автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Автоматизация анализа процесса возникновения и ликвидации литейных дефектов

На правах рукописи

Лукьяненко Андрей Юрьевич

Автоматизация анализа процесса возникновения и ликвидации

литейных дефектов

05.13.01. - системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 Ш 2013

005541633

Волгоград-2013

005541633

Работа выполнена в Волгоградском государственном техническом университете на кафедре «Системы автоматизированного проектирования и поискового конструирования».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Воронин Юрий Федорович

Официальные оппоненты: Ханов Геннадий Валентинович,

доктор технических наук, профессор, Волгоградский государственный технический университет, кафедра «Начертательная геометрия и компьютерная графика», заведующий

Агеев Владимир Константинович, кандидат технических наук, ООО «АВК-система», директор

Ведущая организация Алтайский государственный технический

университет • ■

Защита диссертации состоится «18» декабря 2013г. на заседании диссертационного совета Д212.028.04, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по- адресу: 400005, г. Волгоград, проспект Ленина, 28.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан «1С» ноября 2013 г.

Ученый секретарь ^ак^^-у Водопьянов-Валентин Иванович диссертационного совета '

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Актуальной проблемой современной отечественной промышленности является качество литых изделий. Анализ различных по оснащенности и технологическому уровню литейных предприятий показал, что внутренний и внешний брак производимого литья на предприятиях существует в пределах 1040% от изготавливаемого. Ежегодно в России от получаемого брака теряется до 300 миллиардов рублей. Улучшение состояния производства с повышенным браком отливок требует системного изучения условий формирования дефектов отливок для предупреждения их возникновения.;.

Подготовка к производству отливки начинается с момента разработки технологического проекта, где определяются основные параметры производства литья. Следовательно, этапы разработки технологического проекта и возникновение брака отливок взаимосвязаны - нарушения при разработке технологического проекта сказываются на повышении дефектности отливок. Таким образом, решение проблемы повышения качества отливок на стадии разработки технологического проекта и организации производства являются очень важными вопросами.

Основная причина высокого брака заключается в отсутствии системы при разработке технологических проектов производства отливок и тем более при ликвидации брака литья. Тот или иной подход, эффективный в одной ситуации, может привести к возникновению брака в другой. Во многом не учитывается, что литейное производство является слабо-формализуемой системой. В связи с этим, важным этапом борьбы с дефектами является определение связей причины возникновения дефекта с этапом технологии изготовления отливки, на котором произошло возникновение дефекта. •.

Одним из наиболее важных преимуществ системного анализа является возможность применения его методов в различных областях знаний. Правильно построенная модель предметной области позволяет изучить ее структуру, элементы и взаимодействия между ними. Соответственно, появляется возможность определить на основе построенной модели возможные недостатки в функционировании системы и выявить способы ее усовершенствования.

Таким образом, актуальным является решение задачи объединения в общую систему причины возникновения различных групп и разновидностей дефектов, установление связей с технологией изготовления отливок и определение универсальных способов ликвидации дефектов.

Объектом исследования является технологический процесс изготовления отливок из железоуглеродистых сплавов.

Предметом исследования является методы автоматизации анализа процесса возникновения и ликвидации дефектов.

Предполагаемая гипотеза: применение современных информационных технологий позволит предупредить возникновение дефектов на стадии проектирования.

Цель исследования. Целью исследования является разработка автоматизированных информационных технологий анализа процесса возникновения и ликвидации дефектов.

Основные задачи исследования заключаются в следующем:

1) проанализировать наиболее часто встречающиеся дефекты отливок и определить связи между причинами возникновения дефектов и элементами технологического проекта;

a. определить наиболее часто встречающиеся группы дефектов отливок, выявить общие причины их возникновения,

b. выделить наиболее важные элементы технологии изготовления отливок, влияющие на возникновение дефектов отливок,

c. определить связи причин возникновения дефектов с элементами технологии изготовления отливок

2) разработать модель связей между причинами возникновения дефектов и элементами технологии изготовления отливок;

a. проанализировать известные модели представления знаний,

b. для каждой группы дефектов разработать модели возникновения дефектов из-за неверных решений в процессе разработки технологии производства отливки,

3) разработать метод предупреждения условий возникновения дефектов на этапе разработки технологического проекта на основе модели связей;

a. разработать алгоритм определения, возможности возникновения дефектов с применением процедуры поиска по модели связей между причинами возникновения дефектов и элементами технологии изготовления отливки,

b. подготовить список запросов к узлам семантической модели для реализации алгоритма свертки,

4) разработать метод определения способа ликвидации дефектов и реализовать его в виде автоматизированной системы;

a. разработать архитектуру и определить процедуры проектирования автоматизированной системы - расчетная подсистема, информационная подсистема, подсистема проверки знаний.

b. подготовить обучающие материалы и анимационные модели условий возникновения и ликвидации дефектов,

c. разработать схему оценки знаний пользователя по причинам возникновения и способам ликвидации дефектов,

с1. реализовать процедуры проектирования и разработать автоматизированную систему.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи были использованы методы системного анализа, искусственного интеллекта, математического моделирования, алгоритмизации, а также применялись положения из теории проектирования реляционных баз данных. Научная новизна результатов, выносимых на защиту:

1) разработан метод предупреждения условий возникновения дефектов на этапе разработки технологического проекта на основе модели связи между причинами возникновения дефектов и этапами технологии изготовления отливки;

2) разработан метод определения причин и способов ликвидации условий возникновения дефектов, возникших по причине ошибок при разработке технического проекта изготовления отливки, с применением анимационных моделей литейного процесса и причинно-следственных связей между этапами формирования дефекта отливок;

3) совместное применение логического и количественного моделирования условий ликвидации дефектов при разработке системы отработки технологии изготовления отливок.

Практическая ценность. Предложенные модели и алгоритмы реализованы в автоматизированной системе «Тренажер» (свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2012614830 30 мая 2012 г.). Разработанная обучающая методика используется при подготовке магистрантов факультета Технологии Конструкционных Материалов Волгоградского Государственного Технического Университета.

Положения, выносимые на защиту:

1) установленные связи между причинами возникновения литейных дефектов и элементами технологии изготовления отливки и представленные в виде семантическо-фреймовой модели;

2) метод определения возможности возникновения дефектов при конкретных параметрах технологического проекта изготовления отливок с использованием семантическо-фреймовой модели;

3) применение автоматизированной системы для анализа причин возникновения и способов ликвидации дефектов, а также повышения уровня знаний специалистов.

Реализация работы. Разработанная автоматизированная система используется при производстве отливки «Рама боковая» на предприятиях ОАО «Курганмашзавод», Рубцовском филиале ОАО «Алтайвагон», ОАО «НПК «Уралвагонзавод». Применение АС позволило повысить квалификацию инженеров-технологов на предприятиях и снизить брак изделий с 40 до 20%.

Апробация работы. Основные положения и материалы диссертации докладывались на конференциях: «Инновационные технологии в обучении и производстве», г Камышин, декабрь 2009г, «XIV региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области», г. Волгоград, ноябрь 2009г., «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании», г. Одесса, декабрь 2012г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 публикации в изданиях из перечня ведущих научных журналов ВАК, 6 тезисов докладов конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.

Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., проф. кафедры САПР и ПК ВолгГТУ Воронину Юрию Федоровичу,

консультанту к.т.н., преподавателю кафедры САПР и ПК Матохиной Анне Владимировне за помощь в выполнении диссертационной работы и научно-методическую поддержку.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи работы, методы решения, объект и предмет исследования, приведены основные результаты и научная новизна работы, описана структура диссертации.

В первой главе рассматривается состояние проблемной области -выявление и ликвидации литейных дефектов, определяется объект анализа — технология изготовления отливок из железоуглеродистых сплавов.

Технологический процесс изготовления отливок с точки зрения классификации по сложности структуры представляется как слабоструктурированная проблема, исходя из следующих положений:

- состав элементов и взаимосвязей между ними установлен только частично;

- содержит количественные и качественные элементы;

- число неформализуемых элементов велико и не позволяет полностью учесть их влияние на результат с помощью формул.

Наиболее эффективным способом решения задач данного класса является применение методологии системного анализа.

Приводятся основные проблемы предметной области:

- производство отливок сопряжено с возникновением литейных дефектов;

- устранение дефектов готовых изделий является трудоемким процессом и не в каждом случае позволяет достичь требуемого результата;

- количественные методы не позволяют полностью описать литейный процесс, т.к. на его протекание влияет множество качественных характеристик;

- одной из причин возникновения литейных дефектов является недостаточный уровень технологических знаний выпускников ВУЗов и работников предприятий.

Далее рассматривается технологический процесс изготовления отливок. Определяется необходимость решения задачи предупреждения возникновения дефектов отливок на этапе подготовки производства.

Технология изготовления отливок включает технологическую карту и сопроводительные чертежи элементов формы. Основными процедурами проектирования технологии является определение и расчет литниково-питающей системы, выбор режимов заливки и подбор холодильников, прибылей и вентиляционных систем, а также совершенствование проекта технологии по результатам пробных партий. Ошибки при проектировании технологии изготовления отливок, которые происходят по причине недостаточных знаний специалистов, могут возникнуть на каждом из этапов. Поэтому перспективным

направлением развития литейного производства, является разработка автоматизированных систем, позволяющих улучшить качество разрабатываемых технологий, предупредить возникновение дефектов на этапе подготовки производства, а так же повысить квалификацию сотрудников литейных цехов.

Проведя анализ информации о причинах возникновения дефектов в работах Б.Б. Гуляева, В.А. Ильинского, Ю.Ф. Воронина и др., было выявлены следующие недостатки описания литейных дефектов:

не рассматриваются существующие связи между характерными отличиями дефектов и причинами их возникновения;

не выделены причины, влияющие на образование нескольких разновидностей дефектов;

- отсутствуют описания возникновения дефектов из-за неверных решений в процессе разработки технологии производства отливки;

сложные и приближенные расчеты технологических параметров изготовления отливки, не дающие возможности их использования в литейной практике.

Важным наблюдением является то, что различные группы дефектов имеют общие связи причин возникновения и способов ликвидации. Наибольший интерес представляют работы Ю.Ф. Воронина, в которых представлены цепочки причинно-следственных связей возникновения дефекта, а также графовые модели способов их ликвидации. В связи с этим была поставлена задача - объединить в общую модель причины возникновения различных групп и разновидностей дефектов, установить связи с технологией изготовления отливок и определить универсальные способы ликвидации дефектов. Полученная модель должна быть представлена в виде методики бездефектного изготовления отливок, которая может стать основой экспертно-обучающей системы.

Во второй главе проводятся характеристики и сравнительный анализ известных методик представления знаний - продукционной, логической, сетевой и фреймовой моделей. Приводятся основные особенности анализируемой информации (описания процессов возникновения и ликвидации дефектов):

- сложная формализация элементов знаний;

- наличие казуальных (причинно-следственных) связей;

- наличие атрибутивных связей;

- наличие качественных и количественных характеристик;

- наличие позитивных и негативных характеристик;

- наличие характеристик вида «целое-часть», «род-вид».

Целью анализа предметной области является установление связей между элементами технологии изготовления отливки и браком в конечном изделии и определение способа ликвидации брака. Таким образом, в разрабатываемой модели можно выделить два уровня - технология изготовления отливки и процесс возникновения дефекта.

При описании технологии изготовления должны быть выделены основные ее элементы, их количественные и качественные характеристики и варианты их

реализации. Соответственно наиболее подходящей для анализируемых данных является фреймовая модель, позволяющая в структурированном виде описать характеристики различных типов элементов знаний. С другой стороны при описании процесса возникновения дефекта должны быть выделены основные причины и этапы этого явления. Для представления таких данных наиболее удобной является семантическая сетевая модель, которая позволяет в графической наглядной форме представить последовательность событий, приводящую к возникновению дефектов. Кроме того сетевая модель позволяет изменять отдельные узлы сети, не изменяя полную структуру сети.

Таким образом, было принято решение о разработке гибридной семантическо-фреймовой модели, в которой связи между причинами возникновения дефектов и элементами технологического проекта представлены в сетевом виде, а характеристики элементов описаны в виде фреймов.

Представим модель в следующем теоретико-множественном описании:

Н = <1, Т, С, 0>, где

- I - множество информационных единиц (отличительные особенности дефектов, причины возникновения дефекта, элементы технологии изготовления отливки);

- Т - тип описания информационной единицы (фреймовое или семантическое описание);

- С - множество связей между информационными единицами (казуальные, атрибутивные связи);

- О - отображение, задающее конкретные отношения из имеющихся типов С между элементами I (связи причин возникновения дефектов с элементами технологии изготовления отливок).

Элементы технологии изготовления отливки описываются в следующей фреймовой форме:

Б = <N,81,82, 83>, где

- N - имя фрейма (элемент техпроцесса);

- 81 - имя слота (характеристика элемента техпроцесса);

- 82 - тип слота (текст, список, целое, вещественное, булево, диапазон, присоединенная процедура);

- 83 - значение слота.

Далее приводится фрагмент модели технологии изготовления на примере отливки «Рама боковая» (см. рисунок 1), семантической модели связи между причинами возникновения возможных дефектов этой отливки с элементами технологии изготовления отливки (см. рисунок 2). Семантическо-фреймовая модель включает в себя описание таких разновидностей дефектов, как усадочные дефекты, трещины, неспай, недолив и неметаллические включения.

ЧО

Ошивка Рама боковая

Технология изготоапеыия

Включает

Включает /шлючает]

Включает

Вегаипяционная система

Включает

ючность

Зависит

: система

:с\тслькэг

Включает /БшочаетВшочает\Вкшочает

Устройство для запивки металла

Шпакортс

Питатель

юссель

[мееттип

Литниковая воронка

Литниковая чаша

^УЯТДЕЫК ЕСЕН

С'ДСОрНЫЁ 1ТВК

Рисунок 1 - Фрагмент фреймово-семантической модели «Технология изготовления отливок»

Рисунок 2

Для наиболее эффективного использования разработанной модели предложен метод предупреждения возникновения дефектов. В основе метода лежит алгоритм определения возможности возникновения дефектов с применением процедуры поиска по семантической модели, представленный на рисунке 3.

Начало

т

Загрузка вопроса йзсписка

I

Ответ, согласно характеристикам \

¡' конкретного техпроцесса

.............1 —

.г

—-.Значение параметра влияет -на возникновение дефекту

Добавление причины возникновения дефектов в список узлов «родителей» и «детей»

Список узлов «родителей» и «детей» пуст? ,___

Поиск «родителей» для узлов-родителей, «детей» для узлов-Детей |

Пометка найденных узлов для вывода в результирующей модели

Очистка входящего списка узлов «родителей» и «детей», замена на найденные

-1

Формирование результирующей семантической модели на основе

отмеченных узлов.__

______

с

Конец

Л

Рисунок 3 - Алгоритм определения возможности возникновения дефектов

Для осуществления процедуры поиска по разработанной модели, составлен список вопросов по технологии изготовления отливки, каждый из которых связан

с определенным узлом семантической модели. Ответ на вопрос позволяет оценить влияние связанного элемента на процесс возникновения дефекта. Для хранения вариантов ответов вопросов было принято решение использовать фреймовое описание характеристик элементов технологии изготовления отливки, согласно модели, представленной на рисунке 2. В случае вопроса, описывающего количественную характеристику технологии изготовления отливки, для проверки ответа необходимо хранить эталонное значение, а также допустимое отклонение. Таким образом, достигается возможность определение связанной причины возникновения дефекта в случае превышения и недостижения эталонного значения.

После обработки ответов на вопросы и формирования списка причин возникновения дефектов из-за неверных решений на этапе разработки технологии, осуществляется поиск по семантической модели. Так как узлы, описывающие причины возникновения дефекта, являются центральными в модели, т.е. имеют как входящие, так и исходящие связи, необходимо осуществить для каждой причины два прохода по семантической модели, при котором отметить все другие узлы модели, связанные с данной причиной, для установления цепочки связей между элементом технологии изготовления отливки и разновидностью дефекта. При проходе «вверх» необходимо отмечать все узлы модели, непосредственно связанные с текущим узлом исходящими связями, а при проходе «вниз» - связанные входящими связями. Для выбранных таким образом узлов необходимо провести аналогичные действия и так далее, пока не будут получены конечные (не имеющий исходящих связей) и начальный (не имеющий входящих связей) узлы модели, таким образом, реализован рекурсивный алгоритм прохода по семантической сети.

После реализации рекурсивного алгоритма для каждой причины из списка, необходимо выбрать из исходной семантической модели все отмеченные узлы. Таким образом, получен подграф семантической модели, определяющий, какие дефекты могут возникнуть в готовом изделии по причине неверных решений при разработке технологии изготовления отливки. Соответственно, если скорректировать данные значения параметров технологического процесса изготовления отливки, возникновение дефекта будет предупреждено.

В результате автоматизирован процесс определения возможности возникновения дефектов в отливке при конкретных параметрах технологического проекта на этапе его разработки.

В третьей главе рассматривается метод определения способа ликвидации дефектов на основе модели связи между причинами возникновения дефекта и элементами технологии изготовления отливки для повышения качества выпускаемого литья, включающий в себя следующие этапы:

1) определение группы и разновидности дефекта;

2) изучение причин возникновения дефекта, согласно модели связей;

3) визуализация процесса возникновения дефекта, согласно семантической модели возникновения дефекта с указанием причин;

4) визуализация способа ликвидации дефекта, согласно семантической модели возникновения дефекта;

5) расчет параметров технологического процесса изготовления отливок без дефектов, согласно фреймовой модели технологии изготовления;

6) применение полученных рекомендаций в процессе производства отливки.

Метод является основой создания автоматизированной системы отработки технологии изготовления отливки «Тренажер». Главной задачей при разработке автоматизированной системы является максимально подробное представление описанных семантической моделью этапов формирования дефекта, которое в итоге поможет пользователю внести необходимые изменения именно в те элементы конструкции модельной оснастки и технологии производства, которые непосредственным образом влияют на образование дефекта конкретной отливки. Таким образом, фреймовое представление описания качественных и количественных характеристик элементов технологии изготовления отливки может быть реализовано в виде подсистем расчета и моделирования, а семантический граф формирования дефекта - в виде набора информационных статей, подробно описывающих каждую причину, приводящую к браку.

Для наиболее наглядного представления причинно-следственных связей при возникновении дефекта, было принято решение по разработке комплекта анимационных представлений процессов, происходящих в литейной форме при производстве отливок. В рамках этой задачи для каждого из рассматриваемых дефектов представлен процесс изготовления отливки с дефектами, описанный в семантической модели, с обозначением этапов формирования дефекта, а также измененный технологический процесс изготовления отливки с применением рекомендаций по предупреждению возникновения дефектов.

Архитектура системы (см. рисунок 4) включает два основных блока, представляющих два совместных подхода к ликвидации дефектов - логический и количественный:

1) «подсистема логической ликвидации дефектов». Логический подход основан на применении знаний пользователя и рекомендаций эксперта, в результате которых пользователь сам отвечает на вопрос о причинах возникновения и способах ликвидации дефекта. Каждый раздел подсистемы логической ликвидации дефектов снабжен графической и теоретической информацией, а также экспертными рекомендациями, сформулированными в результате работы над ликвидацией брака отливок на литейных предприятиях.

2) «подсистема количественного моделирования условий возникновения и ликвидации дефектов». Рассматриваемый подход к ликвидации дефекта основан на использовании набора автоматизированных систем расчета, моделирования и визуализации литейного процесса, а также применении экспертных систем. Этот подход хорошо применим в случае особенно сложных дефектов или недостаточных знаний пользователя.

Подсистема логической ликвидации дефектов

Модуль - Оценка знаний пользователя по способам ликвидации причин возникновения дефектов

Модуль - Построение цепочек причинно-следственных связей причин возникновения дефект^

Модуль -Оценка знаний пользователя по причинам возникновения. дефектов/

Подсистема -Интерактивное , . дерево литейных - дефектов \ у?

Анимационные представления

причин возникновения и способов ликвидации дефектов

Справочная информация о способах ликвидации дефектов

Цепочки причинно-следственных

связей возникновения и ликвидации

Справочная подсистема-Причины возникновения

дефектов /

Подсистема - Визуализация причин возникновения и способов' ликвидации дефектов с помощью анимационных представлений процессов, происходящих в литейной форме: '. у

Подсистема -Интерфейс-пользователя у

Подсистема количественной ликвидации дефектов4

Подсистема - Анализ газового режима литейной формы ^

Подсистема -Анализ процесса затвердеваниям

Подсистема- . Проектирование литниковой системы»*

Подсистема - Набор экспертных систем определения причин возникновения дефекту

1 {

Библиотека :

База данных База данных Библиотека эскизов

Металлов. смесей моделей литниковой..

—....... Ч_отливок^ системы и

База данных парных

связей условий зозникновения дефект

J

Рисунок 4 - Архитектура автоматизированной системы «Тренажер»

Далее приводится описание принципа работы основных модулей системы.

Интерактивное дерево литейных дефектов, представляющее собой иерархически выстроенный набор дефектов («дерево дефектов»), объединенных в группы и подгруппы по отличительным внешним признакам, и подсистема исследования типичных причин возникновения дефектов позволяют пользователю определить разновидность дефекта и изучить возможные причины его возникновения.

При изучении анимационных представлений процесса возникновения и ликвидации дефекта выделяются основные этапы формирования брака, определенные в модели связи причин возникновения дефектов и этапов технологии изготовления отливки. Эти этапы делятся на технологические и производственные. Разработанный комплект анимационных представлений процессов, происходящих в литейной форме, позволяет проследить поэтапно механизм возникновения дефектов при изготовлении отливок.

Эффективным способом, применяемым в системном анализе, описания влияния различных факторов на результат процесса является использование цепочек причинно-следственных связей. Таким образом, можно учесть, что наличие одной ошибки в технологическом процессе изготовления отливок может привести к появлению другой и т.д., последняя из них приведет непосредственно к образованию дефекта. Построив такую цепочку причинно-следственных связей, пользователь имеет возможность определить, какая из причин является ключевой

в возникновении дефекта, ликвидация которой приведет к изготовлению отливки надлежащего качества.

Одним из важнейших этапов технологии изготовления отливки является расчет литниковых систем. В результате анализа автоматизированных систем, позволяющих проектирование литниковых систем, Foundry Technology III и САПР «Отливка», сформированы требования к подсистеме проектирования литниковой системы:

1) расчет размеров основных элементов литниковых систем;

2) генерация чертежей элементов литниковой системы;

3) возможность сохранения и вывода на печать чертежей;

4) наличие справочных материалов о применении литниковых систем и возможных дефектов, которые возникают в случае ее неправильного проектирования.

Ключевой функцией подсистемы для пользователя является расчет и получение чертежей литниковой системы, а остальные функции используются по мере необходимости. Для расчета использовались методика Б.В. Рабиновича (для чугуна) и Г.М. Дубицкого (для стали). В литературе описывается расчет параметров литниковой системы при помощи номограмм (графиков), для использования в подсистеме они были преобразованы в аналитические формулы.

В итоге, в результате работы в системе пользователь получает полный набор информации о причинах образования дефекта, согласно семантической модели возникновения дефекта, рекомендации по его ликвидации. На основе фреймового описания присутствует возможность расчета параметров технологического процесса и формирования технической документации. Таким образом, автоматизирован анализ процесса возникновения дефектов и поиска способов ликвидации условий его возникновения.

В четвертой главе рассматривается набор автоматизированных систем, разработанных в рамках диссертационной работы, на основе анализа наиболее часто встречающихся дефектов на предприятиях литейной промышленности:

«Тренажер по повышению навыков изготовления отливок без окисленных газовых раковин»;

«Тренажер по повышению навыков изготовления отливок без холодных и горячих трещин»;

«Тренажер по повышению навыков изготовления отливок без усадочных дефектов»;

- «Тренажер по повышению навыков изготовления отливок без неметаллических включений»;

- «Тренажер по повышению навыков изготовления отливок без светлых газовых раковин».

Далее приводится описание работы пользователя с тренажерами при исследовании процесса формирования и ликвидации литейных дефектов, возникающих в отливке «Рама боковая», использующейся в качестве примера

анализа связей причин образования дефектов с элементами технологии изготовления отливок.

Первоначально происходит определение разновидностей дефектов, которые могут возникнуть в анализируемой отливке «Рама боковая», приводится описание их характерных отличительных особенностей и осуществляется проверка знаний пользователя в виде ответов на вопросы.

Далее рассматривается анимационная визуализация процессов, происходящих в литейной форме при изготовлении отливки. Приводится модель литейного процесса с возникновением дефекта и модель измененного процесса, при котором дефект будет ликвидирован. Например, на рисунке 5 представлен процесс, описывающий возникновение дефекта недолив.

Рисунок 5 — Описание процесса возникновения недолива

Так как возникновение дефектов отливки «Рама боковая» происходит в том числе из-за ошибок в расчете литниковой системы, воспользуемся подсистемой количественного моделирования условий возникновения и ликвидации дефектов, в частности, подсистемой «Расчет литниковых систем».

Приведен расчет литниковой системы для отливки «Рама боковая» с последующей генерацией чертежей. При расчете учитывалась масса отливки, толщина ее стенок, положение в форме, характеристики металла и т.д. В

итоге были получены следующие значения:

- продолжительность заливки металла - 29 секунд;

- начальный массовый расход металла - 40 кг/сек;

- площадь верхнего сечения стояка - 40 см2;

- суммарная площадь питателей - 41,6 см2;

- высота шлакоуловителя - 69 мм;

- ширина верхнего основания - 38,7 мм;

ширина нижнего основания - 55,3 мм.

Кроме количественных параметров литниковой системы были сгенерированы чертежи элементов литниковой системы. Рассмотрен чертеж чаши-нарощалы для заливки металла в форму, на котором имеется отбойник для задержки поступающих с металлом неметаллических включений и керамическая воронка для предупреждения размыва формы. Таким образом, возможно получение полного набора данных для создания литниковой системы, обеспечивающей отлавливание и задержку неметаллических включений в металле до места его подвода к питателям.

После определения способа ликвидации дефект заключительным этапом при работе с «Тренажером» является проверка знаний пользователя по способам предупреждения условий возникновения дефектов.

Таким образом, на примере использования Тренажера рассмотрена автоматизация выявления причин возникновения ряда дефектов отливки «Рама боковая» и определения пути их ликвидации - необходимые изменения технологического проекта, в т.ч. совершенствование литниковой системы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 На основе анализа причин возникновения брака отливок на металлургических предприятиях разработана семантическо-фреймовая модель связей между причинами возникновения дефектов и элементами технологии изготовления отливки.

2 Автоматизирован процесс анализа параметров технологического проекта для определения возможности возникновения литейных дефектов:

- предложен алгоритм определения возможности возникновения дефектов при конкретных решениях в технологическом проекте изготовления отливок;

- разработана структура базы данных для проверки параметров технологического проекта и определения причин возникновения дефектов;

- реализовано приложение для определения возможности возникновения дефекта в зависимости от параметров технологического процесса.

3 Разработана автоматизированная системы отработки технологии изготовления отливок "Тренажер" для анализа причин возникновения и способов ликвидации дефектов:

- разработаны архитектура и алгоритм работы системы;

- разработан и реализован в виде подсистемы способ изучения процесса возникновения дефектов на основе анимационных представлений процессов, происходящих в литейной форме при производстве отливок, отображающих путь возникновения дефекта, определенный в семантической модели;

- разработана подсистема расчета литниково-питающих систем для отливок из чугуна и стали.

Список публикаций

Статьи в ведущих журналах, рекомендуемых ВАК для публикации диссертаций

1. Лукьяненко, А.Ю. Применение семантической сети для анализа процесса возникновения и ликвидации литейных дефектов / Лукьяненко А.Ю., Воронин Ю.Ф., Матохина A.B. // Известия ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах". Вып. 17 : межвуз. сб. науч. тр. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - № 14 (117). - С. 4651.

2. Лукьяненко, А.Ю. Обучающая автоматизированная система «Тренажёр» для выработки навыков бездефектного литья / Лукьяненко А.Ю., Воронин Ю.Ф. // Качество. Инновации. Образование. - 2013. - № 3. - С. 25-27.

3. Системное выявление условий возникновения и ликвидации течи отливки / Воронин Ю.Ф., Воронин С.Ю., Лукьяненко А.Ю., Сухоносова В.Ю. // Литейщик России. - 2010. - № 2. - С. 10-13.

Статьи в зарубежных журналах, сборниках

4. Изучение условий возникновения "трещины" в радиусе R55 отливки "рама боковая" / Воронин Ю.Ф., Матохина A.B., Лукьяненко А.Ю., Клевцов A.B. // Вагонный парк (Украина). - 2013. - № 2. - С. 18-20.

5. Клевцов, A.B. Изучение условий возникновения "трещины" в радиусе R55 отливки "рама боковая" / Клевцов A.B., Воронин Ю.Ф., Лукьяненко А.Ю. // Сборник научных трудов SWorld : матер, междунар. науч.-практ. конф. «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2013» (19-30 марта 2013 г.). - 2013. - Вып. 1, т. 6. - С. 3-5.

6. Лукьяненко, А.Ю. Семантическая модель технологии изготовления отливки / Лукьяненко А.Ю. // Сборник научных трудов Sworld по материалам междунар. науч.-практ. конф. "Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании '2012". - 2012. - Т. 13, № 4. - С. 34-38.

Статьи в прочих журналах, сборниках

7. Лукьяненко, А.Ю. Проектирование литниковой системы, обеспечивающей бездефектное изготовление отливок / Лукьяненко А.Ю., Воронин Ю.Ф. // Инновационный малый бизнес как основа модернизации региональной экономики : [матер.] межрегион, молодёжной науч. конф. (11-12 марта 2011 г.) / ГОУ ВПО "Калмыцкий гос. ун-т" [и др.]. - Элиста, 2011. - С. 54-57.

8. Лукьяненко, А.Ю. Тренажёр для выработки навыков бездефектного изготовления отливок. Расчёт литниковых систем / Лукьяненко А.Ю., Воронин Ю.Ф. // Инновационные технологии в обучении и производстве : матер. VI всерос. науч.-практ. конф., г. Камышин, 15-16 дек. 2009 г. В 6 т. Т. 4 / ГОУ ВПО ВолгГТУ, КТИ (филиал) ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - С. 122-126

18

9. Лукьяненко, А.Ю. Автоматизированная система "Разработка технологического проекта изготовления отливок повышенного качества". Расчёт литниковых систем / Лукьяненко А.Ю., Воронин Ю.Ф. // XIV региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 10-13 нояб. 2009 г.) : тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2010. - С. 238-241.

10. Лукьяненко, А.Ю. Визуализация процесса затвердевания отливки / Лукьяненко А.Ю. // Инновационные технологии в обучении и производстве: матер. V всерос. н.-пр. конф., Камышин, 4-6 дек. 2008 г. В 3 т. Т. 2 / КТИ (филиал) ВолгГТУ [и др.]. - Камышин, 2008. - С. 191-194.

Свидетельства о регистрации программных продуктов

11. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2012614830 30 мая 2012 г. РФ, МПК (нет). «Автоматизированная система Тренажер для выработки навыков бездефектного изготовления отливок из чугуна и стали» / Воронин Ю.Ф., Воронин С.Ю., Лукьяненко А.Ю.; ООО "ЛП-система". - 2012.

Подписано в печать 14.11.2013 г. Заказ № 769. Тираж 100 экз. Печ.л. 1,0 Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная.

Отпечатано в типографии ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, Волгоград, просп. им. В.И.Ленина, 28, корп. №7.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет»

Л

На правах рукописи

04201455055

Лукьяненко Андрей Юрьевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ АНАЛИЗА ПРОЦЕССА ВОЗНИКНОВЕНИЯ И ЛИКВИДАЦИИ ЛИТЕЙНЫХ ДЕФЕКТОВ

05.13.01. - системный анализ, управление и обработка информации

(промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Воронин Юрий Федорович

Волгоград - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Оглавление.......................................................................................................................2

Введение...........................................................................................................................5

Глава 1. Анализ подходов к описанию причин возникновения и способов ликвидации дефектов отливок.....................................................................................13

1.1 Описание известных подходов к изучению литейных дефектов и необходимость систематизации...................................................................................13

1.2 Предупреждение возникновения дефектов на этапе подготовки технологии

изготовления отливки....................................................................................................21

Выводы по главе 1.........................................................................................................26

Глава 2. Применение современных моделей представления знаний как способ анализа связей между причинами возникновения дефекта и элементами технологии изготовления отливки...............................................................................28

2.1 Способы описания объектов предметной области...............................................28

2.1.1 Продукционная модель........................................................................................28

2.1.2 Формально-логическая модель...........................................................................29

2.1.3 Семантическая сеть..............................................................................................31

2.1.4 Фреймовая модель................................................................................................32

2.2 Выбор модели описания предметной области......................................................33

2.3 Построение модели связей между причинами возникновения литейных дефектов и элементами технологии изготовления отливок......................................39

2.4 Метод предупреждения возникновения дефектов на основе семантической

модели.............................................................................................................................49

Выводы по главе 2.........................................................................................................56

Глава 3. Концепция автоматизированной системы анализа процесса возникновения и ликвидации дефектов......................................................................59

3.1 Метод определения способов ликвидации литейных дефектов на основе модели связи между причинами возникновения дефектов и элементами технологии изготовления отливки...............................................................................59

3.2 Назначение автоматизированной системы поддержки проектирования "Тренажер для бездефектного изготовления отливок"..............................................60

3.3 Архитектура автоматизированной системы поддержки проектирования

"Тренажер для бездефектного изготовления отливок"..............................................62

3.3 Разработка основных модулей системы "Тренажер для бездефектного изготовления отливок"..................................................................................................67

3.3.1 Интерактивное дерево литейных дефектов и подсистема описания причин возникновения дефектов...............................................................................................67

3.3.2 Визуализация причин возникновения и способов ликвидации дефектов и модуль построения цепочек причинно-следственных связей..................................72

3.3.3 Подсистема проектирования литниковых систем.............................................78

Выводы по главе 3.........................................................................................................96

Глава 4. Автоматизация анализа процесса возникновения и ликвидации дефектов

с помощью автоматизированных систем «тренажер для бездефектного изготовления отливок»..................................................................................................99

4.1 Комплект автоматизированных систем «Тренажер» для бездефектного изготовления отливок....................................................................................................99

4.2 Применение автоматизированной системы «Тренажер» для анализа процесса

возникновения и ликвидации дефектов отливки «Рама боковая».........................100

Выводы по главе 4.......................................................................................................113

Заключение...................................................................................................................116

Список использованной литературы.........................................................................119

ВВЕДЕНИЕ

Актуальной проблемой современной отечественной промышленности является качество литых изделий. Изделия металлургической промышленности широко используются в машиностроении. Анализ различных по оснащенности и технологическому уровню литейных предприятий показал, что внутренний и внешний брак производимого литья на предприятиях существует в пределах 1040% от изготавливаемого. Ежегодно в России от получаемого брака теряется до 300 миллиардов рублей. Улучшение состояния производства с повышенным браком отливок требует системного изучения условий формирования дефектов отливок для последующей их ликвидации на литых заготовках.

Подготовка к производству отливки начинается с момента разработки технологического проекта, где определяются основные параметры производства литья. Следовательно, этапы разработки технологического проекта и процессы формирования брака отливок взаимосвязаны - нарушения при разработке технологического проекта влияют на повышение дефектности отливок. Таким образом, решение проблемы повышения качества отливок на стадии разработки технологического проекта и организации производства является очень важным вопросом.

Основная причина высокого процента брака заключается в отсутствии системы при разработке техпроцессов изготовления отливок и тем более при ликвидации брака литья. Тот или иной подход, эффективный в одной ситуации, может привести к возникновению брака в другой. Существующие в литературных

источниках общие сведения о характерных особенностях дефектов не дают полного представления о фактически рассматриваемом пороке отливки.

Одним из наиболее важных преимуществ системного анализа является возможность применения его методов в различных областях знаний. Правильно построенная модель предметной области позволяет изучить ее структуру, элементы и взаимодействия между ними. Таким образом, появляется возможность определить на основе построенной модели возможные недостатки в функционировании системы и выявить способы ее усовершенствования.

Ошибки при проектировании технологии изготовления отливок, которые происходят по причине недостаточных знаний специалистов, присутствуют на многих предприятиях. Поэтому перспективным направлением развития литейного производства, является разработка автоматизированных систем поддержки проектирования, позволяющих улучшить качество разрабатываемых технологий, предупредить возникновение дефектов, а так же повысить квалификацию сотрудников литейных цехов.

Таким образом, актуальным является решение задачи объединения в общую систему причины возникновения различных групп и разновидностей дефектов, установление связей с технологией изготовления отливок и определение универсальных способов ликвидации дефектов.

Объектом исследования является технологический процесс изготовления отливок из железоуглеродистых сплавов.

Предметом исследования является методы автоматизации анализа процесса возникновения и ликвидации дефектов.

Предполагаемая гипотеза: применение современных информационных технологий позволит предупредить возникновение дефектов на стадии проектирования.

Цель исследования. Целью исследования является разработка автоматизированных информационных технологий анализа процесса возникновения и ликвидации дефектов.

Основные задачи исследования заключаются в следующем:

1) проанализировать наиболее часто встречающиеся дефекты отливок и выделить связи причин возникновения дефектов с элементами технологического проекта;

а) определить наиболее часто встречающиеся группы дефектов отливок,

выявить общие причины их возникновения,

б) выделить наиболее важные элементы технологии изготовления отливок,

влияющие на возникновение дефектов отливок,

в) определить связи между причинами возникновения дефектов и

элементами технологии изготовления отливок

2) разработать модель связей между причинами возникновения дефектов и элементами технологии изготовления отливок;

а) проанализировать известные модели представления знаний,

б) для каждой группы дефектов разработать модели возникновения дефектов из-за неверных решений в процессе разработки технологии производства отливки,

3) разработать метод предупреждения условий возникновения дефектов на этапе разработки технологического проекта на основе модели связей;

а) разработать алгоритм определения возможности возникновения дефектов с применением процедуры поиска по модели связей между причинами возникновения дефектов и элементами технологии изготовления отливки,

б) подготовить список запросов к узлам семантической модели для реализации алгоритма свертки,

4) разработать метод определения способа ликвидации дефектов и реализовать его в виде автоматизированной системы;

а) разработать архитектуру и определить процедуры проектирования автоматизированной системы - расчетная подсистема, информационная подсистема, подсистема проверки знаний.

б) подготовить обучающие материалы и анимационные модели условий возникновения и ликвидации дефектов,

в) разработать схему оценки знаний пользователя по причинам возникновения и способам ликвидации дефектов,

г) реализовать процедуры проектирования и разработать автоматизированную систему;

Методы исследования. Для решения поставленной задачи были использованы методы системного анализа, искусственного интеллекта, математического моделирования, алгоритмизации, а также применялись положения из теории проектирования реляционных баз данных.

Научная новизна результатов, выносимых на защиту:

1) разработан метод предупреждения условий возникновения дефектов на этапе разработки технологического проекта на основе модели связи между причинами возникновения дефектов и этапами технологии изготовления отливки;

2) разработан метод определения причин и способов ликвидации условий возникновения дефектов, возникших по причине ошибок при разработке технического проекта изготовления отливки, с применением анимационных моделей литейного процесса и причинно-следственных связей между этапами формирования дефекта отливок;

3) совместное применение логического и количественного моделирования условий ликвидации дефектов при разработке системы отработки технологии изготовления отливок.

Практическая ценность. Предложенные модели и алгоритмы реализованы в автоматизированной системе «Тренажер» (свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2012614830 30 мая 2012 г.). Разработанная обучающая методика используется при подготовке магистрантов факультета Технологии Конструкционных Материалов Волгоградского Государственного Технического Университета.

На защиту выносятся следующие положения:

1) установленные связи между причинами возникновения литейных дефектов и элементами технологии изготовления отливки и представленные в виде семантическо-фреймовой модели;

2) метод определения возможности возникновения дефектов при конкретных параметрах технологического проекта изготовления отливок с использованием семантическо-фреймовой модели;

3) применение автоматизированной системы для анализа причин возникновения и способов ликвидации дефектов, а также повышения уровня знаний специалистов.

Реализация работы. Разработанная автоматизированная система используется при производстве отливки «Рама боковая» на предприятиях ОАО «Курганмашзавод», Рубцовском филиале ОАО «Алтайвагон», ОАО «НПК «Уралвагонзавод». Применение АС позволило повысить квалификацию инженеров-технологов на предприятии и снизить брак изделий с 40 до 20%.

Апробация работы. Основные положения и материалы диссертации докладывались на конференциях: «Инновационные технологии в обучении и производстве», г Камышин, декабрь 2009г, «XIV региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области», г. Волгоград, ноябрь 2009г., «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании», г. Одесса, декабрь 2012г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 публикации в изданиях из перечня ведущих научных журналов ВАК, 5 тезисов докладов конференций.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.

В первой главе рассматривается состояние проблемной области - выявление и ликвидации литейных дефектов, определяется объект анализа, рассматриваются его характеристики, проводится анализ существующих подходов к предупреждению возникновения дефектов в отливках из железоуглеродистых сплавов. Выявляется проблема поиска связей между причинами возникновения дефектов и элементами технологии производства отливок.

Во второй главе проводится анализ известных способов представления знаний - продукционной, логической, сетевой (семантической) и фреймовой моделей. Описывается алгоритм построения гибридной семантическо-фреймовой модели, описывающей связи между причинами возникновения дефектов и элементами технологии изготовления отливок. Приводится пример семантическо-фреймовой модели технологии изготовления отливки «Рама боковая», семантической модели связи между причинами возникновения возможных дефектов этой отливки и элементами технологии изготовления отливки. Описывается метод предупреждения возникновения дефектов на основе свертки семантической модели при помощи процедуры поиска на семантической модели.

В третьей главе рассматривается метод определения способов ликвидации дефектов с использованием модели связей между причинами их возникновения и элементами технологического процесса изготовления отливки - создание автоматизированной системы отработки технологии изготовления отливки. Описывается совместное использование логического и количественного подхода к выявлению и ликвидации литейных дефектов, представлен качественный метод диагностики и устранения дефектов на основе анимационных представлений процессов и количественный метод на основе использования расчетной литниковой системы, предупреждающей возникновения дефектов. Подробно рассматривается разработка подсистем исследования причин возникновения дефектов, визуализации процессов, происходящих в литейной форме при изготовлении отливок и расчета литниковой системы.

В четвертой главе рассматривается описание работы пользователя в разработанной автоматизированной системе при анализе процесса возникновения и ликвидации дефектов, возникающих в отливке «Рама боковая», использующей метод предупреждения дефектов на основе модели связей между причинами возникновения дефектов и элементами технологии изготовления отливок.

В заключении работы сформулированы общие выводы и результаты проведенной работы.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПОДХОДОВ К ОПИСАНИЮ ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ И СПОСОБОВ ЛИКВИДАЦИИ ДЕФЕКТОВ ОТЛИВОК

1.1 Описание известных подходов к изучению литейных дефектов и необходимость систематизации.

Системный подход — это методологическое направление в науке, основная задача которого состоит в разработке методов исследования и конструирования сложноорганизованных объектов — систем разных типов и классов. Ценность системного подхода состоит в том, что рассмотрение категорий системного анализа создает основу для логического и последовательного подхода к проблеме принятия решений. Среди ведущих специалистов в области современного подхода к системному анализу сложных технических объектов следует отметить: Прангишвили И.В., Макдермотт И., Волкову В.Н., Денисова А.А., Колин К.К., Емельянова А.А., Аверченкова В.И., Антонова А.В., Коломоец Ф.Г., Андрейчикова А.В., Качала В.В., Уемова А.И. и других исследователей. В процессе исследований необходимо использовать методы: систематизации, определения цепочек причинно-следственных связей, теории графов, системного анализа и др. Эффективность решения проблем с помощью системного анализа определяется структурой решаемых проблем, которые подразделяются на три класса:

- хорошо структурированные (well-structured), или количественно сформулированные проблемы, в которых существенные зависимости выяснены очень хорошо;

- неструктурированные {unstructured), или качественно выраженные проблемы, содержащие лишь описание важнейших ресурсов, признаков и ха