измерительной системы, необходимо вычислить стандартное отклонение, чтобы с его помощью выявить допустимые пределы. Для этого используется индекс GR&R (Gauge Repeatability and Reproducibility – повторяемость и воспроизводимость измерительного прибора). Для вычисления пригодности измерительной системы с использованием количественных данных при выборе деталей и сборе информации, необходимо учитывать следующие моменты:
- различительная способность измерительного инструмента должна быть в 10 раз больше допустимого отклонения измеряемого объекта;
- детали при замерах должны отбираться таким образом, чтобы они представляли собой все разнообразие производимых вариантов, от самых больших до самых маленьких;
- детали должны определяется методом случайного выбора.
Чтобы определить индекс GR&R, первому оператору передали 13 деталей, каждая из которых измерялась 5 раз. Далее те же детали были переданы второму оператору и процесс повторился. После этого результаты измерений были проанализированы с использованием программного обеспечения Minitab и были получены следующие результаты:
1. По таблице анализа возможных значений (таблица 2) и показателю Р было выявлено взаимовлияние операторов и измеряемых деталей (рис. 7), поэтому лучшим решением в данном случае станет метод дисперсионного анализа ANOVA, направленный на поиск зависимостей в экспериментальных данных путем исследования значимости различий в средних значениях.
2. Согласно таблице 3, показатель повторяемости и воспроизводимости измерительного прибора равен 19,10. Допустимый диапазон значений данного показателя равен: 0%
3. Представленные диаграммы подтверждают указанные выше тезисы, а также следующие моменты:
а) вариативность измерений для каждого оператора находится под контролем;
б) диаграммы среднего отклонения X‾ указывают на то, что данные измеряемого параметра, полученные от разных операторов, не имеют принципиальных отличий, и поскольку большинство показателей не выходят за установленные рамки, зафиксированные колебания в результатах измерений можно объяснить разницей между деталями.
Таблица 2. Анализ вариативности значений.
| Источник | DF | SS | MS | F | P |
|---|---|---|---|---|---|
| Деталь | 12 | 0,25 | 0,025 | 23,78 | 0,00 |
| Оператор | 1 | 0,00 | 0,00 | 0,014 | 0,09 |
| Деталь* оператор | 12 | 0,01 | 0,008 | 2,35 | 0,01 |
| Повторяемость | 104 | 0,038 | 0,00 | ||
| Итог | 129 | 0,3 |
Таблица 3. Процентное соотношение каждого компонента колебаний в общем показателе.
| Источник | Соотношение (%) |
|---|---|
| Общий индекс GR&R | 19,10 |
| Повторяемость | 15,04 |
| Воспроизводимость | 4,06 |
| Оператор | 0,00 |
| Оператор * деталь | 4.06 |
| Деталь к детали | 80,90 |
| Общее значение | 100 |
Рис. 7. Взаимовлияние операторов и измеряемых деталей.
Выводы
Для повышения эффективности процессов и качества продукции на иранском предприятии по производству газовых турбин проводилась оценка пригодности измерительных систем. С помощью замера и анализа полученных данных и использованием стандартных формул расчета индексов пригодности процесса Cg и Cgk была определена точность показателя статистической ошибки и поставлены под контроль результаты работы измерительных приборов. Несмотря на встречающиеся отклонения, показатели вариативности находились в пределах нормы, что указывает на то, что процесс контролируем, а измерительные приборы пригодны. Колебания в измерениях объяснялись разницей между типами производимых деталей.
Анализ измерительных систем данных имеет огромное значения для успешной и безопасной работы предприятия, ведь именно получаемые с помощью этих систем данные становятся основой всех управленческих решений, принимаемых руководством в отношении продукции и процессов. Если на вашем предприятии отмечен высокий процент ошибок и иных проблем с измерительными системами, или если сами системы отличаются низкой эффективностью, лучшим решением можно считать использование статистического анализа измерительных систем (MSA). Индексы пригодности помогут точно определить, являются ли выявляемые отклонения статистически значимыми, превышают ли они границу допустимых значений, влияют ли на другие показатели процесса, а также дадут возможность своевременно устранить существующие проблемы. Если вы не контролируете работу измерительных системы – вы не контролируете работу всего предприятия.
Текст: Наталья Коношенко
Материал подготовлен на основании данных R.Shojaei, M.Sohrabi, M.A.Amjadi, Statistical Measurement System Analysis of Ruston TA1750 Gas Turbine 1st Stage Nozzle, Advances in Mathematical and Computational Methods, Research Centre on Manufacturing and Production Mavadkaran Engineering Co. (MAPNA group), Iran