автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Повышение эффективности технической подготовки производства на основе моделирования и автоматизации проектирования технологического оборудования

На правах рукописи

/

УТЕШЕВ ГЕННАДИЙ ВЛАДИСЛАВОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ

ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность: 05.13.06- Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 МОИ ?П<п

Москва, 2010

004606196

Работа выполнена в Московском государственном технологическом университете «Станкин».

Научный руководитель

Член-корр. РАН, доктор технических наук, профессор Соломенцев Юрий Михайлович доктор технических наук, профессор Султан-Заде Назим Музаффарович кандидат технических наук, доцент Егоров Петр Евгеньевич ОАО «Тушинский машиностроительный завод»

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

Защита состоится «

» С£сО/Се£ 20Ю г. в

г. в

часов на

заседании диссертационного совета Д 212.142.03 ГОУ ВПО Московского государственного технологического университета «Станкин» по адресу: 127055, ГСП, г. Москва, Вадковский пер., д.За.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ГОУ ВПО МГТУ «Станкин». ....

Автореферат разослан « »_/И/Ьс?_2010 г.

Отзыв на автореферат просьба направлять в двух экземплярах по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета Д 212.142.03.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.142.03

к.т.н., доцент

Е.Г. Семячкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность, Основные направления развития современного машиностроения связаны с созданием интегрированного компьютеризированного многономенклатурного производства на базе комплексной автоматизации процессов производства изделий, начиная от его проектирования до изготовления.

Комплексная автоматизация машиностроительного производства основана на применении высокоэффективных технологических процессов и высокопроизводительных автоматизированных обрабатывающих систем (ОС), способных решить многочисленные процессы многономенклатурного производства: частую сменяемость объектов производства, необходимость применения переналаживаемых технических средств и технологий, выпуск деталей комплектами и точно в срок, обеспечение принципа безлюдности производства.

В интегрированном производстве процесс проектирования изделия, технологии и обрабатывающей системы для его изготовления является наиболее трудоемким. Поэтому наибольшая эффективность достигается при автоматизации проектных процедур, требующих больших затрат интеллектуального труда. Наиболее актуально это становится при разработке автоматизированных обрабатывающих систем (АОС), использующих дорогостоящее оборудование с ЧПУ, автоматизированные транспортно-складские системы и управляющие ЭВМ.

Автоматизация процесса проектирования АОС связана, прежде всего, с созданием теории и формализованной методологии технологического проектирования, которая является также базой для построения автоматизированных систем управления многономенклатурным производством.

Поэтому разработка теории технологического проектирования и методов синтеза, моделирования и оптимизации автоматизированных обрабатывающих систем является весьма актуальной задачей.

Отсюда цель работы - повышение эффективности функционирования многономенклатурного производства на основе применения разработанных методов автоматизированного проектирования технологического оборудования.

Научная новизна.

1. Установлены зависимости между номенклатурой обрабатываемых деталей и параметрами элементов обрабатывающей системы

2. Построена математическая модель автоматизированной обрабатывающей системы (АОС) в виде произвольного смешанного графа, включающего множество элементов АОС, множество взаимосвязей между элементами и множеством информационных потоков.

3. Создана методология системного многопараметрического синтеза структур обрабатывающих систем, средств их технологического и инструментального обеспечения.

4. Разработаны формализованные методики и алгоритмы автоматизации проектирования состава основного и транспортного оборудования, переналаживаемых приспособлений и инструментального оснащения обрабатывающей системы.

Практическая ценность работы. Разработанные теоретические положения формализованной методологии автоматизации проектирования ОС отличаются универсальностью, инвариантны к классу обрабатываемых деталей и применяемому технологическому оборудованию. Предложенные алгоритмы проектирования реализованы инструментальными средствами современных ПК, что позволяет в несколько раз повысить эффективность проектно-конструкторских работ и технологической подготовки многономенклатурного производства в машиностроении и приборостроении.

Реализация работы. Разработанные модели и алгоритмы использованы в технических отчетах по научно-исследовательским работам, выполненным МГТУ «Станкин» для департамента науки и промышленной политики г. Москвы.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на заседании кафедры «Информационные технологии и вычислительные системы» МГТУ «Станкин», на Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2008), на Международной научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов и контроль» (Тольятти, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 статей.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы из 66 наименований, изложена на 123 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 4 таблицы.

Основное содержание работы ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования

Научные основы комплексной автоматизации машиностроительного производства связаны с развитием теории управляемых технологических процессов, теории функционального и структурного анализа технологических операций и автоматизированного оборудования, теории проектирования систем автоматического управления и регулирования, теории оптимального проектирования машин-автоматов и обрабатывающих систем, научных основ высокоэффективной эксплуатации автоматизированного оборудования.

Разработка основных направлений комплексной автоматизации осуществляется на базе трудов отечественных ученых А.П. Владзиевского,

Л.И. Волчкевича, А.И. Дащенко, В.И. Дикушина, И.А. Клусова, B.C. Кулешова, М.М. Кузнецова, А.Н. Малова, В.Г. Митрофанова, М.П. Новикова, В.Э. Пуша, Ю.М. Соломенцева, B.JI. Сосонкина, Г.А. Шаумяна и др.

При комплексной автоматизации машиностроения одним из самых важных объектов автоматизации является процесс проектирования, основу содержания которого составляет переработка информации с целью принятия решений, описывающих объект проектирования. Многогранность и массовость задач проектирования, взаимосвязанность и разнообразие исходных данных и факторов, определяющих решение приводят к тому, что проблемы автоматизации проектирования связываются с созданием соответствующей формализованной теории. Опыт работ в этом направлении показывает, что в последний период проявляется общая тенденция развития области науки, разрабатывающей методологию творческой инженерно-технической деятельности и создания на этой базе искусственного интеллекта в определенной предметной области.

Анализ исследований по проблеме диссертации позволил сформулировать основные задачи, которые отражают этапность достижения поставленной цели.

1. Разработка формализованной теории автоматизированного технологического проектирования обрабатывающих систем многономенклатурного производства.

2. На основе построения математических моделей обосновать методологические принципы и разработать методологию многопараметрического синтеза структуры и элементов обрабатывающей системы.

3. Разработка формализованных методик и алгоритмических процедур проектирования для следующих подсистем:

определения требуемого уровня автоматизации производства, САПР укрупненной технологии,

классификации и группирования технологических объектов и решений,

выбора основного технологического оборудования обрабатывающей системы, выбора транспортных средств,

проектирования планировок обрабатывающей системы, инструментального обеспечения обрабатывающей системы, проектирования групповых переналаживаемых приспособлений.

Глава 2. Исследование задачи автоматизации проектирования обрабатывающих систем

Особенности многономенклатурного производства, современное состояние станкостроения, робототехники, информатики и других смежных отраслей, уровень автоматизации металлообработки на промышленных предприятиях позволяют сформулировать понятие автоматизированной обрабатывающей системы многономенклатурного производства (АОС МНП).

Под АОС МНП будем понимать совокупность основного технологического оборудования, транспортных средств, складского оборудования, снабженную средствами технологического оснащения и системой управления; обладающую свойством переналадки, допускающую интеграцию потоков деталей, инструментов и информации и предназначенную для обработки семейства деталей определенной номенклатуры.

Структура АОС может быть описана в виде произвольного смешанного графа

в = {2,и,Р),

где 2 - множество элементов АОС, и - множество взаимосвязей между элементами АОС, Р - трехместный предикат, называемый инцидентором.

Из формальной модели АОС, описанной смешанным произвольным графом G = (Z,U,P), выделим функциональную среду, которую зададим в следующем виде:

G = (X,T,0,J,r,D,Ei) 1 = 1,5, (1)

где X = {ai,a2,...,ax,ax} - множество единиц основного технологического оборудования (ОТО),

Т = {b\,b2,...,b,,bT} - множество транспортных средств для деталей и инструмента,

0 = {prupr2,...,pr0,pr0} - множество единиц технологической оснастки (приспособлений),

/ = {ш|,/и2,...,(«,-,/«/} - множество режущих и вспомогательных инструментов,

/' = {izl,i22,...,izf,izr} - множество контрольно-измерительных инструментов и машин,

Ej,i = 1,5 принимает следующие значения:

Е] = \el,e\,...,e[Fi} - множество единиц складского оборудования,

Е2 = ^2,е2 ) - множество элементов системы управления,

£3 = } - множество единиц оборудования для подачи СОЖ,

£4 = ^4,ê2v,44} " множество единиц оборудования системы удаления

отходов,

Е5 = ¡е,,е2,...,е^ J - множество элементов информационных потоков в АОС,

dul2^{r) - множество групп деталей, обладающих конструкторско-технологическими свойствами.

При создании технологического проекта АОС главными объектами проектирования являются основное технологическое оборудование, транспортные средства, технологическая оснастка, режущий и

вспомогательный инструмент, которые в конечном итоге обеспечивают технологические процессы обработки группы деталей.

Поэтому, при технологическом проектировании АОС достаточно ограничиться графом вида

С = (Х,Т,0,1,0). (2)

Предметом системных исследований являются отношения между элементами модели (2), т.е. между множествами {х},{г},{о},{/},{о}, которые порождают аналитические взаимосвязи, доступные математической интерпретации, что позволяет перейти к формализованной регламентации при проектировании элементов АОС.

Взаимосвязи между элементами модели (2) определяются отношениями между объектами обработки, представленными множеством {о} и технологическими средствами обработки, которые включают множества {А'}, {Г}, {О}, {/}. Эти взаимосвязи основаны на некоторых определенных свойствах технологических объектов АОС: эквивалентности, совместности, следования и взаимодействия. Сформулируем определения, характеризующие эти свойства.

Исходя из сформулированных определений построен граф отношений множеств технологической среды АОС. На этом графе выделены отношения между элементами одного множества и отношения между элементами разноименных множеств.

Отношения между элементами одноименных и разноименных множеств, указанные на графе, позволяют установить и формализовать взаимосвязи между отдельными компонентами АОС, что создает предпосылки для разработки формальной методики синтеза структуры АОС.

Из формального описания группы деталей (2) Ог,ге {г},

{О,} и {Б2} и... и {Бг} и... и } = {и"}, где \р"} - номенклатура деталей, обработку которой должна обеспечить синтезируемая АОС, необходимо определить свойства этой номенклатуры,

которые позволяют выделить из графа (2) подмножества элементов, определяющих общую структуру АОС, т.е. перейти от С = (Х,Т,0,1) к

С =(Х',Т',0',Г), для которого справедливо

{Г}с{^},{Г}с{П{0'}с{0},{/'}с{/}.

Исходными данными для синтеза структуры АОС является множество переходов {/.} и связанных с ними обрабатываемых поверхностей е {/V'} множества деталей {о,}, для каждой из которых справедливо:

/>,.=[лл-;| (3)

Технологические возможности оборудования АОС зададим предикатной матрицей отношений между элементами ах,х е {х} и е {/,}:

М =

яг, ■ Я„ .

а\ У\и У\2> • Уи, • •> Ум

а2 Уи> У22> • Уи> • Ун

ах Ухи У л» • Ух1> • •> У XI

Рх Ухи УХ 2. • •> Ухи •• •» Ухь

(4)

элемент которой, ух1 =

1 -если переходу,/е {/,} может быть выполнен

на ах - м оборудовании, х е {х}аоао О-в противном случае

Согласно (3) для детали с/ е {Д,} очевидно для группы {О,}

а для номенклатуры деталей [о" ]

(5)

(6)

Исходя из (4) для каждого перехода 7г;,/е{/-} построен вектор У/ =(Уи>У21>—'Ух/'Уя)' ненулевые элементы которого определяют оборудование АОС, ах,хе{х}, на котором данный переход может быть реализован:

=(У1\'У2.....'Ух\>—>Ух\)

....................................... (8)

={Уи>У21.,-,УХ1.,->Ух1.) Подставляя вектора (8) в (3) для е {М'} получим:

Р1=я'\(Уп>У2\>->Ул>->Ух\)л ЛЯ2(У\2>У22>-,УХ2>->УХ2)Л

Л........................................

^¡(У\1'У21'-,Ух1.....Ух/)л

ля'АУи'Уги-'Ухи-'УхЛ или после преобразований: Р1=лл:'1(уи,у2„...,ух1,...,уХ1) или = лгг', ], а для детали

dJ = ЪAлL7Г^k/xУЛ

Для группы деталей {Д,}:

(9)

а для номенклатуры деталей {о"}:

(10)

Из (10) очевидно, что если дизъюнкция векторов ух1= 0, т.е. если Уух/ =0, то заданная номенклатура деталей \р"} не может быть получена в

х

данной АОС.

Образуем предикат:

= (И)

где \fdj- - квантор общности с областью определения М. Предикат 1//\рн}= 1, если и только если для каждой детали с/; е [о"^ 0, т.е.

существует такое множество переходов 7г,,/е {.£,}, отраженное на оборудовании АОС ах,х е {х}, которое обеспечивает обработку любой детали </.,./= 1,М.

Анализ модели (11) показывает, что количество вариантов структур АОС достаточно велико, поэтому для минимизации количества вариантов необходимо использовать целевую функцию проектирования АОС МНП вида:

/=- = тт[{х} Л {7-} Л {о} л {/}] (12)

при условии, что (¿/■{£>я}=1 (13)

Сокращение альтернативных вариантов структур АОС для получения обозримого множества вариантов достигается за счет изоморфного отображения сформулированных ранее отношений между элементами АОС на граф б*. Тем самым достигается диалектическая взаимосвязь между структурой номенклатуры деталей и структурой АОС.

На основании отношений и свойств элементов АОС формулируются технологические условия (ТУ), позволяющие синтезировать несколько альтернативных структур проектируемой АОС, т. е.

{ГС}

С = {Х',Г, О', Г) (7** =(Х", Т", О",Г), (14)

где {ТУ} - множество формализованных технологических условий, которое порождает граф отношений.

В работе постулируются технологические условия двух типов: частные и обобщенные. Частные ТУ имеют смысл между элементами одноименного множества, а обобщенные - между элементами разноименных множеств.

Посредством применения исследованных процедур проектирования с учетом конкретных целевых функций оптимизации появляется возможность из множества вариантов получить квазиоптимальную структуру АОС.

Глава 3. Структурные модели технологического оборудования многономенклатурного производства

Технологическое проектирование обрабатывающих систем начинается с предпроектного анализа производства, в результате которого решаются следующие основные вопросы:

- оценка технологических характеристик массива деталей;

- формирование структуры программы выпуска деталей;

- обоснование уровня автоматизации и выбор соответствующего вида обрабатывающей системы;

- разработка технической заявки и технического задания на проектирование обрабатывающей системы.

Автоматизация проектирования АОС требует создания специализированных САПР укрупненной технологии, предназначенных для предварительного синтеза технологического процесса обработки каждой детали, и формирования массивов данных о составе и схемах переходов, типаже режущих инструментов и оснастки, временных характеристиках и т.п. Такие САПР обеспечивают синтез укрупненной технологии безотносительно к конкретным моделям станков (так как их выбор предстоит на дальнейших этапах) на уровне обработки элементарных поверхностей и создания на их основе данных для комплексного анализа и принятия решений. Полученная информация является базой для решения задач проектирования структуры и отдельных элементов АОС. Проектные решения, полученные в САПР укрупненной технологии, могут быть использованы на этапе эксплуатации АОС при технологической подготовке производства.

В основу созданной САПР укрупненной технологии положены принципы современной технологии машиностроения, согласно которой конструктивно-технологические характеристики деталей формально могут быть представлены в виде совокупности конструктивно-технологических элементов (КТЭ) и схем их обработки. С этой целью все элементарные поверхности деталей машин классифицированы фасетным способом и сгруппированы по отдельным видам. В основу классификации положены их конструктивно-технологические особенности и функциональное назначение, т.е. признаки, определяющие общность элементарных технологических схем обработки, типаж основного и вспомогательного инструмента, последовательность обработки и т.п.

Технология обработки элементарных поверхностей строится на основе типовых технологических решений и обобщения производственного опыта. При этом могут быть приняты неоптимальные решения, что вполне допустимо на начальном этапе проектирования, когда еще неизвестны состав оборудования и его технологические возможности. Оптимальные решения принимаются на стадии проектирования рабочей технологии в автоматизированной системе технологической подготовки производства (АСТПП).

Системный характер процесса проектирования АОС МНП, глубина проработки технологических решений, а также общность принимаемых решений, как на стадии проектирования, так и производства технологических объектов, основанная на унификации технологических объектов путем применения метода проектирования технологических процессов при помощи укрупненной технологии требует применения также единого метода группирования на всех стадиях существования производства от проектирования до эксплуатации.

В общем виде задача выбора и разбиения номенклатуры деталей на группы заключается в разделении множества исходных данных на однородные в некотором смысле подмножества. Так как при проектировании

участков многономенклатурного производства ни количество групп, ни алгоритм разбиения деталей на группы заранее не известен, то задача группирования решается как одна из известных задач теории распознавания образов, так называемая задача обучения распознавания "обучение без учителя". При этом возникают следующие проблемы:

- определение количества групп деталей;

- определение признакового пространства;

- определение весов признаков;

- определение качества группирования;

- определение состава групп.

Эти проблемы могут быть решены при помощи известного быстросходящегося алгоритма, получившего название "метод динамических ядер", который основан на определении подмножеств деталей с высокой плотностью расположения в и-мерном пространстве признаков классификации.

В самом общем виде алгоритм группирования с помощью динамических ядер сводится к следующему: каким-либо способом выбирают к исходных ядер; этот первоначальный набор характеризует начальный набор признаков классификации. Затем производят группирование путем "притягивания" оставшихся объектов: каждый из них присоединяют к наиболее близко расположенному ядру.

В полученных группах вычисляют новые ядра и сравнивают новое разделение с предыдущим. Когда разделение и ядра остаются неизменными, то процесс прекращается, а получившееся разделение на классы считается окончательным. При этом элементы, которые не изменяют своей принадлежности к классу в процессе работы алгоритма, называют сильными образами, а элементы, которые хотя бы один раз переходят из группы в группу, называют слабыми образами.

Для начала работы алгоритма необходимо задать начальное число групп. Для этого можно воспользоваться уже известными методами группирования

- например группированием деталей по классификаторам ЕСКД и ЕСТПП. Для этой цели создана специализированная система классификации деталей "КАДЕТ". Конечный результат работы алгоритма практически не зависит от начального набора выбранных параметров, однако применение этой процедуры может существенно снизить число итераций работы алгоритма, а, следовательно, и время его выполнения.

Предложенный метод позволяет применять его на любой стадии, как проектирования, так и производства деталей на участках многономенклатурного производства. Он позволяет проводить группирование в условиях неполноты исходных данных, итерационно по мере накопления данных об объектах, дает возможность варьировать критерии группирования путем корректировки весовых коэффициентов признаков. Нечеткость группирования позволяет обеспечить возможность мобильного корректирования полученных групп в зависимости от ситуативных факторов и требований производства.

Сроки создания или реконструкции подразделений многономенклатурного производства существенным образом зависят от сроков проектирования структур АОС. Только после определения структуры АОС: состава основного, транспортного и вспомогательного оборудования, занимаемой площади, необходимой технологической оснастки, режущего и вспомогательного инструмента и т.п. можно спланировать сроки разработки рабочего проекта АОС, определить потребности в комплектующих изделиях, материалах и оценить объем капитальных затрат. Поэтому этап синтеза структуры АОС является чрезвычайно важным и определяющим в процессе проектирования и организации многономенклатурного производства и необходимость его автоматизации не вызывает сомнения. Наиболее важным при этом является нахождение критериев, определяющих принципы построения структур АОС при автоматизированном проектировании.

В качестве основной предпосылки при проектировании любой производящей системы в машиностроении принимается выпуск изделий

заданной номенклатуры и требуемого качества с заданной производительностью при обеспечении минимальных или заданных приведенных затрат. Действительно, основной общей целевой функцией при проектировании АОС является минимум приведенных затрат. Кроме того, очень часто оптимизация проводится по другой общей целевой функции -максимуму производительности.

Глава 4. Разработка средств технологического оснащения систем

оборудования

Рациональное использование инструмента в АОС во многом зависит от степени его унификации. Поэтому чрезвычайно актуальной является проблема определения оптимального состава системы инструментального обеспечения (СИО). На этапе технологического проектирования решаются следующие задачи, связанные с созданием рациональной структуры инструментального хозяйства АОС:

- выбор номенклатурного состава режущего инструмента;

- выбор номенклатурного состава вспомогательного инструмента;

- определение количественного состава режущего инструмента;

- определение количественного состава вспомогательного инструмента.

Задача определения номенклатурного состава режущего инструмента решается с целью его минимизации. Рациональный по номенклатуре состав режущего и вспомогательного инструмента позволяет повысить эффективность многономенклатурного производства за счет снижения затрат, связанных с организацией и эксплуатацией инструментального хозяйства участка, цеха и предприятия в целом.

Множество инструментов, применяемых при обработке деталей определенной номенклатуры можно условно подразделить на подмножество инструментов, окончательно формирующих обрабатываемые поверхности и подмножество инструментов, применяемых для многопроходной обработки. Разработанная методика формирования рационального номенклатурного

состава инструмента, основанная на анализе применяемости каждого типа инструмента в различных производственных условиях, позволяет выбрать рациональную номенклатуру режущего и вспомогательного инструмента, предназначенного для обработки группы деталей, для которой проектируется обрабатывающая система.

Задачи определения количественного состава режущего и вспомогательного инструмента в отличие от традиционного подхода, при котором объем инструмента рассчитывается по среднестатистическим характеристикам, решаются с использованием формальных алгоритмов, учитывающих разнообразие организационно-технологических ситуаций.

Архитектура модели, определяющей номенклатуру и количество инструмента, имеет блочно-иерархическую структуру. Расчленение модели на уровни обусловлено сложностью рассматриваемой задачи. Работа модели строиться на основе использования метода "критических ситуаций", возникающих в АОС и представляет собой асинхронный алгоритм, позволяющий воспроизвести события в течение длительного периода времени.

Определение технологических баз для обработки группы деталей на основе формализованных методов является сложной интеллектуальной задачей с большим числом возможных вариантов решений. Реальным путем сокращения вариантов является использование эвристических алгоритмов, основанных на формализации технологического опыта. Таким образом, изучение технологических закономерностей формирования групповых баз с последующим представлением их в виде формализованных технологических отношений и условий является объективной необходимостью.

Под групповой технологической базой будем понимать совокупность базовых поверхностей р§,Ье{в1!}, обеспечивающих определенность базирования для любой детали, входящей в группу с1] е {Д.}.

Номенклатура обрабатываемых в АОС деталей, согласно

выполненных ранее исследований, классифицирована и представлена в виде множества групп {о/1}^ = 1,(7, каждая из которых построена с учетом как конструкторских, так и технологических признаков.

Для формализованного определения групповых технологических баз необходимо решение следующих задач.

1. Установление соответствия между базовыми поверхностями р|,йе{.Вг} и объективно существующими схемами базирования

2. Выбор технологических баз для группы деталей = 1,(7,

согласно сформулированных ранее свойств совместности и взаимодействия.

3. Установление взаимнооднозначного соответствия между

групповым комплектом технологических баз и материализованными базами станочных приспособлений.

Общие выводы и результаты

1. В диссертации решена задача, имеющая существенное значение для машиностроения и заключающаяся в повышении эффективности технической подготовки производства на основе моделирования и автоматизации проектирования технологического оборудования

2. Установлены зависимости между номенклатурой обрабатываемых деталей и параметрами элементов обрабатывающей системы

3. Построена математическая модель автоматизированной обрабатывающей системы (АОС) в виде произвольного смешанного графа, включающего множество элементов АОС, множество взаимосвязей между элементами и множеством информационных потоков.

4. Предложенная стратегия автоматизированного проектирования АОС позволяет учитывать многообразие проектных ситуаций и путем выполнения итерационных процедур получить квазиоптимальный технологический проект, который является базой для выполнения рабочего проекта АОС.

5. Создана методология системного многопараметрического синтеза структур обрабатывающих систем, средств их технологического и инструментального обеспечения.

6. Теоретические положения технологического проектирования АОС являются методологической основой для создания алгоритмических процедур группирования технологических объектов и решений, выбора основного технологического оборудования, транспортных устройств, средств технологического и инструментального обеспечения.

7. Моделирование организационно-технологических ситуаций, возникающих при эксплуатации АОС, позволяет при помощи разработанной подсистемы-имитатора на этапе проектирования из множества предложенных вариантов выбрать структуру АОС, близкую к оптимальной. Оптимизацию проектных решений целесообразно проводить в соответствии с предложенной схемой многокритериальной оптимизации.

8. Результаты работы могут быть рекомендованы для машиностроительных предприятий и КБ, проектирующих автоматизированные станочные комплексы, а также использованы в учебном процессе для специальностей 220200 и 210200.

Список публикаций

1. Митрофанов В.Г., Утешев Г.В. Исследование задачи автоматизации проектирования обрабатывающих систем // Технология машиностроения №3 изд. ц. «Технология машиностроения» -Москва, 2010. с. 42-44

2. Утешев Г.В. Классификация и группирование технологических объектов многономенклатурного производства // Вестник МГТУ «Станкин» №2(10) - 2010 с. 51 -56

3. Утешев Г.В. Структурные модели технологического оборудования многономенклатурного производства // Вестник МГТУ «Станкин» №2(10)-2010 с. 56-61

4. Утешев Г.В. Оптимизация планировочных решений автоматизированных систем оборудования // Труды Международной научно-технической конференции «Автоматизация технологических процессов и контроль» - Тольятти, 2008 - С. 91-95.

5. Утешев Г.В. Методика проектирования технологического оборудования // Труды Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2008), с. 50-55.

Подписано в печать 29.05.2010

Формат 60х90'/|б Бумага 80 гр/м2 Гарнитура Times

Объем 1,25 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 548

Отпечатано в «ИПД Триальфа», 103305, Москва, Зеленоград, проезд 4807, д. 1., стр. 1

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1. Технологические процессы многономенклатурного производства.

1.2 Проектирование автоматизированных станочных систем.

1.3. Алгоритм автоматизированного проектирования станочных систем.

1.4. Цель и задачи исследования.

Глава 2. Исследование задачи автоматизации проектирования станочных систем.

2.1. Моделирование технологического проектирования станочных систем.

2.2 Методика проектирования станочных систем многономенклатурного производства.

2.3. Выводы.

Глава 3. Структурные модели технологического оборудования многономенклатурного производства.

3.1. Предпроектный анализ производства.

3.2. Проектирование укрупненной технологии.

3.3. Группирование технологических объектов и решений.■

3.4. Проектирование состава основного технологического оборудования.

3.5. Проектирование состава транспортных средств.

3.6. Оптимизация планировочных решений станочных систем.

3.7. Выводы.

Глава 4. Разработка средств технологического оснащения систем оборудования.

4.1 Инструментальное обеспечение станочных систем.

4.2 Проектирование средств базирования и закрепления деталей.

4.3. Выводы.

Современное состояние народного хозяйства страны требует ускоренного развития машиностроительных отраслей промышленности на базе внедрения прогрессивных технологий, высокопроизводительного оборудования с ЧПУ, робототехники, автоматизированных станочных систем «

АСС) и средств вычислительной техники.

Интеграция процессов создания и производства изделий основывается на совмещении процессов проектирования и производства, т.е. применении системы CAD - САМ (computer aided design - computer aided manufacturing). Системы CAD - CAM обладают следующими особенностями [41,56]: строятся на базе компьютера для целей проектирования и изготовления в автоматическом цикле, позволяют оперировать всевозможной графической информацией при исключении ручной графики, автоматически преобразуют проектную информацию в команды управления технологическим оборудованием с ЧПУ, осуществляют контроль качества выпускаемой продукции, имеют многотерминальный доступ со стороны пользователя.

Развитие направлений интегрированного компьютеризированного производства и новых информационных технологий, как отмечено в [42], способно в корне изменить технику и технологию сегодняшнего дня. Поэтому чрезвычайно актуальной представляется проблема автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства на стадии проектирования новых машин и автоматизированных станочных систем (АСС) для их изготовления.

В современном машиностроении до 80 % объема выпускаемой продукции производится в условиях многономенклатурного единичного и серийного производства, которое характеризуется большим числом и разнообразием типов входящего в их состав технологического и г вспомогательного оборудования, разветвленной и многосвязной структурой, значительным объемом и широкой номенклатурой деталей, сложными € законами функционирования и управления.

Для многономенклатурного производства особый интерес представляет разработка интегрированных систем автоматизированного проектирования АСС (САПР AGC), а также специализированных САПР для отдельных этапов проектирования АСС [4,41,43,59,60,61,63]. При решении проблем разработки САПР АСС перед проектировщиками впервые поставлены задачи, связанные с необходимостью интеграции систем автоматизации, а также взаимосвязи не только систем и подсистем, но и элементов этих систем в процессе технологического проектирования и при выборе средств г вычислительной техники [37,56]. Указанные задачи могут быть решены на основе системных принципов проектирования [4,5,13,15,19,41,53,58,59], однако в практике реального проектирования АСС увязка принятых решений на уровне различных страт (технологическая, компьютерная, алгоритмическая, системная) представляется весьма проблематичной [4,56].

В области технологического проектирования усилиями многих школ и ученых [7,9,18,24,26,30,43,46,54,64 и др.] в целом определена структура процесса проектирования многономенклатурного производства, базирующаяся на принципах его групповой организации, а также разработаны основы системно-структурного подхода к проектированию. Однако недостаточно глубоко и конкретно с точки зрения системного подхода исследованы взаимоотношения между элементами АСС на уровне технологической страты: основным технологическим оборудованием (ОТО), транспортными средствами, режущим и вспомогательным инструментом, технологической оснасткой.

Таким образом, необходимость исследования технологических взаимосвязей и отношений между элементами АСС является первой предпосылкой работы.

Эффективность производства во многом определяется рациональным выбором оборудования. До настоящего времени не разработаны эффективные методы выделения из общей огромной совокупности оборудования набора станков, наиболее целесообразных по технико-экономическим показателям для обработки деталей определенной номенклатуры. Поэтому необходимость исследования и разработки методов синтеза структур основного и вспомогательного технологического оборудования и комплектов инструментальной и технологической оснастки АСС предопределило вторую предпосылку работы.

Проектирование АСС представляет собой многоплановую задачу, в которой в сложной взаимосвязи находятся задачи синтеза, моделирования, оценки, анализа и оптимизации проектных решений. Такие задачи решаются с позиций системного подхода, который заключается в том, что специфика сложных объектов не исчерпывается особенностями составляющих их элементов, а заключена в характере связей и отношений между ними [14,41,47,56,65]. е

Исследование отношений между элементами АСС возможно только при использовании интегрированной системы проектирования, способной оценить реальные взаимосвязи в системе "деталь - станок - транспортное устройство - приспособление - инструмент". Итак, необходимость Интеграции задач синтеза элементов подсистем АСС с учетом технологического назначения системы и ее технико-экономической эффективности предопределила третью предпосылку работы.

Возрастающие технические возможности персональных компьютеров, их все большая доступность и возможность соединения в сеть позволили сориентировать работу на применение инструментальных средств на базе компьютера. В системе "проектирование - изготовление" проектные работы по трудоемкости составляют в ряде случаев около трети всех затрат. Поэтому чрезвычайно актуальной является проблема повышения эффективности проектирования путем создания автоматизированных рабочих мест (АРМ) конструктора и технолога. Таким образом, необходимость повышения эффективности проектирования АСС на базе применения современных средств вычислительной техники и интегрированных систем автоматизированного проектирования предопределило четвертую предпосылку работы.

В связи с изложенным целью диссертационной работы является повышение эффективности конструкторско-технологической подготовки tr многономенклатурного производства на основе применения разработанной методологии автоматизированного проектирования АСС; дальнейшего развития теории проектирования металлообрабатывающих систем; создания, практической реализации и внедрения программно- информационного комплекса САПР АСС.

На защиту выносятся следующие положения диссертационной работы:

1. Методология системного технологического проектирования структур станочных систем многономенклатурного производства, средств их технологического и инструментального обеспечения.

2. Теоретические положения синтеза станочных систем, основанные на исследовании структурно-технологических взаимосвязей и отношений между элементами технологической среды; а также математические модели связи между характеристиками номенклатуры деталей и технологическими t свойствами элементов АСС.

3. Формализованные методики инвариантные к классам обрабатываемых деталей: группирования технологических объектов; выбора основного технологического оборудования и транспортных средств; оптимизации номенклатуры и количественного состава системы инструментального обеспечения; проектирования средств технологического оснащения; проектирования и оптимизации планировочных решений АСС; имитационного моделирования и оптимизации структуры АСС.

8. Результаты работы могут быть рекомендованы для машиностроительных предприятий и КБ, проектирующих автоматизированные станочные комплексы, а также использованы в учебном процессе для специальностей 220200 и 210200.

1. Аверьянов О.И. Модульный принцип построения станков с ЧПУ. -М.: Машиностроение, 1987.-232 с.

2. Аверьянов О.И., Дащенко А.И., Межов А.Е. Агрегатно-модульный принцип построения гибких автоматизированных линий и оптимизация их структурно-компоновочных схем// Вестник машиностроения. 1986. - N 5. С. 34-40.

3. Автоматизация дискретного производства/ Б.Е. Бонев, Г.И. Бохачев, PI.K. Бояджиев и др.; Под общ. ред. Е.И. Семенова, Л.И. Волчкевича. М.: Машиностроение, 1987, София: Техника, 1987. - 376 с.

4. Автоматизированное проектирование и производство в машиностроении/ Ю.М. Соломенцев, В.Г. Митрофанов, А.Ф. Прохоров и др.; Под общ. ред. Ю.М. Соломенцева, В.Г. Митрофанова. М: машиностроение, 1986.- 256 с.

5. Автоматизация поискового конструирования (искусственный интеллект в машинном проектировании)/ A.M. Половинкин, Н.К. Бобков, Г.Я Буш и др.: Под ред. А.И. Половинкина. М.: Радио и связь, 1981. - 312 с.

6. Автоматизированная система проектирования технологических процессов механосборочного производства/ Под ред. Е.М. Капустина. М.: Машиностроение, 1979.- 302 с.

7. Базров Б.М. Совершенствование машиностроительного производствана основе модульной технологии// Станки и инструмент. 1985.- N10.- С.22.24.

8. Базров Б.М. Классификация станочных приспособлений // Станки и инструмент. 1989.- N3.- С. 26-31.

9. Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1969.- 559 с.

10. Белов B.C., Грачев Л.Н., Гиндин Д.Е. Типовые технические решения и перспективы развития ГПС// Вестник машиностроения. 1985.- N 4.- С. 24-27.

11. Белянин П.Е. Гибкие автоматизированные производства в машиностроении/ Сб. научных трудов. НИАТ. - М.: 1982. - 186 с.

12. Блехерман М.Х. Организационно-технологическое группирование деталей в ГПС// Вестник машиностроения. 1986.-N 6,- С. 37-41.

13. Бруевич Е.Г., Белянин П.Н., Челищев Б.Е. Системы искусственного интеллекта// Машиноведение. 1983.- с. 3-15.с

14. Васильев В.Н. Принципы построения гибких производств// Станки и инструмент. -1984. N 4. - С. 2-4.

15. Васильев В.Н. Программный подход основа современной организации машиностроительного производства//Вестник машиностроения.1989.-N8.-C. 62-69.

16. Васильев В.Н. Организация, управление и экономика гибкого интегрированного производства в машиностроении. М.: Машиностроение, 1986.-312 с.

17. Гавриш А.П., Воронец В.М. Роботизированныемеханообрабатывающие комплексы машиностроительного производства. -К.: Тэхника, 1984.- 198 с.

18. Гавриш А.П., Ефремов А.И. Автоматизация технологической подготовки машиностроительного производства. К.: Тэхника, 1982. - 216 с.

19. Гибкие .автоматизированные производства: Системотехнический синтез организационной и функциональной структур/ А.А. Лескин, В.М. Пономарев, А.В. Смирнов, С.Е. Халкиопов. -Л.: ЛНИВЦ АН СССР (Препринт).- 1983.-N 76.- 38 с.

20. Гибкое автоматизированное производство/ Под общ. ред. С.А. Майорова, Г.В. Орловского, С. Н. Халкиопова. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985.-454 с.

21. Гибкое автоматизированное производство/ В.О. Азбель, А.Ю. Звоницкий, В.Н. Каминский и др.; Под ред. С.А. Майорова, Г." В. Орловского. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1983.- 376 с.

22. Гибкие автоматизированные производственные системы/ Под ред. Л.С. Ямпольского. К : Тэхника, 1985. -280 с.

23. Гибкие производственные комплексы/ Под ред. П.Н. Белянина, В.А. Лещенко. М.: Машиностроение, 1984.-384 с.

24. Горанский Г.К., Бендерева Э.И. Технологическое проектирование в комплексных автоматизированных системах подготовки производства. М.: Машиностроение, 1981.- 456 с.

25. Горнев В.Ф. Проблемные вопросы технологии ГПС// Станки и инструмент. 1986.-N11.- С. 13-16.

26. Дащенко А.И., Белоусов А.П. Проектирование автоматическихtлиний. М.: Высшая школа, 1983.-394 с.

27. Интегрированные конструкторско-технологические системы автоматизированного проектирования общего машиностроения/ Ю.М. Соломенцев, A.M. Басин, В.Н. Балаболин и др.//Вестник машиностроения.-1983.-N1,-С. 37-41.

28. Капустин Н.М. Разработка технологических процессов обработки деталей на станках при помощи ЭВМ. М.: Машиностроение, 1976.- 288 с.

29. Капустин Н.М., Васильев Г.Н. Автоматизация конструкторского и технологического проектирования. М.: Высшая школа, 1986.-191 с.

30. Колесов И.М. Автоматизации подлежит производственный процесс /Вестник машиностроения. -1985. -N3.- С. 57-61.

31. Корчак С.Н., Кошин А.А., Ракович А.Г., Синицын Б.И. Системы автоматизированного проектирования технологических процессов, йриспособлений и режущих инструментов. -М.: Машиностроение, 1988.-352 с.

32. Кудинов А.В. Предпроектный анализ при создании ГПС для механообработки: Методические рекомендации. М.: ЭНИМСД987. - 24 с.s

33. Кудинов A.B., Тевлин З.В. Разработка технической заявки на ГПС для механообработки: Методические рекомендации. М.: ЭНИМС, 1986.- 47 с.

34. Кулешов B.C., Локота Н.А. Динамика систем управленияманипуляторами. М.: Энергия, 1971. - 302 с.

35. Лебедовский М.О., Федотов А.И. Автоматизация в промышленности. -Л.: Машиностроение, 1976.-250 с.

36. Лебедовский М.О., Федотов А.И. Автоматизация сборочных работ .Л.: Машиностроение, 1970.-302 с.

37. Лескин А.А., Мальцев П.А., Спиридонов A.M. Сети Петри в моделировании и управлении. Л.: Наука, 1989. - 133 с.

38. Лищинский Л.Ю. Технико-экономический анализ и методы выбора рациональных структур гибких производственных систем: Технология,соборудование, ' организация и ■ экономика машиностроительного производства. М.: ВНИИТЭМР, 1985. - 64 с.

39. Лищинский Л.Ю., Генис А.Л. Выбор структур . гибких производственных систем// Станки и инструмент. -1989. N9. - с. 4-6.

40. Логашев В.Г. Технологические основы гибких автоматизированных производств Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1985.-176 с.

41. Макаров И.М. Системные принципы создания гибких автоматизированных производств. М.: Высшая школа, 1986. - 176 с.

42. Марчук Г.И. Научно-технические программы и задачи по их сопровождению. М.: ГКНТ, 1981.- 12 с.

43. Митрофанов В.Г. Особенности решения задач оптимизации для массового и мелкосерийного производства: В кн.: Адаптивное управлениетехнологическими процессами на станках. М.: Машиностроение, 1980.- 256 с.

44. Митрофанов В.Г., Гульнов Ю.А., Куликов Д.Д. Автоматизация технологической подготовки серийного производства. М.: Машиностроение, 1974, 360 с.

45. Митрофанов С.П. Групповая технология машиностроительного производства: В 2т. 3-е изд. - Л.: Машиностроение. - Ленингр. отд-ние,1983.-Т. 1.-407 с.

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

47. Ныс Д.А., Шумяцкий Б.Л., Еленева Ю.А. Выбор оптимального состава оборудования гибких автоматизированных технологических систем для обработки корпусных деталей // Станки и инструмент, 1983.- N6.- С. 4-6.

48. Общесистемный классификатор технологических операций в машиностроении и приборостроении. М.: ВНИИНмаш, 1975. - 52 с.

49. Организационно-технологическое проектирование ГПС /В.О. Азбель, А.Ю. Звоницкий, В.Н. Каминский и др./ Под ред. С.П. Митрофанова. М.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1986.- 294 с.

50. Организация процессов автоматизированного технологического проектирования группового производства: Методические рекомендаций. -М.: Госстандарт, ВНИИНмаш, 1981.- 85 с.

51. Павлов В.В. Основы автоматизации проектирования технологических процессов. М.: МАТИ, 1975. 72 с.

52. Проектирование оптимальных технологических систем машин/ Белов B.C., Васильев В.Н., Буда Я., и др.; Под общ. ред. А.И. Дащенко, Я. Буды.-М.: Машиностроение, 1989.-344 с.г

53. Прохоров А.Ф., Митрофанов В.Г., Корьячев А.Н., Калинин В.В. Методика автоматизированного проектирования автоматических линий для механической обработки корпусных деталей// Вестник машиностроения.1984. с. 49-50.•е

54. Пуш В.Э., Пигерт Р., Сосонкин B.JI. Автоматические станочные системы.- М. : Машиностроение, 1982.-319 с.

55. Системное проектирование интегрированных производственных комплексов/ А.Н. Доморацкий, А.А. Лескин, В.М. Пономарев и др., Под общ. ред. В.М. Пономарева. Л.: Машиностроение. Ле-нингр. отд-ние, 1986.-319 с.

56. Системы управления гибким автоматизированным производством/ Д. А. Краснопрошина, В.В. Крижановский, Л.Ф. Компанец и др.: Под общ. ред. А. А. Краснопрошиной. -К : Выща школа, 1987. 383 с.

57. Скурихин В.И., Павлов А.А., Путилов, Гриша С.Н. Автоматизированные системы управления гибкими технологиями. К.:Тэхника, 1987. 166 с.

58. Соломенцев Ю.М. Конструкторско-технологическая информатика -основа автоматизированного создания машин и технологий//Станки. и инструмент. 1986. N8. -С. 5-7.

59. Соломенцев Ю.М., Прохоров А.Ф. Перспективы и проблемы развития САПР технологических систем// Вестник машиностроения, 1984.-N10.- С. 44-46.

60. Соломенцев Ю.М., Сосонкин В.Л. Управление гибкими производственными системами. М.: Машиностроение, 1988.-352 с.

61. Соломенцев Ю.М., Басин A.M., Климов С.В. СитуативноетГпроектирование технологических процессов в гибкой автоматизированной производственной системе// Вестник машиностроения. -1984. -N3. С 47- 50.

62. Технологическая подготовка гибких производственных систем/ С.П. Митрофанов, Д.Д. Куликов, О.Н. Миляев и др.: Под общ. ред. С.П. Митрофанова. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987.-235 с.

63. Цветков В.Д. Система автоматизации проектирования технологических процессов. М.: Машиностроение, 1972,-240 с.

64. Чачин В.Н., Коновалов И.В. Современная технология важное звено научно-технического прогресса. - Минск.: Беларусь, 1988. -80 с.

65. Шпур Г., Краузе Ф.Л. Автоматизированное проектирование в машиностроении.: Пер. с нем. Г.Д. Волковой и др., Под ред. Ю.М. Соломенцева, В.П. Диденко. М.: Машиностроение, 1988.-648 с.