Розробка математичних моделей для обґрунтування алгоритмів прийняття рішень при діагностуванні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти України

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя

Розробка математичних моделей для обґрунтування алгоритмів прийняття рішень при діагностуванні (верстатного комплексу з ЧПК)

Спеціальність 01.05.02 - математичне моделювання та обчислювальні методи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Захист відбудеться “_24___” _06__________ 1999 р. о __10___ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К58.052.01 в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя, 282001, м. Тернопіль, вул. Руська,56.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Тернопільського державного технічного університету, 282001, м.Тернопіль, вул. Руська, 56.

Автореферат розісланий “___22__” ______05_____ 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Петрик М.Р.

діагностування обладнання верстатний

Надежность и эффективность работы таких современных станочных комплексов с ЧПУ в процессе эксплуатации зависит от многих составных технологического оборудования, которое включает механические, гидравлические, пневматические, электрические, электронные, оптические приспособления, блоки, устройства, и тому подобное.

Определяется надежность и эффективность станочных комплексов с ЧПУ при помощи систем диагностирования. При создании последних широко используются известные методы и способы технической диагностики, в частности, методы определения граничных (аварийных) положений и тестовые методы измерения диагностируемых параметров, при помощи датчиков внутренней информации и внешних сенсорных систем с использованием ЭВМ разного уровня. Математический аппарат, алгоритмическое и программное обеспечение этих методов и способов существенно отличаются, что вызывает усложнение при их применении, например, для постепенного прогнозирования дефектов и выбора единого подхода при разработке критерия оценки эффективности при диагностировании. Особенно это положение несогласованности математического и программного обеспечения диагностирования проявляется при эксплуатации металлообрабатывающего оборудования в массовом производстве, например, на предприятиях где изготовляют подшипники, а именно во время обточки и шлифования колец подшипников.

Потому важной является проблема разработки и использования способов и методов технического диагностирования станочного комплекса с ЧПУ и математических моделей для обоснования алгоритмов принятия решений при диагностировании этого оборудования с целью повышения эффективности и надежности работы комплекса и качества деталей, которые им обрабатываются. Решение этой актуальной проблемы предлагается автором в диссертационной работе.

За объект исследования в диссертационной работе принята система диагностирования станочного комплекса с ЧПУ. Предметом исследования являются математические модели и алгоритмы, которые необходимы для оценки эффективности принятия решения при диагностировании. Целью работы есть разработка математической модели критерия оценки эффективности и математических моделей алгоритмов принятия решений для повышения эффективности при диагностировании станочного комплекса с ЧПУ.

Диссертация посвящена разработке математических моделей для обоснования алгоритмов принятия решений при диагностировании станочного комплекса с ЧПУ. В работе проанализированы известные критерии оценки эффективности технологического оборудования, определены их достоинства и недостатки. Разработан новый функционально-статистический критерий наиболее полно характеризующий объект и систему диагностирования. Аргументирована разработка системы диагностирования станочного комплекса с ЧПУ и математических моделей алгоритмов принятия решений в двух-, трех- и многоальтернативных ситуациях при диагностировании оборудования в условиях реального производства. На основе теоретических выводов предложен испытательно-диагностический стенд, отображающий работу системы диагностирования станочного комплекса и обеспечивающий повышение эффективности и надежности его работы. Результаты работы прошли производственную апробацию

Ключевые слова: система диагностирования, объект диагностирования, математическая модель, алгоритм, программное обеспечение, испытательно-диагностический стенд, критерий оценки эффективности.

Veselowska N. Development of mathematical models for the substantiation of algorithms of a decision making for want of diagnosing (machine-tools of a complex from the numerical control).- Manuscript.

Dissertation to receive of a scientific degree of the candidate of technical sciences on a speciality 01.05.02 - “Mathematical modeling and computing methods”. - Ternopil state technical universyte, Ternopil, 1999.

The dissertation is devoted to a solution of an actual problem of development both use of methods and means of technical diagnostics and mathematical models for the substantiation of algorithms of a decision making for want of diagnosing machine-tools of a complex from the numerical control with the purpose of increase of efficiency both reliability of work to a complex and quality of details, treated on it. In work the known criterions of an evaluation of efficiency of the process equipment are analysed, their dignities and defects are determined. The mathematical functional - statistical model of a system " object of diagnosing - system of diagnosing " is offered and the new functional - statistical criterion most completely describing object and system of diagnosing is developed. The system engineering of diagnosing machine-tools of a complex from the numerical control consisting of subsystems of monitoring, operating and item diagnosing, self-diagnosing giving a possibility of increase of an overall performance of the equipment and quality of details, treated by the machine tool is argued. The mathematical models of algorithms of a decision making in two -, three and multialternative situations for want of diagnosing machine-tools of a complex from the numerical control in conditions of actual production for want of manufacturing and turning of bearings are developed. Because of theoretical conclusions the test-diagnostic stand mapping work of a system of diagnosing machine-tools of a complex and ensuring increase of efficiency and reliability it of work is offered. The outcomes of work have passed industrial approbation.

Key word: a system of diagnosing, object of diagnosing, mathematical model, algorithm, software, test-diagnostic stand, criterion of an evaluation of efficiency .

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В сучасному машинобудуванні основу гнучких виробничих систем складають верстати з числовим програмним керуванням (ЧПК), які забезпечують виконання різноманітних технологічних операцій металообробки. Підвищені технологічні вимоги до кінцевого продукту обробки та умови забезпечення функціонування виробництва в автоматизованому режимі привели до значного ускладнення верстатів з ЧПК за рахунок використання автоматизованих систем керування, технологічної підготовки виробництва, інструментального забезпечення, встановлення та з'єму заготовок, видалення відходів, контролю. Надійність та ефективність роботи таких сучасних верстатних комплексів з ЧПК в процесі експлуатації залежить від багатьох складових технологічного обладнання, яке містить в собі механічні, гідравлічні, пневматичні, електричні, електронні, оптичні пристрої, блоки, прилади, тощо. Надійність та ефективність верстатних комплексів з ЧПК визначаються за допомогою систем діагностування. При створенні останніх широко використовуються відомі методи та засоби технічної діагностики, зокрема, методи визначення межевих (аварійних) станів та тестові методи з вимірюванням параметрів, що діагностуються, за допомогою давачів внутрішньої інформації та зовнішніх сенсорних систем з використанням ЕОМ різного рівня. Математичний апарат, алгоритмічне та програмне забезпечення цих методів та засобів суттєво відрізняються та не є уніфікованими, що викликає ускладнення при їх застосуванні, наприклад, для поступового прогнозування дефектів та вибору єдиного підходу до розробки критерію оцінювання ефективності прийняття рішень при діагностуванні. Особливо цей стан неузгодженості математичного та програмного забезпечення діагностування проявляється при експлуатації металооброблювального обладнання в масовому виробництві, що має місце, наприклад, на підприємствах де виготовляють підшипники, а саме під час точіння та шліфування кілець підшипників.

Тому важливою є проблема розробки та використання математичних засобів та методів технічного діагностування верстатного комплексу з ЧПК і математичних моделей для обгрунтування алгоритмів прийняття рішень при діагностуванні цього обладнання з метою підвищення ефективності і надійності роботи комплексу та якості деталей, які обробляються на ньому. Вирішення цієї актуальної проблеми пропонується автором в дисертаційній роботі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження та розробки, наведені у дисертаційній роботі, безпосередньо пов'язані з виконанням розділів ряду держбюджетних тем (зокрема Д142), які включені до координаційного плану Міністерства освіти України “Високоефективні технологічні процеси в машинобудуванні” у 1996-1999 рр.

дослідити властивості і можливості існуючих критеріїв оцінювання ефективності технологічного обладнання та аргументувати вибір критерію оцінювання ефективності функціонування верстатного комплексу з ЧПК при проведенні діагностування;

розробити математичну модель обраного критерію оцінювання ефективності та математичні моделі для обгрунтування алгоритмів прийняття рішень при діагностуванні верстатного комплексу з ЧПК, дослідити ці моделі за допомогою ЕОМ;

встановити експериментальним шляхом адекватність математичних моделей на натурному зразку системи діагностування верстатного комплексу з ЧПК;

розробити рекомендації для впровадження розробленого математичного апарату при проведенні діагностування технологічного обладнання на виробництві.

Для вирішення поставлених задач застосовувався математичний апарат, що грунтується на класичних положеннях та законах математичної теорії перевірки гіпотез, теорії інформації та прийняття рішень, теорії імовірностей і математичній статистиці, основи яких закладені фундаментальними дослідженнями Ф.М.Вудворта, Д.Мідлтона, А.М.Колмогорова, М.В.Смирнова, Дж.Неймана, Р.Фішера, К.Шеннона, Р.Фано, М.П.Байди, І.В.Кузьміна.

Експериментальні дослідження виконувалися з метою перевірки теоретичних положень і розробленого у роботі математичного апарату та алгоритмів за допомогою ЕОМ безпосередньо на виробництві, що дає можливість говорити про вірогідність виконаної роботи.

Наукова новизна одержаних результатів:

визначені межі використання відомих критеріїв оцінювання ефективності діагностування технологічного обладнання з врахуванням їх переваг та недоліків і запропоновано науково-обгрунтований підхід розширення цих меж за допомогою створення нового функціонально-статистичного критерію, який за умови врахування мінімізації витрат та забезпечення отримання максимальної вигоди, найповніше характеризує об'єкт та систему діагностування;

запропонована нова система діагностування верстатного комплексу з ЧПК, до складу якої входять підсистеми контролю, оперативного циклового та вузлового діагностування, самодіагностування;

на інформаційній основі з відтворенням стохастичної природи процесу діагностування розроблені математичні моделі системи “об'єкт діагностування-система діагностування” та функціонально-статистичного критерію оцінювання ефективності цієї системи;

вперше розроблені математичні моделі для обгрунтування алгоритмів прийняття рішень при діагностуванні верстатного комплексу з ЧПК в дво-, три- та багатоальтернативних ситуаціях в умовах промислового виробництва, а саме при виготовленні підшипників;

досліджена залежність оцінки ефективності прийняття рішень при проведенні діагностування верстатного комплексу з ЧПК в альтернативних ситуаціях від імовірності його безвідмовної роботи та помилок першого та другого роду.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі теоретичних узагальнень розроблено випробувально-діагностичний стенд, що відтворює роботу системи діагностування верстатного комплексу з ЧПК і забезпечує підвищення ефективності та надійності його роботи. Обгрунтовані методики передані ВАТ “Вінницький підшипниковий завод”.

Розроблені в дисертаційній роботі математичні моделі критерію оцінювання ефективності і алгоритмів прийняття рішень в альтернативних ситуаціях можуть бути застосовані в системах діагностування верстатних комплексів з ЧПК в промисловому виробництві підшипників, а саме під час точіння та шліфування кілець підшипників, що забезпечить зменшення похибки при їх обробці та відсотку браку готових виробів.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Особистий внесок здобувача в працях, виконаних у співавторстві: в [1,7-10] автором проведено огляд моделей, засобів і методів діагностування технологічного обладнання, запропонована методика моделювання властивостей заготовок; в [6] автору належить розроблення алгоритму визначення частоти обертання валу; в роботі [4] відпрацьовано алгоритм прийняття рішення в багатоальтернативній ситуації; в роботах [5,11] та [2,12] відповідно визначені переваги і недоліки критеріїв, аргументовано вибір критерію оцінювання ефективності, розроблено критерій оцінювання ефективності технологічного обладнання та структурна схема системи діагностування і випробувально-діагностичний стенд верстатного комплексу з ЧПК; в роботі [3] розглянуто математичну модель системи “об'єкт діагностування-система діагностування”.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях: “Приборостроение-93” (Вінниця-Миколаїв, 1993р.); “Приборостроение-95” (Вінниця-Львів, 1995р.); “Приборостроение-97” (Вінниця-Сімеиз, 1997р.); “Приборостроение-98” (Вінниця-Сімферопіль, 1998р.); “Наука та підприємництво-99” (Вінниця-Львів,1999р.), “Композиционные материали. Технология и производство” (Київ, 1994 р.); 3-ій міжнародній науково-технічній конференції “Контроль і управління в технічних системах” (Вінниця, 1995р.); XVI, XVIІ симпозіумах “Вібрації в фізичних системах” (Польща, Познань, 1996,1998 рр.); на молодіжній науковій конференції “ХХ1 Гагаринские чтения” (Москва, 1996 р.) та другому молодіжному форумі “Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке” (Харків,1998р.); а також наукових семінарах кафедр “Інтелектуальні системи” Вінницького державного технічного університету та “Інформатика та АПУ” Вінницького державного сільськогосподарського інституту та спільному науковому семінарі Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя.

Публікації. Результати роботи опубліковано у 12 друкованих наукових працях. З них: 3 статті у фахових журналах, 3 статті у збірниках праць, 1 патент Росії та 4 тези доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яті розділів, списку літературних джерел, що використовувалися, і додатків. Обсяг дисертації містить 146 друкованих сторінок основного тексту, 8 таблиць, 23 рисунки, списку літератури з 130 найменування, 39 сторінок додатків з 3 таблицями та 15 рисунками.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

програмний математичний керування верстатний

У першому розділі проведено аналіз сучасного стану питання і формулювання задачі дослідження. Проведено огляд існуючих математичних моделей, засобів і методів діагностування технологічного обладнання, принципи побудови діагностичних та математичних моделей. Запропонована класифікація систем технічної діагностики технологічного обладнання, за допомогою якої можна визначити метод, засіб і тип моделі діагностування, проаналізувати систему на різних рівнях: конструктивному, інформаційному та економічному. Наведено узагальнений алгоритм функціонування засобів діагностування, завдяки якому визначається дієздатність об'єктів в різноманітних ситуаціях, проводиться пошук дефектів та прогнозується зміна стану верстатного комплексу з ЧПК. Сформульовані в першому розділі задачі дослідження вирішуються в наступних розділах.

В результаті дослідження формалізованої структурної схеми потоків інформації багатовимірної динамічної системи розроблена її математична функціонально-статистична модель