Методическое обеспечение автоматизации селективной сборки устройств гарантированного электропитания аппаратуры железнодорожной автоматики и телемеханики

Обоснование актуальности темы диссертации. Повышения качества и надежности аппаратуры железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ) в условиях возрастающих требований к уровню функциональности, безопасности железнодорожной техники (ЖТ) и снижения стоимостных показателей железнодорожных перевозок, является одной из важнейших задач. И хотя в настоящее время вопросам обеспечения надежности и качества при разработке и производстве аппаратуры ЖАТ уделяется пристальное внимание, в эксплуатацию продолжают поступать образцы, имеющие недостаточный уровень надежности [10,11,12]. Поэтому проблема обеспечения требуемых показателей надежности аппаратуры ЖАТ на основе комплексного и всестороннего совершенствования системы управления надежностью на всех стадиях жизненного цикла априорно относится к актуальным и имеет большую научную и практическую значимость.

Как уже было сказано, повышение качества электронной компонентной базы (ЭКБ) аппаратуры ЖАТ во многом зависит от внедрения современных методов статистического контроля качества в условиях мелкосерийного производства. Эффективное применение статистических методов контроля позволяет получить достаточно полную, достоверную и оперативную информацию для принятия своевременных и обоснованных решений по корректировке качества выпускаемой продукции, а также для согласования решаемых задач на различных этапах создания изделий требуемого качества и на различных уровнях иерархии управления [11, 43, 63]. Вышесказанное особенно важно применительно к проблеме обеспечения качества современной электронной компонентной базы аппаратуры ЖАТ.

В выпускаемых в настоящее время серийных образцах аппаратуры ЖАТ значительную долю составляют устройства гарантированного электропитания (УГЭП). Принимая во внимание энергетическую зависимость электронных элементов аппаратуры ЖАТ можно сделать вывод о том, что функциональная надежность аппаратуры ЖАТ в значительной степени определяется надежностью УГЭП.

Следует отметить, что в последние годы наметились две противоречивые тенденции.

С одной стороны, имеет место повышение требований к надежности каждого образца УГЭП аппаратуры ЖАТ, которое в первую очередь обусловлено увеличением скоростей и интенсивностей движения поездов, а также существенно возросшей ценой сбоя УГЭП, поскольку общее число выпускаемых устройств сокращается с одновременным увеличением количества функций, выполняемых каждым из них.

С другой стороны, наблюдается устойчивая тенденция снижения надежности УГЭП аппаратуры ЖАТ, т. е. увеличение числа отказов их образцов на испытаниях и эксплуатации. Данная тенденция также обусловлена одновременно несколькими причинами. Во-первых, неритмичная работа, а порой и длительная остановка предприятий промышленности, выпускающих микроэлектронную элементную базу из-за сокращения ее закупок, привели к утрате высокой, имевшей место ранее чистоты технологического процесса изготовления комплектующих УГЭП аппаратуры ЖАТ микроэлектронных элементов. Этот факт, в свою очередь, влечет значительное увеличение среди них количества потенциально ненадежных образцов, даже среди удовлетворяющих требованиям по значениям электрических параметров. Во-вторых, значительное усложнение выпускаемых УГЭП аппаратуры ЖАТ при одновременном снижении из-за оттока кадров высокого профессионального уровня разработчиков приводит к тому, что элементы УГЭП аппаратуры ЖАТ используются в них в предельных, а порой и в запредельных режимах эксплуатации. И, в-третьих, проводимый ранее входной контроль элементной базы на соответствие электрических параметров элементов УГЭП аппаратуры ЖАТ заданным в ТУ допускам, не позволяет отселектировать подходящие для изготовления конкретного УГЭП аппаратуры ЖАТ образцы, поскольку формальное выполнение предусмотренных ТУ допусков на электрические параметры элементной базы не гарантирует безотказную работу элементов УГЭП аппаратуры ЖАТ при предельных режимах и нагрузках.

Простое ужесточение требований при отбраковке потенциально ненадежных элементов УГЭП аппаратуры ЖАТ, проводимой по известным методикам, приведет к значительному их отсеву, что, с одной стороны, повлечет за собой недопустимое удорожание производства УГЭП аппаратуры ЖАТ, и с другой — не является оправданным, поскольку допустимые области значений параметров одного и того же элемента для различных УГЭП аппаратуры ЖАТ различаются. В итоге приходится вспомнить ранее запрещенный прием индивидуальной для каждого УГЭП аппаратуры ЖАТ селекции образцов комплектующих элементов, называемый далее селективной сборкой.

Однако, как показала многолетняя практика серийного выпуска элементов для УГЭП аппаратуры ЖАТ, а также анализ причин отказов УГЭП аппаратуры ЖАТ в процессе изготовления, испытания и эксплуатации (в 4 случаях из 10 причиной отказа изделия является выход из строя элемента [10, 12]), применение существующих методик входного контроля комплектующих элементов, основанных на статистической теории распознавания образов, без модернизации, учитывающей особенности селективной сборки, не является приемлемым. Учёт этих особенностей заключается в том, что необходимо рассмотреть многомерный случай (несколько контролируемых параметров), корреляцию параметров, а сам расчёт допусковой области в пространстве значений контролируемых параметров произвести с учётом технических характеристик каждого УГЭП аппаратуры ЖАТ.

Обобщая вышеизложенное можно заключить, что научное исследование, направленное на разработку методического обеспечения автоматизации селективной сборки УГЭП аппаратуры ЖАТ на основе положений статистической теории распознавания образов (СТРО), следует признать актуальным.

С учетом проведенного выше анализа может быть определена проблемная ситуация, сущность которой состоит в противоречии между практической необходимостью организации автоматизированной селективной сборки УГЭП при разработке, производстве и модернизации аппаратуры ЖАТ на основе статистической теории распознавания образов (СТРО) и отсутствием эффективных методик селекции элементов УГЭП аппаратуры ЖАТ, адекватно учитывающих условия мелкосерийного и технологически нестационарного производства аппаратуры ЖАТ.

С учетом результатов анализа состояния решаемой научной проблемы целью диссертации является создание методической основы автомата-зации селективной сборки УГЭП аппаратуры ЖАТ посредством разработки на основе положений СТРО методик, обеспечивающих реализацию селективной сборки УГЭП аппаратуры ЖАТ в условиях мелкосерийного производства.

Для достижения указанной цели необходимо провести исследование по следующим направлениям:

1. Разработка методического обеспечения селективной сборки УГЭП аппаратуры ЖАТ методами статистического распознавания.

2. Исследование возможностей и разработка путей обеспечения заданной достоверности селекции элементов УГЭП аппаратуры ЖАТ.

3. Создание информационного и программного обеспечения автоматизированного комплекса селекции элементной базы УГЭП аппаратуры ЖАТ.

4. Экспериментальная проверка теоретических результатов и выводов диссертации на основе проведения селективной сборки реальных изделий.

Таким образом, объектом исследований является система, предназначенная для автоматизированной селекции элементов УГЭП аппаратуры ЖАТ, а предметом — статистические методы параметрического контроля элементов УГЭП аппаратуры ЖАТ.

Исходя из сформулированных ранее противоречия и цели исследований решаемая в диссертационной работе научная задача может быть определена как задача разработки комплекса научно-обоснованных методик автоматизации селективной сборки УГЭП аппаратуры ЖАТ как основы функционирования автоматизированной системы селекции элементов при разработке, производстве и модернизации УГЭП аппаратуры ЖАТ.

Научная новизна и теоретическая значимость диссертационной работы состоит в том, что.

1) последовательная процедура параметрического контроля, позволяющая гарантированно ограничить риск потребителя при селективной сборке УГЭП аппаратуры ЖАТ, характеризующаяся тем, что положенное в ее основу решающее правило учитывает ограничения на апостериорные вероятности ошибок параметрического контроля состояния элементов УГЭП аппаратуры ЖАТ и тем самым позволяет ограничить риск отказа УГЭП на эксплуатации.

2) процедура обеспечения заданной достоверности селекции элементов УГЭП аппаратуры ЖАТ при обучении, отличающаяся от известных тем, что в ней рассмотрен многомерный случай, учтены корреляция контролируемых параметров и разрешающая способность измерительной аппаратуры, использование которой позволяет учитывать особенности селективной сборки;

3) методика обеспечения селективной сборки УГЭП аппаратуры ЖАТ, применение которой позволяет: экономно использовать элементную базу УГЭП аппаратуры ЖАТ, изготавливать надежную аппаратуру из элементов с большим разбросом электрических параметров;

Практическая значимость диссертационной работы обусловлена тем, что разработанные в ходе проведения исследований комплекс методик является научно-методической основой для реализации автоматизированной системы селекции элементов при разработке, производстве и модернизации УГЭП аппаратуры ЖАТ. Результаты работы нашли применение при проведении практических работ по автоматизации селективной сборки УГЭП аппаратуры ЖАТ, при разработке нормативных и методических документов в области задания, контроля и обеспечения требований к надежности и качеству УГЭП аппаратуры ЖАТ.

Основными результатами диссертационного исследования, выносимыми на защиту, являются:

1. Последовательная процедура параметрического контроля, позволяющая гарантированно ограничить риск потребителя при селективной сборке УГЭП аппаратуры ЖАТ.

2. Процедура обеспечения заданной достоверности селекции элементов УГЭП аппаратуры ЖАТ при обучении.

3. Методика обеспечения селективной сборки УГЭП аппаратуры ЖАТ.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, прежде всего, основывается на том, что анализ состояния и путей решения поставленной научной задачи проведен с учетом ее актуальности и потребности, обусловленных необходимостью решения важной проблемы, состоящей в повышении надежности УГЭП аппаратуры ЖАТ. Поставленная научная задача не противоречит общим законам природы. При формировании единого научно-методического подхода, составляющего основу решаемой задачи, были использованы методологические принципы, разработанные в трудах известных ученых в области надежности, качества и статистической теории распознавания образов.

Внедрение результатов исследований. Результаты диссертационных исследований (последовательная процедура параметрического контроля, позволяющая гарантированно ограничить риск потребителя при селективной сборке УГЭП аппаратуры ЖАТ, процедура обеспечения заданной достоверности селекции элементов УГЭП аппаратуры ЖАТ при обучении, методика обеспечения селективной сборки УГЭП аппаратуры ЖАТ) внедрены в виде методического обеспечения входного контроля качества ЭКБ аппаратуры ЖАТ в ПКТБ ЦТН ОАО «РЖД" — (методика обеспечения селективной сборки УГЭП аппаратуры ЖАТметодика определения области заданной надёжности в пространстве значений контролируемых параметров) внедрены при разработке требований к ЭКБ, используемой при разработке, производстве и модернизации аппаратуры ЖАТ, во ВНИИАС МПС России- (методика обеспечения селективной сборки УГЭП аппаратуры ЖАТ, методика определения области заданной надёжности в пространстве значений контролируемых параметров) внедрены в виде методического и программного обеспечения в процессе производства УГЭП аппаратуры ЖАТ в ООО «АБИТЕХ».

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на Международных, Всероссийских и отраслевых конференциях и научно-технических семинарах [55, 58, 59, 60, 61], а также на научно-технических советах.

Публикации по теме. По теме диссертации опубликовано 7 работ [55 — 61], из них имеется научно-техническая статья в рецензируемом научно-техническом журнале «Контроль. Диагностика» [56], в которой в соответствии с требованиями ВАК представлен наиболее важнейший результат диссертационного исследования.

Структура диссертационной работы. Работа состоит из введения, трех разделов, заключения и списка литературы.

Выводы.

1. Предложенная методика определения области заданной надежности в пространстве значений контролируемых параметров элементов УГЭП аппаратуры ЖАТ, в рамках которой, в отличие от известных, определяются не только области, характеризующие надежность элементов УГЭП аппаратуры ЖАТ, но и технические характеристики конкретных выпускаемых элементов, позволяет проводить выборочный входной контроль элементной базы, учитывающей особенности каждого УГЭП аппаратуры ЖАТ.

2. Применение разработанной методики обеспечения селективной сборки элементов УГЭП аппаратуры ЖАТ позволяет экономно использовать элементную базу УГЭП аппаратуры ЖАТ и изготавливать надежную аппаратуру из элементов с недопустимо большим для этих элементов разбросом значений электрических параметров.

3. Созданные информационное и программное обеспечения автоматизированного комплекса селекции элементной базы УГЭП аппаратуры ЖАТ позволяет в режиме реального времени осуществлять обработку измерений значений контролируемых параметров образцов элементов УГЭП аппаратуры ЖАТ и оперативно осуществлять селективную сборку УГЭП.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей диссертационной работе представлены материалы решения поставленной научной задачи разработки комплекса научно-обоснованных методик автоматизации селективной сборки УГЭП аппаратуры ЖАТ как основы функционирования автоматизированной системы селекции элементов при разработке, производстве и модернизации УГЭП аппаратуры ЖАТ.

Свойственное современному состоянию процесса разработки УГЭП аппаратуры ЖАТ противоречие, состоящее в диспропорции между высокими темпами роста сложности систем, оцениваемой количеством применяемых в них «активных» комплектующих элементов и ограниченными темпами роста надежности комплектующих изделий, обусловливает высокую актуальность проблемы обеспечения надежности аппаратуры ЖАТ.

Трудности в обеспечении требуемой надежности УГЭП аппаратуры ЖАТ возрастают вследствие чувствительности используемых при разработке, производстве и модернизации УГЭП аппаратуры ЖАТ элементов к режимным и эксплуатационным факторам, а также к недопустимым технологическим воздействиями.

В диссертации с целью повышения надежности УГЭП аппаратуры ЖАТ за счет снижения числа отказов их элементов, а также сокращения затрат на изготовление и производство решена задача научно-методического обеспечения автоматизации селективной сборки элементов УГЭП аппаратуры ЖАТ. При этом научная новизна и теоретическая значимость основных научных результатов диссертации обусловлена тем, что в ней разработаны:

1) последовательная процедура параметрического контроля, позволяющая гарантированно ограничить риск потребителя при селективной сборке УГЭП аппаратуры ЖАТ, характеризующаяся тем, что положенное в ее основу решающее правило учитывает ограничения на апостериорные вероятности ошибок параметрического контроля состояния элементов УГЭП аппаратуры ЖАТ и тем самым позволяет ограничить риск отказа УГЭП на эксплуатации;

2) процедура обеспечения заданной достоверности селекции элементов УГЭП аппаратуры ЖАТ при обучении, отличающаяся от известных тем, что в ней рассмотрен многомерный случай, учтены корреляция контролируемых параметров и разрешающая способность измерительной аппаратуры, использование которой позволяет учитывать особенности селективной сборки;

3) методика обеспечения селективной сборки УГЭП аппаратуры ЖАТ, применение которой позволяет: экономно использовать элементную базу УГЭП аппаратуры ЖАТизготавливать надежную аппаратуру из элементов с большим разбросом электрических параметров.

Дополнительно к перечисленным выше основным результатам диссертационного исследования получен ряд частных результатов, а также результатов, имеющих преимущественно практическую ценность. К ним можно отнести:

1) методику определения области заданной надежности в пространстве значении контролируемых параметров, которая отличается от известных тем, что в ней определяются не только области, характеризующие надежность элементов УГЭП аппаратуры ЖАТ, но и технические характеристики конкретных выпускаемых изделий, а ее использование позволяет проводить селекцию элементной базы, учитывающую особенности каждого конкретного УГЭП аппаратуры ЖАТ;

2) информационное и программное обеспечения автоматизированного комплекса селекции элементной базы УГЭП аппаратуры ЖАТ, позволяющие в режиме реального времени осуществлять обработку измерений значений контролируемых параметров образцов элементов УГЭП аппаратуры ЖАТ и оперативно осуществлять селективную сборку.

Практическая значимость диссертационной работы определяется тем, что разработанный в ходе проведения исследований комплекс методик является научно-методической основой для реализации автоматизированной системы селекции элементов при разработке, производстве и модернизации УГЭП аппаратуры ЖАТ. Результаты работы нашли применение при проведении практических работ по автоматизации селективной сборки УГЭП аппаратуры ЖАТ, при разработке нормативных и методических документов в области задания, контроля и обеспечения требований к надежности и качеству УГЭП аппаратуры ЖАТ.

Разработанные методики и процедуры использованы в ряде работ, проводимых в ПКТБ ЦШ, ООО «АБИТЕХ», ВНИИАС в интересах ОАО «РЖД», что позволило на 8 — 10% снизить число отказов элементной базы, на 10 -15% сократить затраты на изготовление и регулировку УГЭП аппаратуры ЖАТ, а также повысить надежность выпускаемых устройств в целом.