Delist.ru

Методологические основы обеспечения качества систем машиностроения, включающие человеческий фактор (на примере сварных конструкций) (07.09.2007)

Автор: Коробцов Александр Сергеевич

Рис.6 Методика создания плоскостных дефектов типа несплавления

По изложенным выше технологиям нашим университетом совместно с ЦНИИТМАШ разработана и изготовлена серия крупногабаритных образцов толщиной до 200 мм для всероссийской программы “Разработка методов повышения надежности оценки параметров технологических дефектов и обоснование применимости данных неразрушающего контроля в расчетах на прочность оборудования АЭС” (рис.7).

Практическое применение разработанные методики создания нормированных дефектов нашли также при изготовлении объектов контроля тренажерных средств, которые широко используются для объективной количественной оценки качества ультразвукового контроля при обучении и аттестации операторов, валидации методик контроля.

Разработка тренажерных средств

Отмечено, что с методических позиций тренажеры предназначены для выполнения двух основных функций. Во-первых, их задача – создать ситуацию, аналогичную той, что возникает в реальных условиях. Во-вторых, тренажеры оснащаются специальными средствами, что позволяет существенно расширить возможности формирования и оценки качества моторных навыков по сравнению с анализом на рабочем месте. Учитывая, что одним из недостатков при конструировании тренажеров является приоритет физического подобия над психологическим, при разработке тренажерных средств были проанализированы и учтены следующие психологические аспекты теории тренажеров:

- деятельность на тренажере должна не имитироваться, а моделироваться и психологически соответствовать реальной трудовой деятельности;

- навыки, формируемые на тренажере, должны не внешне, а по своей психологической структуре соответствовать трудовым навыкам;

- при формировании моторных навыков на начальных этапах обучаемому должна ставиться задача выполнять отдельные, входящие в данный навык движения с большими интервалами между ними, в дальнейшем время выполнения движений и интервалы следует укорачивать, добиваясь, чтобы ряд частных движений выступал как одно сложное движение;

- на результативность обучения значительное влияние оказывает наличие обратной связи, при этом важно, чтобы при обучении была возможность самооценки не только правильных, но и неправильных действий;

- при проектировании конструкции рабочего места тренажера, приспособлений важно учитывать эргонометрические рекомендации для учета физиологических и психических возможностей и особенностей человека.

Проанализированы разработанные в нашей стране и за рубежом специальные тренажерные средства для формирования и оценки навыков сканирования оператора УЗК на базе различных инструментальных средств и реальных элементов объектов контроля. К их числу относятся тренажер НК-157, разработанный НИИ мостов СПГУПС совместно с ИЭС им. Е.О. Патона и цифровой тренажер SIMONE, созданный в Британском центре неразрушающего контроля.

Достоинства данных средств обучения не вызывают сомнений. Однако более перспективным и универсальным представляется создание тренажерной системы для формирования навыков сканирования на базе стандартного персонального компьютера и планшетного дигитайзера (рис.8), позволяющих за счет своих технических возможностей и программного обеспечения значительно расширить области целенаправленного формирования и количественной оценки качества моторных навыков. Кроме того, возможности такой тренажерной системы реально постоянно расширять за счет модернизации программного обеспечения.

Размещается система на стандартном учебном столе. Поверхность планшетного дигитайзера используется в качестве рабочей поверхности объекта контроля. Имитатором ультразвукового преобразователя служит аналог мыши для персонального компьютера, выполненный по форме в виде реальной искательной головки. Технические возможности дигитайзера позволяют с высокой точностью определять и вводить в компьютер координаты положения искателя на его поверхности. Имеется возможность не только следить за перемещением искателя, но и создавать различные проблемные ситуации.

Для определения усилия прижатия в имитатор искателя помещен датчик давления, который позволяет фиксировать величину прикладываемого усилия и передавать соответствующую информацию в компьютер.

Разработано программное обеспечение тренажерной системы, которое состоит из ряда блоков, позволяющих проводить регистрацию обучаемого, рассчитывать основные параметры траектории сканирования, визуализировать на экране траекторию сканирования с оптимальными параметрами, фиксировать текущие параметры реализуемой траектории сканирования, анализировать отклонения от идеальной траектории, хранить и статистически обрабатывать полученную информацию. Работа системы предусматривает регистрацию скорости сканирования и визуализацию траектории по всей контролируемой зоне. Программный интерфейс предусматривает наличие диалогового меню, позволяющего регулировать амплитуду и шаг сканирования, положение и размеры рабочей зоны.

Рис. 8. Тренажерная система для выработки и оценки навыков сканирования

Показано, что данную тренажерную систему можно использовать для обучения, коррекции навыков и аттестации персонала. На стадии обучения появляется возможность целенаправленно формировать моторный навык сканирования для разных ситуаций: с предъявлением на экране дисплея траектории сканирования, “вслепую” (рабочая зона поверхности контроля не видна обучаемому), при ограничении времени, выделяемого на контроль изделия, при сканировании в разных пространственных положениях.

Проведены эксперименты, включающие различные способы обучения. Показателем качества работы выступал процент охваченной при сканировании площади зоны контроля. Установлено, что обучение с использованием шаблона траектории сканирования на поверхности дигитайзера оказалось недостаточно эффективным. Отслеживание траектории вызывало у обучаемого определенные трудности, поскольку искатель закрывает значительную часть отслеживаемой траектории. Наблюдалось снижение точности отслеживания движения, неравномерный охват участка сканирования по высоте. Отмечалось увеличение скорости перемещения искателя, что, вероятно, связано с тем, что при обучении с использованием шаблона происходит подмена целей обучения – главным становится сам процесс копирования. Обратные связи были выражены слабо. Этот вид обучения характеризовался высокой утомляемостью, высоким разбросом результатов, требовал длительных упражнений.

При обучении способом “в слепую” движения обучаемых характеризовались частой сменой темпа, аритмичностью, непостоянством амплитуды движений. Как правило, размах колебаний параметров сканирования превышал требуемый. Эксперименты показали, что этот способ целесообразней использовать для периодического контроля степени выработки моторных навыков сканирования.

Установлено, что способ обучения, при котором оператор имеет возможность корректировать свои действия, ориентируясь на изображение следа движения искателя на экране монитора, в большей степени, чем другие, за счет обратной связи позволяет оператору осуществлять самоконтроль в процессе обучения, сопоставляя совершаемые моторные действия с представленными оптимальными параметрами траектории сканирования. На основании такого сопоставления происходит на стадии обучения оценка всех правильных и неправильных действий и соответствующее в реальном времени их регулирование, т.е. целенаправленное формирование моторного навыка сканирования.

Операция сканирования, которую оператору УЗК приходится практически все время выполнять, представляет собой однообразную, монотонную деятельность. С целью выявления возможностей различных операторов УЗК эффективно ее выполнять разработан специальный тренажер на бдительность, объект контроля которого выполнен в виде диска с кольцевым сварным швом и закрыт кожухом. В кожухе сделано окно в форме сегментообразного выреза, обеспечивающее доступ оператору к поверхности контроля сварного соединения. С противоположной стороны зоны контроля диск контактирует с тремя источниками ультразвуковых сигналов, которые с помощью специального программного устройства включаются случайным образом по времени и последовательности на определенную длительность. Объект контроля крепится в центре к оси вращения, которая установлена в подшипниковые опоры. Вращение объекта контроля осуществляется от электродвигателя через зубчатую передачу. Это позволяет имитировать бесконечную протяженность сварного шва со случайным во времени редким событием: появлением эхо-сигнала, информирующем о наличии дефекта в зоне контроля. Работа на тренажере продолжается несколько часов, источники ультразвуковых сигналов включаются случайным образом относительно редко. Отношение количества пропущенных при контроле сигналов к числу поданных является квалификационной оценкой работы оператора в условиях монотонии. Получен патент на тренажер.

Разработан компьютеризированный тренажер-экзаменатор для обучения и комплексной оценки квалификации операторов УЗК сварных соединений. Наружное оформление тренажера имеет несколько модификаций в зависимости от объекта контроля и внешнего вида корпуса. В качестве объекта контроля в первых модификациях тренажера использовалось реальное сварное соединение, выполненное по штатной технологии и представляющее собой тело вращения в виде толстостенной трубы. В двух кольцевых сварных швах объекта контроля содержатся трещиноподобные дефекты заданных размеров и местоположения, созданные по разработанным и описанным выше технологиям. Внешний вид одной из модификаций тренажера представлен на рис.9.

Другая модификация компьютеризированного тренажера представлена на рис.10. Конструктивно тренажер выполнен в виде стола с плоскостью, наклоненной под углом 15(. В столе выполнено окно в форме сегмента, открывающее доступ к объекту контроля. Дефектоскоп устанавливается на верхнюю крышку корпуса тренажера.

В данном тренажере объект контроля представляет собой “плоский диск”, который крепится на центральной оси и приводится в движение от трехфазного двигателя через червячный редуктор. На переднюю панель корпуса тренажера выведен индикатор, показывающий угол поворота тест-образца. Шов в объекте контроля выполнен на диаметре 700 мм и содержит пятнадцать дефектов. Размеры, координаты дефектов и расстояние между ними выбиралось случайным образом, при этом минимальное расстояние между дефектами составляет 70 мм, максимальное - 230 мм.

Показано, что динамику процесса обучения можно отслеживать путем построения кривых обучаемости. Показателями качества приобретенных навыков оператора УЗК могут выступать среднее значение ошибки измерения амплитуды эхо-сигнала, стандартное отклонения ошибки измерения, среднее время Т, затраченное на измерение амплитуды эхо-сигнала от одного дефекта, количество найденных дефектов, погрешности определения координат дефектов.

Были проведены экспериментальные исследования с операторами различной квалификации. Каждый оператор работал на тренажере в течение недели по 6...8 ч в день, при этом стояла задача определить максимум амплитуды эхо-сигналов от различных по размеру искусственных дефектов, которые предъявлялись случайным образом. За время эксперимента операторы измеряли каждый дефект многократно (50-70 раз), что позволило провести статистический анализ полученных результатов.

Выявлено, что разброс измерений зависел от квалификации, индивидуальных особенностей испытуемых, дня эксперимента, особенностей дефектов. Кривая обучаемости характеризовалась тем, что в первые дни работы имел место значительно больший разброс значений измерений. К концу эксперимента разброс уменьшался, а среднее значение измеренной максимальной амплитуды сигнала стремилось к некоторому характерному для данного дефекта относительно стабильному уровню. Были зафиксированы у ряда операторов ошибки, связанные с невнимательностью, так называемые промахи, которые носили случайный характер и зависели от индивидуальных особенностей оператора. Отмечен факт недобраковки в зоне измерений двух близко расположенных дефекта разных размеров. Статистическая обработка результатов измерений максимальной амплитуды эхо-сигналов показала, что не зависимо от квалификации операторов в областях малой вероятности имеет место отклонение от нормального закона распределения.

Экспериментальные исследования на тренажере показали, что длительные перерывы в работе вызывают “забывание” навыков, что отражается на результатах контроля даже операторов высокого уровня квалификации. Чтобы продемонстрировать свой высокий класс им потребовалось определенное время тренировки для восстановления профессиональных навыков.

В рамках договорных обязательств комплексные тренажеры были изготовлены для AEA Technology (г. Ризли, Великобритания), ВНИИ АЭС (г. Москва), Невинномысского колледжа.

Gоведен критический анализ существующих показателей качества НК. Отмечено, что наиболее часто специалистами употребляются следующие термины, с помощью которых характеризуют качество работы как оператора НК, так и системы НК в целом: точность, достоверность, надежность, информативность и эффективность. Данные показатели часто употребляют весьма вольно и субъективно с качественных позиций (лучше-хуже, выше-ниже) на основе лишь информации о количестве выявленных дефектов, о погрешностях измерения параметров и координат отражателей, ошибок, допущенных операторами на различных этапах процесса контроля. При этом часто не оговариваются ни глубина залегания, ни размеры, ни ориентация выявленных отражателей. Показано, что некорректно сравнивать и надежность работы разных операторов, не оговаривая особенности проведения контроля, так как надежность оператора НК существенно зависит от многих объективных и субъективных факторов. Для сравнительного анализа различных систем контроля на практике находят применение следующие критерии: вероятность выявления дефектов при заданной эквивалентной площади, матрица достоверности, оперативная и оперативная относительная характеристики выявляемости дефектов, оперативная характеристика системы НК, информативность (в энтропийном представлении).

Очерчены области корректного применения перечисленных выше показателей и критериев качества НК. Показано, что не правомерно использование информативности в энтропийном представлении для количественной оценки результатов контроля тест-образцов с искусственными отражателями. Некорректно использование терминов ”точность”, “надежность”, “достоверность”, как количественных показателей качества неразрушающего контроля реальных объектов, пока не получена объективная информация о реальной дефектности объекта контроля. При оптимизации, сравнительном анализе различных систем НК и аттестации операторов данные показатели качества работы правомерно использовать только по результатам контроля испытательных образцов, содержащих искусственные отражатели известных размеров, формы и местоположения. Нет удовлетворительного количественного критерия.

Обосновано, что для сравнительной оценки качества контроля реальных объектов следует использовать показатель, который должен учитывать количество выявленных и вероятность выявления каждого типоразмера дефекта данной системой НК. Если испытательный образец содержит несколько типоразмеров искусственных отражателей, то за критерий результативности предложено принять интегральный коэффициент относительной выявляемости дефектов:

, где

- относительное количество выявленных дефектов типоразмера i .

- вероятность выявления дефектов типоразмером i данной системой.

n - количество типоразмеров искусственных отражателей в образце.

Если же при контроле тест-образцов имеют место факты перебраковки и недобраковки дефектов, то интегральный коэффициент относительной выявляемости дефектов не дает объективной оценки качества проведенного контроля. Предложен более комплексный критерий: интегральный показатель качества системы НК:

- Рпер - Рнед , где

- интегральный коэффициент относительной выявляемости дефектов,

Рпер - вероятность перебраковки, Рнед - вероятность недобраковки.

загрузка...