Лю Чжао Цзюнь управление технологическим процессом высокотемпературной пайки при производстве щелевых антенных решеток

Вид материала

Автореферат

Содержание Общая характеристика работы Цель работы и задачи исследования Основные задачи, решенные в работе в соответствии с поставленной целью. Методы исследования. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций Основные положения, выносимые на защиту Научная новизна Практическая ценность Реализация результатов работы Апробация работы Структура и объем работы Основное содержание работы В первой главе Во второй главе В – среднее число партий, изготовленных при налаженной ПС: L В третьей главе В четвертой главе Список работ по теме диссертации

Подобный материал:

• Разработка и оптимизация микрополосковых антенных решеток для систем мобильной связи, 257.14kb.
• Рекомендовано Минобразованием России для направления подготовки диплом, 118.86kb.
• На правах рукописи Безуглов Юрий Дмитриевич синтез антенных решеток в условиях многолучевого, 235kb.
• Разработка и создание автоматизированной системы управления технологическим процессом, 40.57kb.
• Цена дипломной работы с чертежом 500 рублей содержание, 40.91kb.
• Учебный план № профессионального обучения, 30.19kb.
• Управление технологическим развитием малых производственных предприятий (на примере, 217.08kb.
• Справочники по диагностике и ремонту дизельных двигателей, 1005.91kb.
• Управление формованием тестовых заготовок при производстве хлебобулочных изделий, 297.22kb.
• Разработка комплексной асу технологическим процессом производства изделий электронной, 36.71kb.

На правах рукописи


Лю Чжао Цзюнь


УПРАВЛЕНИе технологическим процессом высокотемпературной пайки при производстве щелевых антенных решеток


05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (связь и информатизация)


Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Санкт-Петербург

2010

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения на кафедре инноватики и управления качеством

Научный руководитель		доктор технических наук, профессор Е.Г. Семенова
Официальные оппоненты		доктор технических наук, доцент Г.В. Верхова
		кандидат технических наук, доцент М.А. Добросельский
Ведущая организация		ОАО «Авангард»

Защита состоится декабря 2010 г. в « » часов на заседании диссертационного совета Д219.004.03 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, С. Петербург, наб. р. Мойки, 61


Автореферат разослан «___» 2010 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Д 219.004.03

к.т.н., доцент Л.М. Макаров


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современных условиях повышения интенсивности воздушного движения, внедрения новых технических средств навигации и управления воздушным движением, а также новых правил выполнения полетов комплексы, эксплуатируемые в настоящее время на самолетах гражданской и транспортной авиации, не могут в полной мере обеспечить действующие и перспективные требования.

Модернизация бортового радиоэлектронного оборудования и, в первую очередь, антенно-фидерных устройств является основным направлением совершенствования авиационной техники, позволяющим при сравнительно небольших затратах повысить эффективность ее эксплуатации.

Антенно-фидерные устройства, являясь наиболее сложной и дорогостоящей частью радиотехнических систем, в значительной степени определяют эффективность применения системы в целом. Тактико-технические характеристики комплексов бортового оборудования определяют требования к антенным устройствам на всех этапах их жизненного цикла. Особая роль при этом принадлежит производству, где вместе с обеспечением требований к точности радиотехнических характеристик и надежности антенного устройства стоит задача поиска возможностей повышения его экономической эффективности.

Среди направлений совершенствования производственных процессов, включающих модернизацию оборудования и автоматизацию управления производственными системами (ПС), все большее распространение приобретает использование методов статистического управления технологическими процессами (СУТП) с помощью контрольных карт. Процедура СУТП состоит в периодической выборке изготавливаемых изделий, измерении их параметров, расчете выборочной характеристики и регулировке процесса при выходе выборочной характеристики за контрольные границы на карте. Известны реализации метода контрольных карт применительно к управлению технологическими процессами производства радиоэлектронной аппаратуры и приборных средств.

Применение СУТП при высокотемпературной пайке щелевых антенных решеток (ЩАР) обусловлено вариациями значений контролируемых параметров качества в партиях изделий и необходимостью периодических регулировок ПС вследствие влияния многочисленных производственных факторов. При этом главным преимуществом СУТП является возможность оперативного управления процессами при заданных вероятностях пропуска момента разладки и излишней регулировки. Основную задачу теории СУТП представляет расчет характеристик плана выборочного контроля ПС (контрольных границ и объема выборок) по заданным значениям указанных вероятностей.

Существующая проблема управления производственными системами на основе характеристик плана контроля, рассчитываемых традиционными методами, заключается в том, что в общем случае управление ПС не обеспечивает требуемой эффективности в виде минимизации уровня брака и стоимостных издержек.

В большинстве известных научных работ анализируется возможность повышения эффективности статистического управления конкретными производственными системами на основе учета особенностей их вероятностных моделей, стоимостных затрат и критериев допустимого уровня брака. Обзор этих публикаций подтверждает, что известные методы расчета характеристик плана контроля не учитывают характерные особенности технологии сборки и высокотемпературной пайки щелевых антенных решеток: групповой способ обработки на большинстве операций, случайный характер разладки и неточность уровня наладки ПС.

Именно поэтому задача оптимизации характеристик плана операционного контроля при статистическом управлении технологическими процессами высокотемпературной пайки щелевых антенных решеток бортового радиоэлектронного оборудования авиационного назначения представляет научный и практический интерес, что и обосновывает актуальность диссертационной работы.

Цель работы и задачи исследования. Цель работы заключается в повышении эффективности управления технологическими процессами высокотемпературной пайки щелевых антенных решеток бортовых комплексов за счет оптимизации характеристик плана выборочного контроля по критериям уровня брака и стоимостных затрат.

Основные задачи, решенные в работе в соответствии с поставленной целью.

1. Разработка методики структурирования функций качества антенных устройств бортовых комплексов, ориентированной на последовательное уточнение параметров изделия от вербальных характеристик до требований к технологии изготовления.
   
2. Построение математических моделей типовых технологических процессов сборки и пайки волноводно-щелевых антенн, характеризующих распределение контролируемых показателей качества изделий в динамике возникновения и развития разладок ПС.
   
3. Разработка критерия эффективности управления технологическими процессами высокотемпературной пайки ЩАР на основе уровня брака и моделей статистического управления.
   
4. Разработка инженерных методик расчета характеристик плана выборочного контроля технологических систем по критериям уровня брака и стоимостных затрат.
   
5. Разработка и исследование ресурсосберегающих технологий высокотемпературной пайки щелевых антенных решеток.
   
6. Теоретическая и экспериментальная оценка эффективности применения предложенных и разработанных математических моделей и методик.
   

Методы исследования. Методологическую базу исследования составляют теоретические основы технологии производства радиоаппа-ратуры, системология, методы теории оптимального управления, основы теории статистического управления процессами, теория вероятности и математической статистики, численные методы анализа и математического моделирования, теория планирования эксперимента и имитационного моделирования. Основные теоретические результаты подтверждены экспериментально и при внедрении основных выводов и положений диссертационной работы.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, обеспечивается выбором и соответствующим применением современных методов исследований, корректностью формулировок и логически строгим построением доказательств, утверждений и следствий, вводимых допущений и ограничений, обоснованным выводом соотношений и правил, на основании которых производится построение моделей; подтверждается непротиворечивостью результатов компьютерного моделирования и экспериментальных данных, согласованностью полученных результатов с известными работами в данной предметной области.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика структурирования функций качества антенных устройств комплексов бортового оборудования на основе формализации иерархии описаний с учетом многоуровневой локализации показателей функционирования в пространстве свойств.
   
2. Статистические модели управления технологическими процессами высокотемпературной пайки щелевых антенных решеток, учитывающие вариабельность показателей качества продукции между партиями, случайный характер разладки ПС и неточность уровня наладки.
   
3. Критерии эффективности статистического управления ПС по величине уровня брака за межрегулировочный период и интегральным стоимостным затратам на потери от брака, контроль и регулировку ПС.
   
4. Инженерная методика расчета характеристик плана контроля состояния ПС по априорно заданному предельно допустимому уровню брака за межрегулировочный период.
   

Научная новизна. В результате проведенных исследований получены следующие новые научные результаты.

1. Предложена и разработана методика структурирования функций качества антенных устройств комплексов бортового оборудования, обеспечившая последовательное уточнение параметров изделия от вербальных характеристик до требований к технологии изготовления.
   
2. Предложены и разработаны критерии эффективности статистического управления ПС по величине уровня брака за межрегулировочный период и интегральным стоимостным затратам на контроль и корректировку состояния ПС, а также потери от брака.
   
3. Предложены модели управления технологическими процессами высокотемпературной пайки щелевых антенных решеток, позволившие повысить эффективность управления с учетом вариабельности показателей качества продукции между партиями, случайного характера разладки ПС и неточности уровня наладки.
   
4. Проведен анализ влияния технологических режимов и параметров на уровень брака и стоимостные затраты, связанные со статистические управлением, результаты которого позволили обосновать процедуры выбора характеристик плана контроля состояния ПС по предельно допустимому уровню брака.
   

Практическая ценность

1. Разработана инженерная методика расчета характеристик плана выборочного контроля ПС с применением критерия уровня брака за период между регулировками.
   
2. Разработана методика дозирования припойных материалов, как в виде фольгового припоя, так и паяльной пасты, обеспечившая минимальный радиус галтели в зависимости от параметров паяемого соединения.
   
3. Сформулированы рекомендации по проектированию функциональных элементов конструкции щелевых антенных решеток, обеспечившие повышение качества изделий при их высокотемпературной пайке.
   
4. Разработаны и обоснованы рецептуры припойных материалов для высокотемпературной пайки щелевых антенных решеток в электрических печах.
   
5. Предложена и подтверждена ресурсосберегающая технология высокотемпературной пайки щелевых антенных решеток к электрических печах.
   

Реализация результатов работы. Научные положения, выводы и рекомендации диссертационной работы реализованы при внедрении и модернизации технологических процессов производства функциональных блоков радиоэлектронного оборудования, которые внедрены в ОАО «Холдинговая компания «Ленинец». Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.

Апробация работы. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на ХХ Юбилейной научно-технической конференции ОАО «Научно-исследовательский институт приборостроения им. В.В. Тихомирова (Московская обл., г. Жуковский, 2010), Международной научно-технической конференции «Системные проблемы надежности, качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий в инновационных проектах» (Сочи, 2010), IV Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радионавигация» (Москва, Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, 2010), научных семинарах кафедры инноватики и управления качеством Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.

Публикации. По результатам проведенных автором исследований опубликовано три статьи и четыре тезиса докладов. Три статьи опубликованы в изданиях, включенных в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы и включает 165 страниц основного текста. Библиографический список включает 119 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель, основные задачи, объект и предмет исследования. Показана научная новизна и практическая ценность выполненной работы. Приведены основные положения, выносимые на защиту, и примеры практического использования результатов диссертационной работы.

В первой главе выполнен анализ тенденций развития бортовых комплексов для гражданской и транспортной авиации и определены требования к составу и характеристикам базового комплекса бортового оборудования.

Повышение автоматизации управления самолетом на всех этапах полета с учетом расширения информационной поддержки в процессе выполнения полетного задания и развития навигационного обеспечения позволяет существенно повысить как эффективность полетов самолетов гражданской авиации, так и выживаемость самолета (экипажа) специального назначения в сложной тактической обстановке, одновременно сокращая загрузку экипажа. Последнее становится особенно актуальным, так как анализ основных причин авиационных аварий подтверждает, что 60% из них являются следствием действий экипажа.

Такой подход к созданию перспективных комплексов бортового оборудования позволяет использовать единые технические решения как при создании комплексов для новых самолетов, так и при модернизации бортового оборудования эксплуатируемого авиапарка.

Модернизация бортового радиоэлектронного оборудования и, в первую очередь, антенно-фидерных устройств является основным направлением совершенствования авиационной техники, позволяющим при сравнительно небольших затратах повысить эффективность ее эксплуатации.

Использование в бортовых радиотехнических системах сканирующих щелевых антенных решеток (ЩАР) по сравнению с зеркальными антеннами обеспечивает малые значения уровня бокового излучения при максимальном коэффициенте усиления (при оптимальном распределении фазовых сдвигов между излучающими щелями) и расширяет сектор обзора (за счет большей свободы перемещения плоского раскрыва антенны внутри носового обтекателя).

Конструктивная простота ЩАР, унификация технологических решений по сравнению с зеркальными антеннами определяют преимущественное использование их как в зарубежных, так и отечественных радиотехнических системах. Более того, принимаемые при создании ЩАР конструктивно-технологические решения в значительной степени распространяются на запитывающие системы и излучающие линейки фазированных антенных решеток (ФАР) как пассивного, так и активного типов.

В разделе разработана методика структурирования функций качества (СФК) антенных устройств бортовых комплексов на основе формализации иерархии описаний с учетом многоуровневой локализации показателей функционирования в пространстве свойств. Предложен формализованный математический аппарат для последовательного уточнения параметров изде-лия от вербальных характеристик до требований к технологии изготовления

Технологические процессы изготовления деталей, сборки и высокотемпературной пайки щелевых антенных решеток бортовых радиоэлектронных комплексов характеризуются высокой трудоемкостью, существенными энергозатратами и значительными потерями на исправление брака, что определяет актуальность исследования особенностей технологии высокотемпературной пайки ЩАР, разработки моделей статистического управления, формирования критериев эффективности и разработки рациональных процедур управления данными производственно-технологическими комплексами.

Процедуры управления технологией сборки ЩАР основаны на результатах статистической обработки данных, получаемых в ходе операционного контроля параметров как изготавливаемой продукции, так и характеристик собственно технологического процесса.

Однако применение традиционных контрольных карт (карты Шухарта, модифицированные карты и карты с памятью) в общем случае не обеспечивает требуемой эффективности управления ПС в виде максимального уменьшения уровня брака и стоимостных затрат, связанных со статистическим управлением. Причинами этого являются:

• использование упрощенных статистических моделей технологических процессов с детерминированными уровнями налаженного и разлаженного состояний, что сопровождается дополнительными стоимостными потерями вследствие различий теоретического и фактического значений вероятностных критериев эффективности управления ПС.
  
• использование статистических критериев оценки СУТП (вероятностей ошибок первого и второго рода), выбор которых на практике не подтверждается необходимым технико-экономическим обоснованием;
  

Обзор научных работ, анализирующих возможности повышения эффективности СУТП, показывает, что традиционные методы расчета характеристик плана контроля ПС с применением критериев уровня брака и стоимостных затрат не учитывают такие особенности изготовления щелевых антенных решеток, как групповой способ обработки на операциях высокотемпературной пайки, случайный характер разладки, неточность уровня наладки ПС.

Во второй главе предложены и обоснованы модели вероятностного управления (МВУ) технологическими системами высокотемпературной пайки ЩАР со следующими свойствами:

• вариации средних значений контролируемого параметра (КП) между партиями в соответствии с нормальным законом распределения;
  
• два характерных вида разладки ПС:
  

• МВУ 1 – увеличение вариаций средних значений КП между партиями (при навеске дозированного фольгового припоя);
  
• МВУ 2 – смещение среднего значения КП в после-довательности партий (изменение состава флюсовой ванны);
  

• случайный характер разладки ПС вследствие случайности времени и уровня разладки в каждом межрегулировочном цикле;
  
• неточность уровня налаженной ПС в каждом межрегулировочном цикле.
  

На основе предложенных моделей вероятностного управления технологическим процессом высокотемпературной пайки щелевых антенных решеток предложен и обоснован критерий статистического управления по величине уровня брака за период между регулировками.

Зависимости вероятности брака и средней длины серий (СДС) выборок от параметров предложенных МВУ представлены в табл. 1.

В табл. 1 использованы следующие обозначения:

, где ,

где – значение при налаженной ПС; – значения при налаженной и разлаженной ПС, – верхняя и нижняя границы технологического допуска на значение КП; – табличная функция нормального распределения, – объем выборки при контроле.

Таблица 1

Зависимости вероятности брака и СДС выборок от параметров МВУ

Параметр	ТС налажена	ТС разлажена
МВУ 1
Вероятность брака в после-довательности партий
СДС выборок
МВУ 2
Вероятность брака в после-довательности партий
СДС выборок

Зависимости от параметров МВУ образуют систему уравнений для расчета характеристик плана контроля ПС с МВУ 1 и МВУ 2 по критерию допустимой вероятности брака за период между регулировками.

На основе полученных результатов сформулированы следующие рекомендации по выбору характеристик плана контроля ПС по критерию вероятности брака за период между регулировками:

1. Для расчета контрольных границ необходимо выбрать наименьшие значения и , при которых значение функции вероятности брака меньше заданного допустимого значения в диапазоне изменения при минимальном и максимальном .
   
2. Наименьшие потери от брака при фиксированном обеспечиваются при монотонно возрастающей зависимости (), которую можно получить увеличением и .
   

Полученные результаты позволили разработать методику расчета характеристик плана контроля по критерию вероятности брака за период между регулировками.

Основу стоимостного подхода к расчету характеристик плана контроля составляет учет интегральных затрат, связанных с управлением ПС. Критерием оптимальности характеристик плана контроля при стоимостном подходе является минимум интегральных затрат на контроль изделий, регулировку ТС и потери от брака.

Уровень брака за межрегулировочный цикл имеет вид . Тогда стоимость потерь от брака в расчете на одно изделие составит

, (1)

где М — среднее число забракованных изделий в партии размера N; С_бр0 – стоимость потерь от одного бракованного изделия; р₀ и р₁ – вероятности нахождения ПС в налаженном и разлаженном состояниях.

Выражение (1) может быть сведено к виду

, (2)

где В – среднее число партий, изготовленных при налаженной ПС: L₁ – СДС выборок при разлаженной ПС.

Регулировка ПС проводится по достоверным и ложным сигналам о разладке. При ложных сигналах затраты на регулировку в расчете на одно изделие составят:

, (3)

где С_р0 – стоимость затрат на одну регулировку; L₀ – СДС выборок при налаженной ПС.

При достоверных сигналах о разладке ПС затраты на регулировку в расчете на одно изделие составят

. (4)

Суммарные затраты на регулировку ПС

. (5)

Затраты на выборочный контроль в расчете на одно изделие

, (6)

где С_к.в - затраты в целом на выборку (получение выборки, транспортирование ее к рабочему месту измерений, подготовка к измерениям); С_к.о - затраты на контроль одного изделия.

Суммарная стоимость затрат в расчете на одно изделие составит

. (7)

После преобразований (7) можно представить в виде

, (8)

где – безразмерная функция; – отношение стоимости потерь от брака в партии при налаженной ПС к стоимости одной регулировки; Е=С_к.о/С_р.о – отношение стоимости контроля одного изделия к стоимости одной регулировки.

Преимущества критерия (7) заключаются в том, что при постоянных стоимостных затратах на регулировку производственной системы и объеме партии величина стоимостных затрат, связанных со статистическим управлением, определяется безразмерным функционалом с относительными значениями экономических параметров производственной системы – D и Е.

Численный анализ (7) подтвердил, что функционал стоимостных затрат имеет глобальные минимумы в диапазонах изменения технико-экономических параметров производственной системы:

• вероятности брака при налаженной ПС
  
• отношении вероятности брака при разлаженной ПС к вероятности брака при налаженной ПС
  
• среднем числе партий, изготавливаемых за время налаженной ПС
  
• отношении стоимости ущерба от брака в партии при налаженной ТС к стоимости одной регулировки
  
• отношении стоимости затрат на контроль изделия к стоимости одной регулировки
  

В третьей главе выполнен анализ организационно-технических особенностей технологических процессов высокотемпературной пайки щелевых антенных решеток.

Установлено, что вследствие группового способа изготовления изделий на технологических операциях подготовки, нагрева, собственно пайки и отмывки остатков флюса контролируемые показатели качества формируются под действием постоянных технологических факторов и режимов оборудования; изменение условий и режимов в ПС, главным образом, отражается на интегральном показателе качества изготовления – среднем значении контролируемых показателей качества в партии.

Дисперсия контролируемых показателей качества в партиях ЩАР обусловлена влиянием технологических факторов, управление которыми для рассматриваемых технологических систем затруднительно; к таким факторам прежде всего относятся неоднородности используемых материалов, погрешности дозирования фольгового припоя, состав и температура флюсовой ванны, конструктивные особенности производственного оборудования и технологического оснащения; таким образом, основным параметром, характеризующим уровень технологической системы, является среднее значение контролируемого параметра в партии.

Вид разладки производственно-технологической системы высокотемпературной пайки ЩАР существенно зависит от периодичности (непрерывная или циклическая) наладки формирующих операций; особенность технологии высокотемпературной пайки состоит в постоянстве установленных режимов флюсовой ванны; при этом типичной регулировкой ТС является изменение времени пайки и корректировка состава ванны; разладка среднего значения контролируемого параметра в этом случае характеризуется смещением среднего значения КП в последовательности партий; при отклонениях в навеске дозированного фольгового припоя разладка ТС характеризуется увеличением вариаций контролируемого параметра между партиями.

Предложена и разработана методика дозирования припойных материалов как в виде фольгового припоя так и паяльной пасты, обеспечивающая минимальный радиус галтели в зависимости от параметров паяемого соединения (примеры полученных зависимостей представлены на рис. 1 и 2).



Рис. 1. Зависимость максимального радиуса галтели от ширины зазора между соединяемыми деталями при ширине заготовки припоя = 4 мм

Рис. 2. Зависимость диаметра иглы дозатора (r) от объемной доли припоя () при




Рис. 3. Изменение фракционного состава порошка силумина после механической обработки