автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Алгоритм и средства модернизации системы управления координатно-измерительной машины

ИИ4608445

На правах рукописи

Григораш Олег Владимирович

АЛГОРИТМ И СРЕДСТВА МОДЕРНИЗАЦИИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КООРДИНАТНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 3 СЕН

Казань 2010

004608445

Работа выполнена на кафедре Радиоэлектронных и квантовых устройств Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Ильин Герман Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Корнилов Владимир Юрьевич, профессор кафедры Электропривода и автоматизации промышленных установок и

технологических комплексов КГЭУ; доктор технических наук, профессор Песошин Валерий Андреевич, зав. кафедрой Компьютерных систем КГТУ им. А.Н. Туполева, заслуженный деятель науки РФ и РТ

Ведущая организация:

ОАО «ОКБ «Сокол», г. Казань

Защита состоится «15» октября 2010 года в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.04 при Казанском государственном техническом университете (КГТУ) им. А.Н. Туполева по адресу: г. Казань, ул. Карла Маркса, д.31

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева по адресу: 420111, г.Казань, ул.К.Маркса, д.Ю

С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте КГТУ им. А.Н.Туполева www.kai.ru

Автореферат разослан "_"_2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

С.С.Седов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Координатно-измерительные машины (КИМ) высокотехнологичные средства контроля линейно-угловых размеров объектов, широко применяемые в различных отраслях производства: автомобилестроении, авиакосмическом, ядерно-энергетическом машиностроении и т.д. КИМ предназначены для измерения и контроля геометрии разнообразных изделий как в лабораторных, так и в цеховых условиях в ручном и автоматическом режимах, включая режим самообучения. КИМ характеризуются высоким быстродействием, точностью получаемых результатов, разнообразием выполняемых работ. Они позволяют не только производить замеры, но также и размечать заготовки детали с целью её последующей обработки; решать задачу обратного инжиниринга- по существующей детали строить её модель.

КИМ можно разделить на базовую часть, содержащую узлы координатных перемещений, измерительные преобразователи, и систему управления, предназначенную для управления процессом измерения, обработки и представления данных измерения. Оценка технического состояния КИМ как сложной системы включает в себя множество технических параметров. Полный их учет зачастую не представляется возможным вследствие ограниченной информации об объекте модернизации. Поэтому возникает задача выбора критериев модернизации и разработки алгоритма модернизации системы управления КИМ.

Системы числового программного управления КИМ позволяют уже сейчас осуществлять высокие скорости измерений; в свете этого узким местом КИМ является инерционность и невысокая точность измерительных головок (ИГ) на высоких скоростях измерения. Решением этой задачи в настоящее время может быть замещение принятых принципов построения измерительных головок иными принципами, разработанными в соответствии с новейшими достижениями науки и техники и разработка измерительной головки на их основе.

Объектом исследования является система числового программного управления координатно-измерительной машиной типа «Альфа».

Предметом исследования является теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования системы числового программного управления координатно-измерительной машины «Альфа».

Целью работы является проведение комплексных исследований, направленных на получение научно-обоснованных технических решений по процессу модернизации. системы управления координатно-измерительной машиной типа «Альфа» в условиях длительной эксплуатации.

Задачей исследования является разработка алгоритмов и средств модернизации системы управления координатно-измерительной машины, находившейся длительное время в эксплуатации с решением следующих вопросов:

- системный анализ состояния и развития координатно-измерительных машин;

выбор критериев модернизации существующей КИМ, и построение алгоритма модернизации координатно-измерительной машины;

разработка алгоритма, позволяющего проводить формирование вариантов модернизации системы управления КИМ «Альфа». Оценка эффективности модернизации КИМ;

повышение точности и быстродействия первичных измерительных преобразователей КИМ.

Методы исследования. В диссертационной работе использовались методы системного анализа (общая теория, системология), комбинаторного анализа, теории множеств, теории надёжности, теории вероятностей и математической статистики.

Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается использованием системного анализа как основополагающего метода научного исследования, корректностью применения хорошо апробированного аппарата теории вероятностей и математической статистики, публикациями основных положений работы, а также внедрением результатов работы.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- проведён системный анализ состояния и развития координатно-измерительных машин, выявивший степень отличия базовой части и системы управления модернизируемой КИМ от аналогичных систем современных КИМ;

- по результатам статистической обработки отказов блоков КИМ «Альфа» за период работы более тридцати лет выявлены особенности поведения функции отказов блоков от времени, заключающиеся в том, что для каждого блока КИМ существует характерный период времени его эксплуатации, по истечении которого отказы данного блока существенно возрастают. Предложено указанный период времени использовать как один из критериев применения обоснованного решения о модернизации КИМ;

предложен алгоритм формирования вариантов модернизации системы управления КИМ, основанный на использовании характерного периода времени эксплуатации блоков системы и комбинаторного метода, а также проведена оценка эффективности модернизации системы управления КИМ «Альфа».

Практическая ценность работы заключается:

- в разработке алгоритма модернизации координатно-измерительных машин с числовым программным управлением, позволяющего осуществлять научно обоснованное решение о модернизации КИМ, формировать варианты модернизации, а также производить оценку эффективности выбранного варианта модернизации КИМ;

в разработке микропроцессорной системы управления, алгоритмов её функционирования и её интеграции в структуру КИМ;

- в разработке трёхкоординатного измерителя микроперемещений объекта, обладающего повышенной точностью и быстродействием.

На защиту выносятся:

- результаты системного анализа состояния и развития координатно-измерительных машин, выявившего степень отличия базовой части и системы управления модернизируемой КИМ от аналогичных систем современных КИМ;

результаты статистической обработки отказов блоков КИМ «Альфа» за период работы более тридцати лет, позволившие выявить особенности поведения функции отказов блоков от времени, заключающиеся в том. что для каждого блока КИМ существует характерный период времени его эксплуатации, по истечении которого отказы данного блока существенно возрастают. Предложено указанный период времени использовать как один из критериев применения обоснованного решения о модернизации КИМ;

алгоритм формирования вариантов модернизации системы управления КИМ, основанный на использовании характерного периода времени эксплуатации блоков системы и комбинаторного метода, а также проведенная оценка эффективности модернизации системы управления КИМ «Альфа»;

разработанная и внедренная микропроцессорная система управления КИМ, а также предложенная конструкция трехкоординатного измерителя микроперемещений объекта.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на XII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2006г); на V Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г.Самара, 2006г); на XIV Международной молодёжной научной конференции «Туполевские чтения» (г. Казань, 2006г); на XIX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (г. Казань, 2007г); на Всероссийской научной конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (г.Казань, 2007г); на VI Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г.Казань, 2007г); на XV Международной молодёжной научной конференции «Туполевские чтения» (г. Казань, 2007г); на XX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»(г. Казань 2008г); на IV Международной научно-практической конференции «АКТО-2008» (г. Казань, 2008г); на VII научно технической конференции «Молодёжь в науке», РФЯЦ-ВНИИЭФ (г.Саров, 2008г).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе свидетельство на полезную модель, патент на изобретение, две статьи: в центральном специализированном журнале «Измерительная техника», в журнале «Вестник КГТУ им.А.Н. Туполева».

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 115

наименований. Основная часть диссертации изложена на 143 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка и 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, охарактеризовано состояние вопроса, определены цель, задачи и методы исследования. Сформулированы положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы и публикациях автора.

В первой главе с целью постановки задачи анализируется процесс модернизации координатно-измерительных машин, различного металлообрабатывающего оборудования, состояние и перспективы развития систем числового программного управления данным оборудованием; рассмотрены методы оптимизации технических систем, тенденции развития первичных измерительных преобразователей, используемых на координатных измерительных машинах.

Модернизация (франц. modernisation, от moderne - новейший, современный), изменение в соответствии с новейшими, современными требованиями и нормами, например, модернизация (обновление) технического оборудования, производственного процесса и т.п. Операция модернизации предполагает изменение свойств объекта в сторону улучшения этих свойств с последующим анализом их воздействия на интегральные характеристики объекта. Свойства, а, следовательно, и качество техники не остаются неизменными во времени. Изменение свойств техники является следствием динамического процесса её создания, а эти изменения обусловлены естественным ухудшением её свойств в процессе эксплуатации. Изменяющиеся общественные потребности, обусловленные научно-техническим прогрессом и повышением требований к качеству новой техники, вызывают моральное старение техники, т.е. снижение её качества по отношению к современному (достигнутому) уровню. Как видно, модернизация оборудования представляет собой многоплановый процесс. Соответственно, чтобы эффективно производить модернизацию, необходимо выработать общий подход к модернизации сложных технических систем, находившихся в эксплуатации.

Одной из важных проблем, над решением которой работают производители станков с ЧПУ, является проблема повышения их надёжности, и в первую очередь, систем управления.

Моральное старение устройств ЧПУ наступает быстрее, чем самих станков. Практически устройства ЧПУ претерпевают существенные изменения каждые 3-4 года, в то время как конструкции станков за это время лишь незначительно модифицируются, и сроки их морального старения в 2 - 2,5 раза больше. Соответственно, возникает задача проведения системного анализа состояния и развития координатно-измерительных машин, для выявления степени отличия базовой части и системы управления модернизируемой КИМ от аналогичных систем современных КИМ. Объект исследования КИМ «Альфа» имеет систему числового программного управления 2-го поколения, которая состоит из элементов малой и средней степени интеграции с весьма низкими

параметрами (на сегодняшний день) быстродействия, надёжности, массогабаритным характеристикам. А так как число этих элементов достаточно велико, надёжность всей системы ЧПУ не остаётся неизменной. Соответственно, число простоев системы из-за устранения неисправностей остаётся значительным, а с течением времени ещё и возрастает. Для восстановления работоспособности данной системы необходимы запасные элементы и принадлежности, которые зачастую уже сняты с производства (особенно ИМС малой степени интеграции). Всё это порождает задачу анализа надёжности системы в период её длительной эксплуатации с ответом на вопрос: какие блоки остаются достаточно надёжными в течение всего срока эксплуатации системы. Как следствие, актуальна задача разработки системы ЧПУ, в состав которой входили бы современные доступные компоненты, и которая удовлетворяла бы требованиям надёжности.

Указывается, что необходимо разработать метод оценки эффективности модернизации системы, который бы позволял выявить наилучший вариант модернизации системы (или несколько вариантов), используя в качестве входных данных один из критериев, заранее выбранный как базовый в модернизации данной системы.

Появление измерительных головок тесно связано с появлением координатно-измерительных машин. Функциональные показатели и конструкция устройства взаимодействия с измеряемой поверхностью в значительной мере определяют точность измерений и метрологические возможности КИМ, оказывают существенное влияние на выбор структуры КИМ, её системы управления и непосредственно влияют на уровень автоматизации измерительной машины. Системы числового программного управления КИМ позволяют уже сейчас осуществлять высокие скорости измерений; в свете этого узким местом координатно-измерительных машин является инерционность и невысокая точность измерительных головок, особенно на высоких скоростях измерения. Решением этой задачи в настоящее время может быть замещение принятых принципов построения измерительных головок иными принципами, разработанными в соответствии с новейшими достижениями науки и техники.

Вторая глава посвящена разработке алгоритма и математической модели модернизации КИМ. Приводятся сопоставительная оценка и морфологическое описание координатно-измерительных машин. Рассматриваются различные компоновки КИМ, производится системный анализ исследуемой машины и современных машин. Результаты системного анализа говорят о том, что конструкция машины не претерпела серьёзных изменений, принципы компоновки, применявшиеся ранее при разработке машин, используются и сегодня. Мостовая компоновка по-прежнему остаётся наилучшей для машин данного класса. Существенным изменениям в процессе развития КИМ подверглись системы управления КИМ по ряду параметров: быстродействию, надёжности, компактности, выполняемым функциям.

Модернизация системы производится в условиях ограниченного финансирования. Поэтому в качестве целевой функции задачи модернизации

системы предлагается минимизировать суммарную стоимость включенных в её

состав компонентов (1) при сохранении или улучшении основных

характеристик системы с учетом выбранного критерия (или критериев)

модернизации.

"i "г "з "4

CS = XСЭВИ 'xi + ЦПУ 'х! + XСувп 'хк + XСВУЭМ 'х/ + /=1 у=I к=\ /=1

(1)

п 5 пь п-, П8

+ T.CRl3-Xm + ХСФЯ/7 ■ xn + EQy ■ XCJ + X СБ:,И'ХГ min m=1 и=1 9=1 /=1

где Сэдд/ - стоимость ЭВМ; СцПУ - стоимость ЦПУ; СуВП - стоимость УВП; СбУЭМ ~ стоимость БУЭМ; cEl-j - стоимость БлЭ; Сфип ~ стоимость ФИП; СПУ - стоимость ПУ; сБи[ - стоимость БлИ. Переменные Xi, Хр xh х/, хт, х„, xq, х<- определяют выбор конкретных компонентов системы и в данном выражении имеют следующий смысл (на примере одной переменной): fl, если модернизируется данный блок ' [О, в противном случае ^

Модернизация системы предполагает также повышение надёжности элементов, входящих в её состав. При условии повышения надёжности самого малонадёжного элемента системы данный критерий запишемся как:

Ts = min{wj,vv2, п'з, vv4, u'5, , u>7, iv8} —» max где wi, w2l wj, w4, Wi, w6, w7; w/t - время наработки на отказ выбранных компонентов системы. Так, например, при анализе системы могут рассматриваться абсолютно все блоки, тогда все переменные (2) примут значение, равное единице.

Разработан алгоритм модернизации сложной технической системы Модернизация технической системы по алгоритму (рис.1) проходит семь этапов:

I этап наступает, когда техническая система перестаёт соответствовать требованиям потребителя.

II этап заключается в определении потребителем (в общем случае, лицом, проводящим модернизацию) параметров несоответсвия. Т.е. определяются параметры, характеристики системы, которые перестали соответствовать требованиям потребителя. Здесь же производится анализ и сравнение модернизируемого образца с образцами, предлагаемыми промышленностью на момент модернизации, т.е. современными. Определяется степень отличия систем и вектор,-определяющий ход модернизации.

III этап. Производится разработка мероприятий, нацеленных на устранение несоответствия системой требованиям потребителя.

IV этап. При разработке нескольких вариантов модернизации производится выбор конкретного варианта.

V этап состоит в оценке выбранного варианта модернизации по критерию применимости. Может рассматриваться в составе IV этапа.

III

IV

VI

VII

Рис.1. Алгоритм модернизации технической системы. Цифрами обозначены этапы

модернизации

VI этап заключается в согласовании предполагаемых результатов модернизации с потребителем и, если они его устраивают, то переходят к

VII этапу - реализации принятого варианта модернизации.

Если же модернизация системы до соответствия требованиям потребителя невозможна или нецелесообразна, то техническую систему заменяют альтернативной.

Модернизация системы предполагает выбор компонентов (узлов и блоков), из которых будет состоять модернизируемая система. В данной главе сформулированы условия, которым должен удовлетворять тот или иной блок.

К основным параметрам технической системы можно отнести такие как энергопотребление, точность (или погрешность измерений), быстродействие (максимальная скорость перемещений подвижных узлов), разрешающая способность машины, погрешность измерительных головок.

Используемые параметры КИМ приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные технические параметры модернизируемой и современной систем

№ п/п Технический параметр системы Образец до модернизации Современная система Образец после модернизации

1 Энергопотребление, ВА 3500 1740 400

2 Разрешающая способность машины (дискретность отсчёта блока цифровой индикации), мм 0,010 0,001 0,010

3 Погрешность машины (систематическая составляющая), мм 0,015 0,010 0,015

4 Максимальная погрешность измерения, мкм 80,0 60,0 80,0

5 Погрешность измерительных головок, мкм 2,500 1,000 2,500

6 Объём блока управления, м3 4,000 0,145 0,003

7 Максимальная скорость перемещения, м/мин 20,0 26,0 20,0

8 Среднее время безотказной работы,ч 410 н.д. 94000

Таким образом, по данным, представленным в таблице 1 установлено, что по максимальной погрешности измерения и систематической погрешности модернизируемый образец приближается к современной КИМ, однако по энергопотреблению, объёму блока управления модернизируемый образец уступает ей.

Коэффициенты подобия параметров модернизируемой и современной систем определяются как отношение соответствующего параметра модернизируемой системы к современной, если возрастание параметра является его улучшением:

к^ЕМ.

Рэ

Если улучшением параметра является его уменьшение (энергопотребление,

погрешность измерительных головок, разрешающая способность машины), то коэффициенты подобия таких параметров двух систем определяются как отношение соответствующего параметра современной системы к модернизируемой. Таким же образом определяются коэффициенты изменения параметров системы управления КИМ до модернизации и после.

На основании данных, приведённых в таблице 1, выведем общий коэффициент подобия модернизируемой системы современной системе того же класса по формуле (за исключением времени безотказной работы - ввиду отсутствия данных по современной системе):

Iй 1 7 ^ 919

¿общ = ~ £*/ = ~ = ~~ = 0,460 "¡=1 7Ы 7

Отсюда следует, что немодернизированная система соответствует современному образцу машин того же класса с коэффициентом 0,460. На основании данных, приведённых в таблице 1, установлено, что по энергопотреблению, объёму блока управления и среднему времени безотказной работы КИМ с модернизированной системой управления существенно отличается от КИМ с прежней системой управления.

Также на основании данных, представленных в таблице 1, выведем общий коэффициент подобия модернизированной системы современной системе. При этом коэффициенты изменения параметров системы, существенно большие единицы, условимся считать равными единице, как достигшие уровня современных систем. Коэффициент подобия модернизированной системы современной системе:

М 8У=1 8

Таким образом, модернизированная система соответствует современному образцу машин того же класса с коэффициентом 0,711.

Третья глава посвящена модернизации системы управления КИМ «Альфа». В процессе длительной эксплуатации сложной технической системы возникают отказы системы, представляющие отказы каких-либо блоков. При этом надёжность (вероятность безотказной работы) всей системы (без резервирования) является функцией от надёжности каждого её компонента.

В результате исследования путём непосредственного подсчёта были получены данные о количестве компонентов в каждом блоке системы. В автореферате приведён график интенсивностей отказов по блокам машины (рис.2). Определение характерного периода времени эксплуатации блоков системы является необходимым для оценки технического состояния каждого блока и узла, входящего в систему. В соответствии с рисунком 3 определим окончание характерного периода времени эксплуатации блоков системы (рис.3) как увеличение интенсивности отказов данного блока. Под интенсивностью отказов восстанавливаемой системы, состоящей из разнородных по надёжности элементов понимается количество отказов системы в единицу времени.

Интенсивности отказов по блокам машины

Л-Ю-6,1/ч 1200

р§

§

ш «г И 50.03 I-1 5.5 109 1 п

ЭВМ БУЭМ БлЭ ПУ

п .

БлИ ФИП ЦПУ УВП

Рис.2. График интенсивностей отказов по блокам машины

График изменения интенсивностей отказов во времени.

1400 1200 1000

-»-ЭВМ БУЭМ БлЭ ПУ

-Д: Д.. Д-.{-..Ж—Д—е-г-1.. -В.-*-

Рис. 3. График зависимости интенсивности отказов от времени Для каждого момента времени эксплуатации системы характерно то, что вероятность выхода из строя /-го элемента системы постоянна и при этом выполняется условие нормировки:

п

13=1.

¡=1

где Р-, - вероятность выхода из строя 1-го блока системы, п - число блоков.

По представленным графикам (рис. 3 и 4) видно, что для каждого блока существует характерный период времени его эксплуатации, по истечении которого отказы данного блока существенно возрастают. Так, для блока ЭВМ характерным периодом времени его эксплуатации является значение Ткр=11000 часов работы, для алфавитно-цифрового печатающего устройства - Ткр~ 10000 часов работы, для устройства ввода с перфоленты - Ткр= 16000 часов работы. Значения характерного периода времени эксплуатации других блоков лежат дальше и на графике не показаны. С помощью графика рис.4 видно, что с течением времени вклад некоторых блоков (приведённых ниже) в снижение надёжности всей системы в целом начинает возрастать.

0.4 0.35 0.3 0,25 0.2 0,15 0,1 0,05 0

-ЭВМ БУЭМ БлЭ ПУ -Бли -ФЦП -ЦПУ -УВП

Рис. 4. График изменения приведенных интенсивностей отказов во времени

С помощью комбинаторного метода решается задача формирования вариантов модернизации системы. Суть предлагаемого метода состоит в следующем. Используя инструмент теории надёжности систем определяются узлы и блоки, не удовлетворяющие условиям надёжности и рациональности дальнейшей эксплуатации. Вследствие этого, количество блоков, предлагаемых к модернизации, существенно сокращается. На основе определённых показателей надёжности оставшихся блоков каждому блоку присваивается квалиметрический показатель качества. Также определяется из доступных источников стоимость аналогичного нового блока. Полным перебором значений х„ Хр хь XI, хт, х„, хч, Ху (кроме блоков, исключённых из анализа) вычисляется текущее значение целевой функции С^ В результате получено большое количество точек (С^Яъ)- Совокупность таких точек будем считать множеством достижимости решений задачи. Выбор из построенного множества паретооптимальных решений производится комбинаторным методом.

В результате применения комбинаторного способа формирования вариантов был сформирован неулучшаемый вектор Парето, состоящий из двух вариантов. В соответствии с первым вариантом необходимо модернизировать блок управляющей ЭВМ и блок цифропечатающего устройства. Согласно второму варианту необходимо модернизировать блок управляющей ЭВМ, блок цифропечатающего устройства и блок цифровой индикации. Эти два варианта образуют неулучшаемый вектор Парето. Окончательный выбор принимается на основе дополнительного анализа, который показал, что наиболее эффективным является вариант, предполагающий модернизацию блоков управляющей ЭВМ и цифропечатающего устройства.

На рис. 5 представлена структурная схема системы управления КИМ до модернизации. Штриховыми линиями отмечены блоки, исключенные из структуры КИМ в процессе модернизации. Вследствие того, что блок устройства ввода с перфоленты, блок индикации и блок задания исходных данных морально устарели, они исключены из структуры КИМ наряду с управляющей ЭВМ и блоком АЦПУ.

Рис. 5. Структурная схема системы управления КИМ до модернизации. Штриховыми линиями отмечены блоки, исключенные из структуры КИМ в процессе модернизации

Известно, что КИМ может работать в двух режимах: в режиме разметки и в режиме измерений. Вновь разрабатываемая управляющая ЭВМ должна выполнять функции прежней, дополнительно сохранять результаты измерений в электронном виде. То есть, ориентируясь на конечные функции КИМ, разработана общая функциональная схема новой управляющей ЭВМ (рис. 6).

Устройство индикации

Память программ и данных

Клавиатура

Центральный процессор

Интерполятор

Алгоритм

торможения

приводов

Обработчик сигналов обратной связи

11

К блокам управления электроприводами

Рис.6. Общая функциональная схема управляющей ЭВМ КИМ

Поскольку управление электроприводами создаваемой системой на начальном этапе будет осуществляться через соответствующие блоки, необходимо согласование их физических параметров и алгоритмов управления. Для режима разметки также необходимо наличие интерполятора в структуре ЭВМ. Для режима измерений необходимо наличие алгоритма торможения приводов во избежание поломки рабочего органа машины. Блок управления электроприводами предполагает управление по постоянному току. При переводе работы электроприводов на импульсное управление, блоки управления электроприводами исключаются из структурной схемы КИМ; управление будет осуществляться непосредственно рабочими двигателями. В этом случае схемы согласования управляющей ЭВМ и рабочих двигателей входят в структуру управляющей ЭВМ. Таким образом, алгоритм формирования структуры новой системы управления КИМ состоит из двух этапов. Первый этап заключается в разработке и учете всех функций и функциональных особенностей КИМ и оставшихся блоков, с которыми необходимо стыковать вновь разрабатываемую систему управления. Также разрабатывается программное обеспечение, необходимое для выполнения КИМ возложенных на неё функций. Второй этап состоит в исключении оставшихся блоков (в данном случае - блоков управления электроприводами КИМ) и непосредственным управлением двигателями управляющей ЭВМ, используя внутренние схемы. Таким образом решается задача исключения последних блоков, построенных на старой элементной базе и обладающих наихудшей надёжностью (по сравнению со вновь проектированной системой управления КИМ).

В четвёртой главе описывается интеграция разработанной микропроцессорной системы управления в электронную часть КИМ «Альфа». Описаны алгоритмические и схемотехнические особенности разработанной МПСУ: реализация обратной связи по координате, алгоритм начального позиционирования рабочего органа КИМ; алгоритм отслеживания текущей координаты измерительного органа КИМ; алгоритм торможения рабочего органа машины и соответствующие выкладки. Разработанная МПСУ отличается развитыми возможностями человеко-машинного интерфейса, компактными размерами и энергопотреблением.

Микропроцессорная система управления УУС 50 - ЗМИ включает в себя (рис.7): блок питающих напряжений, микропроцессор (МП), жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), клавиатура управления устройством, энергонезависимая Flash-пэмять (CompactFlash) объёмом не менее 32 МБ. Основу устройства УУС 50-ЗМИ составляет микропроцессор фирмы Atmel ATMegal28. Всё управление работой устройства осуществляется программно. Эта программа записана во внутренней памяти микропроцессора. Рабочие программы обработки деталей записываются в сменной Flash-памяти (CompactFlash) в стандарте, принятом для станков с ЧПУ.

МПСУ позволяет реализовать два режима работы КИМ:

1) режим разметки, при котором возможно вычерчивание любой пространственной кривой, используя линейную и круговую интерполяцию;

2) режим измерения, когда по двум координатам пиноль КИМ приходит в точно заданную точку (на соответствующей плоскости, обусловленной заданными координатами), а затем движется по третьей координате до момента касания измерительной головки пиноли с измеряемой поверхностью детали.

ЖКП

Микропроцессор ATMeaaUS

FLASH

Клавиатура

О О О О |

о о о о I

Блок гаггання

Буферный регистр +1Х -IX +1Y -IV +1Z -1Z

Сеть

220 В

Рис.7. Функциональная схема микропроцессорной системы автоматического и ручного управления КИМ «Альфа» и схема соединения с внешними устройствами: ЖКИ -жидкокристаллический индикатор 20x4; RS-232C - микросхема-преобразователь уровней; FLASH - программоноситель

нтеграция разработанной системы управления в модернизируемую координатно-измерительную машину заключается в определении местоположения разрабатываемой системы управления в существующей КИМ с учётом их физических параметров. Разработанная микропроцессорная система управления интегрируется в систему КИМ (рис.8.).

Рис.8. Интеграция разработанной МПСУ в структуру КИМ «Альфа»

Управление приводами осуществляется импульсной системой управления, где каждому импульсу соответствует перемещение рабочего органа машины на определённое расстояние, в данном случае - 10 мкм. При этом необходимо, чтобы период следования импульсов управления Г„р равнялся периоду следования импульсов с фотоэлектрического датчика положения 7"дат. При Тщ>Тт необходимо увеличить частоту следования импульсов управления, в противном случае - уменьшить.

Поскольку привод машины является приводом постоянного тока, скорость подач рабочего органа регулируется уровнем напряжения: чем выше уровень, тем больше скорость перемещений. Для управления скоростью перемещений рабочего органа машины разработана принципиальная схема, в составе которой имеется микропроцессор CPU и два цифро-аналоговых преобразователя DAC 1 и DAC 2, причём DAC 1 исполняет роль источника опорного напряжения для DAC 2. Это сделано с целью упрощения алгоритма синхронизации импульсов. Записывая определённые значения в DAC 1, мы можем влиять на уровень выходного сигнала с DAC 2, который управляет приводом, не меняя самой программы управления.

Работа схемы синхронизации начинается с измерения величин Гдат, Гпр. Далее происходит сравнение разности этих величин се- величиной наибольшей допустимой погрешности отклонения. Если разность |Гпр - Глат| не превышает е, то считаем, что синхронизация импульсов не нужна. Если же разность |Гпр - Глат| превышает е, определяем, какая из величин больше, и определяем управляющее воздействие - соответственно - увеличить опорное напряжение (/„/либо его уменьшить. Далее опять замеряются величины Глат, Г„р, и цикл повторяется до тех пор, пока не придём к выполнению условия |Г„р -Гдат|<е. На этом обработчик синхронизации прекращает свою работу.

Также в четвёртой главе описывается трёхкомпонентный лазерный измеритель микроперемещений объекта. В соответствии с классификацией он представляет собой векторную ИГ компонентного типа (рис.9).

Он содержит измерительный наконечник 1, устройство позиционирования 2 измерительного наконечника, призменный отражатель 3, а также три полупроводниковых лазерных диода 4, установленных параллельно друг другу, каждый полупроводниковый лазерный диод оптически связан с призменным отражателем 3, жёстко установленным на шарнирном основании устройства позиционирования 2 измерительного наконечника 1. Ось излучения каждого полупроводникового лазерного диода ориентирована на соответствующую отдельную грань призменного отражателя 3, радиально граням которого установлены светочувствительные элементы 5, например, фототранзисторы. С внешней стороны устройства позиционирования 2 измерительного наконечника закреплён измерительный наконечник I. Электронный блок обработки сигналов (на рис. не показан) обеспечивает обработку измерительной информации, поступающей со светочувствительных элементов 5. Решаемая разработкой данного измерителя техническая задача (в соответствии с тенденциями развития) - увеличение динамической точности измерений и повышение долговечности конструкции. Оно связано с минимальным набором движущихся

механических частей и отсутствием подвижных электрических контактов в конструкции.

В заключении формулируются выводы, и приводится перечень основных, результатов диссертационной работы. . ...

Результатом диссертационных исследований является решение задачи разработки алгоритмов и средств модернизации системы управления координатно-измерительной машины, находившейся длительное время в эксплуатации.

1. Проведён системный анализ состояния и развития координатно-измерительных машин. Показано, что базовая часть, содержащая узлы координатных перемещений, измерительные преобразователи, не претерпела существенных изменений: мостовая компоновка по-прежнему остаётся оптимальной для машин данного класса. Существенным изменениям подверглись элементная база систем ввода-вывода и управления КИМ, а также конструкция первичных измерительных преобразователей КИМ.

2. Показано, что основным при модернизации является сохранение или 1 улучшение основных параметров системы. При этом необходимо учитывать стоимость модернизации, а также производительность и точность | модернизируемой КИМ. Отмечено, что снижение производительности труда |

/

5

Рис. 9. Трёхкомпонентный лазерный измеритель микроперемешений объекта

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

при работе с КИМ связано с увеличением интенсивности её отказов. Поэтому основное внимание при модернизации следует уделять вопросу повышения надежности систем управления и ввода-вывода КИМ.

3. Установлено, что функция отказов системы управления КИМ не одинакова и имеет различный характер изменения во времени для различных блоков системы. По результатам статистической обработки отказов блоков КИМ «Альфа» за период работы более тридцати лет выявлены особенности поведения функции отказов блоков от времени, заключающиеся в том, что для каждого блока КИМ существует характерный период времени его эксплуатации, по истечении которого отказы данного блока существенно возрастают. Предложено указанный период времени использовать как один из критериев применения обоснованного решения о модернизации КИМ. Выявлено, что для блока управляющей ЭВМ характерным периодом эксплуатации является значение 7^=11000 часов работы, для алфавитно-цифрового печатающего устройства - Гкр=Ю000 часов. Данные блоки существенно ограничивают возможность дальнейшей эксплуатации КИМ.

4. Предложен алгоритм формирования вариантов модернизации системы управления КИМ, основанный на использовании характерного периода времени эксплуатации блоков системы и комбинаторного метода. Выявлен наилучший вариант модернизации КИМ. Проведена оценка эффективности модернизации КИМ. Установлено, что до модернизации КИМ «Альфа» соответствовала современному образцу машин того же класса с коэффициентом 0,460. В результате модернизации удалось улучшить характеристики машины до значения 0,711 от современного образца.

5. Разработана и интегрирована в структуру КИМ микропроцессорная система управления координатно-измерительной машиной. Разработаны алгоритмы работы микропроцессорной системы управления КИМ.

6. Предложено устройство для измерений момента, модуля и угла касания измерительного органа КИМ с объектом измерения, имеющее повышенную точность и быстродействие. Разработан алгоритм работы электронного блока обработки сигналов, поступающих с трёхкоординатного лазерного измерителя микроперемещений объекта с целью последующего использования в системах обработки и хранения данных.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Григораш О.В., Ильин Г.И. О модернизации сложных информационно-измерительных систем. // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. - 2008. - №4. - С.89 -92.

2. Григораш О.В., Ильин Г.И. О надёжности координатно-измерительной машины «Альфа».// Измерительная техника. - 2008. - №12. - С. 16 - 19.

Патенты

1. Патент на полезную модель № 77417 Российская Федерация, МПК G01B, 11/03. Трехкомпонентный лазерный измеритель микроперемещений объекта./

Григораш О.В.; Патентообладатель: ГОУ ВПО КГТУ им. А.Н. Туполева. -№2008118187; заявл. 06.05.2008; опубл. 20.10.2008, Бюл. № 29 - 2с.

2. Патент на изобретение № 2383854 Российская Федерация, МПК G01B, 11/00. Трехкомпонентный лазерный измеритель микроперемещеиий объекта./ Григораш О.В.; Патентообладатель: ГОУ ВПО КГТУ им. А.Н. Туполева. -№2008118123; заявл. 06.05.2008; опубл. 10.03.2010, Бюл. № 7 - Зс.

Публикации в других изданиях

1. Григораш О.В. Основные пути модернизации координатно-измерительной машины типа АЛЬФА // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Материалы XII международной научно-технической конференции. - Москва, МЭИ(ТУ), 2006. - Том III. - С.316 - 318.

2. Григораш О.В., Ильин Г.И. Теория систем применительно к модернизации координатно-измерительной машины типа Альфа.// Физика и технические приложения волновых процессов. Материалы V международной научно-технической конференции. - Самара, ПГАТИ, 2006. - С.79 - S1.

3. Григораш О.В. Анализ тенденций развития первичных измерительных преобразователей, используемых на координатных измерительных машинах.// XIV Туполевские чтения. Материалы международной молодёжной научной конференции. - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2006. - Том V. 1 - С. 11 - 12.

4. Григораш О.В. Системный подход к модернизации координатно-измерительной машины типа Альфа.// XIV Туполевские чтения. Материалы международной молодёжной научной конференции. - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2006. - Том V. - С.13 - 14.

5. Ильин Г.И., Григораш О.В. Реализация оптимального выбора в задаче модернизации координатно-измерительной машины типа Альфа.// Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Материалы XIX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. - Казань, КВАКУ им. М.Н. Чистякова, 2007. -С. 328-330.

6. Григораш О.В. Методы принятия решений при модернизации координатно-измерительной машины типа Альфа.// Информационные технологии в науке, образовании и производстве. Материалы всероссийской научной конференции, посвященной 75-летию Казанского Государственного технического университета им. А.Н. Туполева. - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2007. - С.320 -322.

7. Григораш О.В., Ильин Г.И. Анализ и коррекция погрешностей координатно-измерительной машины типа «Альфа».// Физика и технические приложения волновых процессов. Труды VI Международной научно-технической конференции. - Казань, 2007. - С.66 - 67.

8. Григораш О.В. Анализ системы управления координатно-измерительной машины «Альфа».// 'XV Туполевские чтения. Материалы международной молодёжной научной конференции. - Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева. 2007. -C.6I-63.

9. Ильин Г.И., Григораш О.В. Разработка теории оптимальной модернизации технических систем, находившихся в эксплуатации.// Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Материалы XX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. - Казань, ВАКУ. 2008. - С.305 - 307.

10. Григораш О.В., Ильин Г.И. Модернизация систем как способ технического перевооружения предприятий на примере координатно-измерительной машины «Альфа»// АКТО-2008. Материалы IV Международной научно-практической конференции. Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2008.

11. Григораш О.В., Ильин Г.И. К вопросу о модернизации сложных технических систем. // Молодёжь в науке. Материалы VII научно-технической конференции. Саров, РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2008. - С.80 - 81.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Печ.л. 1,25. Усл.печ.л. 1,16. Уч.-изд.л. 0,98. _Тираж 100. Заказ Н 123.___

Типография Издательства Казанского государственного технического университета 420111, Казань, К. Маркса, 10

Основные обозначения и сокращения.

Введение.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ И СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА МЕТОДОВ МОДЕРНИЗАЦИИ КООРДИНАТНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МАШИН.

1.1. Общие вопросы модернизации.

1.2. Системы числового программного управления.

1.3. Методы решения задачи оптимальной модернизации системы.

1.4. Тенденции развития первичных измерительных преобразователей, используемых на координатных измерительных машинах.

Выводы по главе.

ГЛАВА 2. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К РАЗРАБОТКЕ АЛГОРИТМА МОДЕРНИЗАЦИИ КИМ.

2.1. Сопоставительная оценка координатно-измерительных машин.

2.2. Принципы построения современных координатно-измерительных машин.

2.3. Разработка общего подхода к модернизации СТС.

2.4. Математическая модель модернизации системы управления КИМ.

Выводы по главе.

ГЛАВА 3. МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КИМ «АЛЬФА» ПО КРИТЕРИЮ НАДЕЖНОСТИ.

3.1. Определение вероятности отказов системы.

3.2. Определение периода интенсивного старения блоков системы.

3.3. Комбинаторный способ формирования вариантов модернизации системы.

3.4. Интеграция разрабатываемой системы в модернизируемую.

Выводы по главе.

ГЛАВА 4 . ИНТЕГРАЦИЯ РАЗРАБОТАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ В СТРУКТУРУ КООРДИНАТНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ.

4.1 Описание принципиальной схемы МГТСУ.

4.2. Реализация обратной связи по координате.

4.3. Приводы координатных перемещений.

4.4. Описание устройства МПСУ.

4.5. Расчет среднего времени безотказной работы модернизированной системы управления КИМ.

4.6. Трёхкомпонентный лазерный измеритель микроперемещений объекта.

Выводы по главе.

В современном машиностроении качество изготавливаемых деталей контролируют с помощью метрологического оборудования. Отклонение формы и размеров деталей, имеющих сложные поверхности, определяют как универсальными, так и специальными измерительными средствами. Определение отклонений размеров таких поверхностей осложняется тем, что в обычном понимании чертёж детали с указанием исчерпывающей информации о форме отдельных конструктивных элементов, размерах и допусках на изготовление не разрабатывается. До недавнего времени для их описания применяли аналитические и табличные методы. Очень широко использовались методы обратного инженерного проектирования, в основе которых были заложены принципы плазово-шаблонной увязки графической информации, технологической и контрольной оснастки. Компьютерные системы проектирования позволили создавать электронные модели деталей и в отдельных случаях полностью отказаться от чертежей, как носителей графической информации о форме и размерах изделий [1]. В этих условиях наиболее перспективным для измерения отклонений полученных после обработки сложных поверхностей на станках с ЧПУ стал метод контроля, базирующийся на применении координатно-измерительных машин [13,49,79].

Актуальность. Координатно-измерительные машины (КИМ) — высокотехнологичные средства контроля линейно-угловых размеров объектов, широко применяемые в различных отраслях производства: автомобилестроении, авиакосмическом машиностроении, ядерно-энергетическом машиностроении и т.д. КИМ предназначены для измерения и контроля геометрии разнообразных изделий как в лабораторных, так и в цеховых условиях в ручном и автоматическом режимах, включая режим самообучения. КИМ являются официальным средством измерения по стандартам ISO и внесены в Госреестр средств измерений РФ с 1996 года.

КИМ характеризуются высоким быстродействием, точностью получаемых результатов, разнообразием выполняемых работ. Они позволяют не только производить замеры, но также и размечать заготовки детали с целью её последующей обработки; решать задачу обратного инжиниринга, т.е., по существующей детали строить её CAD-модель. КИМ позволяют производить измерения как в ручном, так и в автоматическом режиме, получать достоверные данные о положении точек в пространстве. Электронная модель в такой системе представляет собой идеальный (эталонный) хранитель информации.

Однако, развитие высокопроизводительных технологических процессов в настоящее время требует увеличения точности и производительности как обрабатывающего, так и измерительного оборудования. В процессе эксплуатации оборудования оно непременно изнашивается. Эти два противоречивых факта требуют решения проблемы соответствия оборудования требованиям научно-технического прогресса. Приобретение нового оборудования сказывается в конечном итоге на стоимости продукта, что в условиях рыночной экономики может негативно отразиться на конкурентоспособности последнего. В связи с этим встаёт вопрос о иных путях решения проблемы соответствия оборудования. Координатная измерительная машина представляет собой сложную систему, состоящую из множества блоков и узлов. Каждый блок обладает своими собственными характеристиками надёжности [45], уже только по этому факту нельзя предполагать, что блоки системы изнашиваются с одинаковой скоростью, и к определённому моменту выходят из строя. Исходя из этого, возникает задача проведения анализа системы с целью последующей выработки рекомендаций, нацеленных на улучшение её характеристик.

Один из таких путей — модернизация — включает в себя исследование различных путей преобразования имеющегося оборудования с целью достижения характеристик, которые будут удовлетворять по части заранее выбранных параметров. Модернизация может производиться как изготовителем оборудования, так и потребителем. В последнем случае ей присущи специфические особенности, в том числе ограниченная информация об объекте модернизации.

В настоящее время отечественной и зарубежной промышленностью выпускается значительная номенклатура различных аппаратных и программных устройств и компонентов, из которых путём системой интеграции (агрегирования) возможно создание оригинальных узлов и конструкций станков с числовым программным управлением.

Многообразие таких компонентов, необходимость учёта различных их характеристик, значительное число и объективная противоречивость требований, предъявляемых к создаваемым устройствам (как по механической, так и по электронной компонентам), диктуют необходимость применения специальных математических моделей и методов оптимального синтеза (и анализа) устройств из готовых компонентов.

Объектом исследования является система числового программного управления координатно-измерительной машиной типа «Альфа».

Целью работы является проведение комплексных исследований, направленных на получение научно-обоснованных технических решений по процессу модернизации системы управления координатно-измерительной машиной типа «Альфа» в условиях длительной эксплуатации.

Задачей исследования является разработка алгоритмов и средств модернизации системы управления координатно-измерительной машины, находившейся длительное время в эксплуатации с решением следующих вопросов:

- системный анализ состояния и развития координатно-измерительных машин;

- выбор критериев модернизации существующей КИМ, и построение алгоритма модернизации координатно-измерительной машины;

- разработка алгоритма, позволяющего проводить формирование вариантов модернизации системы управления КИМ «Альфа». Оценка эффективности модернизации КИМ;

- повышение точности и быстродействия первичных измерительных преобразователей КИМ.

Предметом исследования является теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования системы числового программного управления координатно-измерительной машины «Альфа».

Методы исследования. В диссертационной работе использовались методы системного анализа (общая теория, системология), комбинаторного анализа, теории множеств, теории надёжности, теории вероятностей и математической статистики.

Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается использованием системного анализа как основополагающего метода научного исследования, корректностью применения хорошо апробированного аппарата теории вероятностей и математической статистики, публикациями основных положений работы, а также внедрением результатов работы.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- проведён системный анализ состояния и развития координатно-измерительных машин, выявивший степень отличия базовой части и системы управления модернизируемой КИМ от аналогичных систем современных КИМ;

- по результатам статистической обработки отказов блоков КИМ «Альфа» за период работы более тридцати лет выявлены особенности поведения функции отказов блоков от времени, заключающиеся в том, что для каждого блока КИМ существует характерный период времени его эксплуатации, по истечении которого отказы данного блока существенно возрастают. Предложено указанный период времени использовать как один из критериев применения обоснованного решения о модернизации КИМ;

- предложен алгоритм формирования вариантов модернизации системы управления КИМ, основанный на использовании характерного периода времени эксплуатации блоков системы и комбинаторного метода, а также проведена оценка эффективности модернизации системы управления КИМ «Альфа».

Практическая ценность работы заключается:

- в разработке алгоритма модернизации координатно-измерительных машин с числовым программным управлением, позволяющего осуществлять научно обоснованное решение о модернизации КИМ, формировать варианты модернизации, а также производить оценку эффективности модернизации КИМ;

- в разработке микропроцессорной системы управления, алгоритмов её функционирования и её интеграции в структуру КИМ;

- в разработке трёхкоординатного измерителя микроперемещений объекта, обладающего повышенной точностью и быстродействием.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на XII Международной научно-технической конференции студентов и 4 аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2006 г.); на V Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Самара, 2006 г.); на XIV Международной молодёжной научной конференции «Туполевские чтения» (г. Казань, 2006 г.); на XIX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (г. Казань, 2007 г.); на Всероссийской научной конференции, посвященной 75-летию Казанского Государственного технического университета им. А.Н. Туполева «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (г.Казань, 2007 г.); на VI Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (г. Казань, 2007 г.); на XV Международной молодёжной научной конференции «Туполевские чтения» (г. Казань, 2007 г.); на XX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»(г. Казань, 2008 г.); на IV Международной научно-практической конференции «АКТО-2008» (г. Казань, 2008 г.); на VII научно технической конференции «Молодёжь в науке», РФЯЦ-ВНИИЭФ (г.Саров, 2008 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе одно свидетельство на полезную модель, патент на изобретение, две статьи: в центральном специализированном журнале «Измерительная техника», журнале «Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева».

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 110 наименований. Основная часть диссертации изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 63 рисунка и 16 таблиц.

Выводы по главе.

1. Разработана микропроцессорная система управления, реализующая два режима работы КИМ: режим разметки и режим измерений. Система реализует два вида интерполяции - линейную и круговую. Объём памяти разработанной системы существенно превосходит (от 128 МБ) объём памяти прежней системы управления при существенно меньших габаритах.

2. Рассчитаны максимальная и минимальная скорости движения по осям измерительного органа КИМ, рассчитана необходимая разрядность счётчика, при которой достигаются данные скорости движения.

3. Разработаны алгоритмы начального позиционирования измерительного органа КИМ, отслеживания текущей координаты измерительного органа КИМ, а также синхронизации управляющих импульсов и импульсов обратной связи.

4. Предложено оригинальное устройство для измерений момента, модуля и угла касания измерительного органа КИМ с объектом измерения (Патент на изобретение РФ № 2383854). Разработан алгоритм работы электронного блока обработки сигналов, поступающих с трёхкоординатного лазерного измерителя микроперемещений объекта с целью последующего использования в системах обработки и хранения данных.

Заключение.

1. Проведён системный анализ состояния и развития координатно-измерительных машин. Показано, что базовая часть, содержащая узлы координатных перемещений, измерительные преобразователи, не претерпела существенных изменений: мостовая компоновка по-прежнему остаётся оптимальной для машин данного класса. Существенным изменениям подверглись элементная база систем ввода-вывода и управления КИМ, а также конструкция первичных измерительных преобразователей КИМ.

2. Показано, что основным при модернизации является сохранение или улучшение основных параметров системы. При этом необходимо учитывать стоимость модернизации, а также производительность и точность модернизируемой КИМ. Отмечено, что снижение производительности труда при работе с КИМ связано с увеличением интенсивности её отказов. Поэтому основное внимание при модернизации следует уделять вопросу повышения надежности систем управления и ввода-вывода КИМ.

3. Установлено, что функция отказов системы управления КИМ не одинакова и имеет различный характер изменения во времени для различных блоков системы. По результатам статистической обработки отказов блоков КИМ «Альфа» за период работы более тридцати лет выявлены особенности поведения функции отказов блоков от времени, заключающиеся в том, что для каждого блока КИМ существует характерный период времени его эксплуатации, по истечении которого отказы данного блока существенно возрастают. Предложено указанный период времени использовать как один из критериев применения обоснованного решения о модернизации КИМ. Выявлено, что для блока управляющей ЭВМ характерным периодом эксплуатации является значение 7^=11000 часов работы, для алфавитно-цифрового печатающего устройства - 7^=10000 часов. Данные блоки существенно ограничивают возможность дальнейшей эксплуатации КИМ.

4. Предложен алгоритм формирования вариантов модернизации системы управления КИМ, основанный на использовании характерного периода времени эксплуатации блоков системы и комбинаторного метода. Выявлен наилучший вариант модернизации КИМ. Проведена оценка эффективности модернизации КИМ. Установлено, что до модернизации КИМ «Альфа» соответствовала современному образцу машин того же класса с коэффициентом 0,460. В результате модернизации удалось улучшить характеристики машины до значения 0,711 от современного образца.

5. Разработана и интегрирована в структуру КИМ микропроцессорная система управления координатно-измерительной машиной. Разработаны алгоритмы работы микропроцессорной системы управления КИМ.

6. Предложено устройство для измерений момента, модуля и угла касания измерительного органа КИМ с объектом измерения, имеющее повышенную точность и быстродействие. Разработан алгоритм работы электронного блока обработки сигналов, поступающих с трёхкоординатного лазерного измерителя микроперемещений объекта с целью последующего использования в системах обработки и хранения данных.

1. Автоматизация проектирования операций фрезерования деталей сложной формы на станках с ЧПУ. Ф.С. Панов, JI.M. Балдин, А.И. Травин, И.К. Филимонов. Л.: ЛДНТП, 1983 - 28с.

2. Азимов Р.К., Шипулин Ю.Г. Оптоэлектронные преобразователи больших перемещений на основе полых световодов. — М.: Энергоатомиздат, 1987.-56с.

3. Анализ систем числового программного управления оборудованием и тенденции их развития зарубежом. М.:НИАТ, 1971. -252с.

4. Андрейчиков Б.И. Динамическая точность систем программного управления станками. М.: Машиностроение, 1964

5. Андрианов Ю.М, Лопатин М.В. Квалиметрические аспекты управления качеством техники. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1983. - 288с.

6. Андрианов Ю.М., Субетто А.И. Квалиметрия в приборостроении и машиностроении. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990. - 216с.

7. Ацюковский В.А. Ёмкостные дифференциальные датчики перемещения. — М.: Госэнергоиздат, 1960. 103 с.

8. Барсов А.С. Линейное программирование в технико-экономических задачах. М.: Наука, 1964. - 280с.

9. Басовский Л.Е., Протасьев В.Б. Управление качеством. М.: ИНФРА - М, 2002. - 212с.

10. Бекинтис З.М., Каспарайтис А.Ю., Куметайтис Ю.П. Новые автоматизированные координатные измерительные машины.// Станки и инструмент. 1981. №3. С.13 - 17.

11. П.Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Математико-статистические методы экспертных оценок. М.: Статистика, 1980. - 263с.

12. Большая Советская Энциклопедия. Выпуск III. Том 16.

13. Бражкин Б.С., Миротворский B.C. Расчёт координат криволинейных поверхностей на координатно-измерительных машинах.// Измерительная техника. 2005. №7. С.21 - 24.

14. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978

15. Вавилов А.А., Верхолат М.Е., Рубашкин И.Б. Силовые электромеханические следящие системы копировально-фрезерных станков. М. Д.: Машиностроение, 1964

16. Вавилов А.А., Солодовников А.И. Экспериментальное определение частотных характеристик автоматических систем. М. Д.: Госэнергоатомиздат, 1963,252с.

17. Вентцель Е.С. Исследование операций. Задачи, принципы, методология. — М.: Высш. шк., 2001. 208с.

18. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Высш. Шк. 1999. - 576с.

19. Высокоточные преобразователи угловых перемещений./ Э.Н. Асиновский, А.А. Ахметжанов, М.А. Габидуллин, и др., Под общ. ред. А.А. Ахметжанова. -М.: Энергоатомиздат, 1986. 128с.

20. Гапшис А.А., Каспарайтис А.Ю., Раманаускас В.А. Развитие современных координатных измерительных машин: Обзор. М.: НИИмаш, 1983.

21. Гарантийный надзор за сложными техническими системами./ Г.Е. Алпаидзе, Л.Г. Романов, А.А. Червонный, Ф.К. Шахтарин. М.: Машиностроение, 1988.-232с.

22. Голинкевич Т.А. Прикладная теория надёжности. М.: Высш. школа, 1985. - 168с.

23. Григораш О.В. Анализ системы управления координатно-измерительной машины «Альфа».// XV Туполевские чтения. Материалы международной молодёжной научной конференции. Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева. 2007г. С.61 - 63.

24. Григораш О.В. Основные пути модернизации координатно-измерительной машины типа АЛЬФА // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Материалы XII международной научно-технической конференции. Москва, МЭИ(ТУ), 2006. - Том III. С.316 - 318.

25. Григораш О.В. Системный подход к модернизации координатно-измерительной машины типа Альфа.// XIV Туполевские чтения. Материалы международной молодёжной научной конференции. Казань, КГТУ им. А.Н. Туполева, 2006. Том V. С. 13 - 14.

26. Григораш О.В., Ильин Г.И. Анализ и коррекция погрешностей координатно-измерительной машины типа «Альфа».// Физика и технические приложения волновых процессов. Труды VI Международной научно-технической конференции. Казань, 2007. С.66 - 67.

27. Григораш О.В., Ильин Г.И. К вопросу о модернизации сложных технических систем. // Молодёжь в науке. Материалы VII научно-технической конференции. Саров, РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2008. С.80 81.

28. Григораш О.В., Ильин Г.И. О модернизации сложных информационно-измерительных систем. // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2008. - №4. - С.89 - 92.

29. Григораш О.В., Ильин Г.И. О надёжности координатно-измерительной машины «Альфа».// Измерительная техника. 2008. - №12. — С.16— 19.

30. Гудков В.В. Пути повышения надёжности металлорежущих станков. Обзор. -М.: НИИмаш, 1982

31. Гуткин J1.C. Оптимизация радиоэлектронных устройств по совокупности показателей качества. М.: Сов.радио, 1975. - 368с.

32. Драудин А.Т. Способ комплексной оценки погрешности измерения на координатно-измерительных машинах.// Станки и инструмент. 1979. №8. С.25 - 28.

33. Дружинский И.А. Концепция конкурентоспособных станков. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ие, 1990

34. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы Atmel. М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2006. 560с.

35. Ежов И.Н. Элементы комбинаторики. М.: Наука, 1977. - 80с.

36. Железнов И.Г, Сложные технические системы (оценка характеристик). -М.: Высш. шк., 1983. 118с.

37. Журавлёв Ю.П., Котелюк Л.А., Циклинский Н.А. Надёжность и контроль ЭВМ. М.: Сов. радио, 1978

38. Захаров В.Н. и др. Системы управления. Задание. Проектирование. Модернизация. М.: «Энергия», 1977

39. Иыуду К.А. Надёжность, контроль и диагностика вычислительных машин и систем. М.: Высш. шк., 1989

40. Каштальян И.А., Клевзович В.И. Обработка на станках с числовым программным управлением: Справ, пособие. Минск: Вышейш. шк. 1989 — 270с.

41. Квейд Э. Анализ сложных систем. М.: Советское радио, 1969.520с.

42. Координатные измерительные машины и их применение./В.-А. А. Гапшис, А.Ю. Каспарайтис, М.Б. Модестов и др. М.: Машиностроение, 1988.-328с.

43. Косычев Ю. В., Емельянов В. В. Контрольно-измерительные приборы и автоматизированные устройства в авиадвигателестроении: Учебное пособие. Куйбышев; КуАИ, 1987. - 90 с.

44. Кофман А. Введение в теорию нечётких множеств: Пер. с франц. -М.: Радио и связь, 1982. 432с.

45. Кофман А., Анри-Лабордер А. Методы и модели исследования операций. Пер. с фр. М.: Мир. 1977. - 430с.

46. Коченов М.И., Чудов В.А., Рукин А.Е., Модестов М.Б., Тарасова Т.И. Разработка и исследование автоматических координатных измерительных машин.// Автоматизация сборочных процессов в машиностроении. Сб. статей. М.: Наука, 1979. С. 136 139.

47. Крутик Я.Б., Чудов В.А. Координатные измерительные машины с ЧПУ.// Станки и инструмент. 1973. №6. С. 17 - 20.

48. Кульвец П.А. Технико-экономические проблемы развития станкостроения.-М.: Машиностроение, 1975

49. Меламед Г., Счастливенко Ф. Надёжность и долговечность станочных систем. Минск: Беларусь, 1967

50. Месарович М. и др. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: «Мир», 1973

51. Месарович М. Общая теория систем: математические основы./ М. Месарович , Я. Такахара. Под ред. С.В. Емельянова. М.: «Мир», 1978

52. Многоцелевые системы ЧПУ гибкой механообработкой/ В.Н.Алексеев, В.Г. Воржев, Г.П. Гырдымов и др.; под общ. ред. проф. В.Г. Колосова. Л.: Машиностроение, Ленингр. Отделение, 1984. 224с.

53. Многоцелевые станки с числовым программным управлением и автоматической сменой инструмента (обрабатывающие центры). — Методические материалы НИАТ. 1973.

54. Модернизация деревообрабатывающего оборудования. М.: ЦИНТИАМ, 1963

55. Модернизация и ремонт оборудования машиностроительных заводов./Под ред. Р.А. Носкина. М.: Машгиз, 1959

56. Модернизация консольно-фрезерных станков. (Руководящие материалы)/ Под ред. А.Е. Прокоповича. М.: Машгиз, 1957

57. Модернизация металлорежущего и кузнечно-прессового оборудования. Примеры. М.:НИАТ, 1969

58. Модернизация токарно-карусельных станков./ Под ред. А.Е. Прокоповича. -М.: Машгиз, 1958

59. Модернизация токарных многошпиндельных автоматов и полуавтоматов. (Руководящие материалы)/ Под ред. А.Е. Прокоповича. — М.: Машгиз, 1958.

60. Модернизация универсальных горизонтально-расточных станков. (Руководящие материалы)/ Под ред. А.Е. Прокоповича. — М.: Машгиз, 1958

61. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981.-488с.

62. Муаровые растровые датчики положения и их применение./ JI.H. Преснухин, В.Ф. Шаньгин, Ю.А. Шаталов. М.: Машиностроение, 1969. -204с.

63. Надёжность электрооборудования станков./ Тевлин З.В., Босинзон М.А., Брейтер и др. — М.: Машиностроение, 1980. 168с.

64. Неуймин Я.Г. Модели в науке и технике. Л.: Наука, 1983. - 187с.

65. Нечипоренко В.И. Структурный анализ систем. (Эффективность и надёжность). М.: Сов. радио, 1977.

66. Одрин В.М. Метод морфологического анализа технических систем. М.: ВНИИПИ, 1989.-312с.

67. Одрин В.М. Морфологический метод поиска технических решений. Киев: Знание, 1982. — 16с.

68. Окрепилов В.В. Управление качеством. М.: ОАО «Изд-во «Экономика», 1998. - 639с.

69. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ: Учебное пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1989. - 367с.

70. Подиновский В.В., Ногин В.Д. Паретооптимальные решения многокритериальных задач. М.: Наука, 1982. - 256с.

71. Пономарёв Б.Б. Оптимизация стратегии фрезерования сложных поверхностей. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2003

72. Поспелов Д.А. Логические методы анализа и синтеза схем. Изд-е 3-е, перераб. и доп., М., «Энергия», 1974

73. Постников В.И., Мымрин Ю.Н. Эффективность исследований и разработок в машиностроении. — М.: Машиностроение, 1980. 199с.

74. Ратмиров В.А. Управление станками гибких производственных систем. М.: Машиностроение, 1987. - 272с.

75. Ратмиров В.А., Хрящева Т.С. Системы ЧПУ контрольно-измерительными машинами и коррекция погрешностей обработки деталей. Обзор. М.; НИИмаш, 1980 48с.

76. Ратмиров В.А., Чурин И.Н., Шмутер С.Л. Повышение точности и производительности станков с числовым программным управлением. М.: Машиностроение, 1970

77. Серков Н.А. Измерение пространственно-сложных поверхностей на координатных измерительных машинах.// Станки и инструмент. — 1982. №11. С.20-24.

78. Системные исследования. Методологические проблемы. Ежегодник 1981. М.: Наука - 1981

79. Сосонкин, В. Л. Микропроцессорные системы числового программного управления станками. -М.: Машиностроение, 1985 288с.

80. Станки с числовым программным управлением (специализированные)/ В.А. Лещенко, Н.А. Богданов, И.В. Вайнштейн и др.; под общ. ред. В.А. Лещенко. М.: Машиностроение, 1988 - 568с.

81. Точность и надёжность станков с числовым программным управлением./Под ред. А.С. Проникова. М.: Машиностроение, 1982. — 256с.

82. Туркельтауб P.M. Методы исследования точности и надёжности схем аппаратуры. М. Л.: Энергия, 1966. - 160с.

83. Хетагуров Я.Ф., Атовмян И.О., Руднев Ю.П., и др. Надёжность автоматизированных систем управления. М.: Высшая школа, 1979. — 287с.

84. Чумаков Н.М., Серебряный Е.И. Оценка эффективности сложных технических устройств. М.: Сов. радио, 1980. - 192с.

85. Шишонок Н.А., Репкин В.Ф., Барвинский Л.Л. Основы теории надёжности и эксплуатации радиоэлектронной техники. — М.: Советское радио, 1964. -551с.

86. Электрические измерения неэлектрических величин./ Туричин A.M., Новицкий П.В., Левшина Е.С., Гутников B.C. и др. Л.: Энергия, 1975.-576с.

87. Юдин Д.Б., Голынтейн Е.Г. Линейное программирование (теория, методы и приложения). М.: Наука, 1969. - 424с.

88. AD7302.pdf/http://www.OkDatasheets.com Free Datasheet Search Engine

89. AD7304/AD7305.pdf/http://www.OkDatasheets.com Free Datasheet Search Engine

90. Mitutoyo CMM http://www.mitutoyo.co.uk/MitProd/mtopr.nsf

91. Renishaw CMM products http://www.renishaw.com/client/product/UKEnglish/PGP-518.shtml

92. Аксиом- координатная измерительная машина http://www.taylor-hobson.ru/prod/3koord.htm

93. Интерфейсы жестких дисков http://www.citforum.ru/ hardware/bookide/bookide2. shtml

94. Контрольно-измерительные приборы, http://www.e-kip.ru/

95. Координатно-измерительное оборудование http://www.galika.ru/metrology/

96. Прайс-лист на станки и запчасти, www.svalka.org/

97. Система ЧПУ FMS 3000. http://www.mstserv.ru/?id=26

98. Системы ЧПУ для токарных станков. http://rvs-market.ru/productsl .html

99. Специализированный инструментальный центр блиц-аир (Екатеринбург) http://www.blitz-air.ru

100. Сравнение лазерной печати со струйной http://h41139.www4.hp.com/ru/ru/helpmechoose/laserink.html

101. Стоимость измерителей перемещений ЛИР. http://promzona.biz/

102. УЦИ для токарных станков, http://www.w3 .org/