автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизация технологических процессов механической обработки валов генераторов на основе трехмерных типовых математических моделей

Введение.

Глава 1. Анализ методов и средств автоматизации технологических процессов механической обработки. Цель и задачи исследования.

1.1. Системы автоматизации технологических процессов машиностроительного производства, их современное состояние и перспективы развития.

1.2. Математические модели объектов производства и технологических процессов их изготовления.

1.3. Обеспечение качества выпускаемых изделий как одна из задач автоматизации технологических процессов и производств. Прогнозирование точности технологических процессов.

Актуальность работы.

Автоматизация технологических процессов является одним из ключевых звеньев в общей системе функционирования и развития любого современного машиностроительного предприятия. Замена в этой сфере интеллектуального труда человека машинным, научно-обоснованное распределение функций между человеком и компьютером в процессе управления технологией приводит к повышению эффективности и качества принимаемых технологических решений, сокращению сроков их реализации, снижению затрат, более полному использованию имеющихся резервов производственной системы предприятия, обеспечению максимального уровня оперативности и гибкости, существенному ограничению численности инженерно-технического персонала и т.д. Другим значимым фактором, стимулирующим применение ЭВМ в автоматизации технологических процессов, является то, что компьютеризация этой области служит определяющей предпосылкой комплексной автоматизации производства в целом.

Роль систем компьютерной поддержки автоматизации технологических процессов в условиях современного отечественного машиностроения и с учетом факторов как политико-экономического, так и информационно-технического характера становится все более и более значимой. Обусловлено это целым рядом причин, из которых можно выделить следующие: необходимость создания новых образцов наукоемкой и высокотехнологической продукции с минимальными затратами; потребность в формировании единого информационного пространства на всех этапах жизненного цикла изделия; стремление к повышению уровня подготовки инженерно-технического и управленческого персонала в области современных информационных технологий.

В целях повышения эффективности технологических процессов в рамках производственных систем, ориентированных на выпуск достаточно узкой номенклатуры продукции, необходимы разработка и внедрение таких систем компьютерной поддержки, которые в полной мере могли бы учитывать специфику конкретной производственной системы с ее особенностями, неформальными субъективными предпочтениями, традициями и т.п.

Существенным фактором, оказывающим влияние на формирование облика современных систем автоматизации технологических процессов, является заметное место типовой и групповой технологии в общей структуре машиностроительного производства.

При всем многообразии компьютерных систем всех уровней, реализующих различные аспекты автоматизации технологических процессов машиностроительной направленности, достаточно сложно выделить такие, которые в полной мере удовлетворяли бы названным условиям и учитывали приведенные факторы.

Таким образом, создание систем компьютерной поддержки автоматизации технологических процессов, сочетающих доступность, простоту реализации, многофункциональность, открытость, способность учитывать специфику конкретной производственной (технологической) системы, ориентированность на пользователя с относительно невысоким уровнем подготовки в сфере информационных технологий, а также возможность эффективной реализации на вычислительных средствах, имеющих ограничения по своим функциональным возможностям, является актуальной задачей.

Определяющим фактором при решении данной задачи выступает создание соответствующего математического обеспечения.

Среди существенных проблем, имеющих место при формировании нового математического обеспечения и использовании уже существующего в целях автоматизации технологических процессов, можно выделить следующие:

- сложность эффективного учета и непосредственного отображения технологических особенностей изготовления моделируемого объекта производства;

- избыточность большинства существующих математических моделей, проявляющаяся в полной мере при описании производственных систем, ориентированных на осуществление типовых или групповых технологических процессов;

- сложность учета особенностей конкретной производственной системы, в рамках которой осуществляется автоматизация технологических процессов;

- необходимость наличия персонала с высоким уровнем подготовки в области новых информационных технологий.

Решение указанных проблем в области формирования математического обеспечения является актуальной задачей.

В последнее время все большее внимание уделяется вопросам обеспечения качества продукции, выпускаемой на отечественных предприятиях, и управления им. Традиционные методы повышения качества, основанные на техническом контроле, уже не дают ожидаемых результатов. Одним из новых подходов, позволяющих достичь желаемых значений параметров качества, является прогнозирование этих значений еще на этапах разработки конструкции изделия и технологии его изготовления в сочетании с совершенствованием методов проектирования и управления и применением новых наукоемких и прогрессивных технологий. Разработка математического обеспечения, дающего возможность реализации на его основе систем компьютерной поддержки автоматизации технологических процессов с прогнозированием их надежности, является актуальной задачей.

Решению поставленных задач и посвящено данное исследование.

Цель работы.

Исследование закономерностей и автоматизация процедуры формирования технологических процессов изготовления деталей машин с прогнозированием точности механической обработки для последующего управления ими на основе трехмерных типовых математических моделей.

Задачи научного исследования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) формализация принципов структурного математического моделирования объектов производства, позволяющих учитывать специфику технологии их изготовления;

2) разработка трехмерных типовых математических моделей технологических систем по изготовлению деталей машин и алгоритмов их реализации;

3) создание математической модели динамики размерных связей деталей машин в процессе их изготовления и алгоритма ее обработки;

4) разработка и исследование в условиях технологических систем предприятий по производству деталей класса валов программного обеспечения, реализующего указанные математические модели и алгоритмы.

Методы исследования.

В работе использованы методы теории множеств, численного моделирования, теории графов, аппарата матричной алгебры. Широко применены теоретические положения современной технологии машиностроения, а также методы вычислительной математики и математической статистики.

Научная новизна.

Научная новизна диссертационного материала состоит в следующем:

- формализованы принципы структурного моделирования деталей машин, основанного на иерархическом описании элементов (конструктивных примитивов) и их свойств, позволяющего учитывать конструктивные особенности конкретного объекта производства и специфику технологии его изготовления;

- разработаны трехмерные типовые математические модели и алгоритм их обработки, в основе которых лежит структурное описание контуров (свойств) объекта производства и технологической системы, формирующие технологические процессы изготовления деталей машин в целях обеспечения последующего управления ими;

- в рамках теории графового отображения размерных связей деталей машин разработаны и программно реализованы алгоритмы выполнения технологических размерных расчетов, дающие возможность прогнозировать точность формируемых технологических процессов механической обработки.

На защиту выносятся:

- структурное описание объектов производства - деталей машин;

- трехмерные типовые математические модели технологических систем по изготовлению деталей машин;

- алгоритмы синтеза технологических процессов механической обработки и оценки их точности.

Практическая ценность.

Разработанные методы и алгоритмы при их практическом применении позволяют повысить эффективность и качество управления технологическими процессами, его гибкость и оперативность, а также существенно уменьшить трудозатраты на осуществление управления. Кроме того, результаты проведенного исследования могут быть положены в основу разрабатываемых систем автоматизации технологических процессов, реализующих принципы и подходы к использованию современных информационных технологий.

Реализация результатов работы.

Результаты диссертационной работы реализованы в автоматизированной системе управления технологическими процессами изготовления деталей класса валов с прогнозированием точности механической обработки. Компоненты данной системы внедрены на ОАО АПЗ-20 (г.Курск), а также используются в учебном процессе Курского государственного технического университета при подготовке студентов специальности 1201 «Технология машиностроения» в рамках дисциплин «Управление процессами и объектами в машиностроении», «Автоматизация производственных процессов».

Результаты работы использовались в процессе осуществления хоздоговорной НИР №1.23.98 с Машиностроительным заводом им.К.Либкнехта, г. Пены Курской обл. в 1998 г.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах и научно-технических конференциях: «Диагностика технологических процессов в машиностроении», Москва, МДНТП им.Ф.Э.Дзержинского, 1990 г.; «Автоматизация инженерного труда с помощью персональных ЭВМ», Курск, 1991 г.; юбилейная конференция ученых Курского политехнического института, Курск, 1994 г.; VI Российская научно-техническая конференция «Материалы и упрочняющие технологии-98», Курск, 1998 г.; VII Российская научно-техническая конференция «Материалы и упрочняющие тех-нологии-99», Курск, 1999 г.; IV Международная конференция «Распознавание-99», Курск, 1999 г.; III Международная научно-техническая конференция «Медико-экологические информационные технологии 2000», Курск, 2000 г.

Публикации.

По теме диссертационного исследования опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 93 наименований, изложена на 174 страницах машинописного текста и содержит 23 иллюстрации, 19 таблиц и 2 приложения.

выводы по работе.

1. Предложены принципы формирования математических моделей объектов производства на основе структурного описания деталей с помощью контуров, что дает возможность эффективно отображать их свойства с учетом особенностей технологии изготовления.

2. Рассмотрены принципы построения и функционирования трехмерных типовых математических моделей технологических систем по производству деталей машин на основании дизъюнктивной и смешанной формы связи контуров объекта и порождающей среды, что позволяет эффективно синтезировать технологические процессы изготовления деталей.

3. Предложена математическая модель изменения размерных связей между поверхностями деталей по ходу их изготовления на основании теории графов и теории размерных цепей, что дает возможность прогнозировать надежность (точность) технологических процессов обработки этих деталей.

4. Разработано математическое обеспечение автоматизированной системы синтеза технологических процессов изготовления валов генераторов с прогнозированием их точности на основании математических моделей объектов производства, технологических систем по их изготовлению и динамики размерных связей деталей, что позволило реализовать соответствующую систему компьютерной поддержки технологической подготовки производства.

5. На основании методов статистической обработки результатов эксперимента было подтверждено соответствие разработанных математических моделей конкретным особенностям технологической системы изготовления валов генераторов на АО «Электроагрегат», г. Курск.

Заключение

В результате выполнения исследования получены следующие общие

1. Аверченков В.И., Каштальян И.А., Пархутин А.П. САПР технологических процессов, приспособлений и режущих инструментов: Учеб. пособие для вузов,- Мн: Высш.шк., 1993,- 288 с.

2. Автоматизация дискретного производства. Под общ.ред. Е.И.Семенова, Л.И.Волчкевича,- М.: Машиностроение, 1987,- София: Техника, 1987.- 376 с.

3. Автоматизация процессов машиностроения : Учеб. пособие для машиностроительных специальных вузов/ Я. Буда, В. Гановски, В. С. Вихман и др.; Под. ред. А. И. Дащенко. М.:Высш. шк., 1991. - 480 с.

4. Автоматизированное проектирование и производство в машиностроении. Ю.Н.Соломенцев, В.Г.Митрофанов, А.Ф.Прохоров и др.: Под ред. Ю.М. Со-ломенцева, В.Г.Митрофанова.- М: Машиностроения, 1983.- 284 с.

5. Автоматизированное управление технологическими процессами : Учеб. Пособие / Зотов И. С., Назаров О. В., Петелысин Б. В. Яковлев В. Б.; Под ред. Яковлева В. Б. Л.: Издательство Ленинградского университета, 1988. -224 с.

6. Алгоритмы моделирования и оптимизации автоматизированных систем/ Сост. В.Н.Фролов. Воронеж: Воронежский политехи, ин-т, 1990,- 165 с.

7. Базров Б.М. Расчет точности машин на ЭВМ,- М.: Машиностроение, 1984.256 с.

8. Ю.Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1969.-358 с.

9. Бесе дин А. В. Принципы построения и функционирования трехмерных структурных типовых математических моделей // V Российская научно-техническая конференция «Материалы и упрочняющие технологии 99»: Тезисы и материалы докладов. - Курск, 1999,- С.134-137.

10. Бесе дин А. В. Структурное описание валов генераторов с помощью контуров // Сборник материалов 8-ой международной конференции «Распознавание 99», - Курск, 1999,- С.201-204.

11. Беседин А. В., Мочаев Ю. П. Математические модели технологий механообработки, учитывающие экспертные оценки // Тезисы докладов юбилейной конференции ученых Курского политехнического института. Курск , 1994. - С.180-182.

12. Беседин А. В., Титов В. С. Структурные модели валов генераторов // Сборник материалов 8-ой международной конференции «Распознавание 99», -Курск, 1999.- С.204-207.

13. Бирбраер Р., Гаршин О., Зеленко В., Васин М. Анализ и оптимизация размерных цепей при комплексном автоматизированном проектировании в Pro/Engineer// САПР и графика. 1999,- №4,- С.8-13.

14. Биряльцева Е.В., Гусенков A.M., Насыров И.Р., Савельев A.A. Система геометрического моделирования ГРОМУ/ Автометрия.-1990,- №4. С.60-64.

15. Бородянский В.И. Автоматизация синтеза операционных линейных размеров в САПР ТП// Автоматизация технологической подготовки ГПС,- Л.: СевероЗападный заочный политехнический, институт, 1990,- С. 10-17.

16. Вассерман Н.Ю., Родионов К.Б. Матричные модели детали и станка// Прогрессивные технологические процессы в тяжелом машиностроении. Свердловск, 1990,-С. 16-27.

17. Винницкий A.M., Киселева О.В., Сироткин Я.А., Треяль В.А. Геометрическое моделирование и графическое отображение деталей типа тел вращения и плоскостных // Автометрия. 1990. - №4. - С.52-56.

18. Воячек И.И. Технология системного подхода к проектированию неподвижных соединений деталей// Вестник машиностроения. 1996.- №8. - С.10-12.

19. Гимзбурс М.Д. Разработка интегрированных информационных моделей для сквозного проектирования систем автоматизации технологических процессов// Автоматизация и современные технологии. 1994,- №3. - С.23-26.

20. Диланян Р.З., Казаков В.А., Тихонов В.П. Разработка групповой технологии на основе экспертно-матричной системы // Конференция «Автоматизированное проектирование ГПС многономенклатурного производства»: Тезисы докладов. Киев: Знание , 1991,- С. 18.

21. Евдокимов А.Д. Требования к АРМ на основе персональных ЭВМ. // Машиностроитель. 1993. -№12. - С.15-18.

22. Зуев И. Новые технологии проектирования условие выживания или прогулки по полю чудес?// САПР и графика. - 1999,- №1.- С.64-68.

23. Ковалевский В., Савинов А. Системная интеграция с точки зрения СПРУТ-технологии. Введение в проблему// САПР и графика, 1998,- №5.

24. Ковшов А.Н. Технология машиностроения. М.: Машиностроение, 1987.320 с.

25. Колесов И.М., Караев М.Ф. Предпосылки к созданию автоматической технологической системы высокого уровня// Вестник машиностроения. 1996. - №5. - С.21-25.

26. Колкер Я.Д. Математический анализ точности механической обработки деталей. Киев.: «Техшка», 1976,- 200 с.

27. Королев A.B., Бочкарев П.Ю. Структуризация базы данных в САПР ТП с использованием аппарата кластерного анализа// Вестник машиностроения.-1999,- С.51-55.

28. Косов М.Г., Сычева Н.А. Структурная модель механизма образования погрешностей технологического процесса механической обработки деталей// Вестник машиностроения. 1991,- №4. - С.56-58.

29. Краткий справочник металлиста/ Под общ. ред. П.Н.Орлова, Е.А.Скороходова.- 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1986.-960с.

30. Кузьмин В.В., Шурыгин Ю.А. Автоматизированное выявление сборочных размерных цепей// Автоматизация и современные технологии. 1995.-№3,-С.31-34.

31. Малышев Г., Берштейн Л., Боженюк А. Нечеткие модели для экспертных систем в САПР.- М.: Энергоатомиздат, 1991,- 135с.

32. Мальцев С.Н., Мочаев Ю.П. САПР изготовления колец подшипников // Машиностроитель. -1992,-№8.- С.9-10.

33. Матвеев В.В. Проектирование экономичных технологических процессов в машиностроении. Челябинск: Южно-Уральское книжное издательство, 1979,- 111 с.

34. Математика и САПР: В 2-х кн. Кн.1. Пер. с франц. / Шенен П., Коснар М., Гардан И. и др.- М.: Мир, 1988,- 204 с.

35. Методические указания САПР. Типовые математические модели объектов проектирования в машиностроении. РД. 50-464-84. М.: Изд-во стандартов , 1985,- 201 с.

36. Митрофанов С.П. Автоматизация технологической подготовки серийного производства. М.: Машиностроение, 1974,- 360 с.

37. Морев Д. Синтез И-ИЛИ-графов при проектировании технологических маршрутов механической обработки деталей// Машиностроение. 1990,-№8. - С. 338-340, 360-362.

38. Мочаев Ю.П. Математическое моделирование технологических задач в механообработке / Краткая теория и методические указания к практическим занятиям. Курск: Курский государственный технический университет, 1997,- 128 с.

39. Применение ЭВМ в технологической подготовке серийного производства / С.П. Митрофанов, Ю.А. Гульнов, Д.Д. Куликов и др. М.: Машиностроение, 1981,-287 с.

40. Промышленные работы: Внедрение и эффективность: Пер. с яп. / Асаи К., Кигами С., Нодзиме Т. и др. М.: Мир, 1987. - 384с.

41. Системы автоматизированного проектирования изделий и технологических процессов в машиностроении / P.A. Аллик, В.И. Бородянский, А.Г. Бурин и др.; Под общ. ред. P.A. Аллика. JL: Машиностроение, 1986,- 319 с.

42. Скакунова И.С. Оценка показателей качества производственных процессов методом имитационного моделирования// Методы проектирования и оптимизации АСУ в промышленности. Киев. - 1990,- С.32-37.

43. Смирягин С. К вопросу о построении пирамиды в условиях виртуального пространства// САПР и графика. 1998,- №5,- С.40-42.

44. Солонин И.С., Солонин С.И. Расчет сборочных и технологических размерных цепей. М.: Машиностроение, 1980,- 110 с.

45. Спиридонов А. А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М.: Машиностроение, 1981.- 184 с.

46. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. / Под ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т1,- М.: Энергоатомиздат, 1988,- 456 с.

47. Статистическая обработка результатов экспериментов на микро-ЭВМ и программируемых калькуляторах / А.А.Костылев, П.В.Миляев, Ю.Д.Дорский и др.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1991.- 304 с.

48. Судоплатов И.П. Обработка деталей на станках с ЧПУ.- М.: Машиностроение, 1976.- 102 с.

49. Тарасова М.В. Некоторые особенности расчета сборочных размерных цепей// Автоматизация и современные технологии,- 1997. №12. - С. 19-25.

50. Тимковский В.Г. Дискретная математика в мире станков и деталей. М.: Наука, 1992,- 144 с.

51. Ткачев В., Николаев В., Савушкин В., Смирягин С. Давайте работать по новому// САПР и графика,- 1999,- №1,- С. И-16.

52. Точность и надежность станков с числовым программным управлением/ под.ред. А.С. Проникова. М.: Машиностроение, 1982,- 256 с.

53. Точность и производственный контроль в машиностроении. Справочник / И.И. Болонкина, А.К. Кутай, Б.М. Сорочкин, Б.А. Тайц; под общ. ред. А.К. Кутая, Б.М. Сорочкина. Л.: Машиностроение, 1983,- 368 с.

54. Точность производства в машиностроении и приборостроении/под. ред. А.Н. Гаврилова. М.: Машиностроение, 1973,- 567 с.

55. Федоров В.Б. Автоматизация технологических размерных расчетов// Республиканская научно-техническая конференция «Совершенствование технологических процессов изготовления деталей машин»: Тезисы докладов. -Курган, 1991,- С.32-33.

56. Хадеева С.С., Кузьмин В.В., Батурин В.Н. Использование методики количественной классификации конструкций деталей для задач САП // Автоматизация и современные технологии,-1995,- №9. С. 19-23.

57. Хоботов E.H. Использование оптимизационно-имитационного подхода для моделирования и проектирования производственных систем// Автоматика и телемеханика. 1999,-№8,- С.163-175.

58. Чантурия Н.Я., Кахидзе М.А Формализация технологических знаний при автоматизированном проектировании маршрутных технологических процессов. М: Моск. станкоинструм. ин-т, 1991,- 8 с.

59. Черепахин Ю.Г. Применение экспертной системы в технологической подготовке производства. // Автоматизированные станочные системы и роботизированные производства. Тула, 1990,- С. 135-140.

60. Шарин Ю.С. Обработка деталей на станках с ЧПУ,- М.: Машиностроение, 1983,- 117 с.

61. Шутко В., Куприянчик А. Комплексная система автоматизации технологической подготовки производства TechCard 3.5// САПР и графика.- 1999.-№4,- С.20-22.

62. Abe Tomokazu, Okazaki Seiichi, Aono Munetoyo. Using of Machine-modeling Systems for Manufacturing Design // Huxom mycen ryxo.-JRC Rev.- 1991,-№29,- P.82-87.

63. Analysis of manufacturing based on object oriented discrete event simulation / Borgen Eirik, Neerland Henning, Strandhagen Jan Ola // Model., Identif. and Const.-1990.-ll, №1, p.43-47.

64. Attribute-based group technology system / Cohen P.H., Joshi S., Hsieh S., Lu H.S. // Autofact, 90: Conf. Proc., Detroit, Mich., Nov. 12-15, 1990,- Dearborn (Mich), 1990.-P.16/29-16/37.

65. CAD und Fertigungsgerechtes Konstruieren / Meerkamm Herald // Schweiz. Maschinenmarkt.- 1990,- 90, №28 p.40-43.

66. Captuzing the mastaris expertise. Quinlan J. C. // Tool and Prod.-1990.- 56, №2-p.76-79.

67. COMTES/ERK Programmsystem zur Enstellung technologisch orientirter Werkstuckbeschzeibungen / Hofmann Andreas, Anerswald Manfred // Wissz. / Techn.Hochsch.Zwikau, 1990,- 16, №4 - p.47-50.

68. Forming part-machine families for cellular manufacturing: a neural-network appo-roach / Moon V.B., Jut J. // Adv. Manuf. Techol.- 1990,- 5, №4 p.278-291.

69. Framework on formalization of design object for intelligent CAD / Onosato Ma-sahico, Yashikawa Hiroyuki // Jntell CAD I: Proc. IFIP TC 5/WG 5.2. Workshop, Boston, Mass., 6-8 Oct., 1987,- Amsterdam etc., 1989,- P.l 17-136.

70. Knowlege-based pattern match algorithm for optimization //Qian Da-qun, Chen Jian-ping, Zhang Zhong-iun / ICCON89:IEEE Jnt. Cous. Coutrol and Appl., Jerusalem, Apr., 3-6,1989.: Proc.- Tel-Aviv, 1989,- e.RP/4/6/l-RP/4/5/r.

71. Low-cost group technology system for machine cells design / Thien-Nguen Ora-pong // AUTOFACT'88: Conf. Prog. Chicago (III), Okt.30-Nov.2., 1988- Dearborn (Mich), 1988,- P.4/33-4/51.

72. Manufacturing systems: A knowledge-and optimisation-based approach / Kusiaic Andrew // J.Jntell. and Rob. Sist.-1990.-3,№1- p.27-50.

73. Nakamori Y., Liu C.D. Integrated Model Based System for Large System Development // IFAC/IFOR/IMACS Symposium Large Scale Systems: Theory and Application./Reprint, Vol.2. Beijing, 1992,- P.29-34.

74. SimEx-Ein Werkzeug zur Strukturplanung von Fertigungssistemen // Buckberger D., Weule H. // VDI-Bets.- 1989.- №723- p.105-112.

75. Software brings manufacturing up to speed / Eade Robert // Cutt.Tool Eng.-1990,- 42, №7, p. 18-20, 22, 24-26, 28.

76. Solid modelling A 1988 update / Reguicha Aristides A.G. I I CAD Based Programm. Sensory Rob.: Proc. NATO Adn. Res. Workshop 11 Ciocco, My 4-6, 1988-Berlin etc., 1988.-P.3-21.

77. Wu E., Chen Yong Hong. Decision Support System Based on Generation Modeling // MCNE 92: 71th IFAC/IFORS/ILASA Conf. Modeling and Control Nat. Econ., Preprint Beijing. 1992.- P.8-41.

78. Годовой экономический эффект от внедрения научно-исследовательской работы 312 тысяч рублей.

79. Главный инженер технического управления1. М.В.Гоношшшн1. Зав. кафедрой

80. Технология машиностроения», к.т.н., доцент1. ОгКГТУ1. С.Е.Шишковст.преподавательI1. A.B.Беседин1. Утверждаю

81. Зав. учебным отделом В.С.Духанин1. С.Е.Шишков