автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка методов технической подготовки автоматизированных систем производства конкурентоспособных мехатронных модулей

На правах рукописи

Асанов Руслан Энверович

Разработка методов технической подготовки автоматизированных систем производства конкурентоспособных мехатронных модулей

05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)»

1 8 ПАР 2015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005560869

Москва-2015

005560869

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Научный руководитель: Кузнецов Александр Павлович,

доктор технических наук, профессор кафедры «Станки», ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

Официальные оппоненты: Кузнецов Павел Михайлович, доктор

технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Информационные технологии», Подольский институт (филиал) ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)» в г. Подольске Московской области

Алешин Александр Константинович,

кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник лаборатории «Теория механизмов и структура машин», ФГБУН Институт машиноведения им. А.А.Благонравова Российской академии наук (ИМАШРАН)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ульяновский государственный университет»

Защита состоится «_» _2015 г. в _:_часов на заседании

диссертационного совета Д 212.142.03 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» по адресу: 127055 Москва, Вадковский переулок, д.За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», www.stankin.ru

Автореферат разослан «_»_2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, //

к.т.н., доцент Семячкова Елена Геннадьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Технические и технологические изменения, которые происходят в области создания новых изделий и совершенствования существующих, ассоциируются с широким применением информационных технологий на всем протяжении их жизненного цикла. Разработка и производство техники нового поколения в промышленности, энергетике и на транспорте, включая станкостроение, робототехническую, аэрокосмическую и судостроительную отрасли, биомедицинское приборостроение и другие области базируется на применение современных знаний и достижений в области микроэлектроники, микромеханики, нанотехнологий, оптроники, других «критических технологий» и обеспечивает совершенствование технологий производства. Возможность системной реализации указанных разработок базируется на использовании последних достижений технологий мехатроники.

Применение модульного принципа построения сложных технических и технологических систем различного функционального назначения и, с другой стороны, применение мехатронных технологий требует определения минимального, в смысле модульной иерархии построения, элемента. Создание мехатронного модуля, являющегося таким элементом, предполагает единый системный подход к его разработке и не может происходить без взаимного согласования с важнейшими функциональными характеристиками интерфейсных компонентов самих технических систем и устройств.

В настоящее время интенсивно развиваются работы по разработке, проектированию и производству мехатронных модулей, которые становятся базой для создания конкурентоспособных технических и технологических систем нового поколения. Поэтому и к создаваемым мехатронным модулям, как основным элементам систем, так же, и в первую очередь, предъявляются более высокие требования их конкурентоспособности, которая включает обеспечение взаимносбалансированных свойств, параметров и характеристик: функциональных, технологических и организационно-экономических. р

Важнейшей объективной определяющей характеристикой конкурентоспособности мехатронных модулей является их технический уровень как интегральный показатель функциональных свойств, который в свою очередь обусловливает достижимый уровень как технологических, так и организационно-экономических параметров и характеристик. Объективная оценка технического уровня мехатронных модулей требует разработки новых подходов и методов, необходимость в которых определяется и обосновывается применением широкого круга перечисленных выше областей знаний, что позволит осуществить выбор направлений, видов и методов управления процессом разработки и создания перспективных модулей нового поколения.

Это в свою очередь обусловливает необходимость подготовки и проведения системных мероприятий автоматизированной технической подготовки производства (АТПП) при разработке и создании мехатронных модулей, удовлетворяющих потребностям различных отраслей промышленности с заданным, требуемым или достижимым уровнем конкурентоспособности, ориентированных на их использование в технических и технологических системах.

Цель работы: обеспечение конкурентоспособности и повышение технического уровня мехатронных модулей за счет разработки методов технической подготовки автоматизированных систем их производства на основе информационной функционально-параметрической модели управления параметрами и характеристиками модулей.

Основные задачи исследований:

-установить связи показателей технического уровня мехатронных модулей различного функционального назначения;

- обосновать параметры управления мехатронных модулей, обеспечивающих технический уровень, оценить уровень их значимости и чувствительности;

-разработать метод формирования уровней взаимосвязей между показателями технического уровня, функциональными и конструктивными

параметрами мехатронных модулей на основе их структурного и параметрического анализа;

- разработать модели информационной и вероятностной оценок удельных и интегральных характеристик технического уровня мехатронных модулей: производительности, энергоэффективности, быстродействия, полезной мощности, энергоемкости - как для нормального, так и для равномерного законов распределения областей допустимых требований, достижимых параметров и управления ими;

- разработать метод управления техническим уровнем мехатронных модулей по информационному содержанию их удельных показателей и характеристик при технической подготовке их производства;

- разработать структуру технической подготовки автоматизированных систем производства конкурентоспособных мехатронных модулей в соответствии с информационными моделями.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использованы методы: теории систем и системного анализа; математической статистики; теории вероятностей; теории информации; информационной технологии; математического анализа; математического моделирования; теории матриц и матричного анализа.

Научная новизна работы заключается в следующих выносимых на защиту результатах:

• установлены связи параметров и характеристик мехатронных модулей различного функционального назначения с удельными и интегральными показателями технического уровня;

• разработан метод формирования уровней взаимосвязей между показателями конкурентоспособности, функциональными и конструктивными параметрами мехатронных модулей на основе их структурного и функционального аксиоматического анализа;

• получены модели вероятностной оценки удельных показателей

конкурентоспособности мехатронных модулей: производительности, энергоэффективности, быстродействия, полезной мощности, энергоемкости, использования рабочего пространства - как для нормального, так и для равномерного законов распределения области допустимых и достигаемых требований к управляемым параметрам при технической подготовке производства;

• предложена информационная функционально-параметрическая модель вероятностной оценки значимости и определения направлений изменения конструктивных и функциональных параметров мехатронных модулей для обеспечения заданного технического уровня в диапазоне области возможных решений при технической подготовке производства. Проведено исследование предложенной модели и выполнен анализ областей её применения в диапазоне достижимых вероятностных изменений параметров конструкций мехатронных модулей;

• создана модель системы технической подготовки автоматизированных систем производства конкурентоспособных мехатронных модулей, которая обеспечивает их заданный (требуемый) уровень с установленной величиной вероятности их достижения в диапазоне допустимых изменений параметров и характеристик.

Теоретическая база исследований основывается на системном анализе и структуризации объектов исследования, применении методов линейной алгебры, аналитической геометрии, дифференциальных вычислений, аппарата анализа распределений теории вероятностей, теории разложения функций в ряды Тейлора, базовых положений теории информации, а научные выводы, представленные в работе, могут быть использованы при проектировании конкурентоспособных мехатронных модулей.

Практическая значимость работы. Работа выполнялась при поддержке Минобрнауки РФ в рамках госзадания №9.1429.2014/К в сфере научной деятельности. Научные результаты работы приняты и будут использованы при

создании мехатронных модулей нового поколения в ОАО «Радиофизика» и рекомендуются для применения на предприятиях, производящих машино - и приборостроительную продукцию, а так же рекомендуются для использования в учебном процессе при подготовке инженерно-технических и научно -педагогических кадров по направлению «Информатика и вычислительная техника» и «Приборостроение».

Достоверность результатов обеспечивается: корректным использованием научных методов исследования, применяемого математического аппарата, непротиворечивостью полученных результатов, сравнением с существующими зарубежными и отечественными аналогами мехатронных модулей и подтверждается вычислительными экспериментами, которые базируются на пакетах программ MATLAB и MATCAD, практическим использованием материалов диссертации.

Соответствия диссертации паспорту специальности:

Диссертационная работа соответствует формуле научной специальности 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами в областях:

п.З. Методология, научные основы и формализованные методы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ I'll) и производствами (АСУП), а также технической подготовкой производства (АСТПП) и т.д.;

п.4. Теоретические основы и методы математического моделирования организационно-технологических систем и комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация;

п.9. Методы эффективной организации и ведения специализированного информационного и программного обеспечения АСУТП, АСУП, АСТПП и др., включая базы и банки данных и методы их оптимизации.

п. 16. Теоретические основы, методы и алгоритмы построения экспертных и диалоговых подсистем, включенных в АСУТП, АСУП, АСТПП и др.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: заседании кафедры «Станки» ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»; Всероссийской молодежной конференции «Автоматизация и информационные технологии АИТ-2012» (Москва 2012); научном симпозиуме МОНРФ МГГУ, семинар №23 «Современные технологии в горном машиностроении» (Москва 2012); научно-практической конференции «Автоматизация и информационные технологии АИТ-2013» (Москва 2013); XI Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века МК-43-913» (Пенза 2013); научно-практической конференции «Автоматизация и информационные технологии АИТ-2014» (Москва 2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 106 наименований и 1 приложения, изложена на 160 страницах машинописного текста, содержащего 46 рисунков, 32 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертационной работы, её практическая значимость, формируются цели и задачи предлагаемых исследований, определяется научная новизна, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе - «Состояние вопроса, цель и задачи исследования» -проведен анализ достижений и состояния области знаний, составляющих системы обеспечения конкурентоспособности мехатронных модулей на основе концептуальной схемы, на рисунке 1 технической подготовки производства. Проведен широкий анализ существующих мехатронных модулей, предоставлен их обзор, классификация, проанализированы конструктивные особенности и их

характеристики. Так же приведены существующие методики оценки конкурентоспособности и её составных частей.

Технический уровень

Производительность

Надежность

Безопасность

Эргономика, эстетика

Престижность

Сервисные возможности

Социальные

САМ система

Физическая область

Область процесса

САО/САЕ система

Потребительская область

Функциональная область

Потребность клиента

Ф\ нкциональные требования

Параметры проектирования

I

Производствен.

переменные

Конструкторская подготовка Технологическая

производства подготовка

производства

1

Техническая подготовка производства

Что?

Рис. 1. Концептуальная схема технической подготовки производства конкурентоспособных мехатронных модулей

Отмечается, что важнейшей составляющей, которая во многом обусловливает другие характеристики конкурентоспособности, является технический уровень мехатронных модулей. В целом конкурентоспособность состоит и определяется следующими составляющими: функциональные (технический уровень, производительность, надежность), безопасность, эргономические, эстетические, престижность, сервисные возможности, социальные.

Проведен анализ методов конструкторской подготовки смотри таблицу 1 производства и их методическая достаточность, и обоснованность для обеспечения конкурентоспособности мехатронных модулей.

Вопросам комплексной автоматизации производства, технической и технологической подготовки производства посвящены работы ученых

A.П. Соколовского, Б.С. Балакшина, В.М. Кована, A.A. Маталина,

B.Г. Митрофанова, В.П. Фираго, Ю.М. Соломенцева («Научные основы теории технологического проектирования»), С.П. Митрофанова («Проектирование групповых технологических процессов»), Г.К. Горанского, Н.М. Капустина, В.Д. Цветкова («Автоматизированное проектирование технологических процессов»), Koren У., Ulsoy A.G., Mehrabi M.G. и других.

Методы конструкторской подготовки и проектирования изделий. Табл. 1.

№ п.п. Год Автор (ы) Наименование метода

1 Неизвестен Проб и ошибок

2 1942 Герцшпрунг М; Рассел И; Цвикки Ф Многомерные таблицы.

3 1968 Берталаффи М. Общая теория систем

4 1971 Альтшуллер Г.С. ТРИЗ

5 1970 ХиллД. Матрица идей.

6 1977 Росс И. Объектно-ориентированное проектирование

7 1981 Стевард Дж. Матричная структура проектирования

8 1987 Тагучи Г. Качественного инженерного проектирования

9 1990,2001 Су Н.П. Аксиоматика проектирования

10 1995 Хатамура И. Концептуальное проектирование

11 2003 Хайк Б. Проектирование 6-сигма

В результате проведенного анализа определены цели и задачи исследования.

Во второй главе - «Удельные и интегральные характеристики конкурентоспособных мехатронных модулей». Для комплексного представления о конкурентоспособности изделия необходимо оценить не только его технический уровень, но и произвести технико-экономический анализ рациональности приобретения и использования данного изделия, с целью обоснования (для изготовителя) или обоснованности (для покупателя) стоимости изделия.

Во всех случаях мы имеем дело с понятием сравнение. Для реализации этого понятия необходимо определить базу множества, на котором это понятие реализуемо.

Основные свойства независимо от вида оборудования или изделия определяются как множество, состоящее из двух видов:

• множество качественных параметров и характеристик;

• множество количественных параметров и характеристик.

Каждое из указанных и перечисленных множеств состоит в общем виде из «п» и «т» единиц, а их объединение определяет полное множество основных свойств оборудования. Тогда определить подобие оборудования - значит найти такие операторы сравнения множеств параметров и характеристик, которые позволяют осуществлять операции над этими множествами.

При разработке метода сформулированы требования к нему: универсальность и минимизация объема информации. Данный метод базируется на трех определениях:

1. Элементы множества качественных «п» и количественных «от» характеристик формируют «А0> - векторное пространство.

2. Множество «т1» характеристик оборудования не менее предпочтительно множеству «т2» характеристик оборудования, если оно не имеет ни одного большего значения.

3. Диапазон значений характеристик определяется лучшими (минимальными или максимальными) величинами, а их граница определяется элементами множества лучших при наличии худших.

Поэтому, проводя оценку технического уровня, необходимо определить модель соответствия: технико-экономических параметров и характеристик -показателей технического уровня.

В работе получены удельные и интегральные показатели, которые позволяют проводить сравнительную оценку технического уровня.

Количественные параметры функционирования мехатронных модулей: развиваемый момент (М), величина рабочего хода (К), точность позиционирования (А), скорость перемещения рабочего органа (о), суммарная мощность установленных приводов (Ш), масса мехатронного модуля (О), диаметр выходного вала модуля (с1), стоимость (С) и т.д.

Качественные параметры функционирования мехатронных модулей: вид системы координат, способ установки, возможность перемещения, число степеней подвижности, вид системы управления, способ программирования, вид привода, наличие датчиков, надежность, универсальность применения, компактность, виды передачи и т.д.

Получен метод оценки технического уровня мехатронных модулей с помощью удельных и интегральных показателей:

• Коэффициент полезного использования рабочего пространства (Куц);

• Коэффициент удельной производительности (Кюк);

• Коэффициент полезного использования мощности (К^у);

• Коэффициент удельного энергомомента (Кш);

• Коэффициент удельного момента (Кмо);

• Коэффициент удельной энергоемкости Интегральные показатели оценки технического уровня:

• Интегральная характеристика быстродействия, точности и энергоиспользования (К^ М);

• Интегральная характеристика энергоемкости и энергопотребления

(К-£№);

• Интегральная характеристика материалоемкости (К^О);

• Интегральная характеристика технического уровня (К^ N);

Интегральная характеристика технического уровня мехатронных модулей по

не измеряемым (качественным) параметрам функционирования мехатронных модулей будет определяться как средневзвешенное значение суммы произведений всех показателей для каждой модели мехатронных модулей. Тогда обобщенная интегральная характеристика технического уровня мехатронного модуля определяется на основе удельных характеристик по измеряемым и не измеряемым параметрам, а конкурентоспособность с учетом её характеристик, приведенных на рисунке 1.

Проведен анализ существующих мехатронных модулей, систематизированы, обобщены и сформированы информационные базы данных (знаний) количественных (измеряемых) и качественных (не измеряемых) параметров и характеристик функционирования мехатронных модулей.

В третьей главе - «Методы формирования и определения взаимосвязей и показателей конкурентоспособности с функциональными и конструктивными параметрами и характеристиками мехатронных модулей». При конструкторской подготовке производства конкурентоспособных мехатронных модулей, требуется осуществить преобразование функциональных требований, обусловленных их характеристиками конкурентоспособности, в конструкторскую реализацию и соответствующую ей документацию для последующей технологической подготовки их производства. Главная задача создания конкурентоспособного мехатронного модуля - получить наилучшее технологическое решение в пределах однородных функциональных характеристик с наибольшим эффектом. Сформированные в главе 2 показатели, например, быстродействия и точности определяют производительность и качественное состояние модулей, а показатели энергопотребления, использования рабочего пространства, энергоемкости и материалоемкости — определяют уровень производственных и эксплуатационных затрат в течение жизненного цикла изделия.

Исходя из этого, предлагаются следующие выражения для характеристик оценки технического уровня мехатронных модулей, которые объективно отражают их свойства и техническое состояние:

1) Коэффициент полезного использования рабочего пространства (КуК):

К =

УЯ

V -V

тах тт

V тах

Я -Я

тах тт

Я

тах

(1)

г К~г

Кц = ——--для прямоугольной системы координат

г у-у

Ку =--для угловой системы координат

где Утах, Нтах - максимальный объем (размер) рабочей зоны; Ут;п, ИтхП - минимальный объем (размер) рабочей зоны. 2) Коэффициент удельной производительности (Кшк) мехатронных модулей, работающих в прямоугольной и угловой системе координат:

Мтпг\сО~ + ь\к

max -> VR

к =-^-2-_I—- (2)

(Ьугп+Кш,)-100

„ М-Ь (Н-м . „

Ку =- - - для ММ с прямоугольной системой координат

А ^мм-с,

M-V-R

kVr =—;—

Н-м

ММ - Су

для ММ с цилиндрической, сферической и угловой системой координат.

3) Коэффициент полезного использования мощности (К^у):

Kff -

M-V2 {Н-м2

с2 - Вт

мтах{со-|+о)2 (3)

»V 2-Ш

для ММ с прямоугольной системой координат.

2-N

4) Коэффициент удельного энергомомента (KNM)

_М _Мтах iH-м^,

(4)

5) Коэффициент удельного момента (Кма):

м мтах ГН- м

о—Г irl <5>

6) Коэффициент удельной энергоемкости (Кка):

2 Мтах-{сО~ + ь\ ( 2

М -V 2

Kng ~

Н-м

____ (6)

2-в 2-в Для интегральной оценки технического уровня мехатронных модулей повышение чувствительности значительно увеличивает диапазон изменения значений величин интегральных показателей к изменениям каждой из составляющей параметров мехатронного модуля и определяет возможность интегральной оценки отдельных свойств, как оцениваемого образца, так и

аналогов. Предложены интегральные оценки характеристик технического уровня мехатронных модулей по измеряемым параметрам:

1) Интегральная характеристика быстродействия и точности:

К~£М= Ка>Я ' К№ ' КЫМ ' КМв " ККО (7)

2) Интегральная характеристика энергоемкости и энергопотребления:

N0 = К№ ' КЛТМ (8)

3) Интегральная характеристика материалоемкости:

КЦО= КМв ' КМС (9)

4) Интегральная характеристика технического уровня:

м= КуК ■ Ктк ■ кт ■ кш ■ Кмо ■ кт (10)

Интегральную оценку технического уровня мехатронных модулей по не измеряемым параметрам будем определять как средневзвешенное значение суммы произведений всех показателей для каждой рассматриваемой модели мехатронного модуля:

у м Максимальное значение К^и

г г

К^ ,, = —--(П) может быть равно 10,

2, г1 ¡=п

минимальное - 0.

;=/

Тогда, учитывая интегральные коэффициенты оценки технического уровня, как по измеряемым параметрам, так и по не измеряемым параметрам, обобщенная характеристика интегральной оценки технического уровня будет равна:

КТ =КТ.М-КТ.Н (12)

Если дополнительно к техническим параметрам и характеристикам ввести в рассмотрение стоимость мехатронных модулей, то оценку их конкурентоспособности проводят на основании интегрального показателя:

С

где С - стоимость (цена) мехатронного модуля.

Реализация указанного метода проведена для решения задачи создания трех вариантов конкурентоспособных мехатронных модулей, причем для одного из

Чо=ъоз)

них требуется обеспечить параметры, каждый из которых является максимальным из группы однородных функциональных характеристик, существующих сегодня в созданной нами базе данных. Для сравнительной оценки выбраны мехатронные модули шести разных производителей, как отечественных, так и зарубежных. Фрагмент результатов работы созданной системы приведен на рисунке 2 Мехатронный модуль с максимальными параметрами из группы однородных функциональных характеристик, как показали результаты моделирования, не является наиболее конкурентоспособным по сочетанию всех характеристик.

55 Пр«п* Вцд До6м*1» форм*? Инструменты Ошкмч Оою Сгрмм

О • с* й 3 Г4 Г -во - ;- « р = -

■ив

ЕЗ 4- и - 12

Коэффициент полезного

рабочего пространства:

- Кп_пш>

\'т_тах шш - Уп ш

, Лт_1тп - Яп_тах

Коэффициент удельной производительности:

Мт_пип- < \-'г_тт) • К \т_п

Коэффициент полезного

_ Мщ_тах- (Уг_шах)'

2- ЕКтах Коэффициент удельного энерго-момента: Мт тах

Кашля

Коэффадиент сдельного Мт_шах

—31531 КШШМШ!

__________Яаяит." I

Коэффициент удельной энергоемкости: (\т_тах)"

Интегральная характеристика энергоемкости: >Жт_тах := Кшг_тах-Кл\'_тах-Ктп_тах-Кта_гнахК

ХКт_тт := Ки!г_п1Ш • Кл \'_тт- Кпт_ппп- Ктц^тш- Кп{ Интегральная характеристика энергопотребления : МКпг тах := Кт-_тах-Кпт_тах >!Кп\- тот := Кл\- тт-Кпт тт

>:Кт_тах = 274.81 л 10 ЕКттт = 103.79

- 0.71

>-Ка_тах = 429.31 >-К8_пцп = 30.01

ЕКя

Интегральная характеристика ма1ерВ1алоеыкости: УКг_тах := Кша_тах-Кп2_п;ах )ГК^_тт := Кго£_тт-Кп£_тт

Интегральная оценка техническою уровня по измеряемым параметрам

:= Кигг_пих-Кпу_шах-Кпт_тах-К\т_тах-Кт£_тах■ Киотах ККп шах = 274.81 • 103 пт := Кшг_тт- Кшг_тт ■ Кпт_тт-К\'г_тЬ- Ктг_тт Кпа_тЬ £Кп_тт = 57.09

Интегральный коэффициент яе измеряемых параметров (максимальный, минимальный)

16 16 У (м_тах, 0_та.х1) У" (М_тт;0_тпц)

^ М_шах;

У М_тт,

Кд^тах :=

2-Сля я

Обобшенный интегральный коэффициент (максимальный н мннемяльный)

¡Стах := ГЛСп_гам->:КЬ_шах ХК.тах = 2.33 х 10б К_шт := >:Кп_гаш- >:КЬ_тет НК_тв = 199.80

Определяющий показатель (максимальные и мннемальные)

Ср_пи

= 323.64

Ср_п

Рис.2. Фрагмент экрана с результатами оценок технического уровня

Таким образом, анализ результатов моделирования на основе интегральных характеристик >К-£0> произведенных для мехатронных модулей,

показывает, что предложенные удельные и интегральные показатели технического уровня позволяют оценивать и выбирать требуемые виды мехатронных модулей, проводить их дополнительный технический анализ, осуществлять прогноз и направления развития, осуществлять автоматизи-

рованную и объективную оценку моделей мехатронных модулей, выполнять многокритериальную оценку и оптимизацию параметров, а также решать комплекс других технико-экономических задач при разработке, проектировании и создании мехатронных модулей и устройств на их основе.

В четвертой главе — «Информационная модель автоматизированных систем технической подготовки производства мехатронных модулей» -разработан метод построения системы технической подготовки производства, на основе базовых положений аксиоматической теории проектирования, информационная схема которого приведена на рисунке 3.

Схематическое представление взаимосвязей между функциональной областью (РЯ.ч), физической областью (ОРя) и переменные области процесса (РУэ) производства показаны на рисунке 3, причем эти взаимосвязи установлены в следующей последовательности: взаимосвязь между и (ОРя) и между

(ОРя) и (РУя). Другими словами, требования конкурентоспособности см. рисунок 1 преобразованы из функциональных требований (РЯ) в функциональную область (РЯб). Функциональная область определена техническими словами - это эквивалентно «чего мы хотим достигнуть». Функциональная область удовлетворена, определением или выбором необходимых параметров проектирования (ИРя) в физической области. Если это не обеспечивается, то необходимо определить, как и при каких условиях, эти требования достигаются см. рисунок 4. Производственные переменные (РУя) должны быть определены в том же порядке, чтобы удовлетворить заданные на предыдущем этапе (шаге) параметры проектирования (ОР.ч). Следовательно, отношения преобразования могут быть выражены матрицами проектирования:

Матрицу [А] и [В] называют матрицей проектирования.

(1.14)

где - А::

аи? , дБР : ^ _ __¡_ ^ _ ___1_

Ч ~ дОР; ' V дРУ; '

]

Д0Р1

Л0Р2

Функциональная область (ГЯх)

Функциональные требования (Ш)

Физическая область

Параметры проектирования (1)Р)

Производствен ые переменные (РУ)

Область процесса (РУ$

АРУ2

Рис. 3. Информационная схема метода построения системы технической подготовки производства

Потребительская область ("СЛУ

Потребность клиента (ОЧ)

На рисунке 4 показан принцип формирования, взаимосвязи, анализа, оценки и определения направлений изменения параметров, для обеспечения требуемого технического уровня по показателям конкурентоспособности.

РЯ П / ^

/3

/2

АОР1

ЛйРЗ

ОР

ДОР2

Рис.4. Схема обеспечения требований характеристик технического уровня Вероятность успеха в достижение требуемых параметров и характеристик будет применяться в качестве индекса информационного содержания. Если (р) - вероятность, удовлетворяющая (РШ) с (ОР1), то информационное содержание равно:

Р

(1.15)

где обратная вероятность - (р) используется, для получения большей вероятности с меньшей информацией, а функция логарифма используется, для увеличения суммарной величины. Полное информационное содержание характеристик конкурентоспособности будет равно:

з з

Лош = Е7/ =

1=1 !=/

'Г

Р'

(1.16)

Следовательно, наилучший показатель конкурентоспособности будет тогда, когда 1Ша1 => О

В работе показано и дано обоснование того, что с целью упрощения и инженерной реализации метода для определения информационного содержания 1ц для каждого РЩ (мехатронного модуля) при нормальном законе

распределения может быть использован графический (кроме достаточно

сложного аналитического) метод см. рисунок 5, полученный с помощью уравнения:

_ Г Площадь диапазона - системы V <5 2^ Площадь общего - диапазона

(1.17)

Хо1 Хо2

Общий

" диапазон "

Диапазон

системы

Диапазон проектирован

\|1(г)-ЗСТ(г) шо+Зрю/

Диапазон системы

\рй)-3а(г) Диапазон

\р(2)+3аа)

Рис 5, г

проектирования Рис 5, д

Рис.5 - Схема графического метода определения информационного содержания Тогда для создания конкурентоспособного мехатронного модуля, в соответствии со схемой см. рисунок 4, типовой процесс работы системы технической подготовки производства происходит в следующей последовательности:

Шаг 1: Создание проекта удовлетворяющего цели данного набора предполагаемых потребностей конкурентоспособности;

Шаг 2: Разработка концепции проектных решений;

Шаг 3: Анализ предлагаемого решения;

Шаг 4: Выбор лучшего проекта из числа предложенных вариантов;

Шаг 5: Техническая подготовка производства. Реализация.

Для этого производят разложение мехатронных модулей, приведенных в главе 2 и 3, на функциональные требования и параметры проектирования с целью определения требуемых параметров проектирования. Следующим шагом будет возвращение к функциональной области из физической области, если не могут быть реализованы без дальнейшего детального проектирования см. рисунок 4. После окончательного соответствия между функциональной областью и физической областью ОР^, с проектной матрицей [А], её можно использовать для концептуального проектирования. При определении параметров, обычно, имеется набор функциональных требований, которые должны быть удовлетворены одновременно. Оценка информационного содержания позволяет определить наилучший набор (ОР5), для множества (РЯ$), которые будут удовлетворены.

Для приведенных в главе 2 и 3 создаваемых мехатронных модулей ниже даны фрагменты оценки решений по информационному содержанию функциональных требований и параметры проектирования с целью определения требуемых параметров проектирования по заданным показателям технического уровня для обеспечения необходимого уровня конкурентоспособности.

Значения информационного содержания П для трех проектируемых _мехатронных модулей используя расчет РЯу/РЯу._

№ Мехатронный модуль I РЯ15/ РШ1 I РШ4/ FR.11 I РЯ16/ РШ5 I П113/ РШ4 I РЯ12/ РЯ16 Е/н

1 Проектируемый мехатронный модуль № 1 0,202 0,203 0,315 0,573 0,411 1,705

2 Проектируемый мехатронный модуль №2 0,288 0,343 0,341 0,45 0,416 1,839

3 Проектируемый мехатронный модуль №3 0,312 0,366 0,357 0,396 0,416 1,847

Значения информационного содержания П для трех проектируемых мехатронных модулей используя расчет ОРуЮРу.

№ Мехатронный модуль 11 8БР12/ 8БР13 Ь 8БР14/ ШР15 1з 8БР11/ 8БР15 14 8БР16/ 8БР11 Ь 80Р14/ 8БР16 XI

1 Проектируемый мехатронный модуль № 1 0,585 1,042 0,612 0,206 1,188 3,632

2 Проектируемый мехатронный модуль №2 0,515 1,247 0,533 0,264 1,286 3,844

3 Проектируемый мехатронный модуль №3 0,485 1,352 0,498 0,297 1,352 3,985

При достижении указанных соответствий процесс заканчивается и

аналогичным образом осуществляется процесс удовлетворения требований технологической подготовки производства и его осуществления (см. рисунок 3 и зависимости 1.14-1.17).

Таким образом, полученные значения зависимостей параметров проектирования и функциональных требований и их информационное содержание, позволяют нам определять параметры и влиять на них для создания конкурентоспособных мехатронных модулей при технической подготовке их производства.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение задачи обеспечения конкурентоспособности и повышения технического уровня мехатронных модулей за счет разработки методов технической подготовки автоматизированных систем их производства на основе информационной функционально — параметрической модели управления параметрами и характеристиками модулей, имеющих существенное значение для развития отраслей машиностроения и приборостроения страны.

2. Установлены связи параметров и характеристик мехатронных модулей различного функционального назначения, особенностями которых являются соотношение удельных и интегральных показателей технического уровня.

3. Разработаны методы формирования уровней взаимосвязей между показателями конкурентоспособности, функциональными и конструктивными параметрами мехатронных модулей на основе их структурного и функционального аксиоматического анализа.

4. На основании установленных связей и разработанных методов получены модели вероятностной оценки удельных показателей конкурентоспособности мехатронных модулей: производительности, энергоэффективности, быстродействия, полезной мощности, энергоемкости, использования рабочего пространства - как для нормального, так и для равномерного законов распределения области допустимых и достигаемых требований к управляемым параметрам при технической подготовке производства.

5. Предложена информационная функционально-параметрическая модель вероятностной оценки значимости и определения направлений изменения конструктивных и функциональных параметров мехатронных модулей для обеспечения заданного технического уровня в диапазоне области возможных решений при технической подготовке производства. Проведено исследование предложенной модели и выполнен анализ областей её применения в диапазоне достижимых вероятностных изменений параметров конструкций мехатронных модулей.

6. Создана модель системы технической подготовки автоматизированных систем производства конкурентоспособных мехатронных модулей, которая обеспечивает их заданный (требуемый) уровень с установленной величиной вероятности их достижения в диапазоне допустимых изменений параметров и характеристик.

7. Научные результаты работы приняты и будут использованы при создании мехатронных модулей нового поколения в ОАО «Радиофизика», рекомендуются для применения на предприятиях, производящих машино - и

приборостроительную продукцию, а также в учебном процессе при подготовке инженерно-технических и научно - педагогических кадров по направлению «Информатика и вычислительная техника» и «Приборостроение».

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в периодических изданиях рекомендованных ВАК

1. Асанов, Р.Э. Обеспечение технического уровня мехатронных модулей при их проектировании / Р.Э. Асанов, А.П. Кузнецов, М.Г. Косов // Вестник МГТУ «Станкин», Москва, 2012. - №4 (23). - с. 26-30.

2. Асанов, Р.Э. Оценка технического уровня мехатронных изделий / Р.Э. Асанов, М.Г. Косов, А.П. Кузнецов // Вестник МГТУ «Станкин», Москва,

2013.-№1 (24).-с. 60-65.

3. Асанов, Р.Э. Инженерный метод оценки и выбора мехатронных модулей по их интегральным параметрам при проектировании технических устройств / Р.Э. Асанов, М.Г. Косов, А.П. Кузнецов // Вестник машиностроения, Москва,

2014.-№12.-с. 34-41.

Статьи в других периодических изданиях, сборниках научных трудов, трудах научных конференций:

4. Асанов, Р.Э. Обеспечения технического уровня мехатронных модулей при их проектировании / Р.Э. Асанов, А.П. Кузнецов, М.Г. Косов // М.: Автоматизация и информационные технологии АИТ-2012: Том-1 сентябрь 2012г., Всероссийская молодежная конференция, 2012. - с.20-25.

5. Асанов, Р.Э. Выбор мехатронных модулей по их технологическому уровню / Р.Э. Асанов, М.Г. Косов, А.П. Кузнецов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. Пенза, 2013г.-№1 с. 68-75.

6. Асанов, Р.Э. Метод выбора мехатронных модулей при проектировании технологических устройств / Р.Э. Асанов // М.: Современные технологии в горном машиностроении: сборник научных трудов, семинар №23, научный симпозиум «Неделя горняка - 2013 г», 2013.-е 283-295.

7. Асанов, Р.Э. Проектирование и разработка виртуальных мехатронных модулей. // Автоматизация и информационные технологии (АИТ-2013). 1-го тура студенческой научно-практической конференции март-апрель. М.: 2013г. - с.10-12

8. Асанов, Р.Э. Вероятностные методы проектирования мехатронных модулей / Р.Э. Асанов, М.Г. Косов, А.П. Кузнецов // Сборник статей XI международная научно-техническая конференция «Материалы и технологии XXI века. Пенза, 2013.-е. 86-90.

9. Асанов, Р.Э., Аксиоматическое проектирование мехатронных модулей / Р.Э. Асанов // Автоматизация и информационные технологии (АИТ-2014). 1-го тура студенческой научно-практической конференции март-апрель. М.: - 2014. - с. 5-10.

Подписано в печать 09.02.2015

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

Объем 1,5 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 478

Отпечатано в «ИПД Триальфа»,

103305, Москва, Зеленоград, проезд 4807, д.1., стр.1