Комплексная оценка технологичности изделий в приборостроении

УДК 658.511.66

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ ИЗДЕЛИЙ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

© 2007 г. С.Н. Ларин

Современное приборостроение развивается в направлении автоматизации производства с широким использованием ЭВМ, внедрения гибких технологий, позволяющих быстро и эффективно перестраивать технологические процессы на изготовление новых изделий. Автоматизация проектирования технологии и управления производственными процессами - один из основных путей интенсификации производства, повышения его эффективности и качества продукции. Высокой эффективности производства достигают использованием современных информационных технологий, рациональным сочетанием оборудования и технологичности изготавливаемых изделий.

Наиболее полно дает систему показателей технологичности справочник «Технологичность конструкций изделий» под ред. Ю.Д. Амирова [1]. Однако все представленные в нем рекомендации по отработке изделий на технологичность характерны для общего машиностроения и требуют существенных уточнений для условий приборостроения и, в частности, для производства РЭА как основной продукции отраслей современного приборостроения.

Анализ межотраслевых и отраслевых руководящих документов не дает представления о роли показателей технологичности в управлении технической подготовкой производства. Отсюда и различные мнения о необходимости отдельных частных показателей о полезности интегрированных, оценочных показателей. Проведенный анализ конструктивно-технологических и экономических свойств большого количества изделий с 2000 по 2007 г., и в частности РЭА, в динамике их развития позволил сделать следующие выводы:

- число показателей технологичности в соответствии с ее определением может быть бесконечно большим, так как бесконечно большим количеством свойств обладает современная РЭА; сама по себе технологичность является сверхинтегрированным свойством изделия и может быть использована как единичный (частный) показатель в оценочных системах более высокого уровня лишь условно и только относительно;

- из всего множества показателей (свойств) необходимо выбрать главные и в минимальном количестве, которые наиболее объективно отражали бы состояние предмета на данный момент времени; при этом основными требованиями к такой выборочной совокупности следует считать ее информативность и возможность сравнительной оценки с целью использования в АСУ ТПП [2];

- система показателей по своему качественному и количественному составу не может и не должна быть стабильна, она должна обладать высокоадаптивными свойствами в связи с тем, что свойства самих изделий постоянно меняются и по составу, и по значимости. Например, показатель унификации элементов конструкции, выдвигаемый на первый план, становится тормозом в поиске оригинальных решений, что существенно сдерживает перспективные разработки.

Таким образом, любой показатель, в том числе и показатель технологичности, является качественной или количественной сравнительной оценкой того или иного свойства или совокупности свойств объекта, которая используется для принятия управленческого решения по изменению или стабилизации этого свойства или их совокупности. Система показателей технологичности позволяет дать интегрированную сравнительную оценку. Любой частный показатель, входящий в систему, рассматривается как самостоятельный, независимый информационный элемент для принятия конкретного решения по вопросам конструирования, технологии или организации производства на уровне конкретного предприятия.

В табл. 1 представлены некоторые взаимосвязи между отдельными элементами совокупности свойств конструкции, обусловливающей ее технологичность, и основными требованиями, предъявляемыми производством.

Степень влияния устанавливалась экспертным путем методом парных сравнений. За 100 % было принято состояние абсолютного положительного влияния показателей технологичности на показатели производства. Экспертиза показала, что не все показатели технологичности положительно влияют на производство; так, некоторые из них в ряде случаев могут оказывать и негативное влияние, которое в таблице отражено знаком «-», или столь незначительное положительное влияние, что при анализе или расчете эффективности им можно пренебречь.

Значимость или удельный вес частного показателя в комплексной оценке технологичности изделий является решающим фактором в отборе частных показателей, а также в определении нормативов комплексных показателей для изделий в целом и их элементов. Установить значимость показателя можно экспертным путем, что и осуществляется на практике с использованием методов балльной оценки или индексов. Рассмотрим методику определения значимости показателей с помощью экспертных процедур парных сравнений.

Таблица 1

Степень влияния показателей технологичности конструкций на основные показатели производства, %

Требование производства

Свойство конструкции Сокращение номенклатуры деталей и ЭРЭ Возможность групповой обработки Сокращение номенклатуры материалов и заготовок Уменьшение трудоемкости изделия Сокращение производственного цикла Сокращение затрат на подготовку производства

Стандартизация, унификация и типизация конструктивно-технологических решений 100 100 85 60 50 100

Прогрессивность формообразования деталей -10 50 10 100 100 -10

Рациональность точности и чистоты обработки - 10 - 100 40 -

Контролепригодность 10 40 - 100 10 -70

Приспособленность к механизированной и автоматизированной подготовке, установке и монтажу электрорадиоэлементов (ЭРЭ) - 85 - 100 70 -50

Рациональность коммутации (минимальное число коммутационных связей при монтаже изделия) - - 30 60 20 -30

Необходимо определить значимости (ср^) следующих частных показателей: Кповм - коэффициента повторяемости материалов в конструкции (р1); Кс.сб -коэффициента сложности сборки (ср2); Ктч - коэффициента точности обработки (ср3); Кф - коэффициента прогрессивности формообразования (ср4); Ким - коэффициента использования материалов (р5). Число частных показателей, участвующих в комплексной оценке технологичности, значимость которых оценивается, не ограничивается: чем их больше, тем точнее результат.

В связи с тем что сама по себе технологичность является весьма обобщенным показателем конструктивно-технологического решения, в качестве критериев оценки значимости частных показателей принимают систему основных и дополнительных показателей технологичности (К,): трудоемкость изделия (К1), материалоемкость (элементность) (К2), технологическую себестоимость (К3), серийнопригодность (К4), уровень организации производства и труда (К5) (рис. 1). По сути, ставится задача - определить степень влияния каждого частного показателя на каждый из основных и дополнительных показателей технологичности и далее частных показателей в целом на технологичность изделия.

В основе экспертного метода парных соединений лежит качественная оценка («больше», «равно», «меньше») по выбранному критерию каждой пары объектов из их совокупности. Например, для пары Кпов м - Кс.сб эксперт устанавливает, в какой степени (больше, меньше или в равной мере) каждый из этих

частных показателей влияет в целом на трудоемкость изделия (К1). Аналогичная оценка производится для следующих пар: Кпов.м - Кф, Кпов.м - Ктч и т.д. Общее число сравниваемых пар равно , (, - 1), где , - общее число объектов сравнения.

Так как сами критерии для различных конструкций в различной степени влияют на технологичность, необходимо установить и значимость, или предпочтительность, (у,) для самих критериев. При этом используется тот же метод парных сравнений. Все процедуры метода рассматриваются на примере оценки значимости критериев. Например, имеем пять объектов для сравнения: К1, К2, К3, К4, К5. Метод парных сравнений позволяет построить квадратную матрицу предпочтительности К = ||а ^Ц (табл. 2).

Коэффициент предпочтительности а^ является числовой мерой - аналогом представлениям значимости одного объекта по отношению к другому по выбранному критерию (в данном случае - технологичность изделия). Эксперт, последовательно и попарно сравнивая объекты, дает им оценку знаками («>», «=», «<»), заполняя верхние от диагонали ячейки матрицы (нижние от диагонали ячейки заполняются обратными знаками). Для рассматриваемого изделия эксперт считает, что трудоемкость (К1) в большей степени влияет на технологичность, чем материалоемкость (К2), т.е. К1 > К2, но К1 = К3, К1 > К4, К1 < К5. Аналогично эксперт производит сравнение К2 с К3; К2 с К4 и т. д., заполняя последовательно знаками ячейки матрицы.

Кпов.м Кс.сб Ктч Кф Ки.м

Ф1 Ф2 Фз Ф4 Ф5

К Ф,

Комплексный показатель технологичности

б

Рис. 1. Структуризация задачи определения значимости показателей по критериям К, («Дерево критериев»):

а - «дерево целей»; б - «дерево решений»

Таблица 2

Определение значимости показателей технологичности с помощью квадратной матрицы предпочтительности

V Матрица предпочтительности Расчетная матрица

К1 К2 Кз К4 К5 Е aj Y i Yi

К1 = > = > < 5,5 25,75 0,212

1 1,5 1 1,5 1,5

К2 < = = = < 4 19,00 0,157

0,5 1 1 1 0,5

Кз = = = > < 5 23,75 0,196

1 1 1 1,5 0,5

К4 < = < = = 4 19,75 0,163

0,5 1 0,5 1 1

К5 > > > = = 6,5 33,00 0,272

1,5 1,5 1,5 1 1

Е 121,25 1,000

1) при сильном различии крайних значений в

Кроме заполнения матрицы предпочтительности эксперт указывает, во сколько раз могут отличаться оценке значимости показателей значимости объектов, т.е. на основе опыта оценивает соотношение крайних значений предпочтительности. Этот шаг в решении задачи нужен для выбора значения йу как числовой меры - аналога.

При расчете значимостей критериев и частных показателей (рис. 2.) рекомендуются следующие значения ау (х, и Ху - сравниваемые объекты):

аи =

1,95  1,9 при x, > Xj;

1 при x, = x j; 0,05  0,1 при x, < Xj

а

аУ =

2) при среднем различии крайних значений

1,5 при х, > Ху; 1 при х, = Ху; 0,5 при х, < х у,

3) при незначительном различии крайних значений

1,2  1,1 при х, > ху;

1 при х, = х у; 0,8  0,9 при х, < х.

аУ =

при x, > xy 2 при x, = xy 1 при x, < xy

0

1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 111 111111

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

2. Вычисляем £ ауу для каждого /-го критерия

1

(в дальнейшем частного показателя) и заносим их в расчетную матрицу.

3. Определяем сумму произведений ауу на соответ-

I

ствующие £ ауу (умножение вектора-столбца на со-

1

ответствующую сторону), т.е. приоритетов у ,1 .

В общем виде имеем:

5 5 5 1

а 11 £ а 1, +а 12 £ а 2, + - + а '

'21

Е a 1 j +a 22 Е а 2 j + ••• + а 2 j 1 1

Е «у =Y 1; 1

V 1

Еay = Y 2;

5

гя Е a 1

+a, 2 Е а 2

+ -+ау £ ау =у!. 1 1

В рассматриваемом случае:

1-5,5 + 1,5-4 + 1-5 + 1,5-4 + 1,5-6,5 = 25,75;

0,5-5,5 + 1-4 + 1-5 + 1-4 + 0,5-6,5 = 19;

1-5,5 + 1-4 + 1-5+ 1,5-4 + 0,5-6,5 = 23,75;

0,5-5,5 + 1-4 + 0,5-5 + 1-4 + 1-6,5 = 19,75;

1,5-5,5 + 1,5-4 + 1,5-5+ 1-4 + 1-6,5 = 33,0.

4. Получаем относительное значение приоритетов

или значимости (у,) критериев К,:

Рис. 2. Зависимость коэффициентов ауу от отношения крайних членов хшах/хш|п ряда предпочтительности для различного числа т сравниваемых объектов

Как показывает опыт, для оценки значимости критериев целесообразно использовать второе значение ау, а для оценки значимости частных показателей -первое значение. Дальнейшее решение задачи проходит без эксперта с помощью следующего алгоритма.

1. В матрицу предпочтительности вместо знаков вносим соответствующие числа-аналоги (ау) (см. табл. 2).

Y, =

Y,

I

ЕY,

25,75 121,25

- = 0,212.

Устанавливая знаки предпочтения, оцениваем, как тот или иной частный показатель влияет на трудоемкость (К1) (табл. 3), на материалоемкость К2 и т.д. Примем значимость ,-го частного показателя по кри-ф'я 3,76

терию К как ф s, =-

Еф1,!

100,8

-= 0,037 и т.д.

Всего число подобных матриц (табл. 3) должно быть равным числу выбранных критериев оценки.

Таблица 3

Определение значимости показателей технологичности при выбранной величине у; = 0,212

x

x

q s ^^ Матрица предпочтительности Расчетная матрица

Кпов.м Кс.сб Ктч Кф Ки.м Е ^ ь q Ф', Ф К!

Кпов.м < = < < < 1,4 3,76 0,037

1 0,1 0,1 0,1 0,1

Кс.сб > = = < > 5,9 25,97 0,258

1,9 1 1 0,1 1,9

Ктч > = = = > 6,8 29,14 0,289

1,9 1 1 1 1,9

Кф > > = = > 7,7 34,48 0,342

1,9

Ки.м > < < < = 3,2 7,45 0,074

1,9 0,1 0,1 0,1 1

Е 100,80 1,000

Далее по каждому из критериев К определяем значимости частных показателей, используя те же процедуры парных сравнений. Данные значимости анализируемых частных показателей по каждому из пяти выбранных критериев сведены в табл. 4, где - значение приоритета частных показателей в комплексном показателе технологичности с учетом

значимости критериев, ф'х = ^ф ,у, = 0,1473 • 0,2694 .

Значимость

opt x ^ max £ xi > max £ x'i ,

i=1 i=1

где n - число учитываемых частных показателей технологичности.

Для установления оптимального сочетания факторов, определяющих длительность подготовки производства по отношению к технологичности, необходимо разработать модель системы и найти вариант, минимизирующий цикл подготовки.

Таблица 4

1х частных показателей

Критерий (К) Yi Ф,1 Ф,2 Ф,3 Ф,4 Ф,5

Фи Фи Yi Ф2,' Ф2,' Yi Ф3,' Ф3,- Yi Ф4,' Ф4,' Yi Ф5,' Ф5,' Yi

К1 0,212 0,037 0,0078 0,258 0,0546 0,289 0,0613 0,342 0,0725 0,074 0,0157

K2 0,157 0,273 0,0429 0,109 0,0171 0,045 0,0071 0,309 0,0485 0,264 0,0414

Кз 0,196 0,042 0,0082 0,305 0,0598 0,306 0,0598 0,305 0,0598 0,042 0,0082

К4 0,163 0,364 0,0593 0,264 0,0430 0,181 0,0295 0,181 0,0295 0,010 0,0016

К5 0,272 0,107 0,0291 0,349 0,0949 0,233 0,0605 0,243 0,0660 0,048 0,0130

Z 0,1473 Ф1 = 0,1486 Z 0,2694 ф2 = 0,2718 Z 0,2182 ф3 = 0,2201 Z 0,2763 ф4 = 0,2788 Z 0,0799 ф5 = 0,0806

Значимости частных показателей определены как

Ф, =-

Ф,

Еф',

0,1473 0,9911

= 0,1486.

Следует отметить, что при определении значимости ф^ показателя можно пользоваться всего одним или любым числом из пяти критериев, которые эксперт сочтет наиболее важными для данного изделия или конкретных условий производства.

При представительной экспертизе для групп технических средств одного функционального назначения и конструктивно-технологического подобия полученные значимости частных и общих (по критерию К,) показателей могут служить нормативной базой для планирования и анализа технологичности. Все процедуры, кроме экспертизы, представленного метода оценки значимости показателей легко поддаются алгоритмизации и машинной обработке [3]. Оценка по приоритетам всей совокупности частных показателей позволяет осуществлять и их отбор в качестве базовых для комплексной оценки технологичности [4]. Действительно, если степень влияния (значимости) показателя на технологичность по выбранному критерию сравнительно мала, то его нецелесообразно использовать в комплексной оценке технологичности.

Таким образом, можно утверждать, что при сравнении аддитивных оценок оптимальное конструктивно -технологическое решение будет характеризоваться максимумом суммы фактических частных показателей технологичности, которая должна быть больше максимальной суммы тех же нормативных показателей, т. е.

Минимизация длительности цикла подготовки производства выражается математически в задаче нахождения минимума функции некоторого числа переменных. Поскольку работы по изготовлению приборных комплексов требуют для своего осуществления определенных ресурсов, в задачу возможен ввод ограничений на ресурсы.

Применение математических моделей оценки рациональности и совершенства конструкции позволяет:

1. Полностью автоматизировать процесс комплексной оценки изделий на технологичность;

2. Оптимизировать состав конструкции изделия;

3. Подготовить рекомендации по организационно-техническим мерам, обеспечивающим своевременную подготовку производства.

Интеграция математических моделей оценки конструкции изделия на технологичность в существующие АСУ ТПП дает возможность осуществлять сквозное проектирование, начиная с эскизного проекта и заканчивая этапами разработки технологической документации.

Литература

1. Технологичность конструкций изделий: Справочник / Под ред. Ю.Д. Амирова М., 1985.

2. Основы автоматизации машиностроительного производства: Учебник для машиностроит. спец. вузов / Е.Р. Ко-вальчук, М.Г. Косов, В.Г. Митрофанов и др.; Под ред. Ю.М. Соломенцева: 2-е изд., испр. М., 1999.

3. Ларин С.Н. Основные задачи обеспечения технологичности конструкции изделия в автоматизированных системах // Автоматизация управления. 2004. № 4.

4. Ларин С.Н. Создание системы конструкторско-техноло-гического анализа // Судостроение. 2004. № 6.

Научно-производственное объединение «Марс», г. Ульяновск

13 июня 2007 г.