Управление технологическим процессом высокотемпературной пайки при производстве щелевых антенных решеток

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 радиоаппаратуры, 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 моделейподтверждается 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 XX 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.

Выводы по главе 4.

1. Порошок припоя для высокотемпературной припойной пасты должен иметь фракционный состав в пределах +100−300 мкм. Отечественный порошок требует доработки: нормализации путем обработки в шаровых мельницах (оптимально вибрационных торовых) в течение короткого времени (1−5 мин.) для очистки поверхности частиц порошка от мелкодисперсных пылевидных фракций и последующего рассева.

2. Установлено, что в качестве связки пасты следует использовать раствор полиизобутилена в уайт-спирите по концентрации № 1 при количестве связки в пасте 18−24% по массе., что обеспечивает оптимальные клеящие свойства и минимальное загрязнение сажистыми остатками при термическом разложении. Количество связки в пасте должно быть около 20% по массе.

3. Подтверждено, что припойная паста может наноситься точечно или в виде полосы. Перед высокотемпературной пайкой ЩАР необходимо собранное изделие просушивать при температуре 150 °C для полного испарения уайт-спирита. Выполнение этой операции предотвращает разбухание пасты при пайке и предотвращает осаждение сажистого налета.

4. Возникновение пористости паяного соединения связано с частичным вытеканием флюса из пасты под действием гравитации и недостаточным количеством флюса в тот момент, когда начинает плавиться припой. Основная же причина возможного возникновения пористости связана с отсутствием конвекционного обмена в печи и неравномерном нагреве изделия. Именно поэтому высокотемпературную пайку сложнопрофильных алюминиевых конструкций необходимо проводить в конвекционной печи с принудительной вентиляцией воздуха.

5. Время высокотемпературной пайки необходимо уточнять при технологической отработке на образцах-свидетелях для обеспечения качественной пайки без заметной эрозии алюминиевых деталей.

6. Показаны преимущества альтернативного варианта пайки сложнопрофильных изделий — пайки фольгой припоя с применением пастыфлюса на той же связке, что и припойная паста, наносимой с помощью пневматического дозатора (или устройств со шнековой подачей) при сборке изделия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации содержится решение научной задачи оптимизации характеристик плана операционного контроля при управлении технологическими процессами высокотемпературной пайки щелевых антенных решеток бортовых радиоэлектронных комплексов. В ходе исследования получены следующие результаты:

1. Показано, что технологические процессы изготовления деталей, сборки и высокотемпературной пайки щелевых антенных решеток бортовых комплексов радиоэлектронного оборудования характеризуются высокой трудоемкостью, существенными энергозатратами и значительными потерями на исправление брака.

2. Предложена и разработана методика структурирования функций качества антенных устройств бортовых комплексов, обеспечившая последовательное уточнение параметров изделия от вербальных характеристик до требований к технологии изготовления.

3. Предложены и обоснованы вероятностные модели технологических процессов сборки и пайки щелевых антенных решеток, характеризующие распределение контролируемых показателей качества при статистическом управлении.

4. Предложен и обоснован критерий эффективности управления технологическими процессами высокотемпературной пайки ЩАР по величине уровня брака за период между регулировками ПС.

5. Предложен и разработан стоимостный критерий эффективности СУТП, учитывающий затраты на контроль, регулировку и потери от брака.

6. Выполнен анализ потенциальных источников брака при производстве щелевых антенных решеток и оценка влияния параметров технологии высокотемпературной пайки ЩАР на стоимостные затраты, результаты которого позволили обосновать процедуру выбора характеристик плана выборочного контроля процессов по заданному предельно допустимому уровню брака.

7. Предложены и разработаны инженерные методики расчета характеристик плана выборочного контроля ПС с применением критерия брака за период между регулировками;

Разработанные модели вероятностного управления, методики расчета характеристик плана выборочного контроля внедрены в производство блоков и узлов бортового радиоэлектронного оборудования в ОАО «Холдинговая компания «Ленинец». Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.

Результаты внедрения моделей, методик, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертационной работе, позволило повысить эффективность производственных систем высокотемпературной пайки ЩАР посредством учета вариаций между партиями, случайного характера разладки, вида разладки, неточности уровня наладки, подтвердили эффективность и практическую реализуемость вероятностного управления технологическими процессами производства щелевых антенных решеток бортовых радиоэлектронных комплексов.