Информационно-статистические методы управления качеством продукции массового производства: Диссертация


ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ









ЮДИН Сергей Владимирович

Информационно-статистические методы управления качеством продукции массового производства





Специальность: 08.00.20 - Экономика стандартизации и

управления качеством продукции




ДИССЕРТАЦИЯ



на соискание ученой степени



доктора технических наук



    Научный консультант - доктор технических наук, профессор

                          Григорович В.Г.



Тула - 1999

- 3 


            СОДЕРЖАНИЕ


Стр.
ВВЕДЕНИЕ ................................................. 8
1. Состояние и проблемы управления качеством в массовом и крупносерийном производстве.......................'..  17
   1.1. Массовое производство как объект исследования .. 17
   1.2. Статистические методы управления качеством - состояние и проблемы................................... 19
   1.3. Состояние научной проблемы ...................... 28
   1.4. Информационный подход к управлению качеством ... 36
        1.4.1. Статистические  характеристики энтропии .. 36
        1.4.2. Информационная модель технологического
               процесса............................... 40
       1.4.3.  Информационный критерий определения закона распределения случайной величины .............. 45
        1.4.4. Статистический    контроль качества ...... 48
   1.5. Цель и задачи работы.......................... 52
2. Теоретические основы информационно-статистических методов управления технологическими процессами .......... 55
   2.1. Постановка задачи ............................... 55
   2.2. Сравнение информационного критерия и критерия Пирсона в задачах определения закона распределения ................................................ 59
   2.3. Коэффициент информационной связи как мера определенности процесса................................. 66

- 4 
2.4. Анализ точности и стабильности технологического процесса............................................... 69
        2.4.1. Информационно-статистические оценки пара               метров точности и стабильности ТП........    69
        2.4.2. Сравнительный анализ параметров точности и стабильности .................................. 74
        2.4.3. Критерий значимости смещения центра группирования ....................................... 79
   2.5. Контрольные карты             ................... 87
   2.6. Информационная модель ТП на основе данных предельного контроля     (альтернативная модель) ........ 92
   2.7. Регулирование ТП на базе альтернативной модели .  99
   2.8. Минимальный объем  выборки при анализе ТП ...... 107
   2.9. Выводы.........................................  109
3. Информационные планы контроля л ..................... 110
   3.1. Постановка задачи.........;..................... 110
   3.2. Математическая модель контроля ................. 112
   3.3. Оперативная характеристика информационного плана контроля............................................. 115
   3.4. Средний выходной уровень дефектности. Предел среднего выходного уровня дефектности ............... 126
   3.5. Сравнительный анализ оперативной характеристики информационного плана контроля ...................... 130
   3.5.1. Сравнение оперативных кривых информационных и пуассоновских планов контроля ....................... 130
3.5.2.  Сравнительный анализ рекомендаций ГОСТов и информационного подхода .............................. 135
3.6. Планы контроля с усеченными границами (метод АКУД) ................................................ 143

- 5 
   3.7. Нормативный уровень дефектности и интегральные риски потребителя и изготовителя .................... 163
   3.8. Система последующих оценок ...................... 166
        3.8.1. Информационный анализ .................... 166
        3.8.2. Байесовский подход.....................'.. 169
   3.9. Выводы........................................ 176
4. Программное обеспечение информационной системы управления качеством....................................... 178
   4.1. Универсальная программа множественного корреляционного анализа ANALISYS ........................... 180
   4.2. Программа определения закона распределения LAWX.  188
   4.3. Программа информационного моделирования INFMOD  . 191
   4.4. Программа анализа точности и стабильности технологического процесса STABILITY .....................  196
   4.5. Программа расчета одноступенчатых информационных планов статистического приемочного контроля в массовом производстве PLAN .......................... 198
   4.6. Программа расчета доверительных интервалов входного уровня дефектности по результатам текущего контроля PLANQ, ..................................... 201
   4.7. Программа расчета одноступенчатых информационных планов СПК для контроля единичной партии PLAN1 . 203
   4.8. Программа расчета доверительных интервалов входного уровня дефектности на основе формулы Байеса PLANQB............................................ 206
   4.9. Программа расчета последовательного плана СПК типа планов Вальда PLANVALD ......................... 209
   4.10. Программа расчета функции распределения двумерной гауссовой случайной величины L_xyr .............. 211

- 6 
   4.11. Алгоритмы и методики генерации случайных чисел с заданными свойствами ............................... 214
   4.12. Используемые стандартные  программы ............ 217
   4.13. Выводы.......................................... 219
5. Методическое обеспечение информационной системы уп- 220 равления качеством .....................................
   5.1. Определение закона распределения случайной величины ................................................ 220
   5.2. Построение и анализ информационной модели технологического      процесса............................ 223
   5.3. Контрольная  карта альтернативного среднего ..... 226
   5.4. Контрольная  карта наладчика .................... 228
   5.5. Выбор и расчет плана статистического приемочного контроля, учитывающего требования изготовителя и потребителя ......................................... 229
   5.6. Расчет плана СПК по параметру предел среднего выходного уровня дефектности (AOQ.L) (нормативный уровень дефектности - NQL) .......................... 231
   5.7. Расчет плана СПК с усеченными границами контроля............................................. 232
   5.8. Расчет доверительных границ входного уровня дефектности по результатам контроля ................. 234
   5.9. Выбор планов СПК при помощи таблиц Приложения 1 236
   5.10. Примеры решения задач .......................... 237
6. Реализация информационных методов в промышленности .. 250
   6.1. Информационная модель технологического процесса производства патрона калибра 5.45 мм ................ 250
   6.2. Схема контроля ТП производства патрона .......... 272
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ................................ 294

- 7 -СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ........................ 298
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Таблицы информационных планов контроля и доверительных интервалов входного уровня дефектности......................................... 324
   П1.1. Одноступенчатые информационные планы СПК          324
      П1.1.1. Планы контроля для некритических дефектов 324 Таблица П1.1. Одноступенчатые информационные планы
                    СПК П¹(п;с). Нормальный контроль ... 325 Таблица П1.2. Одноступенчатые информационные планы
      СПКПЧшс). Ослабленный контроль .. 334 П1.1.2. Планы контроля для критических дефектов и изделий спецназначения ............................ 343
      Таблица П1.3. Одноступенчатые информационные планы
                    СПК пЧп.'с). Нормальный контроль ... 344 Таблица П1.4. Одноступенчатые информационные планы
                    СПК. пЧгцс). Ослабленный контроль .. 346 П1.2. Оценка входного уровня дефектности ............. 348
      Таблица П1.5. Доверительные интервалы входного уровня дефектности ........................... 349

- 8 


            ВВЕДЕНИЕ


     В диссертационной работе решается научная проблема, заключающаяся в отсутствии методов управления качеством продукции, соответствующих современному уровню развития производства.
     Существующие автоматические линии требуют минимального вмешательства человека для своего функционирования. В то же время контроль качества, оценка текущего состояния технологической операции проводятся, как правило, вручную. Время контроля, обработки результатов, выработки управляющих воздействий велико и исчисляется десятками минут, что при производительности линий до 200...1000 штук/мин может привести к появлению большого количества бракованных изделий.
     Методы контроля и алгоритмы обработки данных, предлагаемые в работе, позволяют упростить процесс контроля, снизить его объем и получать при этом более надежные результаты, а также сократить время между получением данных и выработкой управляющих воздействий.
     Основные результаты были получены в процессе работы над повышением эффективности производства патронов различного назначения.
     Работа относится к следующим приоритетным направлениям фундаментальных исследований:
Математика: Теория вероятностей и математическая статистика. Механика, машиноведение и процессы управления: Проблемы управления и автоматизации.
Информатика, вычислительная техника,автоматизация: Математическое моделирование и методы прикладной математики.

- 9 
     Исследования в рамках хоздоговорных, госбюджетных и инициативных НИР проводились в соответствие с рубрикатором ГАСНТИ по следующим разделам:
     55.01.75 - Общие вопросы машиностроения. Экономика, организация, планирование, прогнозирование, управление.
     55.01.81 - Измерения, испытания, контроль и управление качеством.
     27.41.23 - Машинные методы вычислительной математики.
     27.43.51 - Применение теоретико-вероятностных и статистических методов.
     27.47.17 - Математическая теория информации.
     28.17.19 - Математическое моделирование.
     В диссертационной работе на базе методов математической статистики и математической теории информации предложен новый подход к управлению качеством продукции массового производства.

Автор защищает:
     1.      Информационно-статистические методы управления качеством продукции в массовом и крупносерийном производстве: методы решения задач математического моделирования, анализа и контроля состояния технологического процесса, основанные на данных предельного (альтернативного) контроля; новые методы расчета планов статистического приемочного контроля (СПК); систему оценки входного уровня дефектности по результатам контроля партии.
     2.      Разработанный на основе теоретических и экспериментальных исследований программно-методический комплекс, включающий в себя набор из И алгоритмов и разработанных на их осно

ве программ и методик, охватывающих весь цикл разработки системы управления качеством продукции.

Общая характеристика работы
     Анализ современного массового производства и системы обеспечения качества продукции, сложившейся в нем, а также комплекса методик, стандартов и методов математической статистики, применяемого для целей контроля и управления, показал, что теория управления в своем развитии отстала от уровня технологии. Статистические методы контроля и управления, применяемые в промышленности, были, в основном, разработаны в 20-е...50-е годы. До сих пор в промышленности практически не используется современная вычислительная техника. Сложившееся мнение о высокой трудоемкости расчетов планов статистического приемочного контроля, контрольных карт, используемых для контроля качества и оперативного управления, приводит к широкому использованию таблиц, приведенных в различных стандартах и методиках. Эти таблицы, в основном, были рассчитаны в то время, когда низкая производительность ЭВМ ограничивала точность расчетов и количество возможных вариантов. Они не позволяют учесть специфические особенности конкретного предприятия и выпускаемой им продукции.
     Современные персональные ЭВМ, стоимость которых сравнима с месячной заработной платой квалифицированного специалиста, по своей производительности многократно превосходят большие ЭВМ типа ЕС-1033, ЕС-1045, ЕС-1060, которые широко использовались еще 10 лет назад, а стоимость которых была зачастую недоступна средним предприятиям.

и

     Расчеты параметров планов контроля, контрольных карт, последующих оценок и выдача рекомендаций занимают секунды, вместо часов.
     Существующие схемы контроля и управления имеют низкую информативность, большое временное запаздывание, что приводит к снижению эффективности управления.
     Отсутствие современных методов управления, лишенных указанных недостатков, вступает в противоречие с существующими высокопроизводительными технологиями в массовом и крупносерийном производстве.
     Диссертационная работа направлена на разрешение этого противоречия путем создания новых методов контроля и управления качеством, основанных на математическом аппарате теории информации, соответствующих современному уровню технического оснащения производства.

     Актуальность проблемы возрастает в связи с тенденцией к сокращению затрат на вооружение, конверсией оборонных предприятий, включением отечественных производителей в конкурентную борьбу на свободном рынке.
     Если до 1990 года основным заказчиком было государство, возмещавшее практически любые расходы на управление качеством продукции, то в настоящее время предприятия вынуждены всемерно снижать себестоимость продукции, одновременно повышая качество.
     Распространение и внедрение в России международных стандартов управления качеством ИСО 9000-9004, ИСО 8402 [150], заставляет само предприятие заботиться о документальном подтверждении качества продукции. В качестве основного документа

выступает сертификат, выдаваемый компетентной организацией (например. Международной Академией качества), на основе анализа системы управления качеством продукции на конкретном предприятии. Основные требования, выдвигаемые при сертификации, следующие: наличие квалифицированного персонала, имеющего образование в области управления качеством; разработанная и внедренная в производство система управления качеством, обеспечивающая необходимые количественные и качественные параметры изделий; отсутствие рекламаций по качеству продукции.
     Все это заставляет разрабатывать и внедрять в производство новые статистические методы управления качеством.
     Работа велась в рамках реализации постановления СМ СССР № 538 от 08.05.86 г., в котором определялась задача широкого распространения автоматических роторных и роторно-конвейерных линий (АРЛ и АРКЛ) в отраслях народного хозяйства, сокращения сроков и повышения качества их проектирования, организации эффективной эксплуатации; в соответствие с координационным планом АН СССР в направлении 1.11.1.8: "Разработка научных основ комплексной системы конструирования, расчета, освоения и эксплуатации роторных и роторно-конвейерных систем"; программами "Конверсия научно-технического потенциала ВУЗов России" (1993 г.), "Конверсия и высокие технологии" (1994-96 г.г.).
     Диссертация явилась результатом исследований, выполненных в соответствие с решением Государственной комиссии Совета Министров СССР по военно-промышленным вопросам от 05.10.85 г. № 328, на основании приказа отраслевого Министерства № 897 от 31.12.87 г., в рамках х/д и госбюджетных работ ТулПИ (ТГУ) (темы № 57204/080, 1992 г., ПО "ТПЗ"; № 57302/085, 1993 г., ПО "ТПЗ"; № 57306, 1993 г., ПО "ТПЗ"; № 57201/080, 1992 г., ПО

"ТПЗ"; № 43.11К9, 1993 г., программа "Конверсия научно-технического потенциала ВУЗов России"; № 57.09КВТ, 1994-96 г.г., программа "Конверсия и высокие технологии"), ответственным исполнителем и научным руководителем которых являлся автор.

     Цель работы: разработка и теоретическое обоснование новых методов управления качеством продукции массового и крупносерийного автоматизированного производства, обеспечивающее повышение эффективности производства, снижение трудоемкости и себестоимости обеспечения качества продукции, приведение системы управления качеством продукции к современным требованиям, изложенным в стандартах ИСО серии 9000.

     Общая методика исследования заключается в анализе состояния современного автоматизированного производства с массовым и крупносерийным выпуском продукции, системы управления качеством, а также надежности и эффективности применяемого математического аппарата.
     Анализ состояния системы управления качеством был проведен на примере комплексного автоматизированного производства (КАП) на базе автоматических роторных линий (АРЛ).
     В этом производстве широко используется предельный контроль на базе предельных калибрах. Данные, получаемые с их помощью, используются только для фиксации состояния, в то время как они могут быть использованы и для целей оперативного управления.
     Неэффективная система управления снижает реальную производительность, не позволяет радикально улучшить качество продукции.

Результаты анализа определили необходимость комплексного решения задач, связанных с управлением качеством продукции, разработки принципиально нового унифицированного математического аппарата. Теоретической базой этого аппарата явились прикладные методы математической теории информации, идеи информационной теории управления и теоретические методы теории вероятностей и математической статистики.
     Теоретические положения работы являются синтезом методов теории информации, математической статистики и теории вероятностей, статистического моделирования.
     Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена результатами имитационного моделирования, сравнением результатов моделирования с результатами, полученными стандартными методами математической статистики.
     Жичноя новизна состоит в разработке и теоретическом обосновании новых методов управления качеством продукции массового и крупносерийного производства.

Новые научные результаты:
1. Разработан комплекс информационно-статистических методов управления качеством продукции массового производства, позволяющий повысить экономическую эффективность производства, снизить затраты на обеспечение качества, повысить качество продукции, привести систему управления качеством к современным требованиям.
2. Доказано, что статистическая оценка энтропии непрерывных случайных величин является универсальной статистикой, которая может быть использована для решения всех задач теории управления качеством.

- 15 
3. Доказано, что коэффициент информационной связи является мерой определенности процесса.
4. Теоретически обоснован новый метод анализа точности и стабильности ТП, основанный на данных предельного контроля. Установлено, что коэффициент корреляции результатов, полученных этим методом, с результатами, полученными стандартными методами математической статистики, достигает 0.95...0.99. При этом трудоемкость процесса измерений и расчетов снижается в несколько раз.
5. Получена информационная математическая модель контроля, на базе которой разработан новый метод расчета планов приемочного статистического контроля по альтернативному признаку, учитывающий одновременно требования поставщика и потребителя, включающий в расчетные формулы объем партии, что было невозможно на основании прежних методов. Установлено, что оперативная кривая информационного плана контроля более точно отражает объективную реальность, по сравнению с кривыми стандартных планов контроля, рассчитанных на основе распределения Пуассона. Доказано, что для входных параметров плана контроля существует минимальный объем выборки, при несоблюдении которого невозможно оценить качество партии.
6. Разработана методика расчета плана СПК с усеченными границами, основанная на априорной информации о виде закона распределения входного уровня дефектности, которая позволяет уменьшить объем выборки в 2 раза без ухудшения оперативной характеристики плана контроля.
7. Теоретически обоснован план последовательного контроля, основанный на использовании кривых постоянного риска.

8. Предложена система последующих оценок входного уровня дефектности.
9. Разработана методика расчета планов контроля на основе понятия интегрального риска.
Практическая ценность работы
     Создана научная база совершенствования и унификации систем управления качеством продукции массового производства. Разработаны 11 новых алгоритмов и программ, охватывающих весь комплекс задач управления качеством продукции. Предложены методики их применения.
     Ряд методик и программ внедрены на предприятиях ОАО ПО "Тульский патронный завод" и ОАО ОКТБ "Ротор" (г.Тула), используются в учебном процессе.