Наукові основи розширення функціональних можливостей верстатних комплексів за результатами моніторингу роботи обладнання

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

НАУКОВІ ОСНОВИ РОЗШИРЕННЯ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ МОЖЛИВОСТЕЙ ВЕРСТАТНИХ КОМПЛЕКСІВ ЗА РЕЗУЛЬТАТАМИ

МОНІТОРИНГУ РОБОТИ ОБЛАДНАННЯ

Спеціальність: 05.03.01- процеси механічної обробки, верстати та інструменти

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Веселовська Наталія Ростиславівна

УДК 621:519

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі конструювання верстатів та машин Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» (НТУУ «КПІ») Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України, м. Київ.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Струтинський Василь Борисович

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут», Заслужений діяч науки і техніки України, завідувач кафедри конструювання верстатів та машин;

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Клименко Галина Петрівна

Донбаська державна машинобудівна академія,

завідувач кафедри автоматизації виробничих процесів;

доктор технічних наук, професор

Павленко Іван Іванович

Кіровоградський національний технічний університет,

завідувач кафедри технології машинобудування;

доктор технічних наук, професор

Луців Ігор Володимирович

Тернопільський національний технічний університет ім. Івана Пулюя,

завідувач кафедри конструювання верстатів, інструментів та машин.

Захист відбудеться «20» квітня 2011 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.11 в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, навчальний корпус № 1, аудиторія 214.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”

Автореферат розісланий « 18 » березня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 26.002.11 Майборода В.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний стан промисловості країни вимагає прискореного розвитку і переоснащення машинобудівних виробництв, що є базою та джерелом розвитку всієї решти галузей, на основі впровадження прогресивних технологій, високопродуктивного обладнання з пристроями числового програмного керування.

Перед сучасною галуззю машинобудування стоять такі актуальні проблеми, як повна автоматизація виробництва, що ґрунтується на створенні автоматизованих верстатних комплексів, властивості яких повинні бути адекватними умовам виробництва та забезпечувати параметри функціонування процесу повної обробки подібних виробів та підвищення ефективності, точності, надійності, продуктивності та довговічності верстатних комплексів на основі розширення їх функціональних можливостей.

До верстатних комплексів можуть бути віднесені виробничі системи, які складаються з певної кількості верстатів (від одного - до дільниці, цеху, виробництва) з різним рівнем автоматизації. Незалежно від кількості задіяного обладнання, його призначення та рівня автоматизації верстатні комплекси мають певні функціональні можливості, які визначаються, перш за все, їх конструкцією. Сучасний розвиток механообробки характеризується широким використанням прогресивних технологій на основі розробки і впровадження багатокоординатного, високопродуктивного, високої вартості обладнання з ЧПК. Проте функціональні можливості такого обладнання, як правило, не використовуються в повній мірі, що знижує ефективність їх застосування. Причиною цього є недоліки конструкторського, технологічного та функціонального характеру, які виявляються на етапах проектування, що значно стримує подальший розвиток, тому розширення функціональних можливостей верстатних комплексів є актуальною задачею дослідження, а її вирішення має велике науково-практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до планів науково-дослідної роботи «Розробка теорії проектування ресурсо- та енергозберігаючого технологічного обладнання на основі просторових механізмів із гексагональними кінематичними структурами», тема № 2022 - ф кафедри конструювання верстатів та машин механіко - машинобудівного інституту Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Мета роботи і задачі дослідження

Метою роботи є підвищення техніко-економічної ефективності використання верстатних комплексів на основі створення наукових основ розширення їх функціональних можливостей за результатами моніторингу роботи обладнання.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно вирішити такі задачі.

1. Провести аналіз сучасного стану верстатних комплексів механічної обробки в машинобудуванні.

2. Дослідити функціональну взаємодію складових інформаційного середовища, що впливають на роботу верстатного комплексу.

3. Розробити узагальнені моделі взаємодії процесів механічної обробки на верстатних комплексах.

4. На основі оптимізації процесу механічної обробки теоретично дослідити функціональні можливості верстатних комплексів.

5. Розробити основні положення проведення моніторингу обладнання сучасних верстатних комплексів.

6. Розробити алгоритмічне забезпечення процедури моніторингу верстатного комплексу.

7. Випробування та впровадження результатів роботи.

Об'єктом дослідження є процес моніторингу верстатного комплексу.

Предметом дослідження є верстатні комплекси.

Методи досліджень. У теоретичних дослідженнях застосовано основні положення технології машинобудування, математичного аналізу, теорії випадкових процесів, системного аналізу. Комп'ютерну реалізацію математичних моделей проводили за програмою Matlab. При проведенні експериментальних досліджень та для обробки результатів використано пакети стандартних програм комп'ютерної обробки експериментальних даних. Для комп'ютерного проектування використовували систему AutoDeskInventor, для розробки універсальної програми розрахунку оптимізації процесу механічної обробки - мову програмування SAP, операційну систему Windows XP. Експериментальні дослідження проведені у виробничих умовах.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Вперше розроблено наукові основи розширення функціональних можливостей верстатних комплексів, побудованих на основі використання цільових виробничих модулів у складі багатокоординатного і багатоцільового обладнання на базі оптимізації технологічних операцій та забезпечення показників якості виготовленої продукції.

2. Вперше запропоновано проводити оцінювання ефективності роботи верстатного комплексу та його складових із врахуванням взаємодії матеріального, енергетичного й інформаційного середовищ.

3. Створено основи моделювання процесів механічної обробки, які полягають у визначенні системи критеріїв ефективності та у розробці узагальненої математичної моделі процесу механічної обробки.

4. Розроблено теорію визначення періоду контролю та надійності стану верстатного комплексу.

5. Вперше визначено принципи оптимізації обсягів накопичувачів агрегатних засобів верстатних комплексів.

6. Розроблено принципи побудови комп'ютеризованої системи прийняття рішень в процесі моніторингу верстатних комплексів на основі вперше створених математичних моделей керування процесами механічної обробки в залежності від зміни стану обладнання, що дозволяє за результатами моніторингу проводити додаткові налагоджувальні роботи, зокрема періодичне уточнення реальної геометрії обладнання.

7. Розроблено метод адаптивного керування точністю процесу механічної обробки на верстатному комплексі за рахунок внесення коректив, що відображається у середовищі сучасних CAD/САМ/САЕ систем.

Практичне значення отриманих результатів:

- запропоновано використання засобів функціонального моделювання на основі єдиного інтегрованого інформаційного середовища;

- впроваджено алгоритмічне забезпечення виробничих систем механічної обробки, адаптованих до універсального комплексу комп'ютерного моделювання Matlab/Stateflow та Matlab/Simulink;

- проведено експериментальне дослідження аналізу верстатних комплексів і реалізовано оптимальний процес механічної обробки з використанням універсального комплексу комп'ютерного моделювання Matlab/Stateflow та Matlab/Simulink;

- основні результати роботи пройшли апробацію у виробничих умовах та були впроваджені на ряді підприємств України: ТОВ «BARLINEK» інцест, м. Вінниця, державне підприємство «Вінницятрансприлад», м. Вінниця, АО «ХАРП», м. Харків. Результати дослідження запроваджені у навчальні процеси та використовувалися при виконанні науково-дослідних робіт у НТУУ «КПІ».

Особистий внесок здобувача. Здобувачем самостійно сформульована наукова новизна роботи, напрямки її розробки й реалізації, проведені теоретичні дослідження, здійснена комплексна алгоритмізація процесу механічної обробки, автор брав участь у впровадженні розробок у виробництво. У дисертації не використані наукові ідеї співробітників, що сприяли її виконанню. Постановка задач досліджень, формулювання основних положень роботи, опрацювання структури та змісту роботи виконані разом з науковим консультантом.

Апробація роботи. Основні питання дисертаційної роботи доповідались і обговорювалися на науково-технічних семінарах, міжнародних науково-технічних конференціях, науково-практичних конференціях: IV Ogolno polska konferencja naukowa, Polska, Poznan, 2003 r.; VІІІ Міжнародній науково-технічній конференції «Вібрації в техніці та технологіях», 2007 р., м. Дніпропетровськ; ХІІІ Міжнародна науково-практична конференція «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці», 2008 р., м. Кременчук; ХIV Міжнародній науково-технічній конференції «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці», 2009 р., м. Чернівці; ІІ Міжнародній науково-практичній конференції «Теоретичні і експериментальні дослідження в технологіях сучасного матеріалознавства та машинобудування», 2009 р., м. Луцьк; Х Міжнародній науково-технічній конференції «Прогресивна техніка та технологія - 2009», м. Київ - м. Севастополь; Міжнародній науково-технічній конференції «Автоматизація: проблеми, ідеї, рішення», 2009 р., м. Севастополь, ІХ Міжнародній науково-технічній конференції «Вібрації в техніці та технологіях», 2009 р., м. Вінниця; ХІ Міжнародній науково-технічній конференції «Прогресивна техніка та технологія - 2010», м. Київ, 2010 р.; ХV Міжнародній науково-технічній конференції «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці», м. Київ, 2010 р.; Всеукраїнській науково-технічній конференції «Современные направления и перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении «Механообработка», м. Севастополь, 2010 р.; Третій Всеукраїнській науково-практичній конференції молодих вчених і студентів «Інформаційні технології», м. Севастополь, 2010 р.; семінарах кафедри конструювання верстатів та машин Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 42 друковані праці, з них дві монографії, 35 статей, що опубліковані у фахових виданнях, затверджених ВАК України, два патенти на винаходи, три тези доповідей на науково-технічних конференціях (8 статей опубліковано без співавторів).

Структура і обсяг дисертації. Робота складається зі вступу, семи розділів, висновків, списку використаних літературних джерел із 309 найменувань, 5 додатків, 88 рисунків, 4 таблиць. Загальний обсяг роботи складає 317 сторінок, у тому числі 290 сторінок основного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано важливість і актуальність розглянутої проблеми, сформульовано мету і задачі досліджень, показано зв'язок роботи з науковими програмами. Викладено основні положення і результати, досягнуті під час виконання дисертаційної роботи, подано характеристику наукової новизни та практичної цінності отриманих результатів, а також їх впровадження, виділено особистий внесок автора.

У першому розділі проаналізовано сучасний стан та перспективи розвитку верстатних комплексів механічної обробки в машинобудуванні. Відмічено, що металообробне обладнання є одним з головних чинників, що визначають розвиток народного господарства країни. Ефективність його використання безпосередньо впливає на виробництво нових машин для всіх галузей промисловості, сільського господарствами тощо, а це характеризує рівень життя суспільства. В даний час жодна країна не виробляє всієї потрібної номенклатури обладнання, спеціалізуючись лише не деяких його типах. Проте рівень розвитку сучасного виробництва вимагає використання практично всієї номенклатури металообробного і супутнього допоміжного обладнання. Тому ознайомлення з тенденціями розвитку та функціональними можливостями сучасних верстатів не лише викликає інтерес, але й є необхідним при розробці технології та виготовленні сучасних машин. Вдосконалення верстатів направлено на раціоналізацію та інтенсифікацію виробництва. Сучасні верстати повинні задовольняти якісно нові потреби промисловості, що визначає вимоги до їх конструкції: забезпечення, з одного боку, високу продуктивність і економічність роботи, а з іншого - задоволення вимог екології та охорони довкілля. Значний внесок у вирішення цих питань внесли Б. М. Базров, Б. С. Балакшин, П. М. Белянін, В. В. Глушко, А. Гонсалес-Сабатер, Г. А. Кисельов, І. М. Колесов, Г. П. Клименко, Ю. М. Кузнєцов, Л. Ю. Ліщинський, І. В. Луців, В. Г. Мітрофанов, С. П. Мітрофанов, І. І. Павленко, Ю. В. Петраков, Н. С. Равська, П. Р. Родін, Р. Е. Сафраган, Ю. М. Соломенцев, В. Б. Струтинський і інші вітчизняні і зарубіжні учені. Області найбільш ефективного використання виробничих систем перш за все визначаються технологічним обладнанням, а саме верстатними комплексами, які є складовою частиною системи, номенклатурою оброблювальних деталей та автоматизованою системою керування. Після розширення, на початку 70-х років ХХ ст., функціональних можливостей верстатів з ЧПК, підвищення рівня автоматизації та все більшого використання в системах керування сучасної комп'ютерної техніки з'явився клас технологічного обладнання - багатоцільові верстати. Такі верстати отримали назву багатокоординатних, багатоопераційних або оброблювальних центрів.

Основними напрямами роботи є дослідження цього високотехнологічного обладнання, розробка наукових основ розширення функціональних можливостей обладнання та визначення його характеристик. Проведений огляд дозволив розширити структуру сучасного верстатного комплексу та визначити його місце у виробничій системі (рис. 1) з метою подальшого моніторингу роботи обладнання й розширення його функціональних можливостей, що дозволили визначити мету та задачі дослідження.



Рис. 1. Структура верстатного комплексу

У другому розділі досліджена функціональна взаємодія складових інформаційного середовища, що впливають на роботу верстатного комплексу. З точки зору системного підходу охарактеризовано сучасні виробничі системи механообробки як результат еволюційного процесу розвитку організації систем. На підставі такого аналізу розроблена методика та принципи побудови структури процесів механічної обробки. Вона реалізується у вигляді методик формування дерева функцій та структури верстатної системи, обґрунтування вибору обладнання та інструментального забезпечення системи. Функціонально-структурний аналіз організації та технічної реалізації систем дозволяє сформулювати основні протиріччя, що виникають при створенні систем, і встановити їхні причинно-наслідкові зв'язки. Через багатогранність процесу проектування та певної спрямованості окремих етапів подання процесу структурного синтезу багаторівневої системи доцільне у вигляді окремих фаз проектування, а саме: аналізу, дослідження, формування концепції, дерева функцій, функціональної та морфологічної структури системи, оцінки показників та вибору кінцевого варіанта системи. Сучасне машинобудівне виробництво являє собою складну виробничу систему, що забезпечує безупинне функціонування всіх підрозділів. При виготовленні деталі здійснюється ланцюг процесів механічної обробки, під час якого заготовки перетворюються в готові деталі. Один з напрямів розробки верстатних комплексів, що розвиваються в даний час, - це зростання ступеня їхньої автономності, що забезпечується шляхом створення об'єднаних (інтегрованих) систем, в яких відбувається об'єднання функцій і пристроїв, необхідних для якісної реалізації процесу механооборобки. Суть полягає у функціонально-просторовому об'єднанні конкретних підсистем з одночасною концентрацією виробництва і стосується обробки, транспортування, маніпулювання та складування виробів, керування виробництвом. При цьому виділяються дві форми інтеграції - функціональна і технічна. Функціональна інтеграція полягає в об'єднанні у виробничих осередках конкретних функцій, що виконуються в ході реалізації виробничих і допоміжних процесів. В цьому випадку забезпечується певна спеціалізація процесу виробництва. Технічна інтеграція характеризує технічний рівень вказаних функцій в межах одного виробничого осередку, що забезпечує зміну кількості обладнання і зростання його універсальності. Прикладом інтеграції, одночасно функціональної і технічної, є багатокоординатні та багатоцільові верстати, в яких має місце концентрація різних способів обробки (фрезерування, розточування, свердління), виробничих функцій (заміна обладнання, зміна інструментів), а також об'єднання в одній конструкції технічних пристроїв для реалізації вказаних функцій (рис. 2).



Рис. 2. Структурна схема процесу механообробки

В роботі запропоновано на основі аналізу структурних і функціональних зв'язків між складовими системи розробити системний підхід до проектування верстатного комплексу (рис. 3). Цей комплекс розглядається у вигляді трьох взаємозалежних систем: об'єкта обробки (система I); процесу механообробки (система II) і обладнання (система III). У зв'язку з тим, що об'єкт обробки виявляє властивості метасистеми, визначення проміжних станів у часі задача складна та така, яку не завжди можна виконати. Систему I можна представити у вигляді двох підсистем I.1 і I.2, що характеризують відповідно початковий і кінцевий стан об'єкта обробки. Система II функціонально визначається системою I і являє собою прийнятий процес механообробки заготовок. Цей процес, у свою чергу, характеризується двома підсистемами ІІ.1 і ІІ.2, що визначають спосіб обробки і прийнятий основний режим різання. Вибір системи III визначається системою II і обумовлений існуванням системи I. Для зазначених вище систем I і II система III відповідає технологічному обладнанню, що умовно можна поділити на підсистеми приводу III.І, цільових вузлів III.2, інструменту III.3 Кожна з виділених підсистем з позицій системного підходу може бути поділена на ланки, а кожна із зазначених ланок при необхідності може бути розділена на деталі.

Рис. 3. Системний підхід до проектування верстатного комплексу

Для завершення поданого у вигляді блок-схеми систем-ного опису верстатного комплексу в ньому визначаються структурні і функціональні зв'язки, при цьому за допомогою струк-турних зв'язків обумовлю-ється приналежність та ієрархічна підпорядкованість структурних елементів комплексу, не порушивши при цьому його цілісності, а за допомогою функціо-нальних - встановлюється логічна послідовність взаємодії складових його систем і отримані з них джерела вхідної та вихідної інформації. У розглянутому випадку джерелом вхідної інформації служать відомості про об'єкт обробки, які сконцентровані в підсистемах І.1, І.2 і передані системі II у вигляді логічної функції вибору режиму різання, що визначає процес механообробки. Останній, у свою чергу, подібно логічній функції визначає вибір конкретного типу технологічного обладнання (система III), що реалізує прийнятий процес. Логічні функції вибору ґрунтуються на результатах даних дослідницького і практичного характеру, можуть бути подані у вигляді аналітичних залежностей, таблиць, банків накопиченої інформації, що відповідає поняттю оптимальності прийнятого рішення. Між системою та об'єктом обробки функціональний зв'язок у вигляді функції силового впливу виявляється протягом певного проміжку часу, що дозволяє одержати вихідну інформацію, яка подається відомостями про об'єкт обробки так, як і вхідна інформація, але вже в підсистемі І.2 відповідно заготовки виробу. Функціональний зв'язок між підсистемою III.2 і ланкою III.2.2 розглядається у вигляді функції генерування та періодично змінюється у часі. Використовуючи методи системного підходу, при подальшому аналізі існуючих зв'язків проектованого верстатного комплексу, можна виділити внутрішні системні функціональні зв'язки, що дозволить значно спростити процес проектування.

Для описання верстатного комплексу можна використовувати допоміжний засіб при виконанні проектних робіт з метою створення різного роду обчислювальних програм. За правилами матричного запису надамо рядкам і стовпцям матриці номера систем, підсистем і ланок досліджуваного комплексу і подамо його у вигляді матриці, що наведена на рис. 4.

Рис. 4. Матричний запис складної системи верстатного комплексу

Наявність зв'язку в матриці фіксується на місці перетинання її рядків і стовпців. Структурний зв'язок відзначається літерою «С», а функціональний - цифрою «1». (Одиниця використовується для того, щоб показати постійність існування зазначених зв'язків у даному комплексі (зі 100% вірогідністю) на відміну від зв'язків ймовірнісного характеру). Спрямованість зв'язку, що визначає використання останнього як вхідну чи вихідну інформацію, на матриці відзначається відповідно знаками "+" чи "-". Перетинання однойменних рядків і стовпців відповідає інформаційному входу чи виходу кожного виділеного структурного елемента складної системи. Запропонована матрична форма опису розглянутого верстатного комплексу компактна, наочна, достатньо інформативна та дозволяє вирішувати задачі аналізу і синтезу на рівні системи і підсистем. Для цієї мети в загальній матриці можна виділити матриці систем I, II, III і підсистеми керування.

Таким чином, можна припустити, що матричний опис найбільш ефективно використовується при вирішенні задач проектування робочого процесу та синтезу принципових і конструктивних схем обладнання. На підставі аналізу представленої моделі в роботі розроблено алгоритм методики проектування, виділено клас параметрів, які повинні контролювати процес механообробки. До таких параметрів відносять: швидкість різання, швидкість обертання шпинделя, швидкість подачі, сила, потужність і момент різання, температура та глибина різання, траєкторія інструменту, розташування виробу та інструменту, деформування в системі «верстат-пристосування-інструмент-деталь».

На основі структурної схеми процесу механообробки верстатного комплексу розроблена методика функціонального моделювання взаємодії інформаційного, матеріального та енергетичного потоків у вигляді орієнтованих графів системи керування верстатного комплексу. На рис. 5 наведено загальний граф взаємодії потоків у верстатному комплексі, аналогічно сформовані графи матеріального, інформаційного та енергетичного потоків верстатного комплексу.

Рис. 5. Загальний граф взаємодії потоків у верстатному комплексі

На основі взаємодії інформаційного, матеріального та енергетичного потоків в роботі запропонована організаційно - структурна схема верстатного комплексу механообробки (рис. 6). Визначенні і формалізовані загальні проблеми проектування систем верстатних комплексів механообробки. Запропоновано розробку методики функціонального опису технологічного обладнання у вигляді функціональних блоків та моделювання інформаційного, матеріального та енергетичного потоків на основі аналізу моделей.



Рис. 6. Організаційно-структурна схема верстатного комплексу механообробки: 1 - система керування; 2, 3 - накопичувальні системи; 4, 5, 6 - транспортуючі системи; 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 - лінії багатоцільових та багатокоординатних верстатів

У третьому розділі розглянуті основи моделювання процесів механічної обробки на верстатних комплексах. Розроблена загальна ієрархічна система критеріїв ефективності процесів механічної обробки та запропонована загальна системна модель верстатного комплексу.

Послідовність розробки системної моделі передбачає створення функціонально повного комплексу програмного та алгоритмічного забезпечення для покриття завдань проектування відповідно до графа цілей чи логічних схем розв'язання завдань проектування.

У сучасних верстатних комплексах завдання вибору критерію функціонування, а також завдання керування, у свою чергу, мають характер проблеми і включають: вибір окремих критеріїв функціонування підсистем, побудову критерію ефективності системи як функції зважених окремих критеріїв та організацію ієрархічної системи критеріїв. У загальному випадку критерій ефективності верстатного комплексу є функцією декількох критеріїв, значення кожного з яких може змінюватися в залежності від умов роботи системи. Окремі критерії за певних умов відіграють роль обмежувальних факторів. Необхідність оптимізації систем та процесів за складними критеріями з різними значеннями окремих критеріїв, а також необхідність врахування різноманітних технічних і економічних обмежень ускладнюють побудову її математичної моделі. Як відомо, задача проектування верстатного комплексу передбачає, насамперед, визначення моделі функціонування, моделі оцінювання ефективності функціонування, структурних характеристик системи, що впливають на якість керування (оцінка чутливості), ефективних значень структурних характеристик системи відповідно до заданої системи критеріїв якості керування серед інших критеріїв. Введемо деякі означення, характерні для теорії систем. Позначимо верстатний комплекс (систему) як . Під функцією F системи слід розуміти її дію (функціонування), обумовлену кінцевою кількістю правил (алгоритмом), на підставі яких може бути здійснена фізична реалізація системи , здатної виконувати дану дію. Сукупність функцій Fj (j=1, 2, ..., N), властива даній системі k, визначає її цільове призначення. Метою функціонування системи k є певна композиція функцій Kk{Fj}, яка формується, як правило, у вигляді зовнішнього доповнення за межами системи. Система здатна виконувати дану дію (комплекс дій), якщо на множині F(сукупності функцій Fj) здійсненна композиція Kk{Fj}.

Складність, як властивість системи керування, виникає в процесі проектування в результаті нового методологічного підходу, а потім вже як результат матеріальної природи об'єкта. Вводячи в розгляд взаємодію системи з таким об'єктом у вигляді композиції функцій системи Kk{Fj} і виконавши декомпозицію об'єкта на складові підсистеми, що виконують різні функції, переходимо до системного аналізу об'єкта, подаючи його функції у вигляді багатоцільової моделі.

Необхідність розгляду в задачі проектування багатоцільової моделі об'єкта, формування композиції функцій системи Kk{Fj} як коректно заданої множини цілей системи (взаємодія з іншими підсистемами, з навколишнім середовищем, людиною) переводить методику досліджень на позиції теорії складних систем, де оцінка будь-яких рішень виконується, виходячи з концепції якісно відмінної від класичної теорії автоматичного керування. При цьому однією з істотних ознак системи керування є ієрархічна структура зв'язків між загальним критерієм для всієї системи в цілому і окремими локальними критеріями, сформульованими для окремих підсистем різних рівнів ієрархії. Розв'язання завдання проектування системи керування багатоцільовими верстатами, безумовно, повинно містити питання критеріїв якості керування. Це, у свою чергу, означає (при існуванні глобального критерію, поданого в досить конструктивній формі), що рішення задачі проектування складної системи керування може існувати як рішення задачі оптимізації. Причому звідси ж стає очевидним, що ступінь глобальності такої оптимізації точно еквівалентний глобальності конструктивної форми критеріїв в ієрархічній структурі. Іншими словами, багатоцільова модель об'єкта і композицій функцій системи дозволяє розглядати завдання проектування з позицій теорії систем. Знайти ж рішення такого завдання виявляється можливим за допомогою створення коректно вираженої системи критеріїв.

Розробка ієрархічної системи критеріїв ґрунтується на системі функцій F, що розглядається як деяка упорядкована множина цілей системи керування, тому треба визначити множину функцій Fj (jm) і проводити упорядкування множин М={Fj}. Якщо функція Fj, яка визначена на добутку множин станів U, Y, Х0, не має жодного свого значення, що належить упорядкованій множині М, умова здійснення функцій Fj при функціонуванні розглянутої системи, поданої добутком множин U, Y, Х0, не задовольняється. Розглянемо множину змінних станів системи U, Y, Х0, структур системи Т, її функцій Fj і відношення між цими множинами, що характеризують критерій якості керування, а саме систему критеріїв. Нехай безліч параметризованих пар вхід - вихід (u, у) містить усі значення вихідних змінних станів y (уj(t)) системи . Множину необхідних змінних станів Х0 (x0j(t)), адекватних певній упорядкованій множині функцій М={Fj}, може бути зіставлена з множиною станів у системи. Множина необхідних змінних Х0 можна порівняти з множиною реальних (припустимих) змінних Y з точністю до збігу Х0=Y, коли xoj-yj=0,тобто: YХ0=Х0, YХ0=Х0. Розглянута система практично не має обмежень, поданих множиною відносин Rj. Наявність невизначеності в процесі керування чи у характеристиках системи, так само як і існування обмежень, поданих множиною Rj, припускає утримання множини змінних уj(t) у межах області, заданої одним чи кількома границями: bj<xoj-yj<cj, тобто YХ0. У наведеній системі збіг усіх необхідних значень Х0(х0j(t)) з реальними змінними Y(уj(t)) є неможливим. Неможливість задоволення попередніх критеріальних умов у системі веде до необхідності постановки нової задачі оптимізації, метою якої є зведення до мінімуму розбіжності між двома множинами min|X-Xо|, а у символах алгебри множин критерій можна виразити як max|XXо|. Таким чином, ієрархія в системі критеріїв може визначатися повною інформацією про обмеження, які представлені в алгоритмах керування. Розглядувані моделі дозволяють розв'язати значну кількість прикладних задач моделювання, які містять досить суворі умови математичного узгодження диференціальних моделей з автоматними моделями, а їхні «гібриди» - з альтернативними інформаційними мережами. Ці умови дозволили одержати моделі динамічних операцій і дослідити пакети динамічних операцій. Динамічна диференціальна система розглядається як упорядкована шістка елементів:

, (1)

де перші чотири компоненти є множинами і задаються відображенням

, (2)

яке інтерпретується відношенням між властивостями вимірюваних величин

(3)

і подається неперервними функціями

. (4)

Якщо - розв'язок системи , тоді є початковими значеннями, що визначають поведінку системи для . Елементи і позначають перехідну і вихідну функції системи, що дозволяють визначити як стан, так і вихід динамічної диференціальної системи:

, (5)

. (6)

При такому підході побудови моделей динамічної диференціальної системи з'явилась можливість використання суворої аксіоматики, що відіграє визначальну роль у дослідженні внутрішніх властивостей динамічної диференціальної системи в задачах системного проектування (керованість, спостережуваність досяжність, ідентифікованість, стійкість). Складні об'єкти, такі як верстатний комплекс, є стаціонарними на обмежених інтервалах (t0,t)Т, більш того, нестаціонарність конструюється цілеспрямовано для розв'язання завдань керування структурою таких комплексів. У цьому випадку з'явилась можливість подати математичну структурну нестаціонарність динамічної диференціальної системи двома кінцевими нескінченностями. Процес механообробки подається динамічною диференціальною системою з керованою структурою, окремі режими процесу описуються системою диференціальних рівнянь, кожна з векторних функцій надає локальну динаміку системи в s-му режимі, властивості таких режимів відрізняються між собою числовими характеристиками параметрів і траєкторій. Синтез закону функціонування багатокрокової системи можна розглядати як розв'язок завдання керування в кожному конкретному випадку. Завдання впорядкування структурних станів систем досить повно подається апаратом логіко-диференціальних рівнянь. Застосувавши вказані підходи можна розробити математичні моделі окремих ланок і інструментальних засобів механообробки.

В четвертому розділі запропоновано розширення функціональних можливостей верстатних комплексів за рахунок оптимізації процесу механічної обробки. Для скорочення витрат необхідно, по-перше, прагнути до забезпечення необхідного рівня надійності і, по-друге, проводити цілеспрямовані заходи щодо забезпечення або поліпшення тих характеристик, які найбільшою мірою визначають надійність верстата. Для цього використовують джерела інформації про надійність, починаючи з етапу проектування і закінчуючи даними про фактичну надійність експлуатованих верстатів. Розробку системи оптимізації режиму механічної обробки слід починати з визначення критерію оптимізації на основі техніко-економічного аналізу. На практиці найширшого застосування отримали критерії продуктивності та собівартості, які включають залежність стійкості інструменту від параметрів різання. В результаті оптимізації за цими критеріями знаходяться умови, які, забезпечують максимальні (у першому випадку) і мінімальні (у другому випадку) значення даних критеріїв в певних ситуаціях. Такими умовами в багатьох ситуаціях виступають певні значення стійкості інструменту. Проте на виробництві часто ставиться завдання знаходження максимально можливої продуктивності або мінімально можливої собівартості механічної обробки при заданих значеннях стійкості. Окрім цих критеріїв інколи, залежно від результатів техніко-економічного аналізу користуються оцінкою максимального використання верстата та інструменту (тобто відношенням максимального знімання металу до одиниці витраченої потужності верстата), критерієм максимального знімання металу за період стійкості, критерієм максимальної стійкості інструменту. Проте при розв'язанні задачі оптимізації механічної обробки користуватимемося такими критеріями: продуктивності (П); собівартості (З); продуктивності при заданій стійкості (П(Т) ); собівартість при заданій стійкості (З(Т)); максимальної інтенсивності видалення припуску (П(Ш)); мінімального машинного часу (З(М)). Продуктивність механічної обробки найчастіше оцінюється об'ємом металу, що знімається в одиницю часу циклу використання інструменту (об'ємна продуктивність Пv ), або числом деталей, оброблених в одиницю часу циклу використання інструменту (штучна продуктивність Пш).

Під циклом використання i-го інструменту розуміється сума періоду його стійкості Тi, часу його зміни фсм і допоміжного часу роботи верстата фвi протягом зміни (або протягом часу обробки партії деталей), віднесеного до періоду стійкості даного інструменту. При цьому фвi=фвТi/(Т1+Т2+... + Тn), де Т1, Т2, ..., Тn - періоди стійкості кожного з інструментів, що використовуються протягом зміни або часу обробки даної партії деталей. У допоміжний час фвi входить також час зміни інструментів через їхнє пошкоджень або обробки даної партії деталей протягом зміни. Якщо час якої-небудь допоміжної операції ф'вi поєднаний з часом зміни інструменту ф'смi і ф'смi? ф'вi, то час ф'вi не враховується в сумарному допоміжному часі фвi. Інакше у фвi враховується різниця ф'вi - ф'смi. Слід також зазначити, що цикл використання даного інструменту не обов'язково має бути безперервним. Наприклад, у верстатах типа «оброблювальний центр» цикл використання інструменту часто переривається до його затуплення, інструмент вкладається в магазин і знову використовується після завершення певної технологічної операції. Час циклу в даному випадку розглядається як сума його частин (такий режим характерний для верстатних комплексів). Надалі вважатимемо, що фсм=фвi+ф'смi, при цьому об'ємна продуктивність (мм3/хв.) може бути подана виразом П=V/(Т+фсм), де V - об'єм припуску, знятого за цикл використання інструменту, мм3. При вимірі стійкості числом деталей ТД, оброблених за цикл використання інструменту, продуктивність (шт./хв.) визначається за формулою Пш=Тд/(ТДфм+фсм), де фм - машинний час обробки однієї деталі. У ці критерії входить значення стійкості інструменту, тому необхідно встановити залежність між цією величиною і параметрами різання. Останніми роками були зроблені спроби розробити інші залежності зносу або стійкості інструменту від параметрів різання. Однак розрахунки оптимальних режимів різання зручніше виконувати за цільовою функцією оптимізації, що є основою нормативів, за якими визначаються режими механообробки майже в усіх галузях машинобудування.

Тому подальші обчислення будуть проводитися за формулою

(7)

де , сх - стала величина для певної групи оброблюваних матеріалів; kх - коефіцієнт, що залежить від властивостей оброблюваного матеріалу, ріжучої частини інструменту та від типу ЗОР; D - діаметр фрези або заготовки; п - частота обертання, об./хв.; sz=s/(nz) - подача, мм/зуб.; z - число зубців фрези; h і b - глибина і ширина різання, мм; хх, ух, rх, qх, uх, m- показники степенів, залежні від властивостей інструменту та умов різання (значення цих показників і коефіцієнтів сх і kх містяться у відповідних довідниках).

Для різних видів обробки значення сх, kх і показників степеня різні. Крім того, показники хх, ух, rх, qх, uх,використовуються не в усіх видах механічної обробки.

При оптимізації механічної обробки за обраним критерієм необхідно брати до уваги конструктивні та технологічні обмеження на керовані параметри механічної обробки s і n. Основними з них є такі: мінімальна частота обертання фрези, визначена конструктивно заданою нижньою межею діапазону зміни частот; найбільш можлива частота обертання фрези, обумовлена конструктивно заданою верхньою межею діапазону зміни частот; найбільша подача на зуб, обумовлена вимогою до чистоти оброблюваної поверхні, тощо.

Оптимізація механічної обробки за критеріями продуктивності або собівартості при довільній зміні припуску зводиться до завдання нелінійного програмування - визначення умовного глобального максимуму або мінімуму функції в обмеженій області. Розв'язання цієї задачі приводить до визначення керованих параметрів в даній області для кожного значення припуску, які забезпечують оптимальний режим механічної обробки за обраним критерієм.

У п'ятому розділі розглянуті основи оцінювання ефективності та надійності функціонування верстатних комплексів

Математичні моделі верстатних комплексів створюються для різних стратифікованих уявлень: апаратних засобів керування, програмного забезпечення, планування роботи. Практично всі моделі можуть бути використані як на стадії проектування, так і при експлуатації.

Ефективність функціонування верстатних комплексів багато в чому визначається їх експлуатацією. Вона суттєво залежить від правил прийняття рішень з організації технічного обслуговування даної системи, регламентує порядок ведення всього комплексу заходів (види ремонту, перевірок тощо), які направлені на її підтримку в робочому стані. У роботі розв'язана задача вибору оптимального режиму профілактичних робіт з підтримки верстатного комплексу в робочому стані. Відомо, що для складних систем передбачені періодичні перевірки. Правильний вибір моменту цих перевірок з урахуванням відновлення системи сприяє підвищенню рівня ефективності та їх функціонування, надійності. Оцінка робочого стану системи в довільний момент часу визначає коефіцієнт готовності

(8)

де Р(t) - функція надійності системи, ф - проміжок часу експлуатації.

Запропонована модель перевірок стану верстатного комплексу, за допомогою якої досліджується вплив основних параметрів процесу обслуговування комплексу на значення коефіцієнта готовності. У процесі вихідного контролю оцінювання робочого стану систем здійснюється порівнянням значень вихідних параметрів з межами встановлених допусків на них і перевіркою відповідності систем технічним умовам або еталонному зразку. При застосуванні методу вихідного контролю до партії з N однотипних систем, останні діляться на дві групи за результатами вихідного контролю. До першої групи відносять об'єкти, параметри яких не вийшли за межі допусків, до другої - об'єкти, у яких хоча б один параметр вийшов за встановлені межі. Оскільки кожна партія виробів характеризується середньою величиною надійності P, не рівною, як правило, одиниці, то до першої групи об'єктів, назвемо її працездатною, буде належати систем, а до другої групи об'єктів, назвемо її непрацездатною -систем. Ефективність вихідного контролю можна записати так:

, (9)

де - число систем, що відмовили за час , з числа визнаних такими, що знаходилися в робочому стані на момент вихідного контролю.

Гарантійна надійність залежить і від числа систем у момент вихідного контролю і від числа систем , що відмовили за час . Число працездатних систем у момент випуску, а також число систем , що відмовили за час , залежить від характеристик надійності систем і від методики прийняття рішення про системи в робочому (працездатному) та неробочому (непрацездатному) стані. Так, при існуючій методиці прийняття рішення про випуск використовується інформація про стан кожної системи, яку можна отримати при контролі вихідних параметрів у момент її випуску. Зміна технічного стану системи за гарантійний час не береться до уваги і ніяк не враховується. Це призводить, з одного боку, до частого виходу з ладу випущених систем за час , а з іншого - до необхідності містити значний запас виробничих ресурсів, щоб забезпечити виконання рекламацій, що загалом призводить до значних економічних витрат і до небезпеки застосовувати непрацездатні систем. Оскільки при контролі параметрів припускаються помилки першого б і другого в роду, то кількість працездатних прийнятих систем у момент вихідного контролю можна визначити як . Із загальної кількості дійсно працездатних систем буде , а непрацездатних - . За гарантійний час дійсно працездатні системи відмовлятимуть з вірогідністю . Тоді кількість систем, що відмовили за час , .

Ефективність вихідного контролю при існуючій методиці прийняття рішення на випуск систем залежить від надійних параметрів систем і від помилки, що припускають при контролі. Розглянемо ефективність та надійність вихідного контролю систем за умови, що відомо повний опис вірогідності процесів зміни основних параметрів за гарантійний час . В цьому випадку рішення на випуск систем приймається тоді, коли надійність його за час не менша заданої PД(tГ). Прогнозована надійність кожної системи визначається як умовна вірогідність безвідмовної роботи її за час на основі відомих характеристик вірогідності процесів зміни контрольованих параметрів і набутих ними значень у момент вихідного контролю . При цьому прогноз надійності здійснюється лише для систем, визнаних працездатними у момент контролю. Виконується комплекс приймально-здавальних випробувань, в результаті яких одержуємо інформацію про значення контрольованих параметрів. Цієї інформації цілком достатньо для того, щоб розділити партію на працездатні і непрацездатні. Природно, непрацездатні системи доопрацьовуються (ремонтуються) у виробництві і знову пред'являються на вихідний контроль. Для працездатних же систем на основі даних, одержаних в результаті проведення приймально-здавальних випробувань, і відомих вірогідних характеристик процесів зміни контрольованих параметрів обчислюється умовна вірогідність безвідмовної роботи за гарантійний час . Іншими словами, здійснюється прогнозування надійності для кожної системи, що випускається. На основі цієї обчисленої характеристики приймається рішення про випуск системи, якщо, прогнозована надійність не менше деякої наперед встановленої величини. Інакше система прямує на доопрацювання (налагодження) його параметрів в більш оптимальні межі встановлених допусків.

За наявності повного опису вірогідності випадкового процесу зміни контрольованих параметрів системи число працездатних систем визначатиметься формулою

 (10)

де - задана з тактичних міркувань величина надійності; - закон розподілу контрольованих параметрів системи.

Кількість систем, що відмовили за гарантійний час буде

Тоді ефективність вихідного контролю

. (11)

В цьому випадку ефективність вихідного контролю не залежить від характеристик надійності системи і, отже, можна забезпечити виконання гарантії за одним з найважливіших параметрів системи - надійністю.

У шостому розділі розглянуті алгоритмічні процедури моніторингу та керування верстатними комплексами. Наводяться результати розробки алгоритмів функціонування верстатного комплексу при вирішенні складних задач процесу функціонування системи та методика забезпечення процедури розрахунку. Верстатний комплекс може виконувати своє службове призначення тільки при надійній роботі системи керування, що погоджує інформаційний потік з матеріальним потоком, який проходить через систему та забезпечує реалізацію функцій обладнання відповідно до його службового призначення. Система керування і обладнання складають «нерозривне ціле» - обладнання не може працювати без системи керування. В розділі розглядаються загальні вимоги до системи керування верстатним комплексом, складу її функцій, структури системи керування. Розроблено універсальний (віртуальний) алгоритм системи планування і керування матеріальним забезпеченням, а також алгоритм керування верстатним комплексом при реалізації процесу механічної обробки. На підставі дослідження чинних вимог до сучасних виробничих систем механообробки, аналізу літературних джерел і чинних стандартів формулюються загальні вимоги до системи керування верстатним комплексом при реалізації процесу механічної обробки, виконання яких забезпечує надійне керування та можливість роботи системи керування в «безлюдному режимі», а також самоналагодження. Іншими словами, йдеться про вимоги до інваріантної системи. Формулювання загальних вимог дозволяє визначити основні вимоги до алгоритму керування обладнанням. Виділення в рамках верстатного комплексу автоматизованої транспортно-накопичувальної системи, є «штучним» у тих випадках, коли йдеться про загальні вимоги до системи керування та до її функцій. При конкретній розробці алгоритмів керування верстатними комплексами виділення транспортно-накопичуваної системи виправдане з метою групування окремих конкретних задач транспортування (зберігання) матеріальних тіл в загальному алгоритмі керування верстатним комплексом, яка призначена для виконання функцій керування такими процесами: зберігання матеріальних ресурсів (вироби, напівфабрикати, заготовки, інструменти, оснастка, пристосування, тара, комплектуючі і відходи); переміщення матеріальних ресурсів по цеху та поза ним; забезпечення механічної обробки; контроль готових виробів; поточне обслуговування і ремонт технологічного обладнання. Відповідно до специфіки зазначених процесів можна виділити такі процедури керування: забезпечення заготовками (складами ресурсів), обслуговування обладнання диспетчерування виробничими ділянками, персоналом і транспортно-накопичувальною системою, забезпечення інструментом і оснасткою.

Взаємодія процедур в межах верстатного комплексу забезпечується шляхом доступу до загальних баз даних всіх користувачів підсистем і шляхом обміну повідомленнями мережею передачі даних відповідно до протоколів обміну, а також спеціальними протоколами прикладного рівня.

Суміжними для системи верстатного комплексу є системи виробничого планування, технічної підготовки виробництва, технічного постачання, ремонту. Всі системи повинні забезпечувати дев'ять режимів роботи: початкового завантаження системи; налагодження системи на конфігурацію та параметри обладнання; автоматичного керування виконанням функцій; напівавтоматичного керування; ручний режим; відновлення системи після відмови (рестарт системи); діагностики керованого обладнання цеху і програмно-апаратних засобів самого верстатного комплексу з друкуванням протоколів діагностики та моніторингу; аварійного завершення роботи при відмові зовнішнього електроживлення цеху; планового завершення роботи системи. У режимі діагностики система повинна автоматично перевіряти стани програмно-апаратних засобів систем керування та обладнання цеху, а також конфігурацію підключення термінального обладнання. Режим повинен забезпечувати віддалене завантаження або ініціалізацію діагностичних тестів з наступним виведенням результатів перевірки на консольний термінал диспетчера цеху. Негативні результати тестування окремих елементів виводяться також на термінал бюро технічного обслуговування цеху. Комплекс програмно-апаратних засобів повинен забезпечувати можливість нарощування функцій та модернізацію окремих програмно-апаратних модулів без необхідності переобладнання всієї системи в цілому. Підключення до системи нових об'єктів керування не повинно викликати переобладнання програмно-апаратних засобів. Розвиток і модернізація системи повинні проводитися у напрямі впровадження систем штучного інтелекту на всіх рівнях підсистем керування шляхом накопичення та використання знань про специфіку виробництва і правил прийняття рішень в конфліктних ситуаціях в спеціальну базу знань системи керування верстатним комплексом. На підставі виділення та аналізу функцій, які виконує комплекс механообробки в роботі розроблено і проаналізовано алгоритми процедури керування забезпеченням інструментом та оснащенням, процедури керування постачанням матеріалами, процедури оперативного планування та диспетчерування транспортних операцій цеху механообробки, алгоритм керування ситуацією «відмова обладнання» (рис. 7), тощо.

Рис. 7. Aлгоритм керування ситуацією «ВІДМОВА ОБЛАДНАННЯ»

Для підтримки працездатного стану верстатного комплексу і забезпечення заданої якості деталей необхідно здійснювати в умовах експлуатації моніторинг верстатів (рис. 8).

Під моніторингом розуміють спеціально спроектовану систему (засоби і методи) безперервних спостережень і вимірювань із застосуванням відповідних процедур оцінки, аналізу поточного стану, визна-чення особливих ситуацій, прийняття оперативних і тактичних рішень. Система моніторингу дозволяє здійснювати експ-луатацію обладнання за станом, ресурсом або рівнем надійності. Аналізуючи вихідні результати моніторингу робиться висновок про необхідність виконання додаткових робіт. Програмування маршруту процесу механічної обробки деталі полягає у заданні траєкторії та швидкості взаємного руху інструменту й деталі. Для отримання програми керування маршрутом процесу механічної обробки деталі необхідно визначити обсяг обробки та вибрати верстат, визначити спосіб фіксації заготовки в робочій зоні верстата, а також вибрати необхідне інструментальне забезпечення, організувати раціональну послідовність обробки поверхонь і можливість заміни інструменту, визначити умови обробки кожної поверхні, а саме: частоту обертання шпинделя, швидкість різання тощо. В роботі запропонована структура стратегії прийняття рішень при керуванні процесами механічної обробки. Стратегія базується на застосуванні особливих можливостей комплексу Stateflow-Simulink, призначенням якого є створення моделей систем, що можуть змінювати свою структуру в залежності від зміни стану та параметрів систем. Комплекс вибраний з великого числа наявних програмних продуктів. Його можливості перевищують можливості інших моделювальних систем. Цей комплекс не має обмеження рівня складності систем. Області найбільш ефективного використання виробничих систем перш за все визначаються обладнанням, яке є складовою частиною системи, номенклатурою оброблюваних деталей та автоматизованою системою керування. За допомогою Stateflow-Simulink реалізована загальна модель верстатного комплексу.

...