Podejście polegające na modelowaniu wspólnego wpływu wielu czynników

Oprócz wielu analiz dotyczących zależności pojedynczych czynników wpływających na zmienność w procesach obróbki, podejmowane są też badania mające na celu opracowanie metody pozwalającej na modelowanie zmienności w procesach produkcyjnych obejmującej bardziej całościowo czynniki wywołujące tę zmienność. Do takich metod zaliczyć można:

1) SOVA

W literaturze dotyczącej zmienności w procesach produkcyjnych w roku 1997 pojawiło się pojęcie „Stream of Variation” (Hu, 1997), co można przetłumaczyć jako „strumień zmienności”. Pojęcie to, zaproponowane przez naukowców z Uniwersytetu Wisconsin-Madison w Stanach Zjednoczonych, oraz tematyka z nim związana stały się

podstawą dwóch projektów opracowywanych później na tym uniwersytecie (Stream Of Variation (SOVA) Research Roadmap, 2004). Za cel tych projektów postawiono „opracowanie systemu symulacji komputerowej służącego do modelowania, analizy, przewidywania i optymalizacji działania wieloetapowego procesu wytwórczego”. Opracowane oprogramowanie miało służyć do zarządzania zmiennością procesu wytwarzania i umożliwiać diagnozowanie przyczyn źródłowych błędów wymiarowych wyrobu, a także zalecać odpowiednie rozwiązania. Zastosowanie wyników projektów w rzeczywistych procesach wytwórczych miało przynieść liczne korzyści, takie jak oszczędności finansowe, poprawę produktywności i jakości, a także skrócenie cykli rozwoju wyrobu. Pierwszy z planowanych projektów miał dotyczyć analizy „strumienia zmienności” związanego z wieloetapowym procesem montażu (Stream Of Variation Analysis (SOVA), 2004), natomiast drugi – modelowania „strumienia zmienności” w wieloetapowym procesie wytwarzania (Stream Of Variation Modeling (SOVA), 2004).

Objęta tymi projektami tematyka analizy i modelowania „strumienia zmienności” – określana często skrótem oryginalnej nazwy: SOV lub SOVA – była i do tej pory jest rozwijana, głównie przez naukowców związanych z Uniwersytetem Wisconsin-Madison, co znajduje szerokie odzwierciedlenie w literaturze. Analiza publikacji związanych z analizą strumienia zmienności (SOVA) pozwala zapoznać się z pracami prowadzącymi do sformułowania wspomnianych projektów, efektami ich realizacji, jak i z ogólnym rozwojem tematyki „strumienia zmienności”.

Ceglarek et al. (2004) definiują SOVA jako „ogólny model matematyczny służący do

analizy propagacji zmienności w wieloetapowych procesach wytwórczych”. SOVA ma łączyć we wspólne ramy takie zagadnienia jak: analiza statystyczna, teoria sterowania, a także wiedza związana z projektowaniem i wytwarzaniem – w postaci modeli CAD/CAM. Proponowana metoda ma służyć do:

ƒ symulacji propagacji zmienności w procesie w celu przewidywania zmienności wymiarowej wyrobu końcowego,

a także do

ƒ identyfikacji największych błędów wymiarowych i wskazania krytycznych operacji przyczyniających się do powstawania tych błędów oraz ich przyczyn źródłowych. W ramach metody SOVA wykorzystuje się m.in.:

ƒ tzw. Model przestrzeni stanów (ang. State Space Model) – w celu opisania związku pomiędzy błędami mocowania a błędami wymiarowymi wyrobu i ich propagacji w procesie (Ding et al., 2002),

ƒ metodę tzw. Analizy głównych składowych (ang. Principal Component Analysis, PCA) – służącą do analizy dużych zbiorów danych, które zostają zebrane przy pomiarze wyrobu końcowego przy użyciu współrzędnościowych maszyn pomiarowych, i pozwalającą zlokalizować w procesie miejsce powstania błędów (Hu, 1997; Ding et al., 2002).

Zastosowanie metody SOVA w procesach montażu pozwoliło m.in. na (Hu, 1997; Ding et al., 2002; Ceglarek et al., 2004):

ƒ opisanie zależności pomiędzy przyczynami błędów związanymi z procesem (głównie błędami mocowania) a błędami wyrobu końcowego;

ƒ identyfikację największych błędów wymiarowych wyrobu i wskazanie operacji, w której błędy te powstały.

Zastosowanie metody SOVA w procesach obróbki skrawaniem przyczyniło się przede wszystkim do opracowania modelu symulacyjnego służącego do opisu propagacji zmienności

wymiarowej w wieloetapowym procesie obróbki (Zhou et al., 2003; Djurdjanovic i Ni, 2006; Loose et al., 2007). Autorzy zwracają jednak uwagę na znaczne ograniczenia stosowalności tej metody do analizy procesów obróbki. Wymieniane są następujące główne ograniczenia metody SOVA:

ƒ Model uwzględnia wnoszone w każdej operacji uogólnione błędy obróbki (odchylenie ścieżki narzędzia od ścieżki nominalnej), błędy mocowania oraz błędy wymiarowe powstałych w poprzednich operacjach. Błąd obróbki nie jest dekomponowany na swoje rzeczywiste składowe, takie jak błędy geometryczne, termiczne, zużycie narzędzia, i inne (Zhou et al., 2003; Djurdjanovic i Ni, 2006). Dodatkowo, Loose et al. (2007) zauważają, że utworzenie pełnego modelu odzwierciedlającego wszystkie czynniki i zależności wpływające na błędy wyrobu byłoby „bardzo trudne, jeśli nie niemożliwe”.

ƒ W związku z powyższym, model umożliwia jedynie identyfikację etapu procesu, w którym powstał dany błąd przedmiotu obrabianego, a nie identyfikację rzeczywistej przyczyny źródłowej tego błędu (Zhou et al., 2003).

ƒ Metoda SOVA uwzględnia jedynie zależności kinematyczne związane z błędami wymiarów w procesach obróbki i wymaga dalszych prac w celu rozszerzenia o inne rodzaje błędów wyrobu, np. związane z jakością powierzchni, a także uwzględnienia wpływu sił, własności materiału i oddziaływań dynamicznych w procesie obróbki (Djurdjanovic i Ni, 2006).

ƒ Proponowany model jest modelem liniowym, a zatem daje dobre wyniki w prostych procesach, jednak w przypadku próby zastosowania metody SOVA dla procesów złożonych z większej ilości operacji i bardziej skomplikowanych wyrobów, linearyzacja może powodować błędy – metoda wymaga dalszych prac w tym kierunku (Ding et al., 2002; Loose et al., 2007).

Próbując przezwyciężyć niektóre z ograniczeń metody SOVA, Agapiou et al. (2003) rozwijają ją i proponują metodę „QUALITY”, pozwalającą przewidywać błędy wyrobu, która:

ƒ uwzględnia wiele typowych przyczyn błędów obróbki, ƒ uwzględnia różne rodzaje błędów wyrobu,

ƒ wymaga posłużenia się programem komputerowym (3DCS) w celu wykonania symulacji propagacji błędów w procesie oraz w celu stworzenia modelu analizowanego wyrobu,

ƒ wymaga od użytkownika utworzenia modelu powstawania błędów obróbki – określającego wpływ rozpatrywanych czynników na błędy wyrobu – w ramach każdej z analizowanych operacji, dla każdego rozpatrywanego przypadku,

ƒ pozwala przewidzieć wielkość udziału poszczególnych przyczyn w całkowitej zmienności danej cechy jakościowej wyrobu.

Podsumowując, metody analizy zmienności w procesach wytwórczych oparte na podejściu „strumienia zmienności” (ang. Stream of Variation, SOVA):

ƒ dotyczą analizy propagacji zmienności w wieloetapowych procesach wytwórczych (montażu lub obróbki),

ƒ mogą być stosowane w procesach, w których błędy wyrobu są monitorowane automatycznie za pomocą współrzędnościowego systemu pomiarowego,

ƒ wymagają stworzenia i zastosowania modelu, wykorzystującego skomplikowany aparat matematyczny,

ƒ najczęściej uwzględniają jedynie błędy wymiarowe wyrobu,

ƒ uwzględniają pojedyncze przyczyny błędów obróbki, nie biorąc pod uwagę skomplikowanych zależności zachodzących pomiędzy tymi przyczynami w rzeczywistych procesach.

ƒ skupiają się przede wszystkim na wskazaniu miejsca (operacji) w którym powstał błąd.

2) MVA (ang. Machining Variation Analysis) – czyli „analiza zmienności obróbki

skrawaniem”

Jest to narzędzie w postaci programu komputerowego, opracowane przy udziale naukowców z Massachusetts Institute of Technology, pozwalające w wyniku symulacji estymować dokładność i powtarzalność wyrobów na podstawie błędów obrabiarek (Puttre, 1998). Program ten:

ƒ wymaga od użytkownika wprowadzenia informacji dotyczących geometrii wyrobu oraz źródeł błędów związanych z analizowaną obrabiarką;

ƒ w wyniku symulacji pracy obrabiarki (ang. Virtual Machining) umożliwia przewidzenie kształtu przedmiotu obrobionego (biorąc pod uwagę jego błędy wymiarowe i geometryczne), uwzględniając konsekwencje określonych wcześniej źródeł błędów, dzięki czemu pomaga w optymalizacji projektu obrabiarki.

3) Error budgeting (ang.) – czyli „budżetowanie” bądź „planowanie” błędów

Jest to systematyczne podejście do przewidywania i kontroli całkowitych błędów obrabiarki i dokładności przedmiotów obrabianych, tak aby żaden ze składników błędu nie przekroczył specyfikacji. Na pojęcie error budgeting składają się dwa zagadnienia (Ramesh

et al., 2000a; Zhu, 2008):

ƒ analiza („error budget analysis”, wnioskowanie „w przód”) – polegająca na przewidywaniu wpływu całościowych błędów geometrycznych obrabiarki na dokładność wyrobu, przy znanym lub założonym rozkładzie błędów obrabiarki;

ƒ synteza („error budget synthesis”, wnioskowanie „w tył”) – polegająca na przypisaniu ogólnych zmienności wymiarowych (geometrycznych) wyrobu poszczególnym elementom obrabiarki.

Na podstawie metody error budgeting możliwe jest takie zaplanowanie dopuszczalnych poziomów każdego z analizowanych błędów obrabiarki, aby osiągana w efekcie zmienność wyrobów nie przekraczała dopuszczalnych granic.

Przedstawiane w literaturze przykłady error budgeting dotyczą wyłącznie błędów obróbki wynikających z błędów obrabiarki i skupiają się na jej błędach geometrycznych i kinematycznych. Przy wykorzystaniu tej metody zakłada się, że błędy wymiarowe wyrobu odpowiadają wprost błędom geometrycznym obrabiarki. Inne przyczyny błędów obróbki (zarówno te związane z obrabiarką, jak i pochodzące z innych źródeł, takich jak proces czy narzędzie), oraz inne rodzaje błędów wyrobu (np. błędy powierzchni) nie są tu uwzględniane.

Podsumowując, można stwierdzić, że metody całościowego modelowania i symulacji zmienności w procesach produkcyjnych:

ƒ wymagają znajomości zależności występujących pomiędzy modelowanymi błędami obróbki a czynnikami wpływającymi na ich powstawanie,

ƒ skupiają się na przewidywaniu skutków zachodzących oddziaływań, a także identyfikacji operacji, w której powstał dany błąd, jednak nie wskazują bezpośrednich przyczyn powstających błędów obróbki.

2.4.3. Podejście polegające na wskazywaniu potencjalnych przyczyn błędów obróbki,