CC BY
139
МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА METROLOGY AND INFORMATION-MEASURING DEVICES
Серенков П.С. Serenkov P.S.
доктор технических наук, заведующий кафедрой «Стандартизация, метрология и информационные системы», Белорусский национальный технический университет, Республика Беларусь, г. Минск
УДК 389.1
ПРОЦЕССНЫЙ ПОДХОД К СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЙ В ИСПЫТАТЕЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ
Рассмотрены вопросы обеспечения требуемой степени доверия к результатам испытаний. В качестве организационно-технического механизма обеспечения достоверности результатов испытаний обоснована система измерений. Система измерений - это совокупность средств измерений (измерительных приборов), измерительных приспособлений, эталонов, операций, методов, программного обеспечения, персонала, окружающей среды и допущений, используемых для количественного определения измеряемых характеристик в рамках одного вида измерений
Структура системы измерений ориентирована, с одной стороны, на конечные цели измерения, а с другой стороны, на полный жизненный цикл измерения. Рассмотрены аспекты действия системы измерений на этапе ее совершенствования.
На конкретном примере продемонстрирован системный подход к совершенствованию системы, включающий два этапа: функциональное моделирование процесса испытаний и робастное проектирование условий испытаний.
Объектом рассмотрения в примере выступает действующая методика испытаний цилиндров гидропривода тормозов, которая предполагает моделирование реальных условий эксплуатации - проведение гидравлических испытаний с использованием тормозной жидкости под давлением. Решается задача разработки альтернативной методики испытаний, основанной на пневматическом принципе, эквивалентной действующей методике гидравлических испытаний гидроцилиндров. При этом риск потребителя должен составить не более 0,00005.
Функциональное моделирование на первой стадии совершенствования системы измерений позволяет гарантированно выявить всю совокупность влияющих на результат испытаний факторов. На второй стадии робастное проектирование условий испытаний позволяет оптимизировать «систему метрологического обеспечения испытаний», обеспечивая заданную эффективность. При этом предложено использовать методику робастного проектирования параметров процессов Г. Тагути, а также методы планирования эксперимента - DOE.
Ключевые слова: достоверности результатов испытаний, система измерений, совершенствование, системный подход, функциональное моделирование, робастное проектирование.
PROCESS APPROACH TO IMPROVE MEASUREMENT SYSTEM IN TESTING
LABORATORIES
The questions of providing the required degree of confidence in the test results are investigated. The system of measurements (measurement management system) is grounded as organizational-technical instrument for the achievement of this requirement. The measurement system is defined as a complex of measuring instruments, adaptations, standards, operations, methods, software, personnel, environment and assumptions used to determine the measured characteristics of one type of measurement
The structure of measurement system is focused on the ultimate objective of measurement and on the full life cycle of measurement. Aspects of the measurement system functioning on the stage of its improvement are reviewed. Specific example demonstrates a systematic approach to measurement system improvement, including two stages: a functional simulation of the tests and the robust design of the test conditions.
The object of the improvement in this example is test method of brakes hydraulic cylinders. The current method involves modeling of real conditions - hydraulic testing using the brake fluid pressure. The problem of developing an alternative test procedure, based on the pneumatic principle is solved. The risk of the consumer should be no more than 0,00005.
The functional model allows revealing the full totality of influencing factors on test results. Robust design allows to optimize the test conditions «system of metrological support of tests», providing a predetermined efficiency. At this stage, it is recommended to apply a G. Taguchis robust methodology for the design of process parameters. Rationally also use the methods of experimental design - DOE.
Key words: reliability of the test results, measurement system, improvement, system approach, functional modeling, robust design.
1. Постановка задачи
В свое время Э. Деминг утверждал, что процесс измерений может и должен находиться под управлением в такой же степени, как и технологический процесс в привычном понимании [1]. Актуальность этого утверждения в современных условиях только возрастает, что вызвано изменившейся парадигмой метрологического обеспечения - обеспечения максимального взаимного признания результатов оценки соответствия продукции и услуг, в том числе результатов измерений, испытаний, контроля.
Можно утверждать, что обеспечить требуемую степень доверия к результату измерения можно косвенно - путем обеспечения требуемого уровня доверия к процессу измерения, а точнее, ко всем элементам этого процесса. Степень доверия выступает показателем качества результата измерения как информационного продукта, причем ее предельное значение определяется риском неправильного принятия решения на основе полученного результата измерения. При этом в качестве доказательной основы здесь выступают принципы системного и процессного подходов ISO 9001, адаптация которых для сферы прикладной метрологии является актуальной [2-4].
Организационно-техническим инструментом реализации этих подходов соответственно выступает система измерений (система менеджмента измерений), действующая в рамках аккредитованной испытательной и/или калибровочной лаборатории. Система измерений - это совокупность средств из-
мерений (измерительных приборов), измерительных приспособлений, эталонов, операций, методов, программного обеспечения, персонала, окружающей среды и допущений, используемых для количественного определения измеряемых характеристик в рамках одного вида измерений [5].
Построение эффективной модели структуры системы измерения связано с ориентацией, с одной стороны, на конечные цели измерения, а с другой стороны, на полный жизненный цикл измерения [3, 4].
Ориентирование на конечные цели предполагает, что в соответствии с правилом разумной достаточности («цель определяет средства ее достижения») модель системы измерений формируется исходя из конечной цели измерений. При этом вопросы эффективности должны иметь наивысший приоритет.
Ориентирование на полный жизненный цикл измерений предполагает, что системы измерений одинаково ответственно относятся к обеспечению качества измерений на всех этапах жизненного цикла: планирование процесса, проектирование и разработка, апробация и валидация системы измерения, мониторинг и поддержание в рабочем состоянии системы измерения, полный анализ системы, совершенствование системы.
Практически все этапы жизненного цикла в той или иной мере отражены в нормативных и руководящих методических документах различного уровня. Наиболее ущербным в этом плане выступает этап совершенствования системы. Настоящая
статья как раз и посвящена методическим аспектам реализации этого этапа.
2. Концепция реализации этапа совершенствования системы измерений
Причинами, вызывающими необходимость совершенствования системы измерений, могут выступать:
• результаты мониторинга и полного анализа системы, свидетельствующие о критических изменениях в системе;
• изменившиеся требования к системе измерений.
Рис. 1. Совершенствование системы измерения
Процесс совершенствования системы измерений в соответствии с классическими принципами менеджмента качества процессного и системного подходов, с одной стороны, и установленными критериями соответствия, с другой стороны, может быть реализован по одному из двух направлений:
- через совершенствование структуры самого процесса измерений;
- через совершенствование ресурсов, участвующих в процессе измерений (рисунок 1).
Для совершенствования системы измерений можно рекомендовать все известные классические методы, включая метод мозгового штурма, метод пяти «S», анализ видов и последствий отказов -FMEA, статистическое управление процессами -SPS, анализ затрат на качество - ФСА и т. п.
В качестве примера совершенствования системы управления измерениями можно привести разработку эффективных альтернативных методик испытаний методами, обеспечивающими их достоверность, объективность и воспроизводимость, на примере НПО «ХХХ» [6].
НПО «ХХХ» специализируется на производстве цилиндров гидропривода тормозов автомобильной техники. Значимость цилиндров гидропривода тормозов, с точки зрения обеспечения безопасности дорожного движения, заставляет разработчиков и производителей изделий подтверждать, что выпускаемые изделия обеспечивают требуемый
уровень всех критических (влияющих на безопасность) свойств. Приемосдаточным испытаниям по критическим свойствам должно подвергаться каждое изделие. Действующая методика испытаний цилиндров гидропривода тормозов предполагает моделирование реальных условий эксплуатации -проведение гидравлических испытаний с использованием тормозной жидкости давлением Р = 20 МПа в течение 2 мин. Критериями годности при гидравлических испытаниях являются отсутствие утечек и падение давления в процессе испытаний не более чем на 1 МПа.
Такие испытания с непосредственным моделированием реальных условий эксплуатации достаточно длительные и дорогостоящие. После процедуры испытаний с использованием тормозной жидкости теряются потребительские свойства продукции по внешнему виду, по срокам хранения и т. п. Для их восстановления требуется дополни-
тельная предпродажная подготовка, а значит, дополнительные затраты. В связи с этим остро встала задача разработки эквивалентного метода испытаний, позволяющего быстро, с минимальными затратами, без потери достоверности информации о потребительских свойствах изделий (цилиндров гидропривода тормозов) подтвердить соответствие параметров, определяющих безопасность. При этом вероятность того, что эквивалентный метод может не выявить наличие имеющегося дефекта, должна быть сведена к минимуму.
Методом мозгового штурма была выдвинута следующая гипотеза. Наиболее приемлемой заменой гидравлического принципа испытаний герметичности под давлением является пневматический принцип испытаний. То есть гидроцилиндры могут испытываться не с помощью тормозной жидкости под давлением, а с помощью сжатого воздуха, по степени утечки которого можно судить об их герметичности.
Была поставлена задача: разработать альтернативную методику испытаний, основанную на пневматическом принципе, эквивалентную аттестованной методике гидравлических испытаний гидроцилиндров. Риск потребителя должен соста-
вить не более в = 0,00005.
Очевидно, что основная сложность данной задачи определяется жестким уровнем риска потребителя в = 0,00005, который был задан заказчиком.
Различия свойств рабочего тела, непредназначенность цилиндров к работе в пневмосистеме привели к выводу: традиционный подход испытаний, когда объект испытаний рассматривается как «черный ящик», на вход которого подаются предписанные значения входных параметров, а на выходе регистрируются значения результирующих параметров, неприемлем. Задачу надо рассматривать шире в отношении количества и качества влияющих факторов, определяющих методику оценки параметров герметичности гидроцилиндров.
Для решения поставленной задачи с помощью методологии IDEF0 была составлена функциональная модель испытаний гидроцилиндров на герметичность пневматическим методом [2]. Была разработана функциональная модель испытаний с декомпозицией подпроцессов до четвертого уровня иерархии. На рисунке 2 представлена только контекстная диаграмма функциональной модели процесса.
Рис. 2. Функциональная модель испытаний (контекстная диаграмма верхнего уровня)
Реализация процессного подхода на начальном этапе позволила исследовать «сущность» испытаний, что соответствует принципам робастного проектирования параметров процессов Г. Тагути [7]. Экспертный анализ модели позволил идентифицировать всю «систему испытаний», включающую операции, ресурсы, управляющие факторы (условия испытаний), а также их взаимосвязи и взаимозависимости.
Системный подход к решению данной задачи дал возможность с гарантией определить и зарегистрировать весь комплекс влияющих факторов. Было установлено, что наиболее влияющими на результаты испытаний герметичности пневматическим методом являются следующие факторы:
- давление воздуха (Р);
- время выдержки под давлением (Т);
- падение давления воздуха за время выдержки (АР).
Остальные факторы (свойства воздуха, утечки во всей системе, различие в динамике истечения воздуха и жидкости и т. д.), влияние которых на качество пневматических испытаний было признано экспертами малозначимым, на первом этапе не учитывались.
Алгоритм решения поставленной задачи по разработке эквивалентной методики пневматических испытаний можно представить в виде последовательности 4-х этапов:
1. Сформировать исследуемую выборку гидроцилиндров с априори известными характеристиками, имеющими высокую степень доверия.
2. Установить условия испытаний выборки гидроцилиндров пневматическим давлением (значения факторов), провести измерения, зафиксировать и обработать результаты, оценить риски поставщика а и потребителя в.
3. Провести оптимизацию методики альтернативных испытаний с применением методов планирования эксперимента по критерию достижения значений а и в, удовлетворяющих все стороны.
4. Аттестовать альтернативную методику испытаний.
1-й этап. Формируется партия объемом 50.. .100 гидроцилиндров, характеристики которых определены по результатам гидравлических испытаний с высокой степенью доверия. В этой партии должно быть примерно 50 % годных и 50 % негодных, индивидуально идентифицированных цилиндров. Для исключения методической составляющей, отличающей альтернативные пневматические испытания от гидравлических, необходимо отбирать гарантированно годные и негодные гидроцилиндры, используя как статистические подходы (критерии годности),
так и детерминированные подходы, например, основанные на коэффициентах запаса. С учетом достаточно жесткого риска потребителя рекомендовано использовать второй подход. Практически это можно реализовать, например, таким образом: «годные» гидроцилиндры (первая часть партии) отбираются и идентифицируются по существующей методике, но при повышенном на 10 % давлении жидкости (Р = 22 МПа ), «негодные» (вторая часть партии) - при пониженном на 10 % давлении жидкости (Р = 18 МПа). Допускается вторую часть партии формировать при предписанном существующей методикой давлении (Р = 20 МПа ), чтобы не создавать «разрыва» между параметрами обеих частей партии.
Минимальное количество образцов в партии (50) принято на этапе разработки альтернативной методики пневматических испытаний таким потому, что в рамках такого объема выборки уже можно оценивать дисперсию по критерию х2 Пирсона (п > 50).
«Негодные» (от 1 до п) и «годные» (от п+1 до N гидроцилиндры сводят в одну партию общим объемом N = 50.100 штук. Каждый образец снабжен идентификационным знаком.
2-й этап. Проводится серия испытаний на герметичность пневматическим методом и анализ результатов испытаний уже отобранной на первом этапе партии цилиндров по методике, используемой на предприятии в настоящий момент: давление воздуха Р = 3 МПа, время выдержки под давлением Т = 3 с. Условия испытаний приняты на основании практических соображений и являются неоптимальными в количественном и качественном отношении.
Регистрируемые значения падения пневматического давления АР0 сводим в таблице.
Значения давления
Идентификационный номер цилиндра Результаты гидравлических испытаний на 1-м этапе (элемент 1-е измерение 2-е измерение 3-е измерение 4-е измерение 5-е измерение Диапазон рассеяния при фиксированной доверительной
прослеживае-мости) вероятности
1 не годен АР 011 АР 012 АР 013 АР 014 АР 015 АР 0 ±А 0 1 ср. 1
2 не годен АР 021 АР 022 АР 023 АР 024 АР 025 АР 02 ±А 02 2 ср. 2
п+1 годен
N =50.100 годен АР 0п1 АР 0п2 АР 0п3 АР 0п4 АР 0п5 АР 0 ±А0 п ср. п
Примечание: количество измерений по каждому цилиндру может быть скорректировано в большую или меньшую сторону (но не менее 3) в зависимости от значений неопределенности А 0
Статистический анализ полученных данных рекомендуется проводить с помощью универсального пакета STATISTICA (StatSoft, Inc.).
Для получения общей картины построим гистограмму результатов испытаний. Разобьем диапазон значений [АР 0, . ; АР 0, 1 таблицы на поддиа-
L 1 ср. min 7 1 ср maxJ
пазоны (7.. .15 позиций), подсчитаем соответствующие частоты и построим гистограмму для всей исследуемой партии цилиндров объемом N. Ожидаемая форма гистограммы приведена на рисунке 3. Такая «вытянутая» форма гистограммы с «утяжеленными» концами определяется методикой формирования выборки с гарантированными «негодными» и «годными» образцами. Форма гистограммы может соответствовать трапециевидному или равновероятному и даже антимодальному законам.
Рис. 3. Ожидаемая гистограмма результатов пневматических испытаний отобранной (аттестованной) партии гидроцилиндров при условиях: Р = 3 МПа, Т = 3 с
Разделим гистограмму результатов испытаний «негодным» гидроцилиндрам. На рисунке 4 они по-всей исследуемой аттестованной партии на две в казаны разным цветом. соответствии с принадлежностью к «годным» или
Рис. 4. Ожидаемые гистограммы пневматических испытаний отобранных (аттестованных) отдельно «годных» и «негодных» цилиндров при условиях: Р = 3 МПа, Т = 3 с
Для обеих гистограмм законы распределения должны быть близкими к нормальным, что определяется стабильностью (отработанностью) технологического процесса изготовления и испытаний гидроцилиндров. Наибольший интерес на рис. 4 представляет появившаяся в результате пневматических испытаний зона А - зона риска неправильной идентификации цилиндров. Напомним, что эта зона была
искусственно ликвидирована при формировании партии образцов методами гидравлических испытаний путем введения коэффициентов запаса. Зона А - область таких АР0: , по значениям которых гидро-
1 ср
цилиндр при испытаниях пневматическим давлением может быть отнесен как к категории «годных», так и к категории «негодных» (рисунки 4, 5).
Рис. 5. Подбор теоретических законов распределения пневматических испытаний отдельно для «годных» и «негодных» цилиндров и оценка рисков поставщика а и потребителя в
В результате задача разработки методики альтернативных испытаний пневматическим давлением сводится к нахождению критерия оценки соответствия цилиндров - такого падения давления АРкр (при Р = 3 МПа и Т = 3 с), по значению которого мы относим цилиндры к одной из двух категорий: «годен» или «не годен». Как следует из рисунка 5, критерий АРкр очевиден. Этому значению падения давления соответствуют уровни риска поставщика а и потребителя в, рассчитываемые через квантили законов распределения иа и ир.
В данном случае исходным (приоритетным) является риск потребителя в = 0,005%, так как он установлен заказчиком. По значению в легко найти квантиль и и, следовательно, координату (значение) АРкр. Если необходимо еще больше ужесточить риск потребителя, достаточно АРкр передвинуть соответственно влево вплоть до значения в = 0. После чего соответственно через АРкр. легко найти квантиль и^ и, следовательно, а - риск поставщика. Может оказаться, что риск поставщика будет неприемлемо велик, т. е. большой процент «годных» цилиндров будет при этом забракован.
3-й этап. Необходимость оптимизации методики альтернативных испытаний возникает, если установленное соотношение а и в не удовлетворяет какую-либо сторону, предприятие-поставщика. В этом случае необходимо продолжить моделирование данного процесса испытаний пневматическим давлением, используя методику робастного проектирования параметров процессов Г. Тагути [7]. Дальнейшие исследования должны быть направлены на поиск таких параметров процесса испытаний (для начала - тех же управляющих условий Р и Т), которые при фик-
сированном в = 0,005% позволят уменьшить а - риск поставщика до удовлетворительных значений. Здесь рационально использовать методы планирования эксперимента - DOE. Цель - найти такие (другие, чем Р = 3 МПа и Т = 3 с) условия проведения испытаний гидроцилиндров, при которых будет иметь место приблизительно следующая картина распределения «годных» и «негодных» цилиндров (рисунок 6).
Конкретная методика планирования экспериментов и последующей обработки результатов, в наибольшей степени подходящая для данного случая, может быть определена по результатам 1-го и 2-го этапов. Можно предложить три основные техники ее реализации:
• симплексное планирование (метод «крутого восхождения») как наиболее быстрый метод, хотя наименее информативный;
• ортогональное планирование по методике Г. Тагути с использованием анализа понятия «сигнал - шум» [7];
• полнофакторное планирование с последующим регрессионным анализом (наиболее информативный метод).
Последние две техники предпочтительны, так как их реализация предполагает на основании дисперсионного анализа ответить на очень важный вопрос: все ли влияющие факторы (условия испытаний) учтены. В зависимости от результатов дисперсионного анализа может быть принято решение о включении в состав оптимизируемых факторов дополнительных управляющих факторов (условий испытаний) из полного комплекса, полученного по результатам анализа функциональной модели испытаний.
Возможна ситуация, когда в результате плани-
Рис. 6. Идеальный случай сочетания параметров испытаний Р и Т, при которых риски поставщика и потребителя практически отсутствуют
рования эксперимента и обработки его результатов не удастся найти сочетание оптимальных значений управляющих условий испытаний, обеспечивающих заданный риск потребителя в = 0,005%. Это означает, что рассматриваемая «система испытаний» с высокой вероятностью не в состоянии обеспечить заданные требования и следует искать другие подходы, методы, средства.
4-й этап. После того, как оптимизированы условия проведения испытаний на аттестованной отобранной партии цилиндров (этап 1), необходимо опробовать методику альтернативных пневматических испытаний (Р , Т , АРкр, в, а) в реальных
4 опт. опт. 7 ' 7 / г
условиях, т. е. провести пневматические испытания на нескольких партиях собираемых цилиндров в сравнении с проводимыми параллельно гидравлическими испытаниями по стандартизованной методике. При этом оцениваются действительные значения риска поставщика и потребителя. В случае удовлетворительной согласованности альтернативных методик проведения испытаний (относительно в и а) методика пневматических испытаний принимается и проходит процедуру придания ей законной силы.
Заключение
Как видно из примера, основной проблемой при традиционной разработке альтернативных методик испытаний является отсутствие строгого системного подхода, который может быть реализован с помощью определенной последовательности действий. В данном примере выделено два этапа: функциональное моделирование процесса испытаний и робастное проектирование условий испытаний (в количественном и качественном отношении). Первый позволяет гарантированно выявить всю совокупность влияющих на результат испытаний факто-
ров (условий), обеспечивая собственно системный подход. Второй позволяет оптимизировать «систему метрологического обеспечения испытаний» для конкретных условий их проведения, обеспечивая заданную эффективность. Таким образом, приведенный пример отлично иллюстрирует не только этап разработки системы метрологического обеспечения испытаний, но также демонстрирует методы совершенствования испытаний на этапе пересмотра и улучшения системы, повышая тем самым ее эффективность и экономические показатели.
Список литературы
1. Деминг Э. Выход из кризиса: учебник [Текст] / Э. Деминг. - Тверь: Альба, 1994. - 497 с.
2. Серенков П.С. Научно-методические аспекты современной метрологии [Текст] / П.С. Серенков, Н.А. Жагора, Е.Н. Савкова // Метрология и приборостроение. - 2010. - № 2. - С. 13-21.
3. Серенков П.С. Концепция развития доказательной базы современной метрологии. Организационная составляющая процесса измерения [Текст] / П.С. Серенков, Е.Н. Савкова, К.А. Павлов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2014. - № 1. - Т. 9. - С. 86-91.
4. Серенков П.С. Концепция развития доказательной базы современной метрологии. Техническая составляющая процесса измерения [Текст] / П.С. Серенков, Е.Н. Савкова, К.А. Павлов // Электротехнические и информационные комплексы и системы. - 2014. - № 2. - Т. 10. - С. 97-104.
5. Measurement Systems Analysis Reference Manual [Text]. - DaimlerChrysler Corporation, Ford Motor company, General Motors Corporation, 2002. -217 c.
