劉文軍,楊建新,蘭小平,王 波,楊一銘,李翠霞
炮彈制造質(zhì)量綜合評估方法研究
劉文軍,楊建新,蘭小平,王 波,楊一銘,李翠霞
(中國兵器工業(yè)信息中心,北京100089)
針對炮彈制造質(zhì)量水平評判過程中存在的抽樣試射成本高、難以評價批次炮彈質(zhì)量、未有效利用制造過程質(zhì)量數(shù)據(jù)等問題,開展炮彈制造質(zhì)量綜合評估方法研究。首先研究炮彈制造質(zhì)量綜合評估框架,規(guī)范炮彈制造質(zhì)量綜合評估過程;將失效模式分析方法確定的炮彈關(guān)鍵特性作為評估指標(biāo),構(gòu)建覆蓋炮彈采購、加工、裝配和檢驗等制造全過程的制造質(zhì)量評估指標(biāo)體系,并應(yīng)用層次分析法(AHP)確定各指標(biāo)的權(quán)重;采用生產(chǎn)過程能力指數(shù)構(gòu)建制造質(zhì)量評估計算模型,基于加權(quán)和法與加權(quán)幾何平均法構(gòu)建制造質(zhì)量評估聚合模型,形成炮彈制造質(zhì)量兩層評估模型,充分利用制造過程中的關(guān)鍵特性質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)實現(xiàn)炮彈制造過程質(zhì)量的定量評估。最后以某型炮射導(dǎo)彈為例,驗證了炮彈制造質(zhì)量綜合評估方法的可操作性、可行性和有效性。
炮彈質(zhì)量評估;質(zhì)量評估框架;質(zhì)量評估指標(biāo)體系;質(zhì)量評估模型;生產(chǎn)過程能力指數(shù)
炮彈作為精確打擊、高效毀傷的國防武器戰(zhàn)略裝備,制造過程質(zhì)量評估對炮彈最終質(zhì)量起決定性作用。炮彈是典型的光機電一體化復(fù)雜產(chǎn)品,生產(chǎn)工序多而長、零部件種類多,過程數(shù)據(jù)繁雜。炮彈制造過程涉及旋壓、精車、精鑄、焊接、熱處理、機加和電裝等工藝20余種,工序近2萬余道,制造過程直接影響炮彈動力參數(shù)、控制參數(shù)和飛行姿態(tài)等綜合性能。炮彈制造質(zhì)量評估是提高炮彈產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性、降低質(zhì)量成本的重要途徑。炮彈屬于一次性消耗品,生產(chǎn)過程中主要采用批抽樣檢驗等傳統(tǒng)方法,不僅質(zhì)量成本高,而且無法判定同批次產(chǎn)品的質(zhì)量水平。炮彈制造質(zhì)量水平評估手段和方法落后,主要通過關(guān)鍵零件或重要零件工序能力分析、部件驗收合格率統(tǒng)計、部件成品例行試驗合格率統(tǒng)計和飛行試驗命中發(fā)火率統(tǒng)計后,根據(jù)經(jīng)驗進行評估,難以充分利用制造過程中的質(zhì)量數(shù)據(jù)進行科學(xué)分析評估,只有在實戰(zhàn)應(yīng)用中才能真正檢驗炮彈質(zhì)量,給研制企業(yè)和列裝部隊帶來極大的風(fēng)險。
目前,國內(nèi)外學(xué)者對制造過程質(zhì)量評估進行了大量研究。主要包括:多品種小批量制造過程能力分析研究[1-2];產(chǎn)品生產(chǎn)過程能力綜合評價模型研究[3];多元過程能力指數(shù)的計算方法[4];導(dǎo)彈評估技術(shù)與評估軟件技術(shù)研究[5-6];導(dǎo)彈電子系統(tǒng)質(zhì)量評估指標(biāo)體系優(yōu)化[7];導(dǎo)彈武器系統(tǒng)使用、性能質(zhì)量評估研究[8-9];基于質(zhì)量特性的產(chǎn)品設(shè)計過程質(zhì)量控制技術(shù)研究[10];面向產(chǎn)品全生命周期的質(zhì)量管理關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)研究[11]等。但是,上述研究主要集中在對產(chǎn)品的某一過程或某一方面進行評價,沒有對炮彈制造過程質(zhì)量水平進行綜合評估;有的研究雖然對全生命周期質(zhì)量進行評估,但評判方法較為粗放,未充分利用制造過程數(shù)據(jù)對制造質(zhì)量進行客觀、定量的綜合評估。本文在上述研究的基礎(chǔ)上,提出炮彈制造質(zhì)量綜合評估框架,利用炮彈關(guān)鍵特性作為指標(biāo)節(jié)點構(gòu)建覆蓋制造全過程的評估指標(biāo)體系,并采用層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)確定權(quán)重,建立包含評估計算模型和評估聚合模型的兩層制造質(zhì)量綜合評估模型,以期為炮彈制造質(zhì)量水平評判提供客觀和量化的依據(jù)。
炮彈質(zhì)量貫穿于炮彈設(shè)計、制造和交驗的全過程,制造階段是炮彈質(zhì)量形成的重要過程。炮彈制造過程包括外協(xié)外購件入廠檢驗、零件加工、炮彈裝配和成品檢驗4個階段,制造過程的每個階段都包含諸多零部件,各零部件都有多個工序和多個質(zhì)量特性,因此制造過程質(zhì)量評估主要體現(xiàn)在對制造過程中各關(guān)鍵特性質(zhì)量水平的評估,包括對外購物料、外協(xié)件、自制加工件、裝配過程和成品質(zhì)量等進行評估,炮彈制造質(zhì)量綜合評估框架如圖1所示。
評估炮彈制造質(zhì)量綜合框架包含5個步驟:①確定評估目的和對象。在全面搜集評估對象的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝數(shù)據(jù)、采購數(shù)據(jù)、制造過程數(shù)據(jù)、質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)等相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,根據(jù)評估目的對評估對象進行分析;②確定評估指標(biāo)節(jié)點。采用基于失效模式分析方法確定影響炮彈制造質(zhì)量的關(guān)鍵特性,并將關(guān)鍵特性和制造階段作為評估指標(biāo)節(jié)點;③構(gòu)建評估指標(biāo)體系。根據(jù)炮彈的制造過程階段、關(guān)鍵零部件、關(guān)鍵工序和關(guān)鍵質(zhì)量特性等評估指標(biāo)節(jié)點,結(jié)合炮彈的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)建立多層次炮彈制造質(zhì)量評估指標(biāo)體系,并采用定性和定量相結(jié)合的方式確定指標(biāo)的權(quán)重;④構(gòu)建評估模型。在評估指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上,根據(jù)指標(biāo)的定義和內(nèi)涵綁定不同種類的算法,逐層逐級構(gòu)建制造質(zhì)量評估模型;⑤評估計算與分析。以炮彈的工藝數(shù)據(jù)、質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)和制造過程數(shù)據(jù)等制造數(shù)據(jù)為輸入,對評估模型進行解算,模型解算的結(jié)果為質(zhì)量評估總指數(shù)。最后,將質(zhì)量評估總指數(shù)與質(zhì)量評判標(biāo)準(zhǔn)進行對比,從而得出炮彈制造質(zhì)量水平。
確定指標(biāo)節(jié)點是構(gòu)建指標(biāo)體系的關(guān)鍵步驟。制造過程中關(guān)鍵特性的質(zhì)量水平是炮彈制造質(zhì)量水平的重要體現(xiàn),因此將關(guān)鍵特性作為指標(biāo)節(jié)點。炮彈關(guān)鍵特性是指炮彈的裝配、性能、使用壽命或可制造性產(chǎn)生重大影響的材料、過程和零件的特性[12],包括關(guān)鍵零部件、工序和質(zhì)量等3種特性。本文采用基于失效模式分析方法[11]的炮彈關(guān)鍵特性分析方法,如圖2所示,通過建立炮彈失效分析決策樹,分析炮彈制造過程質(zhì)量影響因素及其關(guān)鍵和重要件制造過程質(zhì)量控制瓶頸,并將產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量要求和歷史產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)通過層次分析量化失效因素,從綜合、人、機、料、法、環(huán)、測試、4性等多個方面對失效因素進行重要程度排序,識別出炮彈制造過程中的關(guān)鍵特性。
圖1 炮彈制造質(zhì)量綜合評估框架
各型號炮彈在結(jié)構(gòu)組成、性能參數(shù)、質(zhì)量要求等方面各不相同,為將多層次、多因素、復(fù)雜的炮彈制造質(zhì)量評估問題用科學(xué)的計量方法進行量化處理,必須根據(jù)炮彈產(chǎn)品自身的特點對各型號炮彈進行總結(jié)提煉,構(gòu)建科學(xué)的評估指標(biāo)體系。
炮彈制造過程質(zhì)量是通過所有零部件或系統(tǒng)的質(zhì)量來確定的,主要包括自制件生產(chǎn)和采購過程兩部分。自制件生產(chǎn)過程包含炮彈自制件加工、炮彈裝配和成品檢驗過程。采購過程主要是對外協(xié)外購件的來料檢驗過程。因此,炮彈制造質(zhì)量評估指標(biāo)體系覆蓋采購、加工、裝配和檢驗4個階段,如圖3所示。
圖2 基于失效模式分析方法的炮彈關(guān)鍵特性分析過程
圖3 炮彈制造質(zhì)量評估指標(biāo)體系框架
指標(biāo)權(quán)重體現(xiàn)了各指標(biāo)在質(zhì)量評價過程中的重要性,直接關(guān)系到最終的質(zhì)量評價結(jié)果。本文采用AHP[13]進行指標(biāo)權(quán)重的確定。其計算步驟如下:①建立炮彈制造質(zhì)量評估指標(biāo)體系;②構(gòu)建判斷矩陣𝑼;③計算各指標(biāo)權(quán)重𝑊′;④對計算結(jié)果進行一致性檢驗。
建立適當(dāng)有效的質(zhì)量評估模型是炮彈制造質(zhì)量評估過程的關(guān)鍵步驟。按照指標(biāo)的層次將評估模型分為評估計算和評估聚合2種模型。從制造過程質(zhì)量數(shù)據(jù)到底層指標(biāo)的計算過程稱為評估計算模型,從底層指標(biāo)到上層指標(biāo)的聚合過程稱為評估聚合模型。評估計算模型和評估聚合模型的關(guān)系如圖4所示,評估計算模型是評估聚合模型解算的基礎(chǔ),評估計算模型解算得出評估指標(biāo)體系底層指標(biāo)的度量值,底層指標(biāo)度量值是評估聚合模型的輸入,在此基礎(chǔ)上對評估聚合模型解算得出炮彈制造質(zhì)量指數(shù)。
評估計算模型是通過制造質(zhì)量采集數(shù)據(jù)計算底層評估指標(biāo)質(zhì)量指數(shù)的計算模型,其輸入為制造過程質(zhì)量數(shù)據(jù)采集,輸出為評估指標(biāo)的度量值。評估計算模型解算的前提是獲取制造過程質(zhì)量數(shù)據(jù),即收集到必要的制造質(zhì)量過程信息、專家信息和試驗信息等多維評估數(shù)據(jù)后,運用評估計算模型,得到評估指標(biāo)體系的底層指標(biāo)的度量值。本文采用生產(chǎn)過程能力指數(shù)構(gòu)建評估計算模型。
圖4 評估計算模型與評估聚合模型的關(guān)系
3.1.1 生產(chǎn)過程能力指數(shù)
生產(chǎn)過程能力指數(shù)是指工序在一定時間里,處于控制狀態(tài)下的實際加工能力,是衡量產(chǎn)品質(zhì)量和性能的有效手段。生產(chǎn)過程能力指數(shù)主要有3種形式[2,14]:潛在過程能力C,實際過程能力指數(shù)C,單側(cè)規(guī)范值的過程能力指數(shù)C和C。
(1) 潛在過程能力為
其中,T為質(zhì)量特性的上限;T為質(zhì)量特性的下限;為質(zhì)量特性的方差。
(2) 實際過程能力指數(shù)為
其中,C為潛在過程能力;為偏差程度。
(3) 對于質(zhì)量特性只做下限值T的要求,無上限要求的,生產(chǎn)過程能力指數(shù)為
其中,為均值,若 <T,則C為0。
(4) 對于質(zhì)量特性只做上限值T的要求,無下限要求,生產(chǎn)過程能力指數(shù)為
其中,C和C稱為單側(cè)規(guī)范值的過程能力指數(shù)。
3.1.2 基于生產(chǎn)過程能力指數(shù)的評估計算模型
(1) 采購階段關(guān)鍵質(zhì)量特性計算模型。炮彈生產(chǎn)過程中,采購件的質(zhì)量評價一般以合格率、退貨率或讓步接收率等作為質(zhì)量評定指標(biāo)。這些指標(biāo)量化計算簡單,能直觀、清晰地反映采購質(zhì)量指標(biāo)的符合情況,但并不能定量評價采購價質(zhì)量的穩(wěn)定性。因此,對于采購件,參考文獻[3]定義的過程能力指數(shù)和成品率關(guān)系為
其中,為成品率;為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)。
根據(jù)式(5)可構(gòu)建采購階段關(guān)鍵質(zhì)量特性的評估計算模型。
(2) 加工階段關(guān)鍵質(zhì)量特性計算模型。加工階段質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)分為計數(shù)值和計量值質(zhì)量數(shù)據(jù)。對于計數(shù)值質(zhì)量數(shù)據(jù)先計算其不合格率,再根據(jù)式(5)轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)能力過程指數(shù);對于計量值質(zhì)量數(shù)據(jù)可分為雙側(cè)公差要求數(shù)據(jù)、無上限要求和無下限要求公差數(shù)據(jù),分別采用式(2)~(4)計算生產(chǎn)過程能力指數(shù)。
(3) 裝配和檢測階段關(guān)鍵質(zhì)量特性計算模型。裝配和檢測階段都是由多道工序組成,其關(guān)鍵質(zhì)量特性的計算模型與自制件加工階段類似,按照質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)類型和單雙側(cè)公差要求采用式(2)~(5)分別計算。
評估聚合模型是評估指標(biāo)體系的下層指標(biāo)與上層指標(biāo)的關(guān)系模型,用來支持評估過程中的評估聚合??紤]到單關(guān)鍵零部件的多關(guān)鍵工序間的連續(xù)性,關(guān)鍵零部件以下指標(biāo)層級間的聚合采用加權(quán)幾何平均法;關(guān)鍵零部件及以上指標(biāo)層級間的聚合采用加權(quán)和方法。
3.2.1 關(guān)鍵零部件以下指標(biāo)層級間的聚合模型
對于單個關(guān)鍵零部件以下指標(biāo)層級間的多個關(guān)鍵工序的聚合模型,本文采用文獻[4]的加權(quán)幾何平均法來定義單個關(guān)鍵零部件的質(zhì)量水平,即
3.2.2 關(guān)鍵零部件及以上指標(biāo)層級間的聚合模型
在得到各階段各關(guān)鍵零部件的質(zhì)量指數(shù)的基礎(chǔ)上,通過加權(quán)和法逐級向上構(gòu)建評估聚合模型。本文能力過程指數(shù)間具有可比性,故加權(quán)和法不進行無量綱化和歸一化,即
其中,為評估指標(biāo)的加權(quán)綜合評估值;x和w分別為第個下層指標(biāo)值及其權(quán)重值。
以某兵器企業(yè)某型炮射導(dǎo)彈批生產(chǎn)過程為例,驗證本文提出的炮彈制造質(zhì)量綜合評估方法。
某型炮彈制造質(zhì)量評估指標(biāo)體系如圖5所示。其中采購階段的質(zhì)量特性A11,A21,A31,A41和A51為合格率要求的工藝參數(shù),加工階段的質(zhì)量特性B211和B411、裝配階段C2211為無上限要求的工藝參數(shù),裝配階段的質(zhì)量特性C3111為無下限要求的工藝參數(shù),其余質(zhì)量特性為雙側(cè)公差要求的工藝參數(shù)。按照以上質(zhì)量評估指標(biāo)體系,對制造過程中的質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)進行采集。
4.2.1 計算各關(guān)鍵質(zhì)量特性的質(zhì)量指數(shù)
對采購階段的質(zhì)量特性A11,A21,A31,A41和A51采用式(5)計算,對加工階段的質(zhì)量特性B211和B411、裝配階段的質(zhì)量特性C2211和采用式(3)計算,裝配階段的質(zhì)量特性C3111采用式(4)計算,其余質(zhì)量特性采用式(2)計算,結(jié)果見表1。
4.2.2 計算各關(guān)鍵工序的質(zhì)量指數(shù)
采用AHP經(jīng)專家確定各工序關(guān)鍵質(zhì)量特性的權(quán)重,即工序B11,C12,C211,C211,C24,C311,C32,D1和D2的判斷矩陣分別為
4.2.3 計算各零部件的質(zhì)量指數(shù)
采用AHP經(jīng)專家確定各關(guān)鍵零部件工序的權(quán)重,即零部件B1,B4,C1,C21,C2和C3的判斷矩陣分別為
經(jīng)一致性校驗并計算權(quán)重后,采用式(7)加權(quán)幾何平均法計算各零部件質(zhì)量指數(shù)見表3。
圖5 某型炮射導(dǎo)彈制造質(zhì)量評估指標(biāo)體系
表1 各關(guān)鍵質(zhì)量特性的質(zhì)量指數(shù)
表2 各關(guān)鍵工序的質(zhì)量指數(shù)
表3 各關(guān)鍵零部件質(zhì)量指數(shù)
4.2.4 計算各制造階段質(zhì)量指數(shù)
采用AHP經(jīng)專家確定各制造階段零部件的權(quán)重,即制造階段A,B,C和D的判斷矩陣分別為
經(jīng)一致性校驗并計算權(quán)重后,采用式(8)加權(quán)和法計算質(zhì)量指數(shù)見表4。
表4 各生產(chǎn)階段質(zhì)量指數(shù)
4.2.5 計算炮彈制造質(zhì)量總指數(shù)
采用AHP經(jīng)專家確定各關(guān)鍵質(zhì)量特性的權(quán)重。判斷矩陣為
經(jīng)一致性校驗并計算權(quán)重后,采用式(8)加權(quán)和法計算制造質(zhì)量總質(zhì)量指數(shù)為1.451。
某兵器企業(yè)在生產(chǎn)實踐基礎(chǔ)上,根據(jù)不合格率與西格瑪水平的對應(yīng)關(guān)系,制定的炮彈制造質(zhì)量評定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)見表5,表中C表示質(zhì)量指數(shù)。
表5 炮射導(dǎo)彈制造質(zhì)量水平分級
根據(jù)表5,案例中炮彈制造質(zhì)量總指數(shù)為1.451,質(zhì)量水平評級為良,表明本批次制造質(zhì)量總水平基本可以滿足期望。
本案例中,對炮彈制造過程中的各制造階段、關(guān)鍵零部件和關(guān)鍵工序進行深入分析。綜合表2~4的質(zhì)量指數(shù),采購、加工、裝配和檢測等各生產(chǎn)階段的質(zhì)量指數(shù)分別為1.352,1.489,1.460和1.527,其質(zhì)量水平等級均為良,但采購階段的質(zhì)量指數(shù)1.352處于所在等級的下限值附近,經(jīng)進一步分析,采購階段外購件A3質(zhì)量水平較低的原因在于入廠抽樣檢測所用跳動儀超出允許誤差。分析表2可知,關(guān)鍵工序B13和C23的質(zhì)量指數(shù)分別為1.257和1.131,質(zhì)量評級均為中,經(jīng)檢查,工序B13質(zhì)量水平低的原因是刀具發(fā)生磨損,而C23質(zhì)量水平低的原因是由于操作人員不熟練新裝配工藝造成的。
炮彈的制造過程是一個連續(xù)、有機的整體過程,只有對制造過程各階段的質(zhì)量進行評估,才能全面量化制造質(zhì)量。本文定義了炮彈制造質(zhì)量綜合評估的框架和流程,基于關(guān)鍵零部件、關(guān)鍵工序和質(zhì)量特性等關(guān)鍵特性構(gòu)建了制造質(zhì)量評估指標(biāo)體系,并建立了包括評估計算模型和評估匯聚模型的兩層制造質(zhì)量評估模型;利用制造過程數(shù)據(jù)能夠客觀、科學(xué)地對炮彈制造質(zhì)量進行綜合評估,具有較強的可行性和可操作性。通過案例應(yīng)用驗證,表明該方法能對炮彈制造質(zhì)量進行有效評估,可為炮彈研制企業(yè)的列裝部隊評判炮彈制造質(zhì)量提供客觀、科學(xué)的量化依據(jù)。
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Research on comprehensive evaluation method of gun-launched missile manufacturing quality
LIU Wen-jun, YANG Jian-xin, LAN Xiao-ping, WANG Bo, YANG Yi-ming, LI Cui-xia
(Information Center of China North Industries Group Corporation, Beijing 100089, China)
Aiming at the problems of high cost of sampling test, difficulty in evaluating the quality of batch gun-launched missiles, and ineffective use of manufacturing quality data in the manufacturing quality evaluation process of gun-launched missile, the manufacturing quality comprehensive evaluation method of gun-launched missile was studied. Firstly, the manufacturing quality comprehensive evaluation framework of gun-launched missile was put forward, and the manufacturing quality comprehensive evaluation process of gun-launched missile was standardized. The key characteristics determined based on failure mode analysis method were taken as evaluation indexes, and the manufacturing quality evaluation index system covering the purchasing, machining, assembling, and testing of the manufacturing process was constructed. The weight of each evaluation index was determined by using the analytic hierarchy process (AHP). Based on the production process capability index, the manufacturing quality evaluation calculation model was constructed, and the aggregation model of manufacturing quality evaluation was established based on weighted sum method and weighted geometric average method, so as to form a two-layer manufacturing quality evaluation model of gun-launched missile. The manufacturing quality evaluation of gun-launched missile was realized by making full use of the inspection data of key characteristics in the manufacturing process. Finally, taking a certain type of gun-launched missile as an example, the operability, feasibility, and effectiveness of the manufacturing quality comprehensive evaluation method were verified.
quality evaluation of gun-launched missile; quality evaluation framework; quality evaluation index system; quality evaluation model; production process capability index
TP 391
10.11996/JG.j.2095-302X.2021050801
A
2095-302X(2021)05-0801-08
2020-12-29;
2021-02-17
29 December,2020;
17 February,2021
國防技術(shù)基礎(chǔ)計劃項目(JSZL2017208A001)
National Defense Technology Foundation Program of China (JSZL2017208A001)
劉文軍(1979–),男,山西陽城人,工程師,碩士。主要研究方向為系統(tǒng)工程與數(shù)字化制造。E-mail:liuwenjun99@163.com
LIU Wen-jun (1979-), male, engineer, master. His main research interests cover system engineering and digital manufacturing. E-mail: liuwenjun99@163.com
楊建新(1985–),男,山西代縣人,高級工程師,碩士。主要研究方向為智能制造與數(shù)字化技術(shù)。E-mail:yjx030321@126.com
YANG Jian-xin (1985-), male, senior engineer, master. His main research interests cover intelligent manufacturing and digital technology. E-mail:yjx030321@126.com