автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Имитационное моделирование и оптимизация одного класса технических объектов (на примере однопозиционных агрегатных станков)

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1, Выбор объекта исследования.

1.2. Анализ существующих методов достижения заданной точности, снижения себестоимости и повышения производительности механической обработки.

1.3. Выбор методов моделирования процесса механической обработки.

1.4. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ОДНОГО КЛАССА

ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ (на примере однопозиционных агрегатных станков)

2.1. Математическая модель сложной системы

2.2. Разработка математических моделей элементов системы СПИД.

2.2.1. Математическая модель для определения прогиба многоступенчатой оправки.

2.2.2. Математическая модель для определения эксцентрич- у ности вращающихся валов в подшипниках

2.2.3. Математическая модель, определения угловых и линейных перемещений системы шпинделя относительно системы бабки.

2.2.3. Математическая модель, определения угловых и линейных перемещений системы бабки относительно системы силового стола.

2.2.4. Математическая модель, определения угловых и линейных перемещений системы силового стола относительно следующей промежуточной системы.

2.2.6. Математическая модель, определения угловых и линейных перемещений для промежуточных систем.

2.2.7. Математические модели, определения угловых и линейных перемещений системы детали, приспособления и других промежуточных узлов.

2.2.8. Математическая модель размерного износа инструмента

2.2.9. Температурные деформации системы СПИД и их влияния на точности обработки.

2.3. Разработка математической модель взаимодействия между элементами системы.

2.4. Разработка моделирующего алгоритма .•.

2.5. Сравнение теоретических законов изменения выходных технологических параметров с экспериментальными 1Ю

Выводы.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ С ПОМОЩЬЮ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ МНОГО-ИНСТРУМЕНТНОГО РАСТАЧИВАНИЯ ОТВЕРСТИЙ НА 0ДН0П03И-ЦИОННОМ АГРЕГАТНОМ РАСТОЧНОМ СТАНКЕ.

3.1. Исследование влияния относительного расположения резцов на погрешности одновременно обрабатываемых ступенчатных отверстий.

3.2. Определение степени влияния каждого из входных параметров на точность обработки и алгоритм выбора значения входного параметра, обеспечивающего точность.

3.3. Статистическая обработка результатов машинного эксперимента, полученных с помощью имитационной модели работы однопозиционного агрегатного расточного станка.

Выводы.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ

МНОГОИНСТРУМЕНТНОЙ ОБРАБОТКИ.

4.1. Оптимизация режимов резания, обеспечивающая минимум себестоимости обработки при заданной точности

4.2. Оптимизация режимов резания, обеспечивающих минимум погрешности обработки при заданной себестоимости

4.3. Рекомендации к применению САУ при многоинструментной обработке.

4.4. Экономическая эффективность предлагаемого оптимального управления многоинструментной обработки.

Выводы.

Одной из важнейших и актуальных задач современной науки является совершенствование системы управления машиностроительным производством, улучшение качества продукции, повышение производительности труда и экономической эффективности.

В пятилетнем плане развития народного хозяйства СССР на 1981-1985 гг. и на период до 1990 года/" 1]предусмотрены повышение эффективности машиностроительного производства за счет совершенствования его технологии и улучшения огранизации, проведение глубокой внутриотраслевой и межотраслевой унификации деталей, узлов и технологических процессов. Отмечена также необходимость повышения в оптимальных пределах единичных мощностей машин и оборудования при одновременном уменьшении их габаритов, металлоемкости, энергопотребления и снижении стоимости на единицу конечного полезного эффекта.

Одним из основных путей успешного решения проблемы совершенствования технологических процессов обработки деталей на металлорежущих станках с целью снижения себестоимости обработки, повышения качества продукции и производительности является имитационное моделирование работы металлорежущих станков, разработка алгоритмов оптимизации режимов их работы и создание эффективной системы оптимального управления технологическим процессом.

В крупносерийном и массовом производстве агрегатные станки используются для выполнения сверлильных, расточных, фрезерных, резьбонарезных и других операций.

Преимущество агрегатных станков заключается в том, что они объединяют в себе лучшие качества специальных и универсальных станков, как и специальные станки, они обеспечивают высокую производительность, конструкция их сравнительно проста, а вспомогательные операции легко автоматизируются, в то время, как универсальные агрегатные станки можно перекомпоновать или при необходимости переналадить при переходе на обработку новой детали.

Анализ специальной литературы по в повышению точности и производительности обработки деталей показал, что все работы рассматривают в качестве объекта исследования отдельный конкретный вид станка. Поэтрму исследование методов и разработка алгоритмов оптимального управления технологическими процессами для повышения точности и производительности обработки на однопозиционном агрегатном расточном станке (любого вида компоновки) являются весьма актуальной проблемой. В работе защищается:

- имитационная модель одного класса технических объектов (на примере однопозиционных агрегатных станков);

- статистическая обработка результатов машинного эксперимента, полученных с помощью имитационной модели;

- методика оптимизации режимов работы объекта исследования:

- алгоритм оптимального управления многоинструментного растачивания.

Работа выполнена в Узбекском научно-производственном объединении "Кибернетика" Академии Наук УзССР.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Изучение существующих материалов показало, что вопросы моделирования и управления процессом многошпиндельной, многоин-струментной агрегатной обработки являются до конца нерешенной проблемой.

Существующие разработанные математические модели для расчета погрешностей обработки деталей практически пригодны только для рассматриваемого вида станка, так как не существует универсальных математических моделей, практически пригодных хотя бы для группы станков.

2. Установлено, что наиболее целесообразно изучать поведение такой сложной системы, как система СПИД, при помощи имитационного моделирования.

3. В результате изучения процесса образования погрешности обработки выявлены и классифицированы переменные процессы, произведена разбивка системы на элементы, построена модель взаимодействия элементов.

4. Сатистические исследования погрешностей обработки отверстий на трехшпиндельном агрегатно-расточном станке и сопоставление результатов статистической и теоретической моделей показывают, что разработанная имитационная модель однолозиционного агрегатного расточного станка с достаточной точностью отражает физическую сущность механизма образования погрешностей многоинструментной обработки и практически пригодна для любого вида компоновки станка.

5. Исследования, проведенные на имитационной модели показали, что применение многорезцовой оправки для одновременного растачивания многоступенчатых отверстий значительно увеличивает производительность обработки, при этом не теряется заданная точность.

6. Установлена степень влияния каждого входного параметра на точность обработки отверстий на однопозиционном агрегатном расточном станке с учетом взаимного влияния действующих факторов.

Предложены алгоритм и программы для выбора жесткости опорных точек системы СПИД, обеспечивающих заданную точность.обработки.

7. Анализ имитированного процесса показал, что для многоин-струментной обработки следует применять различные виды САУ, учиты-вающе особенности конкретной системы СПИД и конфигурации детали.

8. Обработка результатов машинного эксперимента позволила рекомендовать преобразование сложной модели к линейному виду для конкретного вида станка, что значительно облегчает процесс исследования.

9. Решение оптимизационной задачи по критерию себестоимости растачивания отверстий показало, что путем выбора оптимального значения параметров режима резания можно снизить себестоимость обработки на 40-45$, при этом производительность увеличивается на

20%. Это подтверждает необходимость оптимального управления процессом обработки и возможность разработки эффективной САУ.

10. Расчет эффективности предлагаемого управления показывает, что при обслуживании УШ одновременно 7 станков один трехшпиндель-ный агрегатный расточный станок дает 9752 руб. годового экономического эффекта и срок его окупаемости составляет 1,4 года.

1. Материалы ШТ съезда КПСС. М.: Политиздат, 1981, 223 с.

2. Автоматизация методов обработки на металлорежущих станках,

3. ЭИ, ТОМС, I960, Je I, с.3-7.

4. Автоматизация и механизация производственных процессов в машиностроении. Под ред. проф.Шаумяна Г.А., М.: Машиностроение, 1967, 388 с.

5. Аносов Г.В. Методика определения экономической эффективноститехнологических вариантов выполнения операций механической обработки металлов резанием. Горький: изд. ГПИ им.Жцанова, 1969, 144 с.

6. Базров Б.М. Технологические основы проектирования самолоднастраивающихся станков. М.: Машиностроение, 1978, 216 с.

7. Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1969, 556 с.

8. Балакшин Б.С. Управление упругими перемещениями системы СПИДс целью повышения точности и'производительности обработки. Сб.: Самолоднастраивающиеея станки, М.: Машиностроение, 1967, с.5-53.

9. Барышников А.Я. Исследование областей эффективного использования станков с ЧПУ при обработке корпусных деталей коробчатой формы. Диссертация на соиск.ученой степени к.т.н., М.2 Станкин, 1972, 177 с.

10. Беллман Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования. Пер. с англ. М.: Наука, 1965, 458 с.

11. Бережнов В.И., Горский Д.К., Короленок В.К. Алгоритмы получения последовательностей псевдослучайных чисел с различными законами распределения. Сб.: Алгоритмы и программы случайного поиска. Рига: Зинатне, 1969, с. 335-339.

12. Бусленко H.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука,1978, 400 с.

13. Великанов К.М. Определение экрномической эффективности вариантов механической обработки деталей. Ленинград; Машиностроение, 1970, 240 с.

14. Великанов К.М., Березин Е.А., Васильева Э.Г. и др. Экономическая эффективность новой техники и технологии в машиностроении. М.: Машиностроение, Ленинградское отд-е, 1981256 с.

15. Владимиров Е.В. Автоматизация с помощью ЭВМ расчета режимоврезания и норм времени при одноинструментной обработке деталей на металлорежущих станках. Минск : Ин-т технической кибернетики АН БССР, 1975, 85 с.

16. Вороничев Н.М., Генин В.Б., Тартаковский Ж.Э, Автоматическиелинии из агрегатных станков. М.: Машиностроение, 1971, 552 с.

17. Гельман A.M., Брахман Л.А., Батищев Д.й., Матяева Л.К. Оптимизация режимов обработки на металлорежущих станках, М.: Машиностроение, 1972, 188 с.

18. Горанский Г.К., Владимиров Е.В., Ламбин П.Н. Автоматизациятехнического нормирования работ на металлорежущих станках с помощью ЭВМ. М.: Машиностроение, 1970, 224 с.

19. Дащенко АД., Шмелев А.И. Конструкции и наладки агрегатныхстанков. М,: Высшая школа, 1977, 350 с.

20. Диков A.A. Повышение эффективности применения систем адаптивного управления при обработке деталей на токарных станках, Диссертация на соиск.ученой степени канд.техн.наук, М.: Станкин, 1976, 245 с.

21. Золотухина Г.А. Нормативные методы в экономических расчетах.

22. М.: Машиностроение, Ленинградское отд-ние, 1975, 168 с.

23. Игумнов Б.Н. Расчет оптимальных режимов обработки ,для.станкови автоматических линий. М.: Машиностроение, 1974 , 200 с.

24. Кацев П.Г, Статистические методы исследования режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1974, 239 с.

25. Карданский Л.Л., Найдин Ю.В., Чудаков А.Д. Централизованноеуправление машиностроительным оборудованием от ЭВМ, М.:

26. Машиностроение, 1977, 263 с.

27. Клушин М.М. Обобщенные зависимости .для расчета режима резания.

28. Сб.:Физика резания металлов, вып.1, Ереван; Ан Арм.ССР, 1971, с.17-24.

29. Колев К.С. Вопросы точности при резании металлов. М.: Машгиз,1961, 134 с.

30. Колев К.С. Технология машиностроения. М.: Машиностроение,1977, 156 с.

31. Колесов И.М., Евсеев Б.А., Осадчий Ю.С. Перспектива развитияметодов и средств управления точностью технологических процессов. В кн. Адаптивное управление станками. Под. ред. Б.С.Балакшина. М.: Машиностроение, 1973, с. 633-659.

32. Корсаков B.C. Автоматизация производственных процессов. М.:

33. Высшая школа, 1978. 295 с.

34. Корытин A.M., Шаяаров Н.К. Оптимизация управления металлорежущими станками. М.: Машиностроение, 1974, 200 с.

35. Косилова А.Г. Точность обработки деталей на автоматическихлиниях. М.: Машиностроение, 1976, 224 с.

36. Курбаналиев 3. Статистическая обработка данных методом линейной множественной корреляции. Сб.: Алгоритмы и программы, вып. 12, Ташкент: Рисо АН УзССР, 1973, с. 3-10.

37. Куропаткин П.В. Оптимальные и адаптивные системы. М.:

38. Высшая школа, 1980, 287 с.

39. Кушуль М.Я. Приближенный метод определения критических скоростей многоолорного вала переменного сечения. Сб.: Поперечные колебания и критические скорости, выл.2, М.: АН СССР, 1953, с. 94-116.

40. Манклин Д.Р. Микропроцессоры. Технология, архитектура и применение. М.: Энергия, 1979, 224 с.

41. Методические указания методики выбора и оптимизации контролируемых параметров технологических процессов. РДШГ 109-77, М.: Изд-во стандартов, 1978, 64 с.

42. Мещеряков Г.Н., Возный В.М. Система автоматического управления упругими перемещениями элементов станка. В кн.: Металлорежущие станки. Вып. 2, Киев, Техника, 1974, с 35-42.

43. Митрофанов В.Г.,Схиртладзе А.Г. Моделирование процесса консольного растачивания отверстии. Сб.: Станки и инструмент, 1981, й 9, с.24-26.

44. Надеждена Н.В., Ларичев А.©., Потапов А.И. Использованиеадаптивных систем управления в условиях серийного производства. Сб.: Станки и инструмент, 1973, № 10, с. 7-8.

45. ОДуминов H.A., Набиев О.М., Мирагзамов М.М. Методы кибернетики в исследовании обработки металлов резанием. Ташкент, Изд-во "Фан", 1975, 172 с.

46. ЭДуминов H.A., Митрафанов В.Г. Адаптивное управление технологическими процессами в машиностроении. Ташкент, Изд-во "Фан", 1976, 176 с.

47. Мясников В.Я., Игнатьев М.В., Покровский А.М. Программноеуправление оборудованием. М.: Машиностроение, 1974, 540с.

48. Основы кибернетики. Теория кибернетических систем. Под ред.проф.К.А.Цулкова. М.: Высшая школа, 1976, 408 с.

49. Пискорский Л.Ф. Алгоритмы ГП-2 и ГП-3 глобальной оптимазациимногопараметрических функций методом случайного поиска. Сб.: Вопросы вычислительной и прикладной математики, выл. 20, Ташкент, "Фан", 1973, с.38-43.

50. Пискорский Л.Ф. Программа нахождения глобального экстремумафункции многих переменных. Сб.: Алгоритмы и программы, выл.12, Ташкент: РИСО АН УзССР, 1973, с.94-111.

51. Полов В.И., Локтев В.И. Динамика станков. Киев; Техника, 1975,136 с.

52. Цуш В.Э., Пигерт Р., Сососкин В.Л. Автоматические станочные системы. М.: Машиностроение, 1982, 319 с.

53. Растригин Л.А., Статистические методы поиска. М.: Наука,1968, 376 с.

54. Ратмиров В.А. Основы программного управления станками. М.:

55. Машиностроение, 1978, 240 с.

56. Снапелов Ю.М., Старосельский В.А. Моделирование и управлениев сложных системах. М., Сов.рада., 1974, 264 с.

57. Смирнов Н.В., Дудин-Барковский И.В. Краткий курс математической статистики для технических приложений. М.: Физмат-гиз, 1959, 436 с.

58. Соломенцев Ю.М., Митрофанов В.Г., Протопопов С.П.,Рыбкин И.И.,

59. Тимирязев В.А. Адаптивное управление технологическими процессами (на металлорежущих станках). М.: Машиностроение, 1980, 536 с.

60. Справочник технолога-машиностроителя. Том.2, под ред. проф.

61. А.Н.Малова, М.: Машиностроение, 1972; 508 с.

62. Станкостроение СССР. Вып.З, Агрегатные станки и автоматические линии. Под редакцией Бермана М.М., М.: НИИМаш, 1970, 117 с.

63. Старастинецкий Ю.А. Повышение геометрической точности arpera тно-ра сточных станков. Сб.: Станки и инструмент, 1974, й 5, с. 3-5.

64. Старастинецкий Ю.А. Повышение точности агрегатных станков,

65. М.: НИИМаш., Сер. С-Х-4, 1974, 88 с.

66. Степанян А.Г. Изготовление малогабаритных корпусных деталей.

67. М.: Машиностроение, 1973, 168 с.

68. Схиртладзе А.Г. Повышение производительности при однорезцовом консольном растачивании. Автореф. на соиск, ученой степени к.т.н. М.: Станкин, 1975, 18 с.

69. Тверской М.М. Автоматическое управление режимами обработкидеталей на станках. М.: Машиностроение, 1982, 208 с.

70. Тверской М.М. Стабилизация нагрузки на сверле в процессеглубокого сверления при многоинструментальной обработке Сб.: Самолоднастраивающиеся станки, под ред. проф. Б.С.Балакшина, М.: Машиностроение, 1970, с.259-265.

71. Темчин Г.И. Многинструментные наладки. Теория и расчет. М.:1. Машгиз, 1963, 543 с.

72. Теория автоматического регулирования. Под ред. д.т.н.,проф.

73. В.В.Солодовникова. М.: Машиностроение, 1967, 679 с.

74. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Наука, 1967,444 с.

75. Шакалис В.В. Моделирование технологических процессов. М.:

76. Машиностроение, 1973, 136 с.

77. Эрроу К.$к., Гурвиц Л., Удзова X. Исследования по линейномуи нелинерш ому программированию. Пер. с англ. М.: ИЛ, 1962, 334 .