تحمل ups 501: فراتر از تناسب مکانیکی و طراحی پیش بینی کننده

Refresh Fundamentals: پشته Tolerance چیست؟

شما احتمالاً در اولین تکالیف درس مهندسی مقدماتی خود در یک مجموعه ساخته شده، پشته‌های تحمل را انجام داده‌اید، که ممکن است به نوعی بی‌معنی به نظر برسد، زیرا در واقع مونتاژی نیست که شما ساخته‌اید و بنابراین موفقیت = اعتبار دوره. اکنون شما در دنیای واقعی هستید و یک پشته تحمل جامد می تواند تفاوت بین موفقیت و شکست باشد.

مفهوم اصلی پشته های تحمل جمع و تفریق ساده است. با هر پشته ای که می پرسید: آیا تغییرپذیری که من به طور طبیعی از قسمتی به قسمت دیگر در مونتاژ خود دریافت می کنم منجر به نقص در طراحی من می شود؟

این فراتر از این است: 1) آیا قطعات من با هم جا می شوند/برمی روند 2) آیا اجرا می شود 3) آیا مراحل (1) و (2) می توانند به طور مکرر انجام شوند. هنگامی که بیشتر مردم در مورد پشته های تحمل صحبت می کنند، احتمالاً فقط به یکی از این مراحل می پردازند،

اما هر سه جایی است که باید به آن برسید!

برای مثال، ممکن است بپرسید:

آیا دیسک انکودر چرخان خیلی نزدیک به گیرنده PCB من خواهد بود یا خیلی دور؟
آیا میخ مربع در سوراخ گرد قرار می گیرد؟

بیایید با یک مثال ساده شروع کنیم.
با یک مثال ساده شروع کنید: ریل خطی

در اینجا چند نمونه CAD وجود دارد که به ما کمک می کند تا فرآیند پشته تحمل را شروع کنیم: یک ریل خطی از GrabCad. بنابراین بیایید وانمود کنیم که باید پشته های تحمل را برای این مجموعه انجام دهیم - از کجا شروع کنیم (و به یاد داشته باشید که این بیشتر در مورد فرآیندی است که برای شما به عنوان یک مهندس طراح نتایج قابل تکرار دارد)؟
شکل 1: GIF مونتاژ

زیرسیستم ها را خراب کنید

اولین کاری که دوست دارم با یک مشکل بزرگ انجام دهم این است که آن را به یک سری مشکلات کوچکتر یا زیرسیستم ها تقسیم کنم. چگونه این کار را انجام می دهید؟ گاهی اوقات یک روش فوق العاده منطقی وجود دارد و بعضی روزها فقط چیزی را انتخاب می کنید و شروع می کنید. امروز، ما آن را به صورت زنده انجام می دهیم (لی-روی جنکینز!) پس بیایید وارد شویم.

در شکل زیر زیرسیستم های این ریل خطی را مشاهده می کنید:
شکل 2: زیرسیستم خراب می شود

ایجاد نقشه های تعاملی

روش دیگر برای تجزیه چیزها، ایجاد نقشه های تعامل بین زیرسیستم ها یا قطعات خود است. اگر در یک فن‌آوری یا تیم تازه کار هستید، این می‌تواند مکان بسیار خوبی برای شروع باشد، تا به شما کمک کند که چه چیزی چیست و شما را راهنمایی کند: « به این نکته توجه کرده‌ام » یا « می‌توانید توضیح دهید که چرا اینگونه است » - همه مشاهداتی که شما را در مورد OCD مهندسی « چرا » سریع‌تر می‌کند ؟  

به عبارت ساده تر، این سر، شانه ها، زانوها و انگشتان پای پشته های تحمل است. از خود بپرسید: چه چیزی به چه چیزی مرتبط است؟

در ادامه مثال، اجازه دهید ریل بالایی را برای شروع در نظر بگیریم ( من می دانم که نام آن هوشمندانه است ).
شکل 3: تصویر تعاملات ریل بالا

از این شکست سریع حداقل چند تعامل آشکار بین ریل بالا و سایر قسمت ها را می بینم. شما همچنین می توانید از "نمای انفجاری" در Solidworks استفاده کنید. و یک بار دیگر، به یاد داشته باشید که شما فقط در حال تلاش برای به دست آوردن درک آنچه در مونتاژ به عنوان نقطه شروع است، هستید.
شکل 4: تعاملات نمای انفجاری

هنگامی که یک تصویر تعاملی ساده را تنظیم کردید، می‌خواهید با نگاه کردن به هر خط تعامل مشخص کنید که کدام تعاملات به پشته تحمل نیاز دارند. احتمال زیادی وجود دارد که یک پشته تحمل در خط تعامل وجود داشته باشد. یکی دیگر از دلایل خوب برای استفاده از این روش این است که به شما و مهندس کیفیت شما در انجام کارهای تکراری روی DFMEA (تجزیه و تحلیل اثرات حالت‌های شکست طراحی)  کمک می‌کند .

بیایید با نگاه کردن به شاسی (تصویر بنفش) و ریل بالایی شروع کنیم. اگر در حال انجام یک پشته تحمل هستید، در تلاشید تا یک ریسک را کاهش دهید، بنابراین اعتبار آن را در نظر بگیرید! خطرات از طریق یک محاسبه دستی، یک شبیه سازی یا یک آزمایش کاهش می یابد (گاهی اوقات هر سه مورد، بسته به ریسک).

تعاملات عمیق تر را تعیین کنید

در زیر یک مقطع برای یک منطقه تمرکز می‌گیرم و شروع می‌کنم به این فکر کنم که چه چیزی ممکن است اشتباه پیش برود یا در کجا تعاملات عمیق‌تری وجود دارد.
شکل 5: مقطع
شکل 6: GIF صفحه مقطع
کارت امتیاز پشته تحمل خود را ایجاد کنید

در مرحله بعد، یک جدول به عنوان مبنای هر پشته تحمل "کارت امتیاز" ایجاد کنید. این در نهایت یک لیست بزرگ از پشته های تحمل خواهد بود که می تواند منجر به نوعی ریسک نسبت به طراحی شود - اعم از عملکرد یا مونتاژ ساده.
نام     توضیحات     شکست(ها)     Cpk
TR-1     عرض شیار ریل بالا تا عرض باله راهنمای پایه شاسی     عرض باله بیش از حد گسترده است - در TR Groove جا نمی شود. باعث سنگ زنی روی ریل به پایه شاسی می شود؛ باله خیلی باریک – n/a     2 قسمت مناسب
TR-2     رزوه مرکز ریل بالا به پیچ     پیچ جا نمی شود یا نخ نمی خورد     2 قسمت مناسب
TR-3     عرض سطح اریب چرخ راه آهن بالا تا فاصله چرخ های مخروطی شاسی     خیلی باریک - شاسی می تواند از مسیر خارج شود؛ خیلی عریض - شاسی حرکت نمی کند یا به آرامی حرکت نمی کند     TBD
TR-4     عرض سطح مخروطی چرخ ریل بالایی تا ارتفاع چرخ مخروطی شاسی     خیلی باریک - شاسی حرکت نمی‌کند یا به آرامی حرکت نمی‌کند؛ خیلی عریض - شاسی پایین‌تر از حد انتظار می‌نشیند (ممکن است باعث برخورد یا سقوط از مسیر شود)     TBD
TR-5     سطح پرتو مرکزی داخلی ریل تا پایین فاصله باله شاسی     باله خیلی بلند - شاسی حرکت نمی کند یا به آرامی حرکت نمی کند؛ باله خیلی کوتاه - n/a     TBD
جدول 1: کارت امتیاز پشته تحمل

توجه: در واقعیت، ریل‌های بالا و شاسی در این مثال همه اجزای خارج از قفسه هستند، بنابراین نیاز به انجام این کار برای تجزیه و تحلیل CpK غیرممکن است. فقط این را به عنوان یک مثال در نظر بگیرید!

در جدول بالا ممکن است "CpK" را دیده باشید و فکر کرده باشید "چه چیزی؟" سپس ادامه خواندن!
Cpk چیست؟

Cpk یک اندازه‌گیری آماری است که به شما می‌گوید یک فرآیند معین چقدر توانایی دارد. می‌توانید در اینجا در ISIXSIGMA وارد فرمول‌های nitty gritty شوید . در حالی که یک Cpk به شما اطلاعاتی در مورد آنچه فرآیند در آینده قادر به انجام آن است می دهد (با فرض اینکه در حالت کنترل آماری باقی بماند)، یک Ppk به شما می گوید که فرآیند در گذشته چگونه انجام شده است . دلیل اینکه نمی توانید از Ppk به عنوان یک معیار پیش بینی استفاده کنید این است که فرآیند در حالت کنترل نیست. مقادیر Cpk و Ppk زمانی که فرآیند در کنترل آماری باشد تقریباً یکسان خواهند بود زیرا سیگما و انحراف استاندارد نمونه یکسان خواهند بود (آزمون F).

در اینجا یک تفکیک بیشتر از تفاوت بین Cpk و Ppk آمده است:
Cpk:

    فقط برای تغییرات در زیر گروه ها حساب می شود
    هیچ گونه تغییر و جابجایی بین زیر گروه ها را در نظر نمی گیرد
    گاهی اوقات "قابلیت بالقوه" نامیده می شود زیرا پتانسیل یک فرآیند را برای تولید قطعات در مشخصات منعکس می کند (با فرض اینکه هیچ گونه تغییری بین گروه های فرعی در طول زمان وجود نداشته باشد)

Ppk:

    تنوع کلی بین تمام اندازه گیری های انجام شده را در نظر می گیرد
    از نظر تئوری شامل تغییرات درون زیرگروه ها و همچنین تغییر و جابجایی بین آنها می شود
    جایی است که در پایان روز ضرب المثل هستید

قرار دادن Cpk در عمل: مثال گاراژ

پس بیایید این تعاریف را عملی کنیم تا آن را بیشتر درک کنیم.
شکل 7: توضیح گرافیکی Cpk

در این مثال، گاراژ محدودیت های مشخصات را تعریف می کند و خودرو خروجی فرآیند را تعیین می کند. اگر ماشین فقط کمی کوچکتر از گاراژ است، بهتر است آن را درست در وسط گاراژ (مرکز مشخصات) پارک کنید اگر می خواهید تمام ماشین را در گاراژ قرار دهید.

اگر ماشین عریض‌تر از گاراژ باشد، مهم نیست که آن را در مرکز قرار داده باشید. مناسب نخواهد بود (Cpk کمتر از 1).  

اگر ماشین خیلی کوچکتر از گاراژ باشد (فرایند شش سیگما)، مهم نیست که آن را دقیقاً در وسط پارک کنید. مناسب خواهد بود و شما در هر دو طرف فضای زیادی دارید.

اگر فرآیندی دارید که تحت کنترل و با تغییرات کمی است، باید بتوانید ماشین را به راحتی در گاراژ پارک کنید و در نتیجه الزامات را برآورده کنید.

Cpk رابطه بین اندازه ماشین، اندازه گاراژ و اینکه چقدر ماشین را از وسط گاراژ پارک کرده اید، به شما می گوید. خود مقدار را می توان به عنوان مقداری در نظر گرفت که فرآیند (خودرو) می تواند قبل از رسیدن به نزدیکترین حد مشخصات (لبه درب گاراژ) گسترده شود.

    Cpk = 1/2 به این معنی است که شما نزدیکترین لبه در را خرد کرده اید و آن آینه ها از بین رفته اند (اوه!)
    Cpk = 1 به این معنی است که شما فقط نزدیکترین لبه (آینه) را لمس می کنید.
    Cpk = 2 به این معنی است که عرض شما می تواند 2 برابر قبل از لمس کردن افزایش یابد
    Cpk = 3 به این معنی است که عرض شما می تواند 3 برابر قبل از لمس کردن افزایش یابد

پس چرا به هر حال این کار را انجام می دهیم؟

خوب، اکنون که توضیح دادم Cpk چیست و چگونه به پیش بینی پایداری طراحی شما کمک می کند، فرآیند فکری سطح بعدی این است که... چرا؟ شما پشته تحمل را انجام می دهید - عالی - اما چرا در وهله اول این کار را انجام می دهید؟

این به این دلیل است که شما احتمالاً نگران چیزی هستید، که از نظر مهندسی یک ریسک است. یکی از اولین گام ها این است که حالت ریسک و/یا شکست خود را توصیف کنید. چه اشکالی در طراحی شما وجود دارد؟ به عنوان مثال:

    آیا انگشت می تواند نیشگون بگیرد (خطر جزئی/متوسط)؟  
    آیا ممکن است انگشت قطع شود (خطر جدی)؟
    آیا قطعات کوچکی دارد که می تواند باعث خفگی/مرگ کودک شود (خطر حیاتی)؟
    آیا می تواند باعث سقوط کل هواپیما و ایجاد تلفات گسترده (یک رویداد فاجعه آمیز) شود؟  

همه این سطوح و تعاریف می توانند شرکت به شرکت و صنعت متفاوت باشند. مرحله بعدی تعیین میزان احتمال وقوع این خطر است.

و فلش خبری: در اولین مرحله از این کار شما به عنوان مهندس فقط یک حدس تحصیلی می کنید . در سازمان های بزرگتر یک تیم کامل برای بررسی سطوح ریسک وجود دارد. اما وظیفه شما به عنوان مهندس این است که همیشه ریسک را کاهش دهید (حفاظت از کاربر، محافظت از کسب و کار، محافظت از محصول). این موارد همچنین می توانند غیر ایمنی نیز باشند. آنها می توانند شامل عملکرد اساسی، رضایت مشتری، شهودی بودن و موارد دیگر باشند.

به عنوان مثال، اگر خودروها یا اسلحه‌ها مطابق با استانداردهای دستگاه‌های پزشکی نگهداری می‌شوند، با توجه به استفاده نادرست یا ناتوانی کاربر در کنترل استفاده مورد نظر از محصول برای به دست آوردن نتیجه مطلوب از طراحی، یادآوری می‌شوند.
ارتباط مناطق ریسک با نتایج Cpk مطلوب

دو جدول بعدی من "مناطق خطر" را به نتایج Cpk مطلوب شما مرتبط می کند.
جدول 2: نمودار منطقه خطر
جدول 3: Cpk به نمودار شدت خطر

با نگاهی به این دو نمودار، می توانید ببینید که Cpk چگونه با احتمال وقوع یک ریسک ارتباط دارد!

(خوب، اینجا مکث کنید تا به نمودارها نگاه کنید، بخش‌ها را دوباره بخوانید، بگذارید در آن غرق شود...)

اگر این را می‌دانید، به پشت خود ضربه بزنید—تازه سطح خود را بالا برده‌اید!  
شکل 8: ماریو Level Up

پشته های تحمل مجموع مجموع ریشه

Mmmk، بازگشت به پشته های تحمل…

در مرحله بعد می خواهیم به یک مثال در دنیای واقعی از یک مشتری Fictiv برویم که برای تعیین علت اصلی یک مشکل مناسب نیاز به پشته تحمل داشت.

در مثال، ما در مورد پشته های تحمل RSS (ریشه مجموع مجذور) صحبت می کنیم، زیرا تقریباً هر مهندس به یک صفحه گسترده دسترسی دارد.

قبل از شروع چند نکته سریع برای پشته های RSS:

    فرمول های RSS به احتمال زیاد از آلفا = 1 استفاده می کنند (این می تواند تغییر کند؛ مقاله را ببینید)
    نرمال بودن در نظر گرفته شده است (شما باید در نهایت این را بررسی کنید، زیرا زباله در = زباله خارج می شود)
    شما به حداقل 3 بعد یا بیشتر نیاز دارید. RSS برای دو قسمت مناسب کار نمی کند. (اگر باید دلیل آن را بدانید، این مقاله از استاد دانشگاه واشنگتن فریتز شولز را بخوانید و کمی ریاضی انجام دهید)

شکل 9: فرمول RSS calc; ازروش های تحلیل پشته تحملتوسط فرتیز شولز

برای اطلاعات بیشتر در زمینه تحمل سطح پایه، این عرشه اسلاید را از یک کارگاه Fictive بررسی کنید .
مثال دنیای واقعی: پشته های تحمل برای یک محصول قیمت قابل حمل

بسیار خوب، بدون هیچ مقدمه ای، این شیرجه به نمونه دنیای واقعی!

دوست من Zach از Sonny به من اجازه داده است تا برخی از تصاویر محصول خود را که در حال توسعه است به اشتراک بگذارم ( ایندیگوگوی او را اینجا ببینید ).
قیمت قابل حمل سانی

این محصول در لغزش قوطی مایع به داخل دستگاه دچار مشکل شده است. GIF را ببینید و در تصویر زیر بزرگنمایی کنید.
شکل 10: حرکت کشویی قوطی به داخل محفظه (سمت چپ)
شکل 11: قوطی (خاکستری)، یقه (خاکستری تیره)، درب (سبز)

مرحله اول در اینجا انجام یک پشته تحمل به عنوان یک علت اصلی است. این پدیده دیده شده است که قوطی گیر می کند/گیر می کند یا ترجمه آن سخت است.

بنابراین من یک مشکل مهندسی دارم که نرخ وقوع آن "احتمال" است (همانطور که در 10 دستگاه اول دیده شده است) و اگر این شکست در یک محصول فروخته شده یا در خط تولید رخ دهد، دستگاه را بی استفاده می کند. بنابراین از منظر محصول این "جدی" است.

بنابراین با حرکت به نمودار Cpk (جدول 2)، به ستون "جدی" می روم. با نگاه کردن به رنگ‌های مختلف، می‌خواهم در منطقه سبز "قابل قبول" یا منطقه زرد "تا حد امکان پایین" باشم. اگر نمی توانید وارد این مناطق شوید، احتمالاً به این معنی است که یا تغییر در طراحی یا نوعی مرحله در فرآیند تحویل به تیم سازنده برای کاهش/کنترل ریسک لازم است. به همین دلیل است که هر چیزی در مناطق نارنجی یا قرمز نیاز به بررسی داخلی تیم/مدیریت یا بررسی تیم کارکردی متقابل دارد تا همه را در جریان قرار دهد و راه حلی بیابد.
شکل 12: هیچ چیز رایگان نیست

به طور خلاصه این مراحل من است:

    برای کنترل کامل ریسک، باید یک محاسبه و/یا آزمایشی را با طراحی همانطور که هست انجام دهم تا پیشرفت رو به جلو ثابت کنم (یا تغییر طراحی را انجام دهم تا مشکل را برطرف کنم؛ گاهی اوقات اگر بتوانم CpK 1.33 یا بهتر را دریافت کنم، فهمیدن اینکه پشته تحمل من از منظر "calc" به پایان رسیده است.
    من یک مقطع از قوطی را می‌گیرم و نشان می‌دهم که نمی‌خواهم کلاهک "سبز" بتواند فراتر از سطح کشویی بدنه قوطی اصلی (که با فلش‌های بنفش من نشان داده شده است) بیرون بیاید.
    من حلقه را با انجام روش پشته تلرانس کامل می کنم.

می‌توانید کتاب کار رایگان محاسبه پشته تحمل ما را به عنوان الگویی برای انجام پشته‌های تحمل خود از اینجا دانلود کنید.
شکل 13: سطح مقطع مجموعه قوطی
شکل 14: حلقه پشته تحمل
شکل 15: نتایج پشته تحمل

هنگامی که حلقه ها را انجام می دهید، تصویر خود را ایجاد می کنید و باید به یاد داشته باشید که باید یک جهت را انتخاب کنید (در مورد من برای این یکی، سمت چپ مثبت است). چیزهایی که تداخل دارند منفی هستند.

در این مثال، من از نقشه‌هایی که قبلاً ایجاد شده‌اند (یا CAD در صورت عدم وجود) اقداماتی انجام می‌دادم و از پشته‌های تحمل استفاده می‌کردم تا بررسی کنم که آیا نقشه‌ها تمام اطلاعات کاربردی را دارند یا خیر. سلول‌های «نارنجی» در جدول برای من این بود که به خاطر بیاورم که آنها در نقاشی نیستند - به این معنی که ریسک مدیریت نمی‌شود. راه مدیریت ریسک افزودن به نقشه خواهد بود. سپس سعی می شود ریسک کنترل شود.

در این طراحی شما همچنین باید محدودیت هایی را برای تجزیه و تحلیل Cpk خود تعیین کنید. آنچه در هنگام تعیین محدودیت ها باید درک شود این است که بسیار خاص به مشکل مستقیمی است که می خواهید حل کنید یا شرایطی که با فلش های خود مشخص کرده اید. شما به دنبال شکاف هستید و فاصله باید بزرگتر از 0 باشد، به طوری که اگر منفی بود، کلاهک بدنه قوطی را نمی کشید.

بنابراین از نظر تئوری اگر قسمت از بین می رفت، شکاف بی نهایت بود اما نمی کشید بنابراین این یک راه حل نظری برای مشکل است. اما برای این می‌توانستم بگویم USL (حد بالای مشخصات) من 5، 1 است—تا زمانی که بزرگ‌تر از 0 باشد واقعاً مهم نیست. بنابراین محدودیت مشخصات پایین‌تر (LSL) من، خوب، 0 است.
شکل 16: نتایج Cpk

از نتایج می‌توان دید که محدودیت مشخصات پایین‌تر در 1.58 محاسبه می‌شود. این کاملاً چیزی نیست که من برای بازنشستگی خطر نیاز دارم.

در این مرحله ممکن است تعجب کنید که اعداد داخل نمودار به چه معنا هستند. اینها «اینفلوئنسرها» هستند و اگر شما تجزیه و تحلیل CETOL یا vis-vsa را انجام می‌دادید، آن نرم‌افزارهای پشته تحمل سه‌بعدی با درصد به شما می‌گویند که کدام ابعاد نتیجه شما را هدایت می‌کنند. اگر از این ابزارها استفاده می کنید و چیزی را در جعبه می بینید که در مثال ما برابر یا بیشتر از 30٪ است، این یک بعد بحرانی فوری است! یک بار دیگر، هدف شما این است که سعی کنید این مشکل را با کنترل های نقشه مهندسی یا تغییر طراحی حذف کنید.

در اینجا دوباره نمودار Cpk به شدت خطر برای مرجع آمده است:

جدول 3: Cpk به نمودار شدت خطر

اکنون که با تحمل‌هایم اشتباه کرده‌ام، می‌بینم که به نتیجه مطلوب نمی‌رسم. بنابراین چگونه می توانم بفهمم که چه کاری باید انجام دهم؟ من معادله خود را محاسبه می کنم تا مشخص کنم به چه چیزی نیاز دارم:
شکل 17: معادلات Cpk (تا حد ممکن پایین)

اکنون می‌دانید که فاصله اسمی شما چقدر باید باشد تا طراحی خود را در منطقه «تا حد امکان پایین» قرار دهد. می توانید این کار را برای Cpk 2 (اسمی = 0.3162 میلی متر) تکرار کنید و اگر خطر دیگری ایجاد نکرد، آن را انجام دهید. آن را حذف کنید و از " چرا این کار را کردید؟" اجتناب کنید؟ ' زنگ شرمساری از تیم تولیدی شما چهار ماه دیگر نگاه کنید.
شکل 18: مهندس ساخت شما زمانی که پشته های تحمل را انجام نمی دهید

اگر فردی هستید که نیاز به تقویت کلامی دارید، لطفاً به وبینار ما بپیوندید که در آن به تفصیل توضیح خواهیم داد! و اگر به ساخت آن قطعات CNC با تحمل سخت نیاز دارید، Fictive را بررسی کنید .