ГОСТ Р ИСО 16337-2023
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Статистические методы
ПРИМЕНЕНИЕ К НОВЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ И ПРОЦЕССУ РАЗРАБОТКИ ПРОДУКЦИИ
Робастное проектирование допусков (RTD)
Statistical methods. Application to new technology and product development process. Robust tolerance design (RTD)
ОКС 03.120.30
Дата введения 2024-03-01
Предисловие
1 ПОДГОТОВЛЕН Закрытым акционерным обществом "Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем" (ЗАО "НИЦ КД") на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 4
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 125 "Применение статистических методов"
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 сентября 2023 г. N 968-ст
4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ИСО 16337:2021* "Применение статистических методов к новым технологиям и процессу разработки продукции. Робастное проектирование допусков (RTD)" (ISO 16337:2021 "Application of statistical and related methods to new technology and product development process - Robust tolerance design (RTD)", IDT).
ИСО 16337:2021 разработан Техническим комитетом ТК 69 "Применение статистических методов" Международной организации по стандартизации (ИСО).
Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2012 (пункт 3.5).
При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА
5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.rst.gov.ru)
Введение
Разработчик обычно определяет требования к продукции и передает их в производство для использования при изготовлении. Требования к продукции, предусмотренные проектом, включают номинальные значения и допуски для составных частей и/или элементов продукции. Оптимальные номинальные значения параметров объекта определяют с помощью робастного параметрического проектирования (RPD), а оптимальные допуски определяют с помощью робастного проектирования допусков (RTD).
Сначала применяют RPD в соответствии с ИСО 16336, а затем - RTD. В RPD основные факторы шума используют для оценки робастности, измеряемой отношением сигнал/шум, которое представляет изменчивость показателей продукции. Это мера сопоставления робастности по уровням управляющих факторов. RPD определяет комбинацию значений проектных параметров объекта как оптимальное условие RPD, позволяющее минимизировать изменчивость, т.е. максимизировать робастность объекта.
В соответствии с настоящим стандартом RTD представляет собой метод выбора степени отклонения параметров составных частей и элементов объекта сточки зрения изменчивости при оптимальном условии RPD, т.е. комбинации оптимальных номинальных значений конструктивных параметров. Если изготовленная продукция имеет отклонения от расчетных номинальных значений, выход продукции будет отклоняться от проектного значения. Отклонение проектного параметра должно быть меньше предусмотренного проектом предела погрешности, чтобы выход продукции оставался в пределах предусмотренной изменчивости. Поэтому на проектные параметры необходимы допуски.
Проектирование объекта может быть завершено путем установки оптимальных пределов погрешности на проектные параметры с помощью RTD. Ожидаемое отклонение выходов продукции, изготовленной с отклонениями в составных частях и элементах, может быть оценено с помощью RTD. После использования RPD для определения набора оптимальных значений параметров проектирования с целью проверки того, является ли оцененная изменчивость меньше целевой дисперсии при оптимальном условии RPD, используют RTD.
Метод RPD может быть использован для установления оптимальных номинальных значений конструктивных параметров без увеличения производственных затрат, в то время как метод RTD тесно связан с производственными затратами. Меньшие допуски, означающие использование высокоточных составных частей и элементов, приводят к более высоким затратам, и наоборот. Для завершения проектирования объекта рассматривают стоимость его изготовления. Для преобразования преимуществ, полученных вследствие улучшения качества, в денежную сумму, как и затрат, используют функцию потерь качества метода Тагути.
Затраты на улучшение и выгода от улучшения качества должны быть сбалансированы при определении допусков. Методы RPD и RTD вместе обеспечивают экономически эффективный способ оптимизации конструкции объекта.
Если RPD не может обеспечить изменчивость продукции меньше целевой, допуски на параметры конструкции уменьшают для снижения изменчивости, но следует учитывать: меньшие допуски приводят к более высоким затратам.
Однако, если RPD может обеспечить изменчивость продукции, существенно меньшую, чем целевая, допуски параметров конструкции увеличивают для снижения производственных затрат, таким образом, большие допуски приводят к снижению затрат.
Продукция, изготовленная с оптимальными номинальными значениями конструктивных параметров и допусками на них, устойчива к воздействию факторов шума в условиях эксплуатации после отгрузки. Робастная продукция сводит к минимуму потери пользователя вследствие дефектов, отказов и проблем с качеством.
1 Область применения
В настоящем стандарте установлено руководство по применению робастного проектирования допусков (RTD), основанного на применении методов Тагути, обеспечивающее завершение проектирования продукции.
Примечание 1 - RTD применяют к целевой продукции для установления оптимальных допусков на конструктивные параметры вокруг их номинальных значений. Метод RTD выявляет влияние отклонений контролируемых параметров конструкции на выходные показатели продукции и оценивает общее отклонение выходных данных продукции при изменении допусков. Таким образом, RTD обеспечивает целевую изменчивость выходных параметров с точки зрения робастности, изготовления и стоимости.
Примечание 2 - Допуск представляет собой максимально допустимую погрешность значения конструктивного параметра в производственном процессе. В идеальном мире составные части и элементы каждого объекта имеют номинальные значения конструктивных параметров. Однако фактическое производство не может воспроизводить точные номинальные значения конструктивных параметров для всей продукции. Реальные объекты имеют отклонения в значениях параметров их составных частей и элементов. Предполагается, что эти отклонения находятся в пределах установленных допусков.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использована нормативная ссылка на следующий стандарт [для датированной ссылки применяют только указанное издание ссылочного стандарта, для недатированной - последнее издание (включая все изменения)]:
ISO 16336, Applications of statistical and related methods to new technology and product development process - Robust parameter design (RPD) [Применение статистических методов к новым технологиям и процессу разработки продукции. Робастное параметрическое проектирование (RPD)]
3 Термины и определения
В настоящем стандарте применены термины по ИСО 16336, а также следующие термины с соответствующими определениями.
ИСО и МЭК ведут терминологические базы данных для использования в области стандартизации по следующим адресам:
- платформа онлайн-просмотра ИСО: доступна по адресу: http://www.iso.org/obp;
- Электропедия МЭК: доступна по адресу: http://www.electropedia.org/.
3.1 допуск (tolerance): Разность между верхней и нижней границами требований.
3.2 робастное проектирование допусков; RTD (robust tolerance design RTD): Способ установления оптимальных допусков с точки зрения робастности, изготовления и стоимости.
4 Робастное проектирование допусков
4.1 Общие положения
Метод RTD используют при проектировании для установления оптимального допуска для каждого конструктивного параметра и изготовления продукции в соответствии с проектом, что оценивают на основе общего отклонения выходных параметров продукции. Допустимое отклонение конструктивного параметра - это максимально допустимое отклонение параметра от его номинального значения в производственном процессе, и оно тесно связано со стоимостью изготовления продукции.
Оптимальные номинальные значения конструктивных параметров могут быть определены с помощью робастного параметрического проектирования (RPD) с измерением робастности в виде отношения сигнал/шум [1]. Настоятельно рекомендуется выбрать робастную продукцию путем установления номинальных значений в качестве оптимальных значений с использованием RPD до применения RTD. Метод RPD может оптимизировать целевую продукцию за счет выбора оптимальной комбинации номинальных значений конструктивных параметров с точки зрения изменчивости выходных данных продукции без увеличения затрат [2].
Если RPD не может достичь целевой изменчивости, RTD используют для определения возможных допусков для достижения целевой изменчивости даже при более высоких затратах. Меньшие допуски приводят к меньшей вариабельности, но это требует модернизации составных частей и элементов продукции, что приводит к более высокой стоимости ее изготовления. Метод RTD используют для исследования баланса между качеством продукции и затратами на ее улучшение.
Даже если RPD обеспечивает достижение целевого отклонения, в некоторых случаях RTD используют для определения допусков, превышающих рассматриваемые в RPD. Большие допуски означают большую вариабельность, и, если увеличенная вариабельность удовлетворяет целевой вариабельности, применяются большие допуски, так как они приводят к снижению затрат на изготовление продукции.
Целью RTD является достижение целевой изменчивости путем установления оптимальных допусков с точки зрения робастности, изготовления и стоимости. Для этой цели RTD оценивает общую дисперсию выходных данных спроектированной продукции, если изменяется допуск конструктивного параметра. Общую дисперсию можно оценить на основе дисперсионного анализа (ANOVA).
|  |
а) Линейная зависимость от x параметра F | б) Изменение общей дисперсии |
Метод RTD состоит из двух этапов.
1) Проведение эксперимента RTD: сбор данных о разработанной продукции и анализ данных для определения зависимости выходных данных продукции от конструктивных параметров.
2) Определение допуска: определение оценки общей дисперсии при изменении допуска и сопоставление влияния такого изменения на качество с затратами на изменение, определение оптимального допуска.
В процессе экспериментов RTD собирают выходные данные спроектированной продукции, в которой имеются отклонения конструктивных параметров, и оценивают общую дисперсию и ее зависимость от конструктивных параметров. План эксперимента при проектировании используют для сбора данных при различных комбинациях изменения конструктивных параметров. Результаты ANOVA показывают влияние изменения конструктивных параметров на выходной показатель продукции. Выходной показатель продукции имеет целевую дисперсию с точки зрения робастности изготовления продукции.
В экспериментах RTD конструктивные параметры выбирают в качестве факторов шума. Фактор шума - это экспериментальный фактор, который учитывают в эксперименте с целью оценки его изменчивости. Затем оценивают дисперсию линейного влияния отклонения конструктивных параметров.
Отклонения конструктивных параметров приводят к изменчивости выходных показателей продукции. Если отклонение конструктивного параметра оказывает линейное влияние на выходной показатель продукции, его дисперсия может быть изменена путем переустановки допуска на конструктивный параметр. Эксперименты RTD используют для определения вкладов влияния отклонений конструктивных параметров в выходной показатель продукции.
На этапе определения допуска оценивают дисперсию выходного показателя продукции при переустановке допуска, и разработчик выбирает оптимальный допуск для достижения целевой дисперсии выходных данных. Оптимальный допуск может быть определен на основе баланса качества и затрат, связанных с изменением допуска [3].
4.2 Эксперимент RTD
4.2.1 Генерация данных
Эксперимент RTD используют для определения линейного влияния конструктивных параметров проектируемой продукции. Исследуют взаимосвязь между выходными данными продукции и отклонениями конструктивных параметров. Выходные данные могут быть сгенерированы тремя способами:
1) с использованием теоретической формулы;
2) на основе экспериментов с реальной продукцией;
3) с помощью имитационного эксперимента.
Если известна теоретическая взаимосвязь между выходными данными продукции и конструктивными параметрами, выходные данные могут быть непосредственно рассчитаны для различных комбинаций значений конструктивных параметров. Метод RTD предлагает применение многофакторного плана в качестве плана эксперимента для генерации выходных данных в различных комбинациях уровня экспериментальных факторов, как показано в примере (1) в разделе 5. Для анализа зависимости выходных данных продукции от факторов используют ANOVA.
В этом случае может быть применен математический анализ. Математический анализ состоит в использовании оценок дисперсии системы путем, например, распространения входной дисперсии по системе с помощью разложений в ряд Тейлора функций, генерирующих моменты [4].
Если может быть сконструирована реальная продукция, ее можно использовать для экспериментов, а выходные данные могут быть собраны посредством фактического эксперимента. Однако во многих случаях трудно установить предполагаемые уровни отклонения конструктивных параметров в реальной продукции, поскольку уровни шума не представляется возможным контролировать в пределах распределения отклонений конструктивных параметров. В таких случаях можно использовать имитационные эксперименты, которые часто применяют в RTD. Программа моделирования позволяет получить выходные данные продукции, как показано в примере (2) в разделе 6.
4.2.2 План эксперимента для сбора данных
Эксперимент RTD используют для сбора выходных данных проектируемой продукции при различных комбинациях конструктивных параметров. Существует много конструктивных параметров, и для создания различных комбинаций используют многофакторный план эксперимента. Целью эксперимента RTD является определение основных воздействий экспериментальных факторов. Для сбора данных в качестве многофакторного плана эксперимента рекомендуется использовать ортогональный план, поскольку это эффективный способ сбора данных эксперимента RTD.
Ортогональный план может уменьшить количество экспериментов по сравнению с полным факторным планом для одного и того же количества факторов и определить максимальное количество факторов в плане для одного и того же количества экспериментов. Основные влияющие факторы могут быть оценены при условии сбалансированного сочетания уровней других факторов. Выбор ортогонального плана зависит от количества факторов и их уровней [3].
Номер графы | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | Выходные |
(фактора) | A | B | C | D | E | F | G | H | данные |
1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |  |
2 | 1 | 1 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |  |
3 | 1 | 1 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 | 3 |  |
4 | 1 | 2 | 1 | 1 | 2 | 2 | 3 | 3 |  |
5 | 1 | 2 | 2 | 2 | 3 | 3 | 1 | 1 |  |
6 | 1 | 2 | 3 | 3 | 1 | 1 | 2 | 2 |  |
7 | 1 | 3 | 1 | 2 | 1 | 3 | 2 | 3 |  |
8 | 1 | 3 | 2 | 3 | 2 | 1 | 3 | 1 |  |
9 | 1 | 3 | 3 | 1 | 3 | 2 | 1 | 2 |  |
10 | 2 | 1 | 1 | 3 | 3 | 2 | 2 | 1 |  |
11 | 2 | 1 | 2 | 1 | 1 | 3 | 3 | 2 |  |
12 | 2 | 1 | 3 | 2 | 2 | 1 | 1 | 3 |  |
13 | 2 | 2 | 1 | 2 | 3 | 1 | 3 | 2 |  |
14 | 2 | 2 | 2 | 3 | 1 | 2 | 1 | 3 |  |
15 | 2 | 2 | 3 | 1 | 2 | 3 | 2 | 1 |  |
16 | 2 | 3 | 1 | 3 | 2 | 3 | 1 | 2 |  |
17 | 2 | 3 | 2 | 1 | 3 | 1 | 2 | 3 |  |
18 | 2 | 3 | 3 | 2 | 1 | 2 | 3 | 1 |  |
В таблице 2 показан пример установки уровней факторов для RTD, в котором верхняя и нижняя допустимые разности одинаковые. Уровни факторов устанавливают вокруг номинального значения m на ширину уровня d. Номинальное значение m устанавливают на оптимальное значение RPD с точки зрения робастности. Ширину уровня d устанавливают исходя из фактического стандартного отклонения конструктивного параметра, если оно известно.
Таблица 2 - Пример установки уровней факторов для RTD
Фактор | 1 | 2 | 3 |
A |  |  | - |
B |  |  |  |
C |  |  |  |
D |  |  |  |
E |  |  |  |
F |  |  |  |
G |  |  |  |
H |  |  |  |
4.2.3 Дисперсионный анализ
ANOVA используют для определения линейного влияния факторов и соотношения их вкладов в общую дисперсию.
Для вычисления влияния факторов вычисляют сумму данных для каждого уровня фактора:
В таблице 3 приведены рассчитанные суммы данных.
Таблица 3 - Суммы данных для каждого уровня фактора
Фактор | Сумма данных | ||
Уровень 1 | Уровень 2 | Уровень 3 | |
A |  |  | - |
B |  |  |  |
C |  |  |  |
D |  |  |  |
E |  |  |  |
F |  |  |  |
G |  |  |  |
H |  |  |  |
Для двухуровневого фактора (A):
основное влияние фактора A:
Для трехуровневого фактора (например, B):
влияние каждого трехуровневого фактора разделено на две части: линейный член и квадратичный член.
Общее влияние фактора B:
(15)
Следующее соотношение необходимо для проверки вычислений.
Влияние факторов также рассчитывают для других трехуровневых факторов - факторов C-H.
Результаты расчетов ANOVA приведены в таблице 4.
Таблица 4 - Результаты расчетов ANOVA
Источник | f | SS | V |
A | 1 | 
| 
|
Bl | 1 |
| 
|
Bq | 1 |
| 
|
Cl | 1 | 
| 
|
Cq | 1 | 
| 
|
Dl | 1 | 
| 
|
Dq | 1 | 
| 
|
El | 1 | 
| 
|
Eq | 1 | 
| 
|
Fl | 1 | 
| 
|
Fq | 1 | 
| 
|
Gl | 1 | 
| 
|
Gq | 1 | 
| 
|
Hl | 1 | 
| 
|
Hq | 1 | 
| 
|
e | 2 |  |  |
T | 17 |  |
Если линейный член фактора меньше, чем член ошибки, его объединяют с влиянием ошибки.
Если квадратичный член фактора мал по сравнению с линейным членом и сопоставим с членом ошибки, его объединяют с влиянием ошибки.
Если квадратичный член фактора велик по сравнению с линейным членом, его не включают в ошибку, так как он может иметь зависимость более высокого порядка, чем линейная. Допуск этого фактора не может быть изменен без дополнительных исследований.
Таблица 5 - Объединенный ANOVA: линейные влияния факторов и коэффициенты их вклада
Источник | f | SS | V | S’ |  |
A | 1 |  |  | 
|  |
Bl | 1 | | | 
|  |
Cl | 1 | |  | 
|  |
Dl | 1 | |  | 
|  |
El | 1 |