автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Оптимизация параметров станочных комплексов

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК Институт машиноведения им. А. А. Благонраврова

ОД На правах рукописи

Экз. Ы». 3$ УДК 62-50

Нгуен Ван Туонг

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СТАНОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Специальность 05.13.16 Применение вычислительной техники, математических методов и математического моделирования в научных исследованиях

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996

Работ выполнена в Институте машиноведения им. Благонравова А. А. Российской академии наук

докт. техн. наук проф. чл. корреспондент ахадемии космонавтики им. К.Э. Циолковского ЧИНАЕВ П.И.

л

докт. техн. наук САФАРОВ Т.С. Докт.техн. наук профессор АФАНАСЬЕВ В.Н. Кандидат технических наук ЧЕМОДАНОВ Е.С. Всдующая организация : НПО " Аатоэлектроника "

Научный руководитель;

Научный консультант : Официальные опоненты:

Защита состоит "20" нюня 1996 г. в 16 часов на заседании специализированного совета К 003.42.02 при Институте машиноведения им. Благонравова A.A. Российской ахадемии наук по адресу: Москва, Малый Харитоньевский пер., д. 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института машиноведения РАН.

Автореферат разослан "20" мая 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета Кандидат технических наук

ПУРЦЕЛАДЗЕ Г.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность темы В настоящее время в регионе юго-восточной Азии н в часности в социалистической Республике Вьетнам машиностроительное производство развивается достаточно интенсивно и высокими темпами по всем основным направлениям народного хозяйства. В СРВ создаются новые современные заводы и фабрики, оснащенные современным оборулованием и мощным компьютеризированными системами управления. Все это позволяет обеспечить высокую эфективность управления производством. Однако на устойчивое развитие производства существенное влияние оказывают различное плохо учитываемое или случайные факторы. Для обеспечения устойчивости работы- предприятий нужно во-первых, улучшать общую экономическую ситуацию во стране, и во-вторых, внедрить новые методы управления производством. Второй путь очень перспективен поскольку при малых затратах он может 1ать хорошие результаты. Реализация второго направления »существляется путем внедрения адативных принципов в работу 1редриятий, основанных на новых подходах к планированию произ-юдства с учетом износа оборудования, а также появления помех и боев.

Задачи управления я планирования производством изучались разными авторами и, в частности В.Н. Васильевым, В.А. Петровым. I. Е. Болнокиным, П. И. Чинаевым, В. Н. Афанасьевым, В. Р.

Носовым, Э. Г. Кофманом, Д. Ж. Моудером. Нгуен Тхук Лоаном и др.

В последнее время в мировой практике применяются гибкие производственные системы (ГПС), которые позволяют в среднем сократить затраты труда на 50%, временной цикл изготовления изделия на 77%, объем незавершенного производства на 63% потребность в производственных площадях на 35%, произволе твенные затраты на 19%.

Однако коэффицент использования основного оборудования г условиях ГПС все еще низок , что связано с неэффективные использованием технологических возможностей оборудования. Эт< можно объяснить следующими характерными особеностями :

- ГПС работает в частично ограннзовапнон сфере, изменяющийся, как правило неизвестным заранее, режимы функционеров зння;

• Технологические процессы, реализуемые в ГПС в основном многовариантные, поэтому его структура н параметр! нестационарные;

• Компоненты ГПС обладают широкими технологическим возможностями, что порождает структурную и параметрическу/ избыточность и их возможность их адаптации в условиях действи случайно изменяющих внешних и внутренних факторов.

Эти характерные особенности ГПС позволяют отнести ее классу технических систем .характеризуемых большим число . переменных состояний, многорежимностью, изменчивостью стру

- о -

туры, способного реализовать различные цели в процессе его фугшюнирования. В связи с .этим возникает, целый ряд актуальны* проблем повышения их эффективности, которые могут быть достигнуты созданием моделей н алгоритмов управления в реальном масштабе времени, обеспечивающих стабилизацию параметрической и структурной иестационарностн для достижения требуемого качества функционирования.

Таким образом тема настоящей работы, направленная на создания методов и алгоритмов оптимизации параметров, описывающих структуру и режим функционирования комплексов технологического оборудования (в том числе с учетом применения в составе производственных гибких систем) представляется актуальной и важной с практической точки зрения .

Последнее имеет особенное значение в условиях экономики развивающих стран таких как республика Вьетнам так, как может дать большой эффект повышения производительности производства на основе существующей станочной базы и без значительных дополнительных капиталовложений, что в условиях финансового дефицита.

Цель работы : Обшей целью работы является разработка математических моделей и методов адаптивного управления применительно к автоматизированным производственным системам механообработки, которые являются практическим объектом исследования.

На защиту выносятся :

- О -

- Методика двухуровневой структурно-параметрической декомпозиции моделей функционирования станочных комплексов;

• Математическая модель оценки влияния износостойкости режущих инструментов на функционирование станочного модуля и группы станочных модулей;

• Математические алгоритмы локального управления станочным модулей на основе принципов адаптации и иивариатиости.

Методы исследований: Выполненные теоретические исследования и практические расчеты базируются на использовании теорий вероятностей и математической статистики, исследовании операций, математического лрограмирования, оптимального управления, принятия оптимальных решений, а также современных методах програмирования и компьютерного моделирования.

Обшей методологической основой всех исследований является системный подход.

Достоверность полученных теоретических и прикладных результатов подтверждается строгим математическим выводам при построений и исследований моделей и алгоритмов; результатами компьютерного моделирования и проведенным полунатурными и натурными экспериментами; согласованностью полученных результатов с имеющимися в отчественной и зарубежной литературе; данными, полученными при внедрении и пратическом использовании результатов.

Научная новизна настоящей работы состоит в разработке методов адаптивного управления системами с двухуровневой

:труктурно-параметической декомпозицией применительно к комплексам станочного оборудования. В частности .решены :ледуюш.ие новые научные задачи:

1. Разработана формализованная система представления н моделирования иерархических структур станочных комплексов *еханообработкн в условиях гибкого производства.

2. Предложены математические методы параметрической щтимизации режимов управления станочными комплексами 1еханообработки.

3. Разработаны методы адаптивного управления отдельными таночными модулями с учетом поступающей в режиме реального ремени информации о ходе выполнения технологических операций ограничений (требований) по точности обработки.

Практическая ценность и реализация результатов работы :

Тема диссертации связана с планом научно-исследова-?льских работ института машиноведения им. А. А. Благонравова АН, в частности с программой фундаментальных исследований по эмплексной проблеме "Машиностроение и технология" на 1989 • XX) гг. ( п.1.1.4. Разработка методов имитационного моделиро-ания и оптимизации динамических систем), с планом совместных абот между институтом машиноведения РАН и Ханойским ««техническим институтом на 1992 -1997 гг.

Результаты диссертационной работы использовались :

- в научно-исследовательских работах института машино-дения им. А. А. Благонравора РАН;

- а -

- в учебном процессе по курсу "Автоматизация производственных процессов" на кафедре "Измерение и автоматическое управление " в Ханойском политехническом институте (г. Ханой) и госудаственном технологическом универстете (г. Хошимин).

• при создании системы автоматизированного управления цехом механообработки завода \MNAPPRO госудаственного объединения БАКУМО;

- в научно-производственных разработках промышленной компании ВАСННОА (г. Ханой).

Общий экономический эффект • 50 тысяч долларов США

Апробация работы: Результаты диссертационной работы докладывались н обсуждались на семинаре в Институте машиноведения РАН и Ханойском полнтехиическом институте.

Публнцдции: По теме диссертации опубликованы дне работы. Структура диссертации: Диссертационная работа состоится из введения, трех глав, основных выводов, литературы и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы, формулируйся цели исследования, основные научные положения н результаты, а так же практическая ценность и степень апробации работы.

В первой главе приводятся основные понятия и определения многоцелевых систем (МТС), а также их специфические особен. ности. В качестве объекта исследования расматрнпаются ста по-

чные комплексы ГПС механообработки, являющиеся одним из типичных представителей классами МТС. .Анализируется состояние вопроса и проблемы повышения эффективности ГПС механообработки в условиях производственной инфраструктуры Вьетнама. Сформированы проблемы технологии синтеза законов управления станочными комплексами с точки зрения их формализации. Разработана структурна иерархического представления процессов моделирования оптимизации функционирования МТС и его применения для создания стемы управления в режиме реального времени для ГПС механообработки.

Большое место в главе занимает формализация модели взаимодействия основных элементов системы СИПЛ (станок-инструмент-приспособление-деталь), функционирующей в составе производственного модуля ( рис. 1)

На рисунке приняты следующие обозначения: 1 - припуск, НВ - твердость материала. Р - силы резания, у и г - проекции прогиба расточной оправки в горизонтальной и вертикальной плоскостях. V - скорость резания. 5 - подачи. Т и Ь • стойкость резцов, й - сила тяжести отдельных узлов, № - угловая скорость шпинделя. \ • приведенные жесткости в опорных точках, <р, 0 и ДХ, ДУ, Д2 - угловая и линейные перемещения узлов относительно базовых, 1?х, I?! - проекции силы реакции й на оси ОХ, Оу, Ох, Дг - отклонения радиуса - вектора г, и» • удельный вес, Ь • длина пути резания.

Нвщ

@1L

а

h А

* К

©

P.ü-

С

VW

fe

Qmà

AXwkl

йУшхс

Д(И1

©

RXK¿m

Ri/ri/n

Ri Kirn.

f*

Vi*

еь

cXSK

áÜK

a

tthi

7

©

RxSài

im

RyS/Unt

RiSnim.

<Pc

Se

дЛе

аУо -«i

й

Р©

aZC.

I—

Rxcm

R Уст

Riem

С?

Vn

On

a.Xn,

a

аУп

¿¿п.

fix

ft ta

Rvnm

Ягпт

Рис. I. Мэдель взаимодействия между элементами системы СИПД

- И -

Здесь элемент представляет собой внешнюю среду, являющуюся источником случайных колебаний припуска и твердости материала заготовки I, НВ, а, 1?ш„ Руш. Ии» - опорные точки контактов усилий .

С помощью подробной формализации фшнческих процессов, происходящих в ходе работы технологического модуля, в том числе процессов намагничевания инструмента и заготовки, которая получена в работах проф. Сафароиа Т.С., разработана общая информационная схема управления станочным модулем с обслуживанием (возможным) промышленным роботом • манипулятором (ПР)-см. рис. 2.

В второй главе проводятся экспериментальные исследования и на основе результатов эксперимента разрабатывается математические модели, позволяющие подробно исследовать влияние факторов внешней среды (внешпого магнитною поля) на повышение изностойкости режущих инструментов. Далее разрабатываются модели оценки влияния факторов ннешней среды на эффективность ГПС механообработки.

Далее разрабатывается имитационная модель системы СИПД функционирующей н составе производственною модуля механообработки. Для этого сначала предлагается методика Построения л имитационной модели таких технических систем, каковой является система СИПД многоинструменталыюго станка. Согласно предложенной методики, система СИПД расчленяется на конечное число элементов, сохраняя связи между ннмн

Токарный станок с ЧПУ Передача управления Робот

Останов шпинделя Запрос на обслуживание роботом Пуск робота в действие

М20 Передача сигнала завершения мг

юг Указание на открывание ограждения

Открывание ограждения Завершение открывания. Подтверждение открывания,

ограадения останова шпинделя, зажим заготовки

Режим патрона Указание на разжим

Завершение ' * режима патрона патрона Подтверждение разжима, отвод робота

Включение опе- Указание на включение

рации очистки от стружки операции очистки от стружки, укладка заготовки роботом, зажим новой заготовки роботом

Включение опе- Указание на выключение

рации очистки от стружки Завершение операции операции очистки от стружки Подтверждение завершения операций, останова шпинделя, движение робота к станку

Зажим патрона Указание на зажим патрона Подтверждение зажима патрона, разжим заготовки, отвод робота

Завершение зажима патрона

Закрывание огралщения Указание на закрывание двэри

Завершений"-------__ операции закрывания ограждения Указание на закрывание двери

Пуск станка

Рис.Диалог информационной взаимосвязи между системами управления токарныы станком и роботом

- и -

обеспечивающие учет взаимодействия элементов. Затем строятся математические модели процессов взаимодействия между »лементами.

При исследованиях в оснопу комплексной модели легли в 1нституте машиноведения РАН и НПО "кибернетика" (Ташкент) :ледуюшне модули компьютерного моделирования станочных :истем:

- математическая модель определения прогиба много-:тупенчатой оправки ;

• математическая модель определения угловых и линейных 1еремещений шпинделя относительно бабки, а также бабки тшснтельно силого стола;

- математическая модель ра шерного износа инструмента ; - математическая модель перемещений систем координат связан-|ых с деталью, приспособлением и промежуточными узлами.

Для проверки адекватности имитационной модели реальному фоцессу проведен эксперимент и построена статическая модель 1ЛЯ расчета погрешности обработки.

В третьей главе рассмотрены вопросы синтеза адаптивных к-жнмон управления отдельными станочными модулями, функцио-ируюшнмн в составе гибкой производственной системы 1еханообработкн. Предложены алгоритмы управления в реальном ремени, основанные на принципах инвариантности н постановке, изработаннон проф. П.И. Чннаеным. Показана возможность птимального нспольшнания информации о ходе функцио-

иирования поступаемой от датчиков. Даны конкретные вычислительные схемы для использования в компьютерном моделировании и при синтезе адаптивных законов управления станочными комплексами в режиме реального времени.

Алаптання необходима с переменностью внешней среды фнкниониропания технологического модуля. Подадим сигнал управления V, в результате обработки на выходе получаем приборный сигнал х, который сравниваем с истиным х. Ратину, предварительно возведенную в квадрат, направляя ее в экстремальный регулятор, а затем в регулятор систем (рис. 3, 4) . В соотвествии с схемой получим управления динамики адаптивной системы.

^ор(р) Хс(р) " \Vpip) у(р) + Г(р). У(Р) - У.(Р) + у,(р); ^ря(р) у^р) "Кв^р), ^Рп(р)у,(р) -(Дх<:)2, Дхс ™ х • хс. Wм(p) - х(р> ч/(р)

В этом варианте использован способ получения х с помощью модели исключим промежуточные переменные: [\Уор(р) 4- К. + 2\\Г^(р) ч»(р) ] х(; - х| (р) -

- WД(p)( ч»(р) / ^'м(р> f + \*£(р) К. ч<(Р) + «Р) Для схемы на рис. 5, в которой информации х получают, используя вычислительное устройство (ВУ), уравнение динамики будет :

Рис.3

% f.

1'

WCA, Wop >t

u.

ЭР

£ A

Рис-v

w* Mp

«f Wp y Wcf>

X,

Рис. 5

w0p(p) xc - w. K.e(p) + Wp„(p) + f(p), e(p) - V(p)-xc(p) l(P) ~ (x - *c )2 WpU(p)(xc+y) - i, Wp, К.е(р)-У(р) \ Исключив промежуточные переменные , получим :

Wop(p) хс(р) - Wp, К. MP) • хс(р) ] + Wpil(( х(р) - хс(р)) 2 + f(p). *(Р) - [ WBU(p) - Wpt (p)K. ] xdp) + WBU(P) Wp, (p)K. ч/(Р); x| • Bxc + Cx2 - D\(/ + f, x •• a Xc + Pv •

Решение этой нелинейной системы выполняется численным методами и лает необходимые формулы для синтеза адаптивных законов регулирования.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В „иссертациониой работе на основе систематизации и обобщения имеющихся теоретических и прикладных результатов сформулированл и решена актуальная научная и прикладная проблема адаптивного управления производственным системами механообработки с учетом влияния возмущающих факторов.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие

ь

основные выводы :

1. Предложена иерахическая структура моделирования процесса функционирования станочных комплексов в состав« гибких производственных систем, базирующихся на :

математических миделях, построенных на основе экспериментальных исследований, установливающнх взаимосвязи параметров износоустойчивости, режимов резания и т.д.

комплексной оптимизационен двухуровневой модели функционирования станочных комплексов в составе ГГ1С.

2. Показано, что с помощью разработанной в диссертации методики можно путем выбора оптимальных параметров режимов резания повысить производительность металорезуюшнх станков до 20%. Допольнительным условием является создание локальной компьютерной системы контроля адативного управления процессом обработки.

3. Параметрическая оптимизация позволяет снтензнровать адаптивные режимы функционирования отдельных технологиче-скнх моделей инвариантно множеству технологических маршрутов.

4. Предложенные методики реализованы в виде алгоритмов и программ в институте машиноведения км. А. А. Благонравопа РАН, на учебных кафедрах Ханойского политехнического института (г. Ханой) и государственного технологического университета (г. Хошимин), в машиностроительном объединении \4NAPPRO (г. Бьенхоа) и научно-производственной компании ВАСННОА (г. Ханой).

Общий экономический внедренный эффект составляет 50 тысяч доллаов США.

Основные результаты диссертации опубликрваны в следующих работах:

- Id -

1. Чинаев П.И. Тыонг Н.В. Сафаров Т.С. Оптимизация станочных комплексов. -М: Совместная Российско-вьетнамская лаборатория ИМАШ 1996. -60 с.

2. Nguyen Van Tuong. Toi uu hoa he (hong may . Hoi than khoa hoc "Tu dong hoa san xuat". Dai hoc cong nghe quoc gia Tp. Ho Chi Minh. 1996.