автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Формирование модулей механообработки методами структурно-функционального синтеза в условиях многономенклатурного производства

На правах рукописи

Давыдов Владимир Михайлович

ФОРМИРОВАНИЕ МОДУЛЕЙ МЕХАНООБРАБОТКИ МЕТОДАМИ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СИНТЕЗА В УСЛОВИЯХ МНОГОНОМЕНКЛАТУРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.03.01 - Технологии и оборудование механической

и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Комсомольск-на-Амуре 2004

Работа выполнена в Хабаровском государственном техническом университете

Научный консультант Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Кабалдин Юрий Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Бушуев Владимир Васильевич, доктор технических наук, профессор Кондаков Александр Иванович, доктор технических наук, профессор Шпилев Анатолий Михайлович.

Ведущая организация ОАО "Комсомольское-на-Амуре

авиационное производственное объединение им. Ю. А. Гагарина "

Защита состоится « 3 » июня 2004 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.092.01 Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, проспект Ленина, 27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. Автореферат разослан « 15 » апреля 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к. т.н.,доцент Пронин А. И.

Актуальность темы. Одной из основных причин недостаточной конкурентоспособности продукции многих отечественных предприятий машиностроения, осуществляющих многономенклатурное производство, является низкий уровень их мобильности, не позволяющий эффективно реагировать на изменения экономической ситуации. Рыночные отношения во многом предопределили существенные изменения в организационной структуре предприятий, значительно изменился характер производства, повысились требования к качеству выпускаемой продукции. Условия многономенклатурного производства требуют пересмотра стратегии принятия решений при формировании технологической среды механообработки. Решение этой проблемы без автоматизации всего производственного процесса невозможно. Отсутствие научно обоснованных рекомендаций, обеспечивающих наиболее полное использование технологических возможностей и имеющихся ресурсов производственных систем (ПС), приводит к значительным материальным потерям, в ряде случаев делающим производство убыточным.

Традиционные методы конструирования и изготовления, механообрабатывающего оборудования для многономенклатурного производства не соответствуют современным требованиям ввиду большого риска принятия неэффективных решений. Весьма сложно охватить весь спектр задач, выполняемых с помощью технологического оборудования при реализации производственно-технологического цикла, механообработки. Большинство подходов проектирования механообрабатывающего производства использует математические модели различных процессов, но не учитывает целостность в структурном и функциональном аспектах всей ПС. В практике конструирования механообрабатывающего оборудования для интегрированных производств не нашла должного отражения концепция CALS-технологии.

Анализ методов проектирования модулей механообработки (ММ) показал, что на ранних этапах проектирования весьма сложно прогнозировать их работу в многономенклатурном производстве. Возникает проблема автоматизированного анализа характеристик геометрических моделей деталей в базе данных (БД) САПР с целью обоснованного выбора технических характеристик проектируемого оборудования для их изготовления. Конкурентоспособность продукции механообрабатывающего многономенклатурного производства во многом зависит от возможности быстро адаптироваться к изменениям рынка. На ранних этапах проектирования мехатронных систем механообработки (МСМ) возникают значительные трудности, связанные с отсутствием соответствующей научно-методологической базы позволяющей учесть конструкторско-технологические, информационные, экономические и организационные взаимосвязи.

С повышением уровня автоматизации многономенклатурного производства усложняется технологическое и управляющее оборудование. На ранних этапах проектирования оценки работоспособности узлов, модулей, агрегатов МСМ Стоит задача создания предпосылок обеспечения надежности и стабильности их работы в ПС.

Сказанное определило необходимость исследований в области автоматизации процессов механообработки с целью поиска новых подходов к повышению мобильности и эффективности многономенклатурного производства на этапах проектирования ММ и МСМ.

В этой связи установление информационных, конструкторских, технологических и организационных взаимосвязей ПС с целью повышения мобильности и эффективности многономенклатурного производства является актуальной задачей в машиностроении.

Работа выполнялась по направлениям, связанным с планами важнейших НИР ГКНТ «Гибкие производственные системы», межвузовской региональной НТО "Научно-технические и социально-экономические проблемы развития Дальневосточного региона России" (Дальний Восток России), НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» на 2001 - 2002 годы по разделу «Менеджмент качества, безопасность и конкурентоспособность продукции».

Цель работы - обеспечение мобильности и эффективности многономенклатурного производства изделий машиностроения на основе предложенной методологии проектирования модулей механообработки, учитывающей конструкторско-технологические параметры обрабатываемых заготовок, информационные, конструкторские, технологические и организационные связи производственной системы.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использованы . основные положения технологии машиностроения, конструирования металлорежущих станков, теории иерархических систем, теории управления, теории надежности, теоретических основ САПР, исследования операций, имитационного и агентно-ориентированного моделирования, теории выбора и принятия решений, теории искусственного интеллекта, сетей Петри, теории кластерного анализа, теории экспертных оценок, теории искусственных нейронных сетей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлены взаимосвязи конструкторских, технологических, организационных решений, принимаемых и реализующихся в системах механообработки многономенклатурного производства и обеспечивающих их единство. Доказано, что в условиях многономенклатурного производства проектирование модулей механообработки невозможно без согласования технических и технологических функций модулей и производственной системы, а также этапов их жизненного цикла.

2. Предложена методология проектирования модулей механообработки для предприятия с многономенклатурным производством, основанная на интеллектуальных агентах, позволяющая на базе структурно-функционального синтеза учитывать информационные, конструкторские, технологические и организационные связи производственной системы, с учетом данных о конструкторско-технологических параметрах обрабатываемых деталей.

3. Разработана методология целенаправленного структурно-функционального синтеза модулей механообработки, ориентированная на автоматизированную

реализацию, позволяющая формализовать процесс проектирования и процедурно учитывать при проектировании модулей множественные связи производственной системы.

4. Предложены концептуальные модели построения технологического процесса механообработки в условиях МСМ (на примере изготовления корпусных деталей), экономической стратегии станкостроительного предприятия и агентно-ориентированная модель интеллектуальной системы поддержки принимаемых решений, связывающих в единую логическую функцию действия проектировщика, что позволяет обоснованно назначать требования к выбору среды механообработки с учетом жизненного цикла ее модулей механообработки.

5. Выявлены эффективные направления повышения надежности проектируемых модулей механообработки, работающих в условиях производственной системы, что позволяет на ранних этапах проектирования формировать систему диагностики и информационную систему поддержки принимаемых решений для последующих этапов их жизненного цикла. На основе нечетких сетей Петри разработаны имитационные модели функционирования характерных узлов модулей механообработки, позволяющие на стадии проектирования количественно оценивать их надежность при различных значениях удельной длительности восстановления.

Обоснованность научных положений, рекомендаций и достоверность результатов исследований подтверждается:

- корректностью применения основных положений технологии машиностроения, теории иерархических систем, теории управления, теории надежности, теоретических основ САПР, методов системного анализа и исследования операций, теории искусственного интеллекта, сетей Петри, теории экспертных оценок, теории искусственных нейронных сетей;

- согласованностью теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными автором и другими исследователями;

- успешной реализацией разработанных математических и программных средств на машиностроительных предприятиях Дальнего Востока.

Практическая ценность работы заключается в создании методологических основ формирования конкурентоспособных и надежных ММ и МСМ для многономенклатурного производства на ранних этапах проектирования с учетом их жизненного цикла и состоит:

- в методологии формирования номенклатуры обрабатываемых деталей на базе нейросетевого кластерного анализа конструкторско-технологических параметров обрабатываемых деталей БД САПР изделий;

- комплексе алгоритмов и программ расчета производственных мощностей предприятия, расчете основных и вспомогательных материалов;

- формировании с достаточной достоверностью на ранних этапах проектирования основных требований к ММ;

- возможности целенаправленного повышения надежности проектируемого оборудования, назначения оптимальных сроков ремонтов;

- формировании системы поддержки принимаемых решений на всех этапах жизненного цикла ММ;

- уменьшении стоимости создаваемых МСМ за счет определения достаточных средств диагностического контроля и обоснованных требований к программному обеспечению ММ.

Разработаны автоматизированные рабочие места технолога-конструктора для проектирования и поддержки жизненного цикла МСМ в виде программных продуктов:

• "Маркетинг машиностроительной продукции";

• "Расчет производственной мощности машиностроительных металлообрабатывающих предприятий";

• "Автоматизированное рабочее место «Нормировщик материалов»";

• "Автоматизированная система «Кластер» группирования деталей для механообработки";

• "Автоматизированная система диагностики и контроля технологического процесса";

• "Проблемно-ориентированный программный комплекс оценки надежности работы проектируемых металлорежущих станков методом нечетких сетей Петри";

• "Программный комплекс анализа и синтеза данных о многомерных объектах «НЕЙРОСЕТЬ»";

• "Имитационная модель расчета производительности станка с учетом надежности работы узлов «ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ»".

Предлагаемые в работе методы структурно-функционального синтеза были использованы при выполнении научно-технической программы «Технологии информационного сопровождения и поддержки этапов жизненного цикла наукоемких изделий (ИПИ-технологии)» по теме «Разработка концепции региональной системы управления качеством образовательных услуг».

Реализация работы. Разработаны и внедрены на ПО "Дальсельмаш", г. Биробиджан: "Система автоматизированного учета отходов заготовительного производства на базе ЭВМ СМ1910 с использованием СУ БД «Ребус»" (1989 г.); "Расчет производственных мощностей на СМ 1420" (1990 г.); "АРМ технолога по расчету производственных мощностей на ЭВМ типа PC AT/XT' (1992 г.).

Согласно договору о творческом сотрудничестве в НИИ промышленных роботов Харбинского политехнического института переданы автоматизированные рабочие места технолога-конструктора в виде программных продуктов "Расчет основных и вспомогательных материалов" (1994 г.) и "Расчет производственной мощности" (1995 г.).

Программно-диагностический комплекс "Автоматизированная система диагностики и контроля технологического процесса" внедрен на предприятии АО «Спиртовик». Суммарный экономический эффект составил 700 000 руб. в год по ценам 2000 г.

На ОАО «Хабаровский станкостроительный завод» переданы следующие руководящие технические материалы: "Формирование стандартных циклов механообработки на станках с ЧПУ нейросетевыми методами"; "Формирование

рациональных технических характеристик станков методами кластерного группирования обрабатываемых поверхностей" (2002 г.).

Результаты НИР "Обеспечение качества мехатронных модулей механообработки методами структурно-функционального синтеза" внедрены на ОАО "Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение им. Ю. А. Гагарина ", общий экономический эффект составил 900 000 руб. по ценам 2003 г.

Полученные результаты внедрены в виде методик, технических проектов, программных продуктов на следующие предприятия: машиностроительный завод им. А. М. Горького, г. Хабаровск; ПО "Амурмаш", г. Амурск; АО «Дальдизель», г. Хабаровск. Материалы работы использованы при модернизации станков с ЧПУ мод. 11Д65ПФ40.

На основе проведенных расчетов и исследований на моделях спроектирован-ММ ЭИЛ для Института материаловедения Дальневосточного отделения РАН, г. Хабаровск.

Результаты научных разработок используются в учебном процессе студентами специальностей 120200 «Металлорежущие станки и инструменты», 120900 «Проектирование технических и технологических комплексов», 120100 «Технология машиностроения» на кафедрах «Компьютерное проектирование и сертификация машин», «Технологическая информатика и информационные системы» при изучении дисциплин "Системы управления технологическим оборудованием", "Аппаратные и программные средства систем управления", "Управление процессами и объектами в машиностроении" и др.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследований взаимосвязей конструкторских, технологических, организационных решений, принимаемых и реализуемых в системах механообработки многономенклатурного производства.

2. Методология ранних этапов проектирования модулей механообработки для предприятия с многономенклатурным производством, позволяющая учитывать информационные, конструкторские, технологические и организационные связи МСМ.

3. Методологические основы формирования рациональных характеристик модулей механообработки на основе нейросетевого кластерного анализа и синтеза конструкторско-технологической информации базы данных САПР изделия.

4. Концептуальные модели построения технологического процесса механообработки в условиях МСМ, экономической стратегии станкостроительного предприятия и агентно-ориентированная модель интеллектуальной системы поддержки принимаемых решений.

5. Методологический подход к моделированию подсистем МСМ с учетом надежности их работы на основе аналитических и имитационных моделей.

Апробация диссертации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных, республиканских и региональных конференциях, среди которых: г. Киев (1975), г. Москва (1976, 1982, 2002, 2003), г. Рига (1976), г. Нальчик (1976), г. Хабаровск (1977,1980,1986, 1989,1990,1991,

1992, 1993, 1994, 1995, 1997, 1998,2000 - 2003), г. Минск (1982), г. Plezen (1984), г. Комсомольск-на-Амуре (1983, 1985, 1996, 1998, 2000, 2002, 2003), г. Ташкент (1983, 1986), г. Владивосток (1986, 1990, 2003), г. Тольятти (1988), г. Harbin (1992, 1994), г. Deli (2001), г. Washington (2002), г. Орел (2003), в том числе на республиканском научно-техническом семинаре "Применение промышленных роботов в машиностроении" (Рига, 1976); всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизация машиностроения на базе станков с ЧПУ и вычислительной техники" (Москва, 1976); научно-технической конференции "Повышение качества и долговечности сложных систем в машинах и оборудовании методами технической диагностики" (Хабаровск, 1980); всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы создания и эксплуатации систем с ЧПУ для металлообрабатывающего оборудования на основе микропроцессоров" (Москва, 1982); международной научно-технической конференции "Automatizace ve strojirenstvi Conference AUTOS" (Plezen, 1984); научно-технической конференции "Повышение эффективности использования технологического оборудования гибких автоматизированных станочных комплексов" (Комсомольск-на-Амуре, 1985); республиканской научно-технической конференции "Повышение эффективности внедрения роботизированных и гибких автоматизированных комплексов в машиностроении Узбекистана" (Ташкент, 1986); научно-технической конференции "Применение роботизированных комплексов и гибких автоматизированных систем на предприятиях Хабаровского края" (Хабаровск, 1986); 3-й Дальневосточной научно-технической конференции "Автоматизация технологического проектирования и подготовки производства для станков с ЧПУ и ГАП" (Владивосток, 1986); 3-й всесоюзной научно-технической конференции "Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств" (Тольятти, 1988); научно-технической конференции "Повышение надежности автоматических станочных систем" (Хабаровск, 1990); 4-й Дальневосточной научно-технической конференции "САПР и надежность автоматизированного производства в машиностроении" (Владивосток, 1990); международных научно-технических симпозиумах "The actual problems of the scientific and technological progress of the far eastern region on the base of Soviet Union - China direct cooperation" (Khabarovsk- 1991,1993,1997; Harbin- 1992,1994); международной конференции "Моделирование технологических процессов и систем в машиностроении" (Хабаровск, 1994); международной научной конференции "Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях" (Комсомольск-на-Амуре, 1998, 2000, 2002); научно-технической конференции «Качество и ИПИ-технологии» (Москва, 2002); научно-техническом совете Хабаровского государственного технического университета (Хабаровск, 2001, 2003); на 1-й всероссийской научно-практической конференции "Применение ИПИ-технологий в производстве" (Москва, 2003); международной научно-технической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения - Технология-2003" (Орел, 2003).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 56 публикациях, в том числе статьях в центральных журналах, авторских

свидетельствах, трудах университетов и институтов, симпозиумов и конференций. Результаты работы докладывались на 7 международных симпозиумах и конференциях, более чем на 25 союзных, республиканских, краевых и вузовских симпозиумах, конференциях, школах передового опыта и семинарах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, библиографического списка использованной литературы из 245 наименований, 11 приложений, содержащих документы о внедрении результатов работ и программные продукты. Объем диссертации составляет 374 страницы (включая 74 страницы приложений), 56 рисунков, 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, определены новизна и практическая значимость работы, выделены научные положения и результаты, выносимые на защиту.

Глава 1. Научно-теоретические проблемы проектирования модулей механообработки

Решение проблемы повышения качества проектирования механообрабатывающих систем для автоматизации многономенклатурного производства, обеспечение его мобильности и эффективности является одной из актуальных задач машиностроения.

Вопросам оценки основных технико-экономических показателей металлорежущих станков с ЧПУ, ГПС и их проектированию посвящены работы В. В. Бушуева, Г. Н. Васильева, Л. А. Васина, А. П. Владзиевского, В. М. Гуревича, А. М. Дальского, А. Г. Ивахненко, А. Н. Иноземцева, Ю. Г. Кабалдина, В. М. Киселева, А. И. Кондакова, А. В. Кудинова, Ю. И. Кузнецова, А. А. Кутина, В. А. Лещенко, М. Ю. Лищинского, А. Н. Малова, В. Т. Портмана, В. А. Ратмирова, Ю. М. Соломенцева, В. Л. Сосонкина, А. В. Пуша, Б. И. Черпакова и др.

Несмотря на достигнутые успехи в развитии методов проектирования станков с ЧПУ, ГПС, они не учитывают особенностей проектирования механообрабатывающего оборудования для автоматизированного многономенклатурного производства. В рыночных условиях экономики изменились требования к механообрабатывающему производству, что обусловлено расширением номенклатуры выпускаемых изделий, увеличением их конструктивной сложности, повышением конкуренции между предприятиями. Требования конкурентоспособности приводят к сокращению цикла разработки модулей механообработки. Для выполнения данных требований необходима полная автоматизация производства, которая должна создавать условия для конструкторского и технологического проектирования изделий, формирования технологической среды и информационного обеспечения предприятия.

Основой развития технологии автоматизированного машиностроения послужили работы В. И. Аверченкова, Б. М. Базрова, Б. С. Балакшииа, Н. А.

Бородачева, Б. М. Брожозовского, А. А. Буркова, К. В. Вотинова, Л. А. Глейзера, В. И. Дементьева, М. Е. Егорова, А. А. Зыкова, И. И. Ивашкевича, Ю. Г. Кабалдина, А. И. Каширина, В. М. Кована, И. М Колесова, В. С. Корсакова, А. И. Кондакова, А. А. Кутина, А. А. Маталина, В. Г. Митрофанова, А.В. Мухина, Ю. М. Соломенцева, В. Л. Сосонкина, Н. М. Султан-Заде, Д. В. Чарнко, А. М. Шпилева, А. С. Ямникова, А. Б. Яхина и др.

Значительные капитальные вложения, необходимые для автоматизации многономенклатурного производства, обусловливают необходимость поиска оптимального решения с минимизацией риска появления ошибок при проектировании, изготовлении и сопровождении механообрабатывающего оборудования для конкретного потребителя, что является сложной научно-технической проблемой. Анализ показал, что используемые в настоящее время методики проектирования механообрабатывающего оборудования для многономенклатурного производства базируются на эвристических методах, основанных на традициях станкостроительных заводов, и не учитывают особенности конкретных производственных ситуаций, полную информацию о номенклатуре обрабатываемых деталей, условия эксплуатации оборудования на предприятии.

Задача осложняется еще и тем, что проектирование автоматизированного оборудования для многономенклатурного производства связано с проведением трудоемких расчетов по выявлению из всей номенклатуры деталей-представителей, наличием значительного количества рассматриваемых вариантов технологических процессов, определением рациональной технологической среды механообработки, выбором структуры управления производственной системой и ее информационного сопровождения. Используемые в настоящее время на предприятиях конструкторские САПР не позволяют в автоматизированном режиме преобразовывать геометрические модели деталей в конструкторско-технологические модели обрабатываемых поверхностей.

Методы формирования показателей надежности и производительности металлорежущих станков рассматривались в работах Л. И. Волчкевича, С. И. Клепикова, Н. И. Пасько, А. С. Проникова, Д. Н. Решетова и др.

Практика внедрения станков с ЧПУ, ГПС для многономенклатурного производства характеризуется преобладанием негативных результатов, что обусловлено ошибочными техническими решениями и низкими показателями надежности создаваемых систем. Показано, что особенности работы машиностроительных предприятий требуют поиска новых путей повышения эффективности проектирования и эксплуатации механообрабатывающего оборудования с учетом надежности работы в условиях производственной системы.

Необходимым условием для эффективного принятия решений на ранних этапах проектирования является создание специального математического, программного и информационного обеспечения. Поэтому автоматизация анализа и поиска наиболее приемлемых вариантов формирования технологической среды механообработки представляет собой перспективное направление.

С учетом вышесказанного, для обеспечения мобильности и эффективности механообработки многономенклатурного производства были поставлены следующие наиболее крупные научные и практические задачи:

1. Установить и исследовать взаимосвязи информационных, конструкторских, технологических и организационных решений при проектировании модулей механообработки для многономенклатурного производства.

2. Разработать методологические принципы ранних этапов проектирования модулей механообработки для многономенклатурного производства с учетом их жизненного цикла.

3. Разработать методологические основы формирования рациональных характеристик модулей механообработки на основе нейросетевого кластерного анализа и синтеза конструкторско-технологической информации БД САПР изделий конкретного предприятия.

4. Выявить эффективные направления разработки информационной системы поддержки принимаемых решений на этапах жизненного цикла модулей механообработки с целью обеспечения выпуска конкурентоспособной продукции.

5. Разработать аналитические и имитационные модели, программы расчета, проблемно-ориентированные программные комплексы для определения основных показателей работы модулей механообработки с учетом надежности функционирования узлов, модулей и агрегатов с целью выработки рекомендаций при проектировании и информационном сопровождении оборудования.

Глава 2. Формирование облика модуля механообработки на ранних этапах проектирования

В основе методологии формирования технических характеристик модуля механообработки лежат методы структурно-функционального синтеза МСМ и конструкторско-технологический анализ номенклатуры обрабатываемых деталей. В БД САПР конструктора изделия сосредоточена информация о поверхностях, габаритных размерах, шероховатости, допусках на размеры и о расположении поверхностей. Анализ ведётся с использованием библиотеки стандартных параметризованных элементов и выполнением условий технологичности обработки получаемых деталей. Реализуются проекты твёрдотельных моделей деталей в САПР, технические требования и ограничения по их обработке. Из САПР экспортируются оболочковые модели детали в виде множества S в формате STEP. Из данного множества выявляется подмножество, содержащее модели деталей, технологический процесс которых включает механообработку So, SoeS., Рассчитывают и проектируют множество моделей заготовок Z по геометрическим моделям деталей и требованиям назначенного метода получения заготовок: Z = Fz(So). Формируют множество конструкторско-технологических параметров граней, составляющих оболочковую модель заготовок в принятом формате представления данных.

На основе анализа оболочковых моделей номинальных поверхностей деталей и поверхностей заготовок формируют модели срезаемого поверхностного слоя деталей, отображение Z-»G (рис. 1). При этом определяют

множество элементарных обрабатываемых поверхностей (ЭОП) G, состоящее: из элементарных поверхностей заготовок, требующих дальнейшей механической обработки (О*); элементарных обрабатываемых поверхностей, используемых в качестве баз (йь); промежуточных элементарных обрабатываемых поверхностей (вр). Выполняют автоматизированное формирование комплексного множества элементарных обрабатываемых поверхностей с использованием методов определения рационального базирования и технологически обоснованных промежуточных обрабатываемых поверхностей: О = Сг ГЛ Оь О Ор.

Рис. 1. Формирование множества ЭОП

Определены составляющие оператора формирования множества ЭОП и выполняемые ими функции (рис. 1):

1. Синтез множества потенциальных ЭОП моделей деталей.

2. Анализ элементарных поверхностей заготовок по требованиям к поверхностям деталей. Определение элементарных поверхностей заготовки, не соответствующих требованиям к характеристикам номинальных поверхностей деталей и, следовательно, требующих дальнейшей механической обработки.

3. Формирование множества

4. Синтез множества элементарных обрабатываемых поверхностей (ЭОП) и определение их конструкторско-технологических параметров, требуемых по условиям базирования при изготовлении детали: СЬТВ гэ (РРЯф л ББф л ВВ), где СЬТВ - выбор технологических баз; РРЯо - формулировка задач базирования;

- назначение рациональных схем базирования; - выбор варианта

базирования.

5. Формирование множества Gb

6. Анализ цикла получения детали по возможным технологическим операциям исходя из требований изготовления и расчёта конструкторско-технологических параметров промежуточных обрабатываемых поверхностей.

7. Формирование множества Gp

8. Синтез множества ЭОП, включающего поверхности, не обрабатываемые на заготовке, обрабатываемые базирующие поверхности, промежуточные обрабатываемые поверхности.

Множество ЭОП, состоящее из набора векторов конструкторско -технологического пространства, преобразуют в множество кластеров: На рис. 2 представлена структурная схема преобразования множества ЭОП на основе нейросетевой модели:

1. Подготовка данных для обучения нейронной модели на основе множества векторов G.

2. Формирование множества векторов конструкторско-технологических параметрических признаков ЭОП.

3. Анализ существующих ограничений механообработки.

4. Выбор метода нейросетевого кластерного анализа на основе нейросетей SOM (Self-Organized Maps); NG (Neural Gas); GNG (Growing Neural Gas).

5. Формирование структуры и алгоритма нейросетевого вычислителя.

6. Настройка нейронной сети для кластеризации G = (Gj, G2,..., GO

7. Настроенный вычислитель для множества групп G.

8. Синтез кластеров с помощью нейросетевой модели.

Рис. 2. Структурные элементы интеллектуальных агентов (синтез множества кластеров ЭОП)

Выбирают альтернативные варианты формообразования для каждого кластера с использованием баз данных возможностей современных технологий

металлообработки. Формируют множество альтернативных схем формообразования кластеров ЭОП (Kf): Kf = Кп v Кп v... v Kfm

где kf->(k[fvk2fv...vkz) - синтез для i-го кластера m вариантов формообразования.

Синтез технологических модулей (ТМ), определяющих задание на механообработку, осуществляют в виде схем обработки с соответствующими множествами кластеров ЭОП, характеризуемых обобщённым вектором конструкторско-технологических признаков. Выявляют ограничения на этапе оценок проекта ММ, отвечающего выбранному набору ТМ. На основе ТМ формируют модель информационных потоков механообработки и синтезируют ограничения, накладываемые на среду механообработки. Задача выбора облика ММ сформулирована как задача многокритериальной оптимизации. Многоцелевой характер задачи выбора наиболее рационального облика модуля механообработки связан с необходимостью учета частных критериев в составе комплексного критерия.

Для формирования исходных данных для проектирования МСМ и ММ разработана концептуальная модель построения технологического процесса механообработки (на примере обработки корпусной детали). Модель состоит из процедур, знаков, символов математической логики и принятых допущений и представляет собой запись последовательности действий технолога-программиста.

Структура модели по этапам разработки: ADP => PRDR => ChWA SpA => ChTB => SSI => RTO => SPSPRS =>

где ADP - анализ служебного назначения; PRDR - корректировка чертежа детали; ChWA SpA - выбор заготовки и назначение припусков; ChTB - выбор технологических баз (рис. 1); SSI - назначение схемы установки; RTO -разработка маршрутной технологии по операциям; SPSPRS - назначение последовательности обработки сторон; FTrMO — формирование переходов операций механообработки.

Предложенная концептуальная модель построения технологического процесса механообработки в условиях МСМ, связывающая в единую логическую функцию действия технолога, позволяет обоснованно назначать требования к выбору среды механообработки с учетом жизненного цикла ММ. Полученные значения технологических параметров ЭОП позволяют формировать обоснованные технические характеристики среды механообработки и получать основные требования к системам автоматизированного выбора параметров ММ и МСМ на ранних этапах проектирования.

Разработана процедура формализованного построения расчетных моделей конструкторско-технологических характеристик ММ и анализа

соответствующих им вычислительных схем. Расчетная модель многоцелевой динамической системы содержит соотношения упорядоченных групп связей:

параметрических, динамических, критериальных и информационных. В общем виде формализованная схема представляется в следующем виде:

где U - множество заданий на механообработку, определяющих потребности в модуле механообработки; V - множество конструкторско-технологических параметров, определяющих возможности механообработки; W - множество конструкторско-технологических ограничений, определяющих условия эффективного функционирования; I — множество информационно-управляющих связей, определяющих взаимосвязи модуля с производственной системой.

Множество заданий на механообработку формируют из условий анализа БД САПР:

и=и(<з\ о'.ом'.от*),

где (2* — требуемая производительность механообработки; О*— множество геометрических размеров обрабатываемых поверхностей деталей; БМ* множество обрабатываемых материалов;

т-* - множество инструментальных

материалов.

Множество V конструкторско-технологических параметров ММ представлено в виде

V = V (БР, п, ^.^.О),

где DP - способы крепления заготовки на MM; п - множество частот вращения шпинделя; S - множество величин подач; N - множество величин мощностей главного привода; — множество величин мощностей привода подач; G — множество формообразующих движений.

Множество конструкторско-технологических ограничений W формализовано в виде

W=W(Nmax)Amax>tma)t, ДО, Д1Т, ДЯ, В8),

где Мтах — максимальная мощность приводов; Атах— максимальная амплитуда колебаний; 1тах- максимальная глубина резания (ограничения по твердости обрабатываемых поверхностей); - диапазон геометрических ограничений МММ; - диапазон формируемой точности; - диапазон формируемой шероховатости; BS - ограничения по отводу стружки.

Множество информационно-управляющих связей I формируют из параметров управления процессом механообработки и связей с производственной системой. При этом решаются задачи управления информационными потоками, формообразованием, технологическими режимами, взаимодействиями и диагностики работы приводов, агрегатов, устройств управления модулей мехатронной системы:

I = I (о, ЛТ, г, Б),

где G - управление формообразованием MM; AT - управление электроавтоматикой ММ и МСМ; Z - управление информационными потоками МСМ; D - управление режимами диагностики работы ММ.

Экономический эффект эксплуатации ММ зависит от большого количества противоречивых факторов. Несоответствие технических характеристик

необходимой обработке изделий приводит к увеличению расходов при обработке, изменяется производительность, недоиспользуется проектная мощность ММ.

Созданные формализованные подходы построения- технологических процессов механообработки и формирования облика ММ позволяют, в условиях неопределенности, учитывать причинно-следственные связи МСМ на ранних этапах проектирования.

Глава 3. Структурно-функциональный синтез МСМ

Под структурно-функциональным синтезом МСМ понимают метод проектирования, основанный на синергетическом объединении мехатронных агрегатов, модулей, узлов с упорядоченными связями, динамически функционирующими во времени и пространстве с целью, нахождения рационального соответствия между системой в целом и выполняемыми функциями, структурной организацией и информационными взаимосвязями всех подсистем.

Для декомпозиции многоуровневых систем (рис. 3.) на типовые подсистемы информационных концентраций введены условия разделения, обеспечивающие их независимый анализ.

Щ Уровни информационных связей |~| Уровни физических связей

Рис. 3. Иерархическая структура управления предприятием

УСЛОВИЕ СОВМЕСТИМОСТИ. При стыковке двух типовых подсистем число управляющих устройств ^вышележащей подсистемы должно быть меньше или равно числу управляемых устройств тХ( нижележащей подсистемы:

я*{ад} пРи к>1>]-

Условие совместимости является необходимым при анализе подсистем. Для обеспечения условия совместимости целесообразно в качестве исходных данных верхней подсистемы брать результаты, полученные для нижней подсистемы, т. е. проводить расчет снизу вверх по иерархической структуре.

УСЛОВИЕ НЕЗАВИСИМОСТИ. Время обслуживания управляющего устройства одной подсистемы в другой, вышестоящей, не должно влиять на работу этого устройства при обслуживании управляемых устройств своей подсистемы, т. е.

Ьж[Х)Х1}+'1ы1{Х1Х1}и /».{ХД,) при к>1>

где - среднее время ожидания и обслуживания в

подсистеме {Х^Х(} устройств уровня^ртройствами уровня X/„„{Л^Л",} — среднее время обработки информации в подсистеме {Л^Л^}

На основе системного подхода и синергетики сформулированы принципы самоорганизации структуры управления ПС:

1. Устройства верхних уровней соединяются с устройствами нижележащих уровней, при этом должно выполняться условие совместимости.

2. Устройства иерархических уровней могут отсутствовать в структуре управления производственной системой (исключение составляют уровни. ,

3. Каждый иерархический уровень представляет собой локальные системы управления,, выполняющие определенные функции, предписанные данной иерархии, при этом должно выполняться условие независимости.

4. Предложения, формируемые от X, -го иерархического уровня уровням Хи] и Xм, должны быть минимальными, при этом должно выполняться условие избыточности и достаточности информации, т. е. уровень энтропии (неопределенности) должен стремиться к минимуму:

5. Локальные системы ]-го уровня связаны между другими иерархическими уровнями по заранее определенным протокольным связям. Это требование является достаточным и необходимым для избежания конфликтных ситуаций.

6. Если обслуживающее устройство занято, то заявка на обслуживание становится в очередь. В зависимости от освобождения каналов обслуживания и приоритетов заявки из очереди поступают на обслуживание.

7. Между всеми иерархическими уровнями системы управления должны быть предусмотрены обратные связи. Информационная система /-го уровня должна быть открыта для взаимодействия и взаимообмена информацией с вышестоящим уровнем.

8. В информационной системе (уровни Х}, X,, X, ) на каждом I -м уровне

должна быть предусмотрена система диалогового взаимодействия.

9. Каждый I -й иерархический уровень должен предусматривать расширение функций управления для обеспечения саморазвития и видоизменения ПС.

Формирование аппаратных и программных модулей МСМ базируют на концепции единства многофункциональности и специализации. Множество выполняемых функций - основные функции МСМ;

- дополнительные функции МСМ.

Каждую подсистему представляют как функционально-ориентированный модуль управления, который может быть реализован на микропроцессорах. Выбор структуры управления зависит от функций управления, объема информации, передаваемой в смежные подсистемы, и необходимой производительности передачи данных.

Потоки информации, поступающие на обслуживание, называют входящими, а потоки, образующиеся на выходе с устройств обслуживания - выходящими. Входящий поток характеризуют интервалами времени поступления заявок на обслуживание. Интенсивность потока заявок определяют Л = 1/1зК, где ^ -средний интервал времени между ] и заявками на обслуживание. Выходящий поток характеризуют интервалами времени между моментами окончания обслуживания заявок. Интенсивность потока обслуживания определяют р = 1Лоб, где 10б - среднее время обслуживания ] - й заявки. Интенсивность информационных потоков в значительной мере зависит от структуры проектируемой системы управления и технических показателей входящих в нее мехатронных узлов.

Анализ времени для подсистем показал, что наибольшая

скорость изменения X лежит в диапазонах от 1 до 20 деталей. Интенсивность потока заявок изменяется Я = 0,1 — 2,0 1/ч Для числа деталей в партии п„ £ 30 влияние времен на скорость изменения незначительно.

Для уровней {Х0Х[}, {Х0 Х2}, {Х| Х2} ^ = £ ^ад, где ^ - время отработки

кадра УП; w - число кадров в фрагменте УП, 1 £ ш £ г.

Существенное влияние на технологические возможности мехатронных узлов оказывает скорость передачи и отработки управляющей информации. Так, при формировании методов управления мехатронными узлами особое внимание необходимо уделять методам расчета взаимосвязей уровней {ХоХ|}, {Х0Х2}, с целью обеспечения параметров точности механообработки.

Анализ обобщенной операторной модели СУ МСМ указывает на различие в процессах обработки и передачи данных. Для реализации функций управления в подсистемах МСМ анализируют поступающую информацию с целью обеспечения надежности управления и диагностики отказов. Для решения выполняемых задач подсистемы МСМ скоординированы. В оперативной системе управления ПС такая координация связана с расчетом взаимодействия нижестоящих элементов. На действие подсистемы любого ЛГ(--го

уровня иерархии непосредственное влияние оказывают ближайшие уровни иерархии.

На рис. 4 представлены зависимости влияния скорости позиционирования исполнительного органа V и дискретности привода 8 на максимально-допустимое время г срабатывания программно-аппаратных устройств управления мехатронным приводом.

"V, м'мин

О 5 Ю Ji го 25 [-С1МС

Рис. 4. Максимально-допустимое время г срабатывания программно-аппаратных устройств управления ММ

Анализ полученных областей показывает, что наибольшая скорость изменения времени срабатывания программно-аппаратных устройств г для приводов с дискретностью 0,001-0,005 мм и скоростями позиционирования более 12-15 м/мин. Для привода с 8= 0,001 мм и V = 12-15 м/мин максимальное время срабатывания программно-аппаратных устройств управления приводом должно быть не более (1,5-2) Ю^с.

Решение задач эффективного функционирования промышленного предприятия механообработки при изменяющихся условиях рынка требует адекватных процедур поддержки качества принимаемых организационных решений. Разработана модель МСМ, основанная на распределенных интеллектуальных агентах (рис. 5).

Исходя из оптимизационной математической модели получения максимальной совокупной прибыли от производства и реализации модулей механообработки, с учетом применяемой технологии и рыночного спроса, разработана нейросетевая модель:

Q.net(Aw. nc.} = < N> Х> Е> V0, I, О, Vm'Pj.k>Cm'Vv, Vm'S,K ,

Cm,s VW*P 7W'P Vw,s 7W»S

|j,k,v > V j,k > ^ j,k,v,a> V j,k t j,k,v,ft t r\ net -

Qi -рекомендованное нейронной сетью значение максимальной совокупной прибыли станкостроительного предприятия от производства и реализации ММ Q*; А" пе| - рекомендованное нейронной сетью значение А" ; N - количество нейронов, задействованных в НС; Т - матрица весовых коэффициентов НС; Е - вектор стабильных состояний НС; Vo - начальное состояние НС; I - вектор внешних входов НС, размерность которого определяется декартовым произведением векторов V"1''^, Cm'Pj,ic,v, V^jju V'^t, Zw,Pj,fc>v,a , Zw,si,k,v,a; О - вектор внешних выходов НС, размерность

которого определяется размерностью вектора А" ; \'т'рд - объем потребляемого ]-го вида МММ; - объем потребляемых сопутствующих товаров из

переработанных отходов, получаемых при производстве MM ^го вида; -

рыночная стоимость ММ, складывающаяся на рынке с учетом объема поставок;

- рыночная стоимость сопутствующих товаров из переработанных отходов с учетом объема поставок;] = 1...П - вид продукции; к = 1...Ш - вид сырья; У"'Р)1|(1- объем производимого ,)-го вида ММ; У"'5^- объём производимых сопутствующих товаров из переработанных отходов, получаемых при производстве ММ]-го вида; Zw'Pjlklv,a - затраты производителя при использовании технологии А"., приведенные.к единице объема вырабатываемых станков ]-го вида, связанные с их производством и реализацией, с учетом объема поставок;

- затраты производителя при использовании технологии приведенные к единице объема производимых сопутствующих товаров.

Рис. 5. Структура системы принятия решений

Разработанная нейросетевая модель позволяет формализовать и ввести в нейронную сеть знания эксперта-технолога или менеджера и учитывать влияние динамики рынка при проектировании МСМ.

Глава 4. Методологические основы формирования исходных данных для проектирования модулей механообработки-

В работе использовано множественно-векторное представление конструкторско-технологической информации, наиболее полно и достоверно отражающее требования нейросетевого моделирования. Любую деталь р описывают системными характеристиками: структурой (формой) О, функцией (служебным назначением поверхностей) Б и набором свойств Z, т. е. Р={0, Р, Z}. Вектор конструкторско-технологических признаков р - математическая форма представления элементарной обрабатываемой поверхности (ЭОП), получаемая на этапе анализа модели конструкции детали и требований к её изготовлению.

Составляющие вектора pi характеризуют комплекс ограничений, накладываемых на обрабатывающую среду, и образуют Р - множество всех ЭОП (прописные символы относятся к общим характеристикам детали, строчные - к поверхностям этой детали):

Pi = ( L, В, H,N, Т, Е, v{f, а, Ь, с}, s{x,у, z}, it{a, b, с, а, (3,7}, г, о, ф),

где L, В, Н - соответственно длина, ширина и высота габаритов детали; N -число деталей в партии; Т - величина такта выпуска партии; Е - предел прочности материала детали; v{f, а, Ь, с} - тип поверхности f и размеры а, Ь, с, описывающие параметры поверхности;. s{x, у, z} - бинарная. величина, характеризующая совпадение оси симметрииЛ поверхности с осями х, у, z симметрии: детали; it{a, b, с, а, р, 7} - точность относительно базовой поверхности размерная - а, b, с и угла поворота характеризующих расположение поверхностей — a, (i, у; г — шероховатость поверхности; а — твердость поверхности; (р - коэффициент доступности поверхности для обработки.

На рис.6 представлены результаты анализа составляющих вектора конструкторско-технологических признаков по параметру L

для деталей, обрабатываемых на предприятии ОАО «Дальдизель».

а

4*1 supr

Рис. 6. Определение предельных значений кластеров

Анализ влияния. составляющих вектора конструкторско-технологических признаков на конструктивные особенности ММ и МСМ показал: L, В, Н, Е - влияют на рабочее пространство, нормы точности, жесткость, виброустойчивость, габаритные размеры;.

v{f, а, Ь, с}, s{x, у, z}, ф - формообразующие движения, метод обработки, компоновку ММ, число координат, устройство управления, приспособление для крепления детали, инструмент;

- степень точности МММ и его узлов, дискретность, виброустойчивость, режимы обработки;

N, Т - уровень автоматизации и интеграции операций, экономические показатели производства.

Выявлено, что механообрабатывающее оборудование эксплуатируемое на ОАО «Дальдизель» имеет завышенные мощности главного привода и привода подач, нерационально подобраны компоновки станков. В результате анализа полученных значений конструкторско-технологических параметров ЭОП обрабатываемых деталей предложены мероприятия повышающие эффективность механообработки.

Глава 5. Модели и алгоритмы информационной системы сопровождения МСМ

Степень сложности моделей информационной системы сопровождения зависит от принимаемого уровня логической детализации производственного процесса. Анализ и идентификация возможных состояний производственной системы позволяет решать задачи разработки ситуационных проектных решений, обеспечивающих наиболее эффективное функционирование ее в каждом из состояний. Функции арбитра при различных альтернативных решениях выполняются с учетом экономических расчетов и учетом возможных разбросов параметров.

Отразить в одной математической модели ситуации, возникающие на разных по продолжительности интервалах времени, практически невозможно, поэтому задачи решаемые в информационных системах сопровождения МСМ (рис.7), сводятся к созданию агентов-двойников с описанием сценариев их действий.

Задачу разработки проектного решения описывают выражением:

(А, БЯ.^М),

где А - множество альтернативных решений; 8Я - среда проектного решения; Ъ - система предпочтений разработчика проектного решения; М - множество альтернативных действий.

На основе аппарата исследований операций разработаны аналитические и имитационные модели подсистем информационных концентраций, что позволяет производить расчеты основных показателей функционирования подсистем с учетом надежности работы устройств. Проведенные машинные эксперименты показали, что влияние закона распределения (равномерного, показательного, Релея, Вейбула, нормального, лого-нормального и др.) на величину очереди на обслуживание достигает 10-13% при замене одного закона другим. Так в системах с очередями наибольшее время простоя наблюдается при экспоненциальном законе распределения интенсивностей потоков. На ранних этапах проектирования целесообразно использовать аппарат теории массового обслуживания, а при уточнении параметров МСМ — имитационные модели.

Анализ работ в области применения нейронных сетей показал необходимость разработки имитационных моделей, специализированных нейронных сетей поддержки принимаемых решений для управления процессами в МСМ и ММ. В работе создан базовый вариант программного комплекса «Нейросеть» на основе нейросетей 80М; NG; GNG. Исследование и отладка программного обеспечения проводилось на основе статистических данных полученных в результате выполнения ряда НИР. Полученные результаты

Рис.7. Информационная система поЗОержки жизненного цикла МСМ

использованы при формировании агентов-двойников для аппаратной и программной реализации инструмента оценки, прогноза и управления системы принятия решений при моделировании подсистем МСМ.

Разработанные программные продукты апробированы и внедрены на ряде машиностроительных предприятий Дальнего Востока.

Глава 6. Разработка принципов прогнозирования надежности модулей механообработки на ранних этапах проектирования

В работе представлены процедурные схемы построения имитационных моделей функционирования оборудования с учетом надежности работы их узлов на основе нечетких сетей Петри.

Нечеткой управляющей сетью Петри с учетом отказов называют сеть SNM={P,TX,K,SIHU,U), где вершины - два непустых непересекающихся

множества, связанных между собой дугами К по определенным функциональным правилам . Здесь Р — множество мест ре, а ТХ —

множество переходов-переключателей tjl и макропереходов тг Дуги К между вершинами описываются соотношениями p,Qtj или ptQx{ и tfRpj или TtRpj, Функциональные правила =(/e,/J,,m,6,/,g,I,./r(vi),F(/>(),.B,) включают

инцидентные функции- , функцию

обозначения , разметочную функцию обобщенную

управляющую функцию , обобщенную выходную

функцию g : {О, l}" х X —> Y и используемый алфавит L = X U У. Причем X — входной и Y - выходной алфавиты сигналов управления. F(^), F(pt) — законы распределения времени безотказной работы узлов оборудования и длительности их ремонта, где i = 1, 2, 3,..., е

Распределение меток в местах SNM характеризуется вектором разметки, который в транспонированном виде записывают

« = (»»(A). m(P2 )>•••> m(pJ)T

На основе нечеткой управляющей сети Петри разработана имитационная модель функционирования технологического оборудования с учетом надежности его работы.

Получена аналитическая зависимость для расчета времени моделирования:

где I * (тах)- математическое ожидание интервала времени между отказами ^ -го

узла, имеющего наибольшее значение - математическое ожидание

времени обслуживания - коэффициент безопасности, для реальных

систем - объем выборки.

Имитационная модель на основе нечетких сетей Петри реализована в виде программного комплекса «Проект». Программный комплекс «Проект» позволил выявить наиболее ненадежные узлы технологического оборудования, назначить. наиболее рациональные, сроки планово-предупредительных ремонтов при обследовании ряда машиностроительных предприятий.

Для обеспечения надежной работы проектируемого оборудования разработана программа «Автоматизированная система диагностики и контроля технологического процесса». Программный комплекс предназначен для контроля и регистрации данных о режимах технологического процесса. Апробация программного комплекса «Автоматизированная система диагностики и контроля технологического процесса» показала, что получаемая статистическая информация о ходе технологического процесса и состоянии работоспособности оборудования может быть использована для задач прогнозирования надежности работы технологического оборудования.

Глава 7. Оптимизация конструкции модулей механообработки на основе имитационного моделирования

Разработанные методики использованы при проектировании и эксплуатации технологического оборудования механообработки для предприятий Дальнего Востока. На основании методов СФС приведена методика построения имитационных моделей методами нечетких сетей Петри на примерах исследования функционирования станка, мод. 11Д65ПФ40 и ММ для электроискрового легирования (ЭИЛ) с управлением от устройства программного управления типа PCNC.

В результате моделирования работы главного привода и суппортной группы токарно-револьверного многоцелевого автомата станка с ЧПУ мод. 11Д65ПФ40 были получены основные показатели надежности: среднее время безотказной работы Т= 1319 ч; среднее время восстановления Г4 = 159 мин; удельная длительность восстановления В = 0,0018; коэффициент готовности Кг = 0 ,99818; коэффициент технического использования Кта = 0,9633; частота

отказов V = 0,00001. Наиболее ненадежными узлами станка мод. 11Д65ПФ40 являются: гидросистема; опоры вращающегося инструмента; винт-гайки качения; опоры шпинделя. Узлы станка имеют значения показателя удельной длительности восстановления В в пределах 0 - 0,002, в тоже время ненадежные узлы 0,007-0,009. На основе полученных данных разработаны мероприятия по модернизации станка мод. 11Д65ПФ40.

По заданию Института материаловедения ДВО РАН была поставлена задача создания ММ ЭИЛ с управлением от устройства программного управления типа PCNC. Применение разработанных методик позволило

сформировать технические требования к ММ ЭИЛ, произвести расчеты основных показателей надежности работы узлов: наработку на отказ, среднее время восстановления, удельную длительность восстановления, коэффициент технического использования.

На основе полученных данных с помощью специализированного пакета программ «Компас» спроектирован ММ ЭИЛ с устройством управления типа РСКС для обработки деталей тапа тел вращения сложной формы. Для надежного и стабильного осуществления процесса электроискрового легирования поддерживается постоянный межэлектродный зазор и непрерывно отслеживается износ легирующего электрода. Главный привод имеет бесступенчатое регулирование частоты в пределах 0,5 - 30 об/мин (с точностью 0,01 об/мин) и скорости продольного перемещения в пределах 1-25 мм/мин (с точностью 0,01 мм/мин). Устройство РСКС обеспечивает управление четырьмя координатами, имеет библиотеку технологических режимов.

Результаты имитационного моделирования и экспериментальные данные подтвердили эффективность разработанных методик.

Основные результаты и выводы

1. На основании разработанных методов структурно-функционального синтеза, теоретических и экспериментальных исследований решена актуальная крупная научная проблема - обеспечение мобильности и эффективности многономенклатурного производства изделий машиностроения на основе предложенной методологии проектирования модулей механообработки.

2. Анализ традиционного проектирования металлообрабатывающих станков показал, что их эксплуатационные показатели во многом зависят от степени соответствия заложенных в них технологических и технических функций, необходимых для выполнения механообработки деталей на конкретном предприятии. Совершенствование механообработки для многономенклатурного производства требует обоснования технических и технологических функций модулей механообработки, работающих в условиях производственных систем. Созданный формализованный подход формирования облика модулей механообработки позволил на ранних этапах проектирования учитывать причинно-следственные связи производственной системы.

3. Метод структурно-функционального синтеза производственных подсистем позволил принципиально по-новому определить технологические и технические характеристики проектируемых модулей механообработки для многономенклатурного производства на базе конструкторско-технологической информации об обрабатываемых деталях и организационно-временного, технологического и информационного единства всей производственной системы. Метод позволяет с минимальной трудоемкостью и экономическими затратами с достаточной точностью и достоверностью разрабатывать техническое задание на проектирование для конкретного производства и модулей механообработки.

4. Получены необходимые и достаточные условия декомпозиции мехатронных систем механообработки на уровни информационных концентраций. Определены

принципы, закладываемые в основу принятия решений при формировании технического задания и предложения на создание модулей механообработки на основе организационно-временного, технологического и информационного единства всей производственной системы.

5. Установлены и исследованы взаимосвязи информационных, конструкторских, технологических и организационных решений при проектировании модулей механообработки для многономенклатурного производства, что позволяет с достаточной достоверностью формировать математические модели функционирования производственных подсистем.

6. На основе исследования подсистем информационных концентраций получены граничные значения интенсивностей информационных потоков. Исследование влияния различных законов распределения информационных потоков в производственных системах на расчетные показатели подсистем показало, что погрешности, получаемые из-за замены одного закона другим, не превышают 10-13%. Целесообразно статистические процессы, протекающие в производственной системе, описывать нейросетевыми методами. Для обеспечения надежного управления мехатронными узлами модулей механообработки с быстрыми перемещениями более 60 м/мин и дискретностью д= 0,001-0,002 мм быстродействие аппаратных и программных устройств должно быть менее 0,5- 1м/с.

7. Разработанная нейросетевая модель мехатронной системы механообработки, основанная на распределенных интеллектуальных агентах, позволила для этапов жизненного цикла сформировать требования ко всем ее подсистемам на основе динамики данных предприятия, знаний экспертов, технологов, менеджеров и учитывать влияние динамики рынка. Показано, что при проектировании и создании модулей механообработки использование разработанных моделей позволяет учитывать производственные условия изготовителя и заказчика.

8. Разработаны аналитические и имитационные модели для определения основных показателей работы модулей механообработки с учетом надежности функционирования узлов, модулей и агрегатов. Модели позволяют определять ненадежные узлы модулей механообработки, формировать рекомендации для проектировщиков, обоснованно разрабатывать информационное сопровождение мехатронной системы механообработки и систему диагностики на уровнях информационных концентраций.

9. Созданный проблемно-ориентированный программный комплекс на основе нечеткой управляющей сети Петри позволил целенаправленно повышать надежность проектируемого оборудования на стадии проектирования, назначать оптимальные сроки профилактических осмотров и ремонта оборудования, обоснованно разрабатывать систему диагностики работы мехатронной системой механообработки.

10. Полученные результаты исследований реализованы в методиках проектирования, разработанных алгоритмах и программных продуктах для проектирования модулей механообработки. По результатам имитационного моделирования и экспериментальным данным подтверждена эффективность разработанных методик.

В приложении представлены описания разработанных программных продуктов. Приведены акты внедрения результатов работа на предприятиях Дальнего Востока: в институте материаловедения Дальневосточного отделения РАН, г. Хабаровск; на машиностроительном заводе им. А. М. Горького, г.Хабаровск; в ОАО «Хабаровский станкостроительный завод»; АО «Спиртовик», г. Хабаровск; АО «Дальдизель», г. Хабаровск; ПО "Амурмаш", г.Амурск; ПО "Дальсельмаш", г. Биробиджан; НИИ промышленных роботов Харбинского политехнического института, КНР; ОАО "Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение им. Ю. А. Гагарина"; Хабаровском государственном техническом университете на кафедрах «Компьютерное проектирование и сертификация машин», «Технологическая информатика и информационные системы».

Результаты диссертации опубликованы в следующих основных работах:

1. Ратмиров В. А., Гуревич В. М., Давыдов В. М. Анализ систем управления группой станков с учетом надежности интерполяторов // Машиноведение. -1975.-№2.-С.8-14.

2. Ратмиров В. А., Гуревич В. М, Давыдов В. М. Влияние порядка обслуживания и потока запросов в системах управления группой станков на производительность и показатели их работы // Эксплуатация станков с числовым программным управлением. - Киев: Общество «Знание» Украинской ССР, 1975. -С. 37.

3. Давыдов В. М. Анализ работы участка станков с программным управлением / СТАНКИН. - М., 1976. - 8 с. - Деп. в НИИМАШ, 1976. - № 19-76. - (РЖ "Технология машиностроения", реф. 8А170-1976).

4. Давыдов В. М. Некоторые вопросы анализа времени обработки деталей на станках с программным управлением / СТАНКИН. - М., 1976. - 6 с. - Деп. в НИИМАШ, 1976. - № 18-76. - (РЖ "Технология машиностроения", реф. 8Б20-1976).

5. Давыдов В. М. Использование метода динамики средних для оценки основных характеристик системы группового управления станками / СТАНКИН. - М., 1977. - 6 с. - Деп. в НИИМАШ, 1977. - № 10-77.

6. Давыдов В. М. К вопросу анализа информационных потоков в системах группового управления станками с ЧПУ // Повышение надежности и долговечности машин, станков и инструментов: Сборник научных трудов. -Хабаровск: Хабар, политехи, ин-т, 1977. - С. 57-64.

7. Davidov V., Voracek R. Metodologicke aspekty projektovani pluznych vyrobnich systemu // Automatizace ve strojirenstvi. Konference AUTOS. -Plezen, 1984. -P. 134-143.

8. Авторское свидетельство № 1328189 СССР. Манипулятор / Языков В. А., Каминский Д. П., Давыдов В. М. (СССР). - 1987.

9. Давыдов В. М. Контроль положения режущей части инструмента в рабочем пространстве ГПМ // Повышение надежности гибких производственных систем структурными и технологическими методами: Сборник научных трудов. -Хабаровск: Хабар, политехи, ин-т, 1990. - С. 31-36.

10. Давыдов В. М., Сорокин В. И. Автоматизация предпроектных исследований производства при создании ГПС // Повышение надежности функционирования гибких производственных систем конструкторскими и технологическими методами: Сборник научных трудов. - Хабаровск: Хабар, политехи, ин-т, 1990. -С. 8-13.

11.Davidov V. M., Sorokin V. I., Olejnik A. V. Methodological base of designing integrated production systems of mechanical treatment // The actual problems of the scientific and technological progress of the Far Eastern region on the base of Soviet Union - China direct cooperation. - Khabarovsk, 1991. —P.132—135.

12. Davidov V. M.,Ketov A. V. ADS of enterprise capacity calculation // The actual problems of the scientific and technological progress of the Far Eastern region on the base of Soviet Union - China direct cooperation. - Khabarovsk, 1991. - P. 39.

13. Davidov V. M. Simulation of Flexible Manufacturing Systems // The second international symposium on promotion of scientific and technological progress in the Far East. - Harbin, 1992. - P. 41-46.

14. Davidov V. M., Sorokin V. I., Borisov M. V. Automatic of determining the profile of Component specialization of Flexible Manufacturing in Machining // The technical process problems of the Far Eastern region / Jiamusi institute of technology. P.R. of China; Khabarovsk State technical university. Russian Federation: Combined collection of scientific works. - Khabarovsk, 1993. - P. 33-38.

15. Davidov V. M. Elaboration of New Approaches to the Creation of Integrated Manufacturing Systems // The Third Russian-China Symposium The actual problems of the scientific and technologikal progress of the Far Eastern region: Proceedings. -Хабаровск: Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та, 1993. - Р. 125-128.

16. Давыдов В. М., Левченко А. В. Достижение требуемого качества мелкоразмерных пуансонов технологическими методами // Сборник научных трудов НИИКП- Хабаровск: ХГТУ, 1993.-Вып.1.-С. 125-128.

17. Ketov A. V., Davidov V. M. Software and Marketing Service Organization at Flexible Production Systems (FPS) // Study and Application on New Technology / Chief Editor Meng Xiangcai, Liu Zhenhua, S. I. Klepikov. - Harbin Engineering University Press, 1994. - P. 75-77.

18. Davidov V. M., Konevtsov L. I., Kuznetsov D. I. Logical model of developing the technological process of the case type components of FMS // Проблемы технического прогресса Дальневосточного региона: совместный сборник научных трудов Хабар, гос. техн. ун-та (Российская Федерация) и Цзямусыского политехи, ин-та (Китайская Народная Республика). - Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. ун-та, 1997. - Вып. 3. - С. 69-71.

19. Davidov V. М., Konevtsov L. A. Organization and technological principles of creation flexible manufacturing systems // The actual problems of the scientific and technological progress of the Far Eastern region: Proceedings / The Fifth International Symposium: Khabarovsk, September 17-21, 1997. - Хабаровск: Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та, 1997. - С. 203-207.

20. Давыдов В. М., Кузнецов Д. И. Ранжирование технологических 'признаков деталей нейросетевыми методами // Сборник трудов Дальневосточного

отделения Российской инженерной академии. Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 1998. - Вып. 1.- С. 123-129.

21. Давыдов В. М., Коневцов Л. А. Размерно-временной анализ технологических процессов в условиях ГПС // Методы и средства обработки информации: Сборник научных трудов НИИ КТ. Хабаровск: Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та,.

1998.-Вып. 1-С. 112-118.

22. Давыдов В. М., Коневцов Л. А., Иванов В. В. Повышение точности установки корпусных деталей в ГПС // Проектирование технологических комплексов: Сборник научных трудов НИИ КТ / Под ред. Ивахненко А. Г. -Хабаровск: Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та, 1998. - С. 20-27.

23. Давыдов В. М., Кузнецов Д. И. Планирование производственных мощностей ГПС с использованием сетей Петри // Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях: Материалы международной научной конференции (Комсомольск-на-Амуре, сентябрь1998 г.) / Под ред. Ю. Г. Кабалдина. - Комсомольск-на-Амуре: Комсомольский-на-Амуре гос. техн. унт, 1998.-С. 114-115.

24. Давыдов В. М., Шлапаков С. И., Кривошеев И. А. К вопросу о структуре нейронных сетей в системах распознавания образов // Проектирование технологических машин: Сборник научных трудов. / Под ред. А.В. Пуша. - М.: Изд-во «Станкин», 1999. - Вып. 15. - С. 25-29.

25. Davidov V. М., Ivanov V. V. System engineering of technical diagnostics in FMS // Application of the conversion research results for international cooperation SIBCONVERS'99: The Third international simposium: Proceedings: May 18-20,

1999, Tomsk, Russia. - Tomsk, 1999. - P. 240-241.

26. Давыдов В. М., Иванов В. В., Давыдов Д. В. Разработка модели технической диагностики по иерархиям управления в ГПС // Точность и надежность технологических и транспортных систем: Сборник статей: Международная научно-техническая конференция (25-26 июня 1999г.) — Пенза: Изд—во Пенз. гос. техн. ун-та, 1999.-С. 18-21.

27. Давыдов В. М., Иванов В. В. Иерархическое построение диагностических систем // Автомобильный транспорт Дальнего Востока 2000: Сборник трудов международной научно-технической конференции / Под ред. А. П. Улашкина-Хабаровск: Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та, 2000. - С.33-35.

28. Давыдов В. М., Иванов В. В., Желтов С. В. Моделирование функционирования станков методом сетей Петри // Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях: Сборник материалов международной научной конференции (г.Комсомольск-на-Амуре, 20-24 сентября 2000 г.). - Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, 2000. - С. 269-271.

29. Давыдов В. М., Прудников В. Я., Кузнецов Д. И. Основы кластерного анализа классификации деталей // Методы и средства обработки информации. Сборник научных трудов НИИ КТ. Хабаровск: Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та, 2001.-Вып. П.-С. 65-68.

30. Яковлева Т., Давыдов В. Самоорганизация системы как условие эффективного управления // Вестник ХГАЭП. - 2001. - № 2 (7). - С. 25-27.

31. Давыдов В. М. Системно-функциональный синтез мехатронных систем металлообработки // Вестник ХГАЭП. - 2001. - № 3 (8). - С. 52-58.

32. Давыдов В. М. Обеспечение надежности металлорежущего станка с ЧПУ на стадии проектирования // 6th International conference on advanced mechanical engineering & technology. AMTECH 2001. Vol.2. Technology of machine building. -Bulgaria: Sozopol, 2001.-P. 270-275.

33. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. ВНТИЦ №50200100387. Программа "Проблемно-ориентированный программный комплекс оценки надежности работы проектируемых металлорежущих станков методом нечетких сетей Петри". Авторы: Давыдов В.М., Иванов В.В. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 10.11.2001.

34. Давыдов В. М., Кривошеев И. А., Шлапаков С. И. Иерархия нейронных сетей в системах распознавания образов. Хабар, гос. техн. ун-т. - Хабаровск, 2002. -14с. - Деп. 27.05.02. ВИНИТИ. - № 925-В2002.

35. Давыдов В. М. Проблемно-ориентированная имитационная модель для исследования надежности мехатронной системы // Мехатроника. - 2002. — № 2. — С.11-13.

36. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. ВНТИЦ №50200200308. Программа "Автоматизированное рабочее место «Нормировщик материалов»". Авторы: Давыдов В. М., Загидулин В. М. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 31.05.2002.

37. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. ВНТИЦ №50200200309. Программа "Автоматизированная система «Кластер» группирования деталей для механообработки". Авторы: Давыдов В. М., Кузнецов Д. И. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 31.05.2002.

38. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. ВНТИЦ №50200200436. Программа "Автоматизированная система диагностики и контроля технологического процесса". Авторы: Давыдов В. М., Давыдов Д. В., Бобышев В. В. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 09.07.2002.

39. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. ВНТИЦ №50200200453. Программа "Маркетинг машиностроительной продукции". Авторы: Давыдов В. М., Кетов А. В. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 30.07.2002.

40. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. ВНТИЦ №50200200454. Программа "Расчет производственной мощности машиностроительных металлообрабатывающих предприятий". Авторы: Давыдов В. М., Кетов А. В. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 30.07.2002.

41. Давыдов В. М., Брюква А. В. Моделирование работы станка для электроискрового легирования // СТИН. - 2002. - № 9. - С. 36-39.

42. Кибяков П. П., Давыдов В. М. Моделирование управления и эволюция интеллектуальных мехатронных систем // Вестник ХГАЭП. - 2002. - №2 (10). -С.124-129.

43. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. ВНТИЦ №50200300102. Программный комплекс «НЕЙРОСЕТЬ». Авторы: Давыдов В.

М., Бойко Е. С, Кузнецов Д. И. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 25.02.2003.

44. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. ВНТИЦ №50200301037. Программа "Имитационная модель расчета производительности станка с учетом надежности работы узлов". Авторы: Брюква А. В., Давыдов В. М. Зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 15.12.2003.

45. Давыдов В. М., Брюква А. В., Николенко С. В. Разработка и моделирование надежности работы станка с ЧПУ для электроискрового легирования // Надежность и эффективность процессов машиностроительного производства: Межвузовский сборник научных трудов. Второй вып. / Под ред. проф. В. Г. Старостина. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2002. - С. 48-55

46. Давыдов В. М., Кузнецов Д. И. Кластеризация конструкторско-технологических параметров деталей методами нейронных сетей // Нелинейная динамика и прикладная синергетика. Материалы международной научной конференции (г. Комсомольск-на-Амуре, 2002г.) / Ред. кол.: Ю. Г. Кабалдин (отв. ред.) и др. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т», 2003. - С. 186-189.

47. Давыдов В. М., Брюква А. В. Повышение качества формирования технических, характеристик проектируемого станка // Нелинейная динамика и прикладная синергетика. Материалы международной научной конференции (г. Комсомольск-на-Амуре, 2002г.) / Ред. кол.: Ю. Г. Кабалдин (отв. ред.) и др.-Комсомольск-на-Амуре: ГОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре гос. техн. унт», 2003.-С.178-185.

48. Давыдов В. М. Формирование облика мехатронного модуля механообработки на стадии концептуального проектирования // Нелинейная динамика и прикладная синергетика. Материалы международной научной конференции (г. Комсомольск-на-Амуре, 2002г.) / Ред. кол.: Ю. Г. Кабалдин (отв. ред.) и др. -Комсомольск-на-Амуре: ГОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре гос. техн. унт», 2003. - С. 190-196.

49. Давыдов В. М., Брюква А. В. Моделирование технологических процессов методом сетей Петри // Нелинейная динамика и прикладная синергетика.4. 2. Материалы международной научной конференции (г. Комсомольск-на-Амуре, 2002г.) / Ред. кол.: Ю. Г. Кабалдин (отв. ред.) и др.- Комсомольск-на-Амуре: ГОУ ВПО «Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т», 2003. - С. 178-185.

50. Давыдов В. М., Кибяков П. П. Агентно-ориентированная модель интеллектуальной мехатронной системы // Вестник ХГАЭП. - 2003. - №2-3 (13). -С. 188-195.

51. Давыдов В. М., КетовА. В. Информационное сопровождение жизненного цикла изделий // Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов: Материалы Дальневосточного инновационного форума с международным участием (23-26 сент. 2003 г.). - Хабаровск: Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та, 2003. - Ч. 2. - С. 65-67.

52. Давыдов В. М., КетовА. В. Маркетинговый подход к проектированию мехатронных- модулей // Роль науки, новой техники и технологий в экономическом развитии регионов: Материалы Дальневосточного

инновационного форума с международным участием (23-26 сент. 2003 г.). -Хабаровск: Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та, 2003. - Ч. 2. - С. 68-71.

53. Давыдов В. М, Кузнецов Д. И. Формирование технологической среды механообработки нейросетевыми методами // Роль науки, новой. техники и технологий в экономическом развитии регионов: Материалы Дальневосточного инновационного форума с международным участием (23-26 сент. 2003 г.). -Хабаровск: Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та, 2003. - Ч. 2. - С. 71-76.

54. Давыдов В. М. Формирование стратегии станкостроительного предприятия на основе нейронных сетей // Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения - Технология -2003: Материалы Международной научно-технической конференции (Орел, 25-27 сентября 2003 г.) - Орел, 2003. -С. 311-315.

55. Давыдов В.М. Формирование парка металлорежущих станков с ЧПУ для машиностроительных предприятий // International conference. Machine building technics and technology. AMTECH 2003. / The Association of Faculties of machine building and technologies in Bulgaria and Technical University - Varna, October 2003.- P.3.

56. Давыдов В. М., Кабалдин Ю. Г. Концептуальное проектирование мехатронных модулей механообработки. - Владивосток: Дальнаука, 2003. -251с.

Давыдов Владимир Михайлович

ФОРМИРОВАНИЕ МОДУЛЕЙ МЕХАНООБРАБОТКИ МЕТОДАМИ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СИНТЕЗА В УСЛОВИЯХ МНОГОНОМЕНКЛАТУРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Подписано к печати 09. 04. 2004 г. Формат 60x84 1/16 Бумага писчая. Гарнитура «Тайме». Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,0 Тираж 100 экз. Заказ № 116

Отдел оперативной полиграфии издательства Хабаровского государственного технического университета 680035, Хабаровск, ул. Тихоокеанская, 136.

1-7630