Анализ и совершенствование измерительной системы испытаний авиакосмической техники для верификации/валидации продукции

УДК 658

АНАЛИЗ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ИСПЫТАНИЙ АВИАКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ ДЛЯ ВЕРИФИКАЦИИ/ВАЛИДАЦИИ ПРОДУКЦИИ

М.В. Высоцкая, Р.С. Загидуллин, Т. А. Митрошкина, А.Я. Дмитриев

Рассмотрен усовершенствованный подход к верификации и валидации измерительных систем испытаний. Требование по оцениванию неопределенности измерений предложено реализовать на основе анализа измерительной системы испытаний. Проведена параметризация компонентов измерительной системы, изучены управляемые и дестабилизирующие факторы измерительного процесса. Приведен пример метрологического обеспечения MSA- анализа измерения геометрических характеристик кронштейна для соединения тяги силовой цепи с объектом испытания.

Ключевые слова: структура измерительной системы, параметры проектирования, источники помех, верификация, валидация, MSA, системы менеджмента качества, статистические методы, анализ стабильности, смещение, линейность, сходимость, воспроизводимость.

Введение. Повышение качества продукции является ключевой целью системы менеджмента качества авиакосмических предприятий и является основным средством достижения и поддержания конкурентоспособности организации. Для улучшения качества выпускаемой продукции необходимо постоянное и непрерывное совершенствование измерительных систем и снижение уровня дефектности технологических процессов.

Одним из основных методов измерения и оценки качества является инструментальный метод, основанный на использовании средств измерений. Повышение параметров точности обработки изделий обуславливают также повышение требований к измерительным системам и средствам измерения, поэтому классические способы контроля не могут обеспечить определение состояния изделия с требуемой точностью и погрешностью во всех случаях.

Правильный выбор измерительных технологий и методов управления качеством является важной задачей для промышленных предприятий и во многом определяет экономическую эффективность производства.

Межгосударственный стандарт ГОСТ ISO/IEC 17025-2019 «Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий», разработан с целью укрепления доверия к деятельности испытательных лабораторий, в которых подтверждается соответствие заявленным требованиям средств измерений. В настоящем стандарте содержатся требования к лабораториям, выполнение которых позволит им продемонстрировать компетентность и способность получать достоверные результаты [1].

Испытательная лаборатория должна уполномочить персонал на выполнение конкретной лабораторной деятельности, включая (но не ограничиваясь):

— разработку;

— изменение;

— верификацию и валидацию методов.

Валидация, согласно ГОСТ Р ИСО 9000-2015 «Системы менеджмента качества» характеризуется подтверждением, посредством представления объективных свидетельств (данных, фактов, подтверждающих наличие или истинность чего-либо), того, что требования (потребность или ожидание, которое установлено, обычно предполагается или является обязательным), предназначенные для конкретного использования или применения, выполнены [2]. Так, например, фактом, необходимым для валидации, является результат испытания.

В связи с вышеизложенным появляется необходимость проводить анализ метрологического обеспечения испытаний/измерений.

Метрологическое обеспечение: важность требований стандарта ГОСТ ISO/IEC 170252019. Ключевыми рисками, возникающими в лабораториях, являются риски метрологического обеспечения. К процессу метрологического обеспечения на предприятиях, особенно авиакосмической отрасли, всегда предъявлялись особые требования и соответствующие государственные надзорные органы проводят регулярные проверки на выполнение этих требований. Поэтому анализ рисков метрологического обеспечения стоит проводить в первую очередь с целью самоконтроля за показателями измерений и достоверностью параметров процессов измерений.

Процесс метрологического обеспечения в авиакосмической отрасли «Обеспечение единства измерений (метрологическое обеспечение) - это систематизированный, строго определенный набор средств и методов, направленных на получение измерительной информации, обладающей свойствами, необходимыми для выработки решений по приведению объекта управления в целевое состояние» [3]. Из определения следует, что метрологическое обеспечение включает комплекс действий, направленных на обеспечение единства измерений, при котором результаты измерений выражены в узаконенных единицах величин, а погрешность измерений определена с требуемой вероятностью.

Целью метрологического обеспечения измерений является создание условий для получения измерительной информации, обладающей свойствами, необходимыми и достаточными для выработки определенных решений в области авиакосмической отрасли.

Одним и главнейшим вопросом метрологического обеспечения производства является выбор средств и методов измерений. Считается, что изделие сделано, только тогда, когда возможно измерить его параметры с требуемой точностью. В авиакосмической отрасли возможными параметрами являются параметры, характеризующие его геометрическую точность.

При выборе методов и средств измерений необходимо пользоваться основным принципиальным положением, которое заключается в том, что измерение (контроль) является органической частью производства, и оно призвано обслуживать этот процесс, а назначение измерений в определении действительных значений, исходя из служебного назначения объекта и цели измерений.

При измерении на производстве могут преследоваться два направления:

— приемка готового изделия (детали, сборочной единицы и т. д.) и определения соответствия их предъявляемым эксплуатационным требованиям;

— определение значения нормируемых параметров для оценки точностного состояния производства или результатов различных исследований.

Эти направления необходимо учитывать при решении вопросов о метрологическом обеспечении производства и, в частности, при выборе измерительных средств. Особенность выбора методов и средств измерений зависит как от особенностей измеряемых параметров, так и от видов используемых средств измерений.

MSA - анализ (анализ измерительных систем). Очевидно, что в процессе выявления причин отказов (несоответствий) неизбежно применение средств измерений для выполнения контрольных измерений в ходе технологического процесса и, следовательно, оценка приемлемости измерительной системы с помощью MSA-анализа является неотъемлемой частью работ по статистическому анализу продукции на авиастроительных предприятиях.

MSA - анализ (анализ измерительных систем) помогает минимизировать риск того, что в случае несоответствия измерительной системы последуют ошибочные решения.

Измерительная система включает следующие составляющие: средство измерения; сотрудника (оператора средства измерения); стандарт (эталон); условия окружающей среды, в которых функционирует средство измерения (влажность, давление, температура); процедуры измерения и измеряемую деталь (рис. 1).

Рис. 1. Измерительная система

Анализ измерительных систем начинается с определения цели и понимания процесса измерения. Все источники случайных и недопустимых ошибок должны быть устранены. При исследовании измерений рекомендуется использовать правила:

1. определите значительные источники ошибок и устраните их;

2. позвольте одному или нескольким факторам изменяться;

3. измеряйте несколько раз;

4. анализируйте результаты действий.

Измерительная система может быть подвержена влиянию различных источников изменчивости, поэтому при повторных измерениях одной и той же части полученные результаты будут отличаться друг от друга, что обусловлено обычными и особыми причинами изменчивости. Влияние различных источников изменчивости на измерительную систему должно быть оценено за короткий и длительный промежутки времени.

Пригодность измерительной системы, как и пригодность процесса - это долгосрочная оценка изменчивости измерительной системы.

Измерительная система пригодна, если [4]:

- процесс измерений находится в статистически управляемом состоянии (т. е. он стабилен и неизменен или присутствуют только обычные причины изменчивости);

- настроен на цель (нет смещения);

— изменчивость процесса (сходимость и воспроизводимость) приемлема и находится в ожидаемых пределах.

Принято оценивать сходимость и воспроизводимость измерительной системы (%R&R) по следующим качественно разным диапазонам:

— %R&R <10% - удовлетворительно;

— 10% <%R&R <30% - может быть приемлемой, в зависимости от значимости параметра, стоимости средства измерения;

— %R&R>30% - неудовлетворительно, необходимо использовать все усилия для улучшения измерительной системы.

Объектом для MSA выбран процесс измерения наружного диаметра кронштейна для соединения тяги силовой цепи с объектом статических испытаний ракетно-космической техники. Применение MSA в процессе изготовления кронштейна производилось по контрольному параметру ё30мм, тремя операторами методом средних и размахов. Каждый оператор измерял 10 деталей по 3 раза каждую.

Деталь (рис. 2) изготовлена из легированной конструкционной стали марки 30ХГСА. Кронштейн является составной частью силовой цепи, которая состоит из тяги, силовозбудителя и тензодина-мометра.

Рис. 2. Деталь - кронштейн

Для анализа стабильности измерительного процесса был отобран образец с предполагаемым истинным значением близким к 29,95 мм [5].

Для каждого цикла измерений рассчитывается среднее значение результатов измерений и размах результатов измерений, среднее результатов всех измерений и средний размах. Измерения производились штангенциркулем типа I с диапазоном измерения 0 - 125 мм с шагом дискретности цифрового отсчетного устройства 0,01 мм.

По результатам экспериментов и последующего анализа контрольной карты средних и разма-хов измерительного процесса принято решение о стабильности измерительного процесса.

Для анализа линейности были отобраны 5 образцов с предполагаемыми истинными значениями. Каждый из отобранных образцов был измерен 12 раз. Определялось среднее значение результатов измерений.

Абсолютное значение смещения измерительного процесса для каждого из образцов рассчитывалось, как разность среднего значения результатов измерений и предполагаемого истинного значения образца.

Коэффициент корреляции между предполагаемыми значениями измеряемых параметров и соответствующими смещениями измерительного процесса составил 0,41, следовательно, в рабочем диапазоне (в пределах допуска) нельзя говорить о линейности смещения измерительного процесса. Измерительная система нуждается в улучшении. Для установления закономерностей изменения смещения необходимо дополнительное исследование.

Для анализа сходимости и воспроизводимости проводился расчет оценок среднеквадратиче-ских отклонений (СКО) составляющих изменчивости измерительного процесса.

Оценка приемлемости измерительного процесса заключается в сравнении его сходимости и воспроизводимости с полем допуска на измеряемый параметр, определяется исходя из анализа величины относительной сходимости и воспроизводимости.

Полученное значение сходимости и воспроизводимости относительно допуска составило 14,6%, а следовательно, «измерительный процесс может быть признан приемлемым в зависимости от важности параметра, стоимости прибора и т. п.

С целью снижения параметра %Я&Я было принято решение перейти к параметрическому проектированию для улучшения характеристик изделия. Параметрическое проектирование — это исследование, с помощью которого можно идентифицировать наборы значений характеристик изделия, которые минимизируют ожидаемые потери. В большинстве приложений для выполнения параметрического проектирования требуется постановка соответствующих экспериментов.

Параметрическое проектирование основано на классификации переменных, влияющих на характеристики изделия, на две категории: параметры проектирования и источники помех (управляемые и дестабилизирующие факторы).

Параметры проектирования являются характеристиками проектирования изделия, чьи номинальные значения могут быть определены его разработчиком. Реальные значения параметров проектирования для произведенного изделия могут отклоняться от номинальных значений [6].

Источники помех — переменные, которые вызывают разброс характеристик изделия как в течение его срока службы, так и для различных его единиц. Рассмотрим параметры проектирования и источники помех представлены в виде управляемых и дестабилизирующих факторов процесса испытания ракетно-космической техники.

На простом примере штангенциркуля приведены управляемые факторы: плоскостность и прямолинейность измерительных поверхностей; перемещение рамки по штанге; расстояние верхней кромки края нониуса до поверхности шкалы штанги; твердость измерительных поверхностей.

Изучены дестабилизирующие факторы: параметр шероховатости измерительных поверхностей кромочных губок и плоских вспомогательных измерительных поверхностей; воздействие климатических факторов внешней среды при температуре и влажности.

Проведенный эксперимент позволил выбрать робастные параметры измерительной системы и улучшить ее, что подтвердила последующая оценке неопределенности с применением MSA-анализа [7]. Данная методика позволяет снизить %R&R до 8,5%.

Заключение. Оценивая неопределенности измерений в процессе испытаний для верифика-ции/валидации продукции имеет важное значение в соответствии с требованиями стандарта ГОСТ ISO/IEC 17025-2019. Предложено проводить оценивание неопределенности с помощью анализа измерительных систем MSA. Рассмотрен пример подобного анализа и последующей доработки измерительной системы на основе робастного проектирования. Апробация подхода демонстрирует переход измерительной системы на более высокий уровень качества - улучшение сходимости и воспроизводимости с 14,6% до 8,5%.

Список литературы

1. ГОСТ ISO/IEC 17025-2019 Общие требования к комплектности испытательных и калибровочных и калибровочных лабораторий.

2. Загидуллин, Р.С., Баринов, П.В., Буркова, В.А., Глушков, С.В, Митрошкина, Т.А. Современные методы улучшения качества проектирования специальной технологической оснастки для испытаний сборочно-защитного блока научно-энергетического модуля» / Качество и жизнь. 2019. №2 (22). С. 44-53.

3. ГОСТ Р 8.820-2013 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Метрологическое обеспечение. Основные положения.

4. Высоцкая, М. В. Робастное проектирование: метод совершенствования производственных процессов испытаний изделий на стендах для контроля радиального и торцевого биения тел вращения / Высоцкая М.В., Дмитриев А.Я. // Сборник: Эффективные системы менеджмента: качество, инновации, устойчивое развитие. Материалы VI Международного научно-практического форума. [Под редакцией И.И. Антоновой]. - 2017. - С. 122-126.

5. Васильчук, А.В. Анализ измерительных и контрольных процессов в автомобилестроение [Текст] / А.В. Васильчук, Г. Л. Юнак, В.Е. Годлевский, О.В. Разживина. - Самара: ЗАО «Академический инжиниринговый центр»; - ООО «Офорт», 2006. - 190 с.

6. Дмитриев, А. Я. Робастное проектирование и технологическая подготовка производства изделий авиационной техники [Текст] / А. Я. Дмитриев, Т. А. Митрошкина, Ю. А. Вашуков. Самара: СГАУ, 2016. - 76 с.

7. Дмитриев, А.Я., Митрошкина, Т.А. Проектирование качества продукции на основе параметрической идентификации моделей, требований потребителей, знаний: онтологическая парадигма / Онтология проектирования. 2015. Т. 5. № 3 (17). С. 313-327.

Высоцкая Мария Владимировна, аспирант, Manya_93@mail.ru Россия, Самара, ФГАО ВО ««Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королёва»

Загидуллин Радмир Салимьянович, аспирант, Zagidullin_Radmir@mail. ru, Россия, Самара, ФГАО ВО «Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королёва»

Митрошкина Татьяна Анатольевна, аспирант, t.mitroshkina@gmail.com, Россия, Самара, ФГАО ВО «Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королёва»

Дмитриев Александр Яковлевич, канд. техн. наук, доцент, dmitriev5 7@rambler. ru, Россия, Самара, ФГАО ВО «Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королёва»

ANALYSIS AND IMPROVEMENT OF THE MEASURING SYSTEM FOR TESTING THE AVIA-SPACE TECHNOLOGY FOR VERIFICATION / VALIDATION OF PRODUCTS

M.V. Vysotskaya, R.S. Zagidullin, T.A. Mitroshkina, A.Y. Dmitriev,

An improved approach to verification is considered. The requirement to evaluate the measurement uncertainty is proposed to be implemented based on the analysis of the measuring test system.

The parametrization of the components of the measuring system is carried out, the controlled and destabilizing factors of the measuring process are studied. An example of metrological support or MSA analysis of the process of measuring the geometric characteristics of the bracket for connecting the traction of the power circuit with the test object is given.

Key words: Measurement system structure, design parameters, interference sources, verification, validation, MSA, quality management systems, statistical methods, stability analysis, bias, linearity, repeatability, reproducibility.

Vysotskaya Maria Vladimirovna, graduate student, Manya_93@,mail. ru, Russia, Samara, Samara National Research University,

Zagidullin Radmir Salimyanovich, graduate student, Zagidullin_Radmir@,mail. ru, Russia, Samara, Samara National Research University,

Mitroshkina Tatyana Anatolyevna, graduate student, t. mitroshkina@gmail. com, Russia, Samara, Samara National Research University,

Dmitriev Aleksandr Yakovlevich, candidate of technical sciences, associate professor, dmitriev5 7@„rambler. ru, Russia, Samara, Samara National Research University,

УДК 629.7; 658.5

РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ, ИЗГОТОВЛЕНИИ, ИСПЫТАНИИ ИЗДЕЛИЙ АВИАЦИОННО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ

Р.С. Загидуллин, Т.А. Митрошкина, О.Ф. Садыков, М.В. Высоцкая, И.О. Нагурный, А.В. Горшков

Предлагается модель обеспечения качества при проектировании, изготовлении, испытаниях изделий авиационно-космической техники в условиях аддитивного производства. Модель основана на современных методах управления качеством, в том числе методах развертывания функции качества (QFD) и анализа видов и последствий потенциальных несоответствий (FMEA). Приводятся примеры разработки предложений и оптимизации конструкции изделий авиационно-космической техники по результатам QFD и FMEA, в том числе с внедрением аддитивных технологий.

Ключевые слова: авиационно-космическая техника, робастное проектирование FMEA, QFD, методы аддитивное производство, качество, модель.

Введение. C целью повышения конкурентоспособности отечественные предприятия-производители авиационно-космической техники все чаще используют подходы к обеспечению качества на основе стандартов менеджмента качества (ISO 9001, AS/EN 9100) и зарекомендовавшие себя инженерные методы управления качеством, такие как статистическое управление процессами SPC, анализ измерительных систем MSA, развертывание функции качества QFD, анализ видов, причин и последствий потенциальных несоответствий FMEA. Применение этих методов, наряду с робастными подходами к проектированию, системами трехмерного проектирования и инженерного анализа ANSYS, дает возможность не только производить продукцию, отвечающую требованиям, но и значительно сократить затраты на этапах разработки и проектирования [1-3].

В то же время практически исчерпан потенциал традиционных подходов и технологий проектирования и изготовления изделий авиакосмической техники. В последние годы ускорилось внедрение аддитивного производства авиакосмической техники, особенно благодаря достижениям в области производства металлических порошков для 3D-печати [4].