Uwarunkowania jakościowe w systemach projektowania i wytwarzania maszyn

Transkrypt

1 Andrzej Samek * Uwarunkowania jakościowe w systemach projektowania i wytwarzania maszyn Wstęp Współczesna produkcja maszyn jest uzależniona od wielu czynników, z których podstawowymi są innowacyjność, konkurencyjność i jakość. Dynamiczny rozwój przemysłu elektromaszynowego powoduje, że każdy z tych czynników podlega szczegółowej analizie, w trakcie realizowanego zadania technicznego. Zagadnienie analizy oceny i zarządzania jakością ma podstawowe znaczenie w zakładach produkcyjnych, zwłaszcza przy znacznym stopniu innowacyjności produktu. Istotny wpływ na jakość działania mają system projektowania i system produkcji, jego podsystemy obróbki i montażu. W artykule zaproponowano metodę analizy poszczególnych elementów opisanych systemów, uwzględniającą ich cechy stanu i działania, które wpływają na jakość. Metoda umożliwia określenie występujących pomiędzy nimi wzajemnych zależności projakościowych. Zależności te przedstawiono w postaci grafów, o strukturze drzewa, tworzących drzewa jakości. Analiza zależności występujących w grafie pozwoli na ocenę ich wpływu i podjęcie decyzji strategicznych w przedsiębiorstwie w celu podwyższenia jakości produktu. 1. Proces wytwarzania i eksploatacji i jego elementy Obecne metody projektowania maszyn i urządzeń uwzględniają nie tylko sam proces projektowania i wytwarzania, ale również okres eksploatacji, jako jeden zintegrowany system. Działanie każdego z systemów ma wpływ na system następny. Wirtualne i rzeczywiste istnienie produktu przedstawiono na rysunku 1. Proces wytwarzania jest poprzedzony badaniem rynku i analizą ekonomiczną, które są realizowane cyklicznie. Po zakończeniu działania kolejnego systemu, a przed uruchomieniem następnego, ponawiane są każdorazowo badania rynku i ponownie przeprowadzana analiza ekonomiczna. Ze względu na czytelność rysunku działania te * Prof. dr hab. inż., Katedra Automatyzacji Procesów, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Akademia Górniczo-Hutnicza Kraków, ansamek@gmail.com

2 Uwarunkowania jakościowe w systemach projektowania i wytwarzania 319 przedstawiono tylko na początku, a dalsze pominięto. Wyodrębniono następujące najważniejsze systemy mające wpływ na jakość produktu: system projektowania, system produkcyjny, system eksploatacji, system złomowania. Rysunek 1. Wirtualne i rzeczywiste istnienie obiektu technicznego, maszyny Należy wyodrębnić dwa etapy istnienia produktu. Pierwszy, wirtualny, kiedy obiekt materialny jeszcze nie istnieje, ale pojawia się w postaci koncepcji, szkiców, dokumentacji. Drugi etap, materialnego istnienia produktu rozpoczyna się (ale nie zawsze) od budowy prototypu i serii prototypowej. Następnie rozpoczyna się produkcja seryjna. W tym etapie działają systemy produkcyjne, obróbki i montażu. Pierwsze serie nowego produktu zostają dostarczone na rynek [Sioma, 2011; Kowal, Sioma, 2009]. Kolejnym systemem jest system eksploatacji. W trakcie eksploatacji produkt podlegać może procesom remontu, regeneracji, a nawet modernizacji w zależności od zachodzących zmian funkcjonalnych i przewidywanego czasu eksploatacji. W czasie eksploatacji jakość produktu ulega powolnemu zaniżeniu. Ostatnim systemem uczestniczącym w istnieniu produktu jest system złomowania. Zadaniem występującego w nim recyklingu jest odzyskanie nadających się do dalszego wykorzystania zespołów.

3 320 Andrzej Samek 2. Metoda kompleksowej analizy jakości Uzyskanie możliwie najwyższej jakości produktu zależy od wszystkich etapów wytwarzania. Na podstawie określonej uprzednio struktury elementów ich wzajemnych zależności można określić odpowiednią strategię i podejmować projakościowe decyzje. Jest to ogromnie złożone zadanie wymagające prawdopodobnie indywidualnych rozwiązań dla danego przedsiębiorstwa. Można jednak przedstawić bardzo ogólny algorytm takich działań (rysunek 2). Rysunek 2. Metoda kompleksowej analizy jakości systemu Wybór kolejnego systemu uczestniczącego w procesie Analiza funkcji i struktury systemu Określenie głównych elementów systemu Wybór elementów systemu ważnych ze względu na jakość Określenie zależności jakościowych między elementami Przedstawienie zależności w postaci grafu Po wyborze określonego systemu, następuje analiza jego kompleksowego działania, realizowanej przez system funkcji globalnej FG, oraz podstawowej struktury S. Działanie systemu jest wynikiem działań jego poszczególnych elementów i zespołów, które realizują funkcje częściowe (cząstkowe) fi. Funkcja globalna FG jest zatem uporządkowanym zbiorem funkcji częściowych fi, realizowanych przez elementy i zespoły systemu, na określonym poziomie jego dekompozycji. FG = {f1, f2 fn} (1) Każdy element lub zespół może realizować określoną funkcję częściową lub wykazywać zmianę stanu w czasie działania systemu realizującego funkcję globalną FG. Struktura systemu S określa ukierunkowane jakościowe oddziaływanie jego elementów: S = {E, R} (2) gdzie: E elementy lub zespoły systemu,

4 Uwarunkowania jakościowe w systemach projektowania i wytwarzania 321 R ukierunkowane jakościowe oddziaływania pomiędzy elementami lub zespołami. Kolejnym krokiem jest określenie głównych elementów i zespołów system oraz wybór elementów ważnych ze względu na jakość. Wreszcie określone zostają zależności jakościowe pomiędzy elementami i zespołami. Na tej podstawie można opracować dla określonego systemu graf, tworzący drzewo jakości, będący podstawą dalszych działań. 3. Analiza jakościowa wybranych systemów 3.1. System projektowania System projektowania jest specyficznym systemem hybrydowym. Działanie zespołu złożonego, w zależności od stopnia komplikacji produktu, niekiedy z wielu specjalistów różnych dziedzin, zależy w dużym stopniu od jakości stosowanego sprzętu komputerowego i jego oprogramowania. System złożony jest z dwóch podsystemów, projektowania konstrukcyjnego i projektowania technologicznego (rysunek 3). Rysunek 3. System projektowania Oba systemy współpracują ze sobą w sprzężeniu zwrotnym doprowadzając dokumentację konstrukcyjną i technologiczną do ostatecznej postaci. System projektowania konstrukcji, otrzymuje informacje na wejściu o potrzebach wymaganiach rynku. W wieloetapowym działaniu, począwszy od koncepcji, określenia podstawowej charakterystyki, doprowadza projekt do ostatecznej formy dokumentacji konstrukcyjnej w formie elektronicznej lub rysunkowej. System projektowania technologii opracowuje

5 322 Andrzej Samek szczegółowe procesy obróbki części oraz montażu produktu wykorzystując będącą do dyspozycji bazę danych o możliwości technologicznych systemu produkcyjnego. W większych, wyspecjalizowanych zakładach produkcyjnych, zwłaszcza o dużym stopniu innowacyjności, system projektowania powiązany jest integralnie z systemem budowy i badania prototypów. Wyniki badań prototypu i serii prototypowej przekazywane są do systemu projektowania, co pozwala na usunięcie błędów konstrukcyjnych i technologicznych produktu w produkcji seryjnej. W małych przedsiębiorstwach raczej brak badań prototypu, co może powodować, że pierwsze serie wykazują szereg usterek, gdyż właściwie pełnią one rolę serii prototypowych. Z kolei należy określić cechy elementów systemu, zwłaszcza te, które mają istotny wpływ na jakość jego działania. Na rysunku 4 przedstawiono cechy systemu projektowania konstrukcji, ważne ze względu na jakość. Cechy podzielono na dwie podstawowe grupy. Rysunek 4. Intelektualne i techniczne cechy systemu projektowania konstrukcji Pierwszą grupę tworzą cechy intelektualne, cechy osobowe członków zespołu, ich kapitał intelektualny, będący wynikiem posiadanej wiedzy, dotychczasowych osiągnięć, a także aktywnej, twórczej postawy. Ogromne znaczenie zwłaszcza wśród zróżnicowanych pod względem specjalizacji i liczebnych zespołów, mają zdolność zespołu do współpracy, wzajemne

6 Uwarunkowania jakościowe w systemach projektowania i wytwarzania 323 zrozumienie i szacunek, jak również łatwość przekazu wiedzy i regularność kontaktów [Samek, 2008]. Niemniej ważna jest umiejętność wykorzystania sprzętu komputerowego i znajomość oprogramowania. Istotne znaczenie ma także kompletność zespołu w zakresie kompetencyjności w danej dziedzinie projektowania. Drugą grupą jest zbiór cech technicznych wyposażenia, sprzętu komputerowego i oprogramowania. Główną rolę odgrywa tu nowoczesność sprzętu komputerowego, jego wydajność i dostosowanie do rodzaju zadań, a także rodzaj oprogramowania. Ważna jest również kompletność bazy danych projektowych. Cechy systemu projektowania technologicznego będą wprawdzie inne, ale ich struktura jest podobna. Zamieszczono je na rysunku 5. Rysunek 5. Intelektualne i techniczne cechy systemu projektowania technologii Jakość przedstawionych cech decyduje o całkowitej jakości działania systemu. W zestawieniach znacząca rolę odgrywają cechy intelektualne, cech zespołu projektującego. Potwierdza to znaczenie czynnika ludzkiego w systemie projektowania, gdzie mimo wszystko, podstawowe znaczenie ma inwencja twórcza, wiedza i doświadczenie projektantów. Przy ocenie jakości stwarza to jednak dodatkową trudność. Jest nią jej określenie ilościowe, które w tym przypadku jest praktycznie niemożliwe. Można by

7 324 Andrzej Samek zatem przyjąć raczej jakieś ogólne kryteria jakościowe, które pozwoliłyby określić prace zespołu w systemie projektowania [Kolman, 2009]. Zaznaczyć również należy, ze zmiany jakości intelektualnej mogą zachodzić w sposób ciągły, podczas gdy jakość techniczna w określonym czasie nie ulega zmianie. Wyniki omawianej procedury w postaci drzewa jakości systemu projektowania przedstawiono na rysunku 6. Jakość cech osobowych zaznaczono szarą obwódką. Rysunek 6. Drzewo jakości systemu projektowania 3.2. System produkcyjny System produkcyjny składa się z dwóch podstawowych systemów, obróbki i montażu. W zależności od charakterystyki produktu i wymagań ekonomicznych, mogą to być złożone systemy o wysokim stopniu automatyzacji i robotyzacji Od ich działania zależy w dużej mierze jakość produktu [Samek, 2010]. Bardzo ogólną strukturę systemu obróbki przedstawiono na rysunku 7. W skład systemu wchodzą: system zarządzania, informacji i sterowania, kierujący całością działania systemu, system magazynowania i logistyki, dysponujący zbiorami narzędzi, wyposażenia, półfabrykatów,

8 Uwarunkowania jakościowe w systemach projektowania i wytwarzania 325 system zasilania doprowadzający materiały z magazynu na stanowiska, dysponujący odpowiednimi środkami transportu, jak robokary, wózki, system transportu wewnętrznego zapewniający przemieszczanie przedmiotów obróbki na stanowiskach, z pomocą transporterów rolkowych, robotów, stanowisk obróbki; różnego typu obrabiarek, autonomicznych stacji obróbki, w odpowiednim układzie, najczęściej gniazdowym lub liniowym. Rysunek 7. System obróbki Drzewo jakości systemu obróbki przedstawiono na rysunku 8. System montażu pokazano na rysunku 9. Ma on podobną strukturę podstawową. System magazynowania oprócz narzędzi i wyposażenia montażowego dysponuje zbiorem części do montażu oraz części typowych i handlowych. System transportu jest w większym stopniu dostosowany do montowanego produktu. System stanowisk montażowych zwłaszcza dla produktów złożonych jest zwykle podzielony na system montażu zespołów oraz montażu końcowego.

9 326 Andrzej Samek Rysunek 8. Drzewo jakości systemu obróbki

10 Uwarunkowania jakościowe w systemach projektowania i wytwarzania 327 Rysunek 9. System montażu Na rysunku 10 przedstawiono z kolei drzewo jakości systemu montażowego. Zależności przedstawione na rysunkach 6, 8, 10, można połączyć uzyskując drzewo jakości produkcji (rysunek 11). Oczywiście jest to bardzo duże uogólnienie, pominięto z konieczności niektóre systemy (np. system planowania), ale celem było przedstawienie podstawowej koncepcji. Należy także zaznaczyć, że struktury mają charakter fraktalny i każdy z elementów można dekomponować określając jego dalsze składniki i analizując je ze względu na jakość.

11 328 Andrzej Samek Rysunek 10. Drzewo jakości systemu montażu. Rysunek 11. Kompleksowe drzewo jakości produkcji

12 Uwarunkowania jakościowe w systemach projektowania i wytwarzania 329 Zakończenie Przedstawione propozycje, bardzo ogólne i fragmentaryczne pozwalają jednak na sformułowanie następujących wniosków i propozycji dalszych prac: jakość systemu w postaci drzewa jakości pozwala na określenie zależności i oddziaływania wszystkich elementów uczestniczących w jego działaniu. Umożliwia to analizę stanu i podejmowanie określonych działań strategicznych w celu polepszenia funkcji jakościowej danego systemu, poszczególne elementy drzewa jakości mogą również podlegać analizie ze względu na zachodzące zmiany w czasie. Czynniki intelektualne mogą podlegać zmianom ciągłym natomiast czynniki techniczne (nowoczesność sprzętu) są raczej niezmienne w określonym przedziale czasu, dla systemu produkcyjnego, (zwłaszcza budowy maszyn), drzewa jakości mogą być cennym narzędziem dla długoterminowego planowania i zmian strategicznych w celu kompleksowego podniesienia jakości, przedstawione propozycje mają jednak ogólny charakter wstępnej koncepcji. Wymagałyby dalszych pracochłonnych prac komputeryzacji informacji o działaniu określonych elementów, a zwłaszcza weryfikacji w przemyśle. Literatura 1. Kolman R. (2009), Kwalitologia, wiedza o różnych dziedzinach jakości, Wydawnictwo PLACET Warszawa. 2. Samek A. (2008), Współpraca specjalistów w procesie projektowania, Przegląd Mechaniczny, nr Samek A. (2010), Jakość w projektowaniu konstrukcyjnym i technologicznym, Archives of Foundry Engineering, vol. 10, iss Sioma A. (2011), Modelowanie i symulacja realizacji procesu technologicznego, Mechanik miesięcznik naukowo-techniczny, nr Kowal J., Sioma A. (2009), Active vision system for 3D product inspection. Learn how to construct three-dimensional vision applications by reviewing the measurements procedures, Control Engineering USA, vol. 56. Streszczenie Przedstawiając ogólnie podstawowe etapy istnienia produktu, omówiono charakterystykę głównych systemów; systemu projektowania, systemu obróbki

13 330 Andrzej Samek i systemu montażu ze względu na jakość ich działania. Przedstawiono zbiory cech jakości poszczególnych elementów każdego z systemów, różnicując je na cechy intelektualne, dotyczące działających zespołów i cechy techniczne, dotyczące wyposażenia. Ich wzajemne zależności pokazano w postaci grafu, drzewa jakości. Pozwala to na określenie oddziaływania zmiany jakości określonego elementu na jakość działania pozostałych i całego systemu. Łącząc grafy drzewa poszczególnych systemów w jedną całość, uzyskać można drzewo jakości działań systemu produkcji. Może być to bardzo przydatne narzędzie w zarządzaniu jakością, analizie stanu poszczególnych systemów i podejmowaniu odpowiednich decyzji strategicznych. Propozycja ma bardzo ogólny charakter, wymaga dalszych prac zwłaszcza opracowania metody oceny jakości i weryfikacji koncepcji w przemyśle Słowa kluczowe jakość produkcji, system projektowania, system obróbki, system montażu. Quality conditionings in the machine design and manufacturing (Summary Presentation of the quality of the design system and machining and assembling systems allows to find the influences of the elements participating in the fulfillment of the global function in the production system. A set of quality trees connected with a given product may be a very important tool for the longterm strategy for the activity of the enterprise. Kaywords production quality, design system, machining system, assembling system