Identyfikacja newralgicznych elementów maszyn roboczych z zastosowaniem metodyki Quality Function Deployment SEBASTIAN KOZIO EK DAMIAN DERLUKIEWICZ

Transkrypt

1 Identyfikacja newralgicznych elementów maszyn roboczych z zastosowaniem metodyki Quality Function Deployment SEBASTIAN KOZIO EK DAMIAN DERLUKIEWICZ Definicja jakoêci obiektów technicznych wydaje si niezwykle prosta, jednak przysparza wielu problemów w dà eniu do ich ciàg ego doskonalenia. Przede wszystkim definicja ta rzadko bywa identyczna w rozumieniu konstruktorów projektujàcych nowe rozwiàzania techniczne. To jest w aênie powodem niezadowolenia klientów, których oczekiwania nie zosta y w pe ni spe nione. Wskaêniki jakoêci obiek- Dr in. Sebastian Kozio ek i dr in. Damian Derlukiewicz sà pracownikami Instytutu Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn Politechniki Wroc awskiej. tów technicznych wykazujà zmiennà charakterystyk ze wzgl du na wcià zmieniajàce si wymagania na rynku. Zatem przed przystàpieniem do fazy projektowania produktu nale y okreêliç wskaêniki oczekiwaƒ klienta CTQ (Critical to Quality) [1, 2]. Nale y jednak pami taç, e powszechnie znany termin klient rozumiany jest jako grupa ludzi reprezentujàca inwestorów, u ytkowników, serwisantów, operatorów, zaopatrzeniowców oraz ekspertów cz sto anga owanych do realizacji zakupów i inwestycji [3]. W zwiàzku z tym defektem obiektu technicznego b dzie wszystko to, co stanowi odst pstwo od poprawnie zdefinio- ROK WYD. LXIX ZESZYT 2/

2 dukcji jednostkowej trafnie okreêlone zadanie konstrukcyjne mo e oszcz dziç wiele kosztownych przeróbek i czas, którego zawsze jest zbyt ma o. Rys. 1. Koszty zmian konstrukcyjnych obiektu mechanicznego wanych wymagaƒ klienta. Eliminacja b dów konstrukcyjnych w fazie eksploatacji obiektu technicznego zwykle jest bardzo trudna i kosztowna [1, 4], co zaobserwowano na podstawie badaƒ zilustrowanych na rys. 1. Analiza obejmuje etapy badania rynku, projektowania, konstruowania, wytwarzania, a tak e dystrybucji, eksploatacji oraz likwidacji. Najwi kszy przyrost kosztów eliminacji b dów konstrukcyjnych zarejestrowano w fazie produkcji. Podstawowym wnioskiem z przeprowadzonych badaƒ jest potrzeba oceny i ciàg ego udoskonalania procesu projektowo- -konstrukcyjnego w celu zapobiegania potencjalnym defektom. Zadanie konstrukcyjne Zadanie konstrukcyjne jest pewnego rodzaju kompromisem pomi dzy potrzebami potencjalnych klientów oraz mo liwoêciami wykonania nowego produktu [5, 6]. Innowacyjny cykl ycia produktu (rys. 2), który obejmuje ca y proces konstruowania obiektów technicznych, wp ywa na czas trwania fazy wzrostu sprzeda y oraz dojrzewania wyrobu wprowadzonego na rynek [1, 7]. Prawid owo okreêlone zadanie konstrukcyjne oraz wiele badaƒ potwierdzajàcych osiàgni cie za o onych celów ma zasadniczy wp yw na poziom satysfakcji klienta. OczywiÊcie cykl ycia produktu odnosi si przewa nie do produkcji seryjnej, czy te masowej, ale nawet w pro- Ocena jakoêci procesu projektowo-konstrukcyjnego Podstawowym warunkiem uzyskania wysokiej jakoêci nowego obiektu technicznego jest efektywnie funkcjonujàcy system identyfikacji i rejestracji elementów na etapie projektowania. System ten jest nie tylko warunkiem koniecznym do oceny procesu projektowo-konstrukcyjnego, ale tak e stanowi podstaw do realizacji zakupów, monitorowania stanów magazynowych w przedsi biorstwie oraz optymalizowania przep ywów wartoêci w procesie wytwarzania [9, 10]. Identyfikacja elementów obiektu technicznego wymaga dok adnego opisu zale noêci wzajemnie ze sobà powiàzanych cz Êci i zespo ów cz Êci ca ego obiektu technicznego. Przyk adowo, maszyna robocza taka jak koparka zbudowana jest z dwóch g ównych zespo ów cz Êci, jakimi sà nadwozie i podwozie. Elementy te opisane sà indeksami grupy funkcyjnej FG. Pierwsza cyfra okreêla ogólny podzia obiektu (np. nadwozie FG-1000 oraz podwozie FG-2000). Ka dy z nich sk ada si z wielu podzespo- ów pierwsza cyfra indeksu FG odpowiada elementowi nadrz dnemu. Nadwozie, które jest elementem g ównego podzia u obiektu, o indeksie grupy funkcyjnej {FG-1000}, sk ada si z elementów podrz dnych, takich jak: konstrukcja nadwozia {FG-1100}, kabina {FG-1200}, oêwietlenie zewn trzne {FG-1300} i inne {FG-1400}. Elementy konstrukcji dla rz du drugiego opisane sà indeksami FG, których pierwsza cyfra odwo uje si do elementu nadrz dnego, a druga okreêla kolejnoêç elementów tego samego rz du. W analogiczny sposób definiowane sà pozosta e elementy obiektu, stanowiàc kompletny spis i opis zale noêci cz Êci i zespo ów cz Êci, z których zbudowana jest maszyna robocza. System identyfikacji i rejestracji elementów konstrukcji obiektu technicznego nie jest jedynie formà standaryzacji dzia aƒ projektowo-konstrukcyjnych oraz procesu wytwarzania. S u y on tak e do okreêlenia liczby mo liwoêci pope nienia b du konstrukcyjnego DPO (Defect per Opportunity) [1, 7, 11, 12 14], b dàcych niezb dnym parametrem do oceny jakoêci procesu. O ile wartoêç tego parametru stanowi a liczba ustandaryzowanych operacji produkcyjnych, o tyle w procesie projektowo-konstrukcyjnym jest ona liczbà wszystkich indeksów grupy funkcyjnej elementów obiektu technicznego. Podstawowym warunkiem efektywnej oceny jakoêci procesu wg metodologii Six Sigma [1, 12, 14] oraz porównywania poziomu jakoêci procesów projektowo-konstrukcyjnych ró nych obiektów mechanicznych jest zastosowanie tego samego rz du Rys. 2. Cykl ycia obiektu mechanicznego [1, 8] 34 ROK WYD. LXIX ZESZYT 2/2010

3 indeksów grupy funkcyjnej w systemie identyfikacji i rejestracji elementów konstrukcji. Identyfikacja newralgicznych elementów konstrukcji na podstawie wskaêników jakoêci CTQ z zastosowaniem Quality Function Deployment Zgodnie ze strategià DFSS (Design for Six Sigma) [1 4, 8, 11, 14] w celu optymalizacji obiektu technicznego nale y dopasowaç funkcj jakoêci procesu projektowo-konstrukcyjnego, stosujàc wybrane narz dzia QFD [2, 16]. Tradycyjna forma tej metody najcz Êciej znajduje swoje zastosowanie w optymalizacji wyrobów o prostej konstrukcji bàdê projektowaniu nowego wyrobu [17]. W zwiàzku z tym opracowana zosta a macierz dopasowania funkcji jakoêci na podstawie wyników analizy i oceny procesu projektowo-konstrukcyjnego. W efekcie zmodyfikowany model optymalizacji konstrukcji umo liwia ukierunkowanie i kolejnoêç optymalizacji konstrukcji z o onych obiektów technicznych. Wskazane elementy obiektu mechanicznego podlegajà optymalizacji wg zdefiniowanego kryterium oraz cechy istotnej dla klienta. Opracowany model s u y do analizy i identyfikacji newralgicznych elementów konstrukcji wymagajàcych optymalizacji. Warunkiem koniecznym zastosowania tego modelu jest ocena procesu projektowo-konstrukcyjnego, na podstawie której mo liwa jest identyfikacja elementów obiektu majàcych w eksploatacji najwi kszy wp yw na poziom satysfakcji klienta. Proces identyfikacji elementów negatywnie wp ywajàcych na wskaêniki CTQ nale y przeprowadziç w siedmiu etapach zilustrowanych na rys. 3 w postaci sektorów Domu JakoÊci [9]. Sektor I Identyfikacja wymaganych przez klienta cech obiektu technicznego Dla ka dego obiektu technicznego formu owane sà cechy b dàce przedmiotem oceny wyrobu podczas badania satysfakcji klienta. Zespó cech okreêlony przez grup ekspertów uzupe niany jest przez klienta, który w kwestionariuszu oceny produktu definiuje dodatkowe istotne dla niego cechy. W efekcie wygenerowana zostaje reprezentatywna grupa cech produktu, wzgl dem której dokonywane sà kolejne podzia y w kontekêcie istotnoêci cech. Po pierwsze, ka da cecha otrzymuje atrybut przypisany na podstawie analizy preferencji klienta z zastosowaniem modelu Kano [18] oraz kryterium, wzgl dem którego dokonywana jest ocena procesu projektowo-konstrukcyjnego [1]. Nast pnie, na podstawie atrybutów, ka da cecha charakteryzowana jest poziomem istotnoêci. Wówczas na podstawie wyników analizy satysfakcji klienta i badaƒ rynkowych nast puje klasyfikacja kryteriów do trzech grup wagowych. Optymalizacja konstrukcji analizowana jest tylko wzgl dem tych cech, które reprezentowane sà przez kryteria ze szczególnym wp ywem na jakoêç konstrukcji {X} [8]. Sektor II Definiowanie poziomu wa noêci wymagaƒ klienta W modelu optymalizacji konstrukcji sektor drugi zawiera wszystkie parametry, które wp ywajà na Rys. 3. Schemat zastosowania modelu optymalizacji konstrukcji [1] poziom istotnoêci elementów obiektu technicznego, tj: wa noêç wzgl dna klienta (d), ocena produktu przez klienta wzgl dem danej cechy (p), ocena marketingowa (s), planowany poziom oceny produktu (f), wskaênik poprawy produktu (W), poziom istotnoêci (q0), wskaênik oceny wa noêci (q). Parametry te sà wynikiem analizy satysfakcji klienta i wra liwoêci rynku oraz strategii rozwoju konstrukcji [1]. Sektor III Definiowanie listy elementów obiektu technicznego Trzeci sektor modelu optymalizacji konstrukcji zawiera list elementów obiektu technicznego opisanà indeksami grupy funkcyjnej (rys. 3). W sektorze tym spoêród wszystkich elementów obiektu technicznego wyst pujà jedynie te, które odpowiadajà za spe nienie kryteriów grupy ze szczególnym wp ywem na jakoêç procesu {X}. Sektor IV definiowanie zale noêci wymagaƒ klientów i elementów obiektu technicznego W kolejnej fazie zastosowania modelu optymalizacji konstrukcji nale y okreêliç zale noêci wymagaƒ klientów i elementów obiektu technicznego. Zale noêç t ustala si na podstawie analizy funkcjonalnej, analizy reklamacji i historii napraw danego wyrobu. W modelu optymalizacji konstrukcji stosuje si trzy poziomy oddzia ywania: oddzia ywanie silne, oddzia ywanie Êrednie, oddzia ywanie s abe. Oddzia ywania zaznaczone w sektorze IV przyjmujà odpowiednie wartoêci liczbowe zale noêci przedstawione w tabeli. ROK WYD. LXIX ZESZYT 2/

4 Zale noêci wymagaƒ klientów i elementów obiektu technicznego [18] Sektor V obliczanie wa noêci elementów technicznych Zale noêci wymagaƒ klientów i elementów obiektu technicznego (z) (tab.) sà mno nikami wskaêników oceny wa noêci cech wyrobu w procesie wyznaczania poziomu istotnoêci elementów technicznych oraz ich wskaêników wa noêci T i wg wzoru (1 i 2) [1, 17]. n = q i z i (1) i, l =1 Rys. 4. Schemat optymalizacji konstrukcji obiektów technicznych [1] Rys. 5. Macierz dostosowania funkcji jakoêci kabiny koparki KWK1500s, poziom I 36 ROK WYD. LXIX ZESZYT 2/2010

5 Rys. 6. Macierz dostosowania funkcji jakoêci kabiny koparki KWK1500s, poziom II gdzie: poziom istotnoêci i-tego elementu obiektu technicznego, z wartoêç zale noêci wymagaƒ klientów i elementów obiektu technicznego, q wskaênik oceny wa noêci. n l =1 T i = 100 (2) gdzie: T i wskaênik wa noêci i-tego elementu obiektu technicznego, poziom istotnoêci i-tego elementu obiektu technicznego. Sektor VI definiowanie zale noêci pomi dzy elementami obiektu mechanicznego Obiekt mechaniczny jest zespo em elementów, które wzajemnie ze sobà wspó pracujà. Zatem optymalizacja elementów tego obiektu nie dotyczy jedynie najbardziej newralgicznych obszarów konstrukcji, ale równie tych, które z nimi wspó dzia ajà, spe niajàc okreêlone funkcje techniczne. Informacje zawarte w sektorze IV dotyczà bezpoêredniej zale noêci elementów obiektu, które wraz ze wskaênikami wa noêci elementów stanowià podstaw do okreêlenia zespo u cz Êci do optymalizacji. W modelu optymalizacji konstrukcji bezpoêrednia zale noêç elementów obiektu technicznego oznaczana jest symbolem +, a dotyczy ona jedynie tych elementów, które odpowiadajà za spe nienie kryteriów grupy ze szczególnym wp ywem na jakoêç procesu projektowo-konstrukcyjnego {X}. Sektor VII definiowanie zale noêci pomi dzy elementami obiektu technicznego WartoÊç wskaêników wa noêci elementów technicznych (T i ) uzyskanych w sektorze V jest podstawà do okreêlenia kolejnoêci optymalizacji. Nale y jednak zwróciç szczególnà uwag na wzajemne zale noêci elementów obiektu technicznego. W pierwszej kolejnoêci nale y zoptymalizowaç zespó bezpoêrednio wspó pracujàcych ze sobà cz Êci, spoêród których co najmniej jedna uzyska a najwy szy wskaênik wa noêci (T i ). W drugiej kolejnoêci optymalizacji podlega zespó elementów, spoêród których co najmniej jeden uzyska drugà najwi kszà wartoêç wskaênika wa noêci elementów technicznych (T i ). KolejnoÊç optymalizacji pozosta ych elementów wyznaczana jest w sposób analogiczny, a do wyczerpania elementów zawartych w sektorze III. Efektem analizy z zastosowaniem QFD jest kolejnoêç optymalizacji, lista newralgicznych elementów konstrukcji oraz cechy okreêlajàce kierunek poprawy funkcji technicznych optymalizowanych zespo ów. Na podstawie danych z analizy optymalizacji konstrukcji nale y powo aç zespó ekspertów z obszaru funkcjonowania elementów podlegajàcych optymalizacji. Nast pnie wraz z powo anym zespo em opra- ROK WYD. LXIX ZESZYT 2/

6 cowywany jest harmonogram dzia aƒ oraz weryfikacja metod i narz dzi niezb dnych do realizacji badaƒ i wykonania projektu. Wówczas mo na przystàpiç do optymalizacji konstrukcji zgodnie ze schematem projektowo-konstrukcyjnym (rys. 4). Optymalizacja kabiny operatora koparki KWK1500s z zastosowaniem QFD Zadanie zaprojektowania i wytworzenia nowej kabiny operatora koparki w kopalni odkrywkowej KWB Be chatów zosta o poprzedzone rozbudowanà analizà potrzeb klienta, którym jest nie tylko operator, ale tak e zespó inwestorów, serwisantów, diagnostyków oraz niezale nych ekspertów. WÊród reprezentantów tych grup sformu owano 100 cech odpowiadajàcych siedmiu podstawowym jakoêciowym kryteriom oceny konstrukcji obiektów technicznych, tj.: bezpieczeƒstwo, masa, technologicznoêç, niezawodnoêç, ekologia, ergonomia i estetyka oraz eksploatacja i ekonomika. Nast pnie, stosujàc metod Kano, obliczono Êrednie wartoêci wa noêci wzgl dnej klienta (d i ) cech dla ka dego kryterium oraz dokonano oceny marketingowej (s i ) i oceny eksploatowanej kabiny przez klienta (p i ). Na tej podstawie, post pujàc zgodnie z metodologià QFD, obliczono kolejno: planowany poziom oceny produktu (f i ), wskaênik poprawy produktu (W i ), poziom istotnoêci (q 0i ) oraz wskaênik oceny wa noêci (q i ). Uzyskane dane wykorzystano do obliczeƒ wskaêników wa noêci cech kabiny (T i ) za pomocà macierzy zwanej powszechnie domem jakoêci (rys. 5). Otrzymane wyniki zastosowano do II poziomu domu jakoêci, w którym dokonano analizy zespo u elementów nadajàcych si do optymalizacji (rys. 6). Najwy szy wskaênik elementu technicznego (T i ) otrzyma uk ad izolacji drgaƒ (rys. 7) oraz uk ad sterowania koparki. Na podstawie tych wyników opracowano wst pne koncepcje rozwiàzaƒ konstrukcyjnych kabiny oraz przeprowadzono szczegó owe analizy poprawy efektywnoêci newralgicznych elementów konstrukcji modernizowanego obiektu technicznego. W wyniku dzia aƒ projektowych oraz nadzoru technicznego w procesie wytwarzania uzyskano po àdane wartoêci parametrów technicznych, które stanowià kluczowe charakterystyki spe nienia wymagaƒ zasadniczych klienta CTQ. W efekcie oddano do eksploatacji kabin, którà zaadaptowano do wielu innych maszyn roboczych (rys. 8). Rys. 7. Koncepcja uk adu wibroizolacji kabiny operatora KWK 1500s: 1 rama górna, 2 pionowe spr yny powietrzne, 3 poziome spr yny powietrzne, 4 t umiki poziome, 5 prowadniki, 6 t umiki pionowe, 7 rama dolna, 8 stabilizator [18, 19] Rys. 8. Kabina operatora koparki KWK 1500s [18, 19] Podsumowanie Zaanga owanie zespo u najlepszych konstruktorów, zastosowanie najnowoczeêniejszych narz dzi i metod mo e okazaç si niewystarczajàce do osiàgni cia wysokiej jakoêci obiektu technicznego. Cz sto ma e zainteresowanie tymi obiektami nie wynika jedynie z ich wadliwoêci, ale z niew aêciwych za o eƒ funkcji technicznych, jakie dany obiekt powinien spe niaç. Defekty wynikajà tak e z nieodpowiednio opracowanej specyfikacji technicznej, a to w efekcie wp ywa na obni enie poziomu satysfakcji klienta. Bywa te i tak, e obiekty mechaniczne spe niajà o wiele wi cej funkcji technicznych, ni oczekiwa by tego klient. Nie jest to bezpoêrednià przyczynà braku zainteresowania klientów nowymi obiektami mechanicznymi. Jednak cena tych produktów, ze wzgl du na koszty zastosowania dodatkowych funkcji, jest odpowiednio wy sza, a to zwykle powoduje spadek sprzeda y. Istotà wysokiej jakoêci obiektów technicznych jest optymalny dobór Êrodków do opracowania projektu technicznego, spe niajàc tym samym poprawnie zdefiniowane wymagania klienta w postaci wskaêników CTQ z zastosowaniem przedstawionego modelu optymalizacji konstrukcji. LITERATURA 1. Kozio ek S.: Metoda oceny procesu projektowo-konstrukcyjnego obiektów mechanicznych. Politechnika Wroc- awska, Wroc aw Mazur G. H.: QFD in Support of Design for Six Sigma Mazur G. H.: Voice of customer analysis: A modern system of front-end QFD tools, with case study, Kiemele K. J.: Using the Design for Six Sigma Approach to Design, Test and Evaluate to Reduce Program Risk, Victoria Dietrich M.: Podstawy konstrukcji maszyn. WNT, Warszawa Rusiƒski E.: Zasady projektowania konstrukcji noênych pojazdów samochodowych. Oficyna Wydawnicza PWr., Wroc aw Sojkin B.: Wprowadzenie nowego produktu na rynek. Wydawnictwo Uniwersytetu Ekonomicznego w Poznaniu, Poznaƒ Sokovic M., Pavletic D., Fakin S.: Application of Six Sigma methodology for process design. Journal of Materials Processing Technology, Elsevier, USA (2005) Koch T.: Zarzàdzanie JakoÊcià. Oficyna Wydawnicza PWr., Wroc aw ROK WYD. LXIX ZESZYT 2/2010

7 10. ReVelle Jack B.: Manufacturing Handbook of Best Practices. An Innovation, Productivity and Quality Focus. St. Lucie Press/ CRC, USA Belair Georgette, O Neill John: Implementing Design for Six Sigma A Leader s Guide Getting the Most from Your Product Development Process, ASQ Quality Press, USA Pyzdek Thomas: Quality Engineering Handbook. Second Edition. Marcel Dekker. USA Thompson James R., Koronacki Jacek: Statistical Process Control The Deming Paradigm and Beyond, Second Edition, Chapman & Hall/CRC, USA Yang Kai, El-Haik Basem S.: Design for Six Sigma A Roadmap for Product Development. Second Edition. McGraw-Hill, USA Juran Joseph M., Godfrey A. Blanton: Juran s Quality Handbook. Fifth Edition. McGraw-Hill. New York USA Cox D. R., Reid N.: The Theory of the Design of Experiments. Chapman & Hall/CRC, USA Tarnowski W.: Podstawy projektowania technicznego, s. 239, WNT Warszawa Wolniak R., Skotnicka B.: Metody i narz dzia zarzàdzania jakoêcià. Teoria i praktyka. Wydawnictwo Politechniki Âlàskiej, Gliwice Lewandowski T., Rusiƒski E., S omski W., Stefurak W.: Nowa generacja ergonomicznych kabin operatorów maszyn podstawowych górnictwa odkrywkowego. Systems, Wydawnictwo PWr., vol. 8, ss , Lewandowski T., S omski W., Stefurak W.: Projektowanie kabiny operatora koparki wielonaczyniowej w aspekcie ergonomii stanowiska pracy. Systems, Wydawnictwo PWr, vol. 9, ss , ROK WYD. LXIX ZESZYT 2/