Наукові основи проектування високопродуктивних гнучких технологічних систем для виробництва фасонних деталей енергетичних машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД
«ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Наукові основи проектування високопродуктивних гнучких технологічних систем для виробництва фасонних деталей енергетичних машин

Спеціальність 05.02.08 - технологія машинобудування

Сорокін Володимир Федорович

Донецьк - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології машинобудування та ремонту машин Харківського національного автомобільно-дорожнього університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Тернюк Микола Емануілович,

Державне підприємство «Інститут машин і систем», м. Харків, директор.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Зенкін Анатолій Семенович,

Київський національний університет

технологій та дизайну, завідувач кафедри

метрології, стандартизації і сертифікації;

доктор технічних наук, професор

Проволоцький Олександр Євдокимович,

Національна металургійна академія України,

м. Дніпропетровськ, завідувач кафедри технології машинобудування;

доктор технічних наук, професор

Жолткевич Григорій Миколайович,

Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, декан механіко-математичного факультету, завідувач кафедри теоретичної та прикладної інформатики.

Загальна характеристика рОботИ

Актуальність теми. Жорстка конкурентна боротьба підприємств в умовах ринкової економіки обумовлює збільшення промислового потенціалу машинобудування України, у номенклатурі якого своєю складністю і трудомісткістю виготовлення вирізняються енергетичні лопаткові машини. Наукоємне виробництво лопаткових машин стимулює розвиток багатьох галузей промисловості, де потрібні компактні, мобільні й добре керовані енергетичні установки: повітряний, наземний і водний транспорт, електроенергетику, газову індустрію та інші.

Для того щоб витримати конкуренцію з боку закордонних виробників цих машин, необхідне реформування організаційних структур машинобудування і розроблення ефективних механізмів їхнього функціонування на базі створення нових технологій проектування, виготовлення та експлуатації машин, інтенсифікації та комплексній автоматизації виробництва з використанням кібернетичних методів і інженерних комп'ютерних засобів.

Одним із напрямків підвищення ефективності виробництва і якості продукції є створення технологічних систем, що сполучать у собі суперечливі властивості високої продуктивності та гнучкості.

Ці технологічні системи дозволяють значно підвищити продуктивність виробничих процесів, скоротити займані устаткуванням виробничі площі, зменшити тривалість виробничого циклу та число робітників, зайнятих у виробництві, але в той же час забезпечити швидкий перехід з випуску одного виду виробу на інший при мінімальних простоях устаткування і забезпеченні стабільної якості продукції.

Створення високопродуктивних гнучких технологічних систем, що викликають фундаментальні зміни в технології та організації виробництва, поки теоретично не обґрунтовано. На сьогодні рівень формалізації технологічних завдань у наукоємному машинобудуванні недостатній, а процес створення теоретичних основ застосування кібернетичних методів і інженерних комп'ютерних засобів перебуває в початковій стадії. Тому тема дисертаційної роботи є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дослідження, виконані в дисертаційній роботі, є плановими науково-дослідними роботами кафедри «Технологія машинобудування і ремонту машин» ХНАДУ та ДП «Інститут машин і систем», які здійснені при виконанні завдань Державної програми розвитку машинобудування України на 2006-2011 роки, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 18.04.2006 № 516 та Загальнодержавної комплексної програми розвитку високих наукоємних технологій, затвердженої Постановою Верховної Ради України від 09.04.2004 № 1676-15. по темам: «Розробка нових конструкцій базових корпусних деталей дизельних двигунів, заготовок до них, та енергозберігаючих технологій і модульних уніфікованих засобів їх оснащення» від 24.12.2004 №423/4984/2; «Виконання проектно-пошукових робіт для реконструкції і технічного переозброєння філії №5 ДП «ПО Південний машинобудівельний завод ім. Макарова» від 05.04.2004 № 43; «Використання методики інформаційного аналізу та синтезу структур технологічних компоновок механічної обробки інтегрованих виробництв» від 05.04.2005 №468; «Виконання робіт по конструкторської та технологічної підготовки виробництва дизелів Д-6011М» від 11.10.2005; «Конструкторське-технологічне обслуговування виробництва дизелів» (НДР кафедри «Технологія машинобудування і ремонту машин» ХНАДУ на 2008р.).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є створення наукових основ проектування високопродуктивних гнучких технологічних систем, що забезпечують підвищення конкурентоспроможності та ефективності виробництва енергетичних лопаткових машин.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні, наукові та науково-прикладні завдання:

- розробити узагальнену структуру процесу створення технологічних систем, що сполучать властивості високої продуктивності та гнучкості; запропонувати класифікацію рівнів варіативності та принципи підвищення продуктивності технологічних систем;

- дослідити загальні закономірності зміни принципів конструкторсько-технологічного забезпечення машинобудування при зміні засобів та способів виробництва і на основі цього розробити нову концепцію забезпечення технологічних систем конструкторсько-технологічною інформацією;

- створити високопродуктивну гнучку технологічну систему для виготовлення великогабаритних лопаток і лопатей енергетичних машин;

- розробити методологію підвищення продуктивності механічної обробки поверхонь лопаток осьових і відцентрових моноколіс компресорів і турбін;

- спроектувати технологію створення формотворного оснащення, що забезпечує скорочення циклу технологічної підготовки виробництва литих і штампованих лопаток енергетичних машин;

- розробити математичну модель процесу формоутворення лопаток холодним вальцюванням і дослідити можливість виготовлення в одному технологічному циклі вальцювання пера і поверхні сполучення із замком;

- виявити взаємозв'язок якості функціонування високопродуктивних гнучких технологічних систем з якістю виготовлених машин і стабільністю виробництва;

- оцінити ефективність розроблених методів проектування високопродуктивних гнучких технологічних систем у серійному і одиничному виробництвах енергетичних лопаткових машин.

Об'єкт дослідження - процеси технологічної підготовки виробництва фасонних деталей енергетичних машин і створення засобів технологічного оснащення.

Предмет дослідження - високопродуктивні гнучкі технологічні системи для виробництва фасонних деталей енергетичних машин.

Методи дослідження: Методологічною основою роботи служить системний і процесний аналіз. Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях технології машинобудування, теорії машин і механізмів, математичній логіці, теорії множин і графів, функціональному аналізі. Для математичного моделювання технологічних систем і формалізації рішення поставлених завдань використовувалися лінійна та векторна алгебра, аналітична та диференціальна геометрія, теорія сплайн-функцій, теорія управління та комп'ютерного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів. На підставі системного аналізу загальних тенденцій розвитку машинобудування розроблений новий науковий підхід у створенні та функціонуванні високопродуктивних гнучких технологічних систем для виробництва фасонних деталей енергетичних лопаткових машин в умовах багатономенклатурного виробництва і дискретно-нестабільних програм випуску.

При цьому наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному.

Уперше:

- запропонована трирівнева модель створення технологічних систем, що встановлює взаємозв'язок кожного рівня із проблематикою соціально-гуманітарних, природничих і технічних наук;

- у рамках виявленої повної множини способів керування продуктивністю сформульовані загальні принципи забезпечення високої продуктивності технологічних систем;

- виявлені закономірності зміни інформаційного забезпечення машинобудівного виробництва при зміні засобів і способів виробництва, на підставі чого розроблені принципи реорганізації потоку конструкторсько-технологічної інформації підприємства у перехідний період від людино-орієнтованого до машинно-орієнтованого виробництва;

- на основі розроблених принципів створена високопродуктивна адаптивна технологічна система реального часу для механічної обробки фасонних поверхонь великогабаритних лопаток енергетичних машин;

- на основі принципу забезпечення оптимальної концентрації та інтенсифікації основних дій розроблений метод бітангенціального фрезерування поверхонь, що не розгортаються, який забезпечив підвищення продуктивності виготовлення лопаток осьових і відцентрових коліс компресорів;

- на основі принципу передпроектного зменшення основних і допоміжних дій розроблена математична модель процесу формоутворення лопаток методом холодного вальцювання, що забезпечила можливість скорочення кількості спеціального устаткування та оснащення;

- доведена можливість виготовлення в одному технологічному циклі вальцювання пера лопатки і поверхні сполучення із замком.

Удосконалено:

- системні моделі структур етапів проектування технологічних систем; множини технологічних способів керування продуктивністю; виникнення і обліку похибок механічної обробки;

- математичну модель фасонної поверхні, що призначена для експлуатації у високопродуктивних гнучких технологічних системах і відрізняється від існуючих моделей збільшенням рівня інформативності та обраховуваності;

- технологію створення формотворного технологічного оснащення, що забезпечила скорочення циклу технологічної підготовки виробництва лопаток енергетичних машин.

Одержала подальший розвиток теорія створення технологічних систем за рахунок розроблення класифікації рівнів їхньої варіативності.

Практичне значення отриманих результатів. Результати всіх складових комплексу виконаних у дисертації теоретичних і експериментальних досліджень впроваджені на ДП «Інститут машин і систем» (м. Харків), ВАТ «Мотор Січ» (м. Запоріжжя), ВАТ «Турбоатом»
(м. Харків), Державному авіаційному виробничому підприємстві (м. Харків), ДП завод «Електроважмаш» (м. Харків), ВАТ «Автрамат» (м. Харків), реалізовані в нових технологічних рішеннях, методиках проектування та організації високопродуктивних гнучких технологічних систем для виготовлення фасонних деталей енергетичних машин, у тому числі більше двадцяти типів лопаткових машин (газових і парових турбін, осьових і відцентрових компресорів, повітряних і гребних гвинтів). У результаті отримане значне скорочення трудомісткості та підвищення якості серійного і дослідного виробництва лопаток.

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертації, винесені на захист і викладені у 38 роботах отримані здобувачем особисто. Дванадцять із цих робіт [4, 8, 12-15, 20-22, 25, 32, 33] не мають співавторів. П'ять робіт [1, 3, 29-31] написані в співавторстві з науковим консультантом, разом з яким здійснені постановка завдань та аналіз результатів досліджень. Особистий внесок здобувача у роботи, опубліковані з іншими співавторами, зазначений у списку публікацій.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на Всесоюзній нараді «Алгоритмічне забезпечення машинно-орієнтованого виробництва» (Рибаче, 1989); Міжнародній конференції «Відкриті інформаційні та комп'ютерні інтегровані технології» (Харків, 1998); Міжнародній конференції «Високоефективні технології в машинобудуванні» (Київ, 1998); 5-му Міжнародному науково-технічному симпозіумі «Авіаційні технології XXІ століття» (Жуковський, Росія, 1999); Галузевій нараді «Інформаційні технології в наукоємному машинобудуванні» (Запоріжжя, 2000); 3, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 13-му Міжнародних конгресах двигунобудівників (Рибаче, 1998, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006, 2008); 11, 15, 16, 17, 18-й Міжнародних конференціях «Нові технології в машинобудуванні» (Харків, 2002, 2005, 2006, 2007, 2008); 3-й Міжнародній конференції «Розвиток наукових досліджень» (Полтава, 2007); розширеному засіданні кафедри технології машинобудування і ремонту машин Національного автомобільно-дорожнього університету (Харків, 2009); 16-й Міжнародній конференції «Машинобудування і техносфера XXІ століття» (Севастополь, 2009).

Публікації. По темі дисертації опубліковано більше 50 наукових праць. Основні результати представлені в 27 статтях [1-27] у наукових виданнях, визначених ВАК України для публікації результатів дисертаційних робіт; одному патенті України [28]; шести публікаціях у збірниках доповідей і тез науково-технічних конференцій [29-34]; одній статті в книзі [35]; трьох статтях в іноземних виданнях [36-38].

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, восьми розділів і висновків. Повний обсяг дисертації становить 450 сторінок, у тому числі 105 ілюстрацій по тексту, 6 ілюстрацій на 6 сторінках, 18 таблиць по тексту, 2 таблиці на 2 сторінках. Список використаних літературних джерел із 405 найменувань на 40 сторінках, 3 додатків - на 70 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі «Аналіз стану виробництва лопаткових машин і постановка завдання дослідження» проведено аналіз сучасного рівня виробництва енергетичних лопаткових машин. Показано, що вирішення проблеми підвищення ефективності виробництва і конкурентоспроможності продукції пов'язане зі створенням високопродуктивних гнучких технологічних систем (ВГТС). У результаті аналізу виявлені невирішені питання, сформульовані мета і завдання дослідження.

Фундаментом даного дисертаційного дослідження слугують роботи Базрова Б.М., Без'язичного В.Ф., Балабуєва П.В., Беляніна П.Н., Бобиря М.І., Богуслаєва В.О., Братухіна А.Г., Внукова Ю.М., Гавриша А.П., Грабченка А.І., Гребеникова О.Г., Дальського А.М., Долматова А.І., Єлисєєва Ю.С., Жолткевича М.Д., Зенкіна А.С., Капустіна М.М., Ковалевського С.В., Костюка Г.І., Кривова Г.О., Кривцова В.С., Мако Д., Месаровича М.Д., Митрофанова С.П., Михайлова О.М., Мовшовича О.Я., М'ялиці А.К., Омельченка В.І., Петракова Ю.В, Подзея А.В., Подригало М.А., Проволоцького О.Є., Равської Н.С., Родіна П.Р, Соломенцева Ю.М., Суслова А.Г., Такахари І., Тернюка М.Е., Тимофієва Ю.В., Тітова В.О., Щедровицького Г.П. та інших. У роботах цих авторів розглянуті загальносистемні питання створення об'єктів техносфери та теоретико-методологічні основи сучасної технології машинобудування.

ВГТС - це сукупність функціонально взаємозалежних прецизійних технічних засобів, пріоритетних наукоємних технологій, кваліфікованого персоналу, яка призначена для перетворення предмета виробництва із початкового стану в стан із необхідними властивостями, що забезпечує несуперечливе сполучення властивостей продуктивності та гнучкості. Головне завдання створення ВГТС - подолання протиріччя між продуктивністю та гнучкістю.

Предметом виробництва ВГТС може бути не тільки речовина або енергія, але й інформація. Це особливо актуально зараз, коли у зв'язку з розвитком комп'ютерної техніки інформаційний ресурс виступає як реальна альтернатива матеріальному і енергетичному ресурсу при вирішенні будь-якої технологічної проблеми. При цьому автоматизація підготовки виробництва часто дає більшу віддачу, ніж автоматизація самого виробництва.

Пріоритетні наукоємні технології базуються на фундаментальних дослідженнях, в області природничих і технічних наук, що дозволяють вибрати ефекти, які здатні реалізувати технологічні функції, і створити нові або комбіновані високопродуктивні методи обробки.

У виробництві лопаткових машин до таких технологій належать: багатокоординатне програмне керування формоутворенням деталей складної форми (моно колеса, лопатки); високошвидкісне фрезерування і шліфування; високопродуктивна немеханічна обробка (точне лиття і штампування, лазерне різання, холодне вальцювання, електроерозійна та електрохімічна обробка); швидке прототипування; автоматизація контролю (контрольно-вимірювальні машини, машини технічного зору, лазерна інтерферометрія); нанесення захисних покриттів та інші.

Важливими ознаками ВГТС є системна побудова, організація поточно-просторової схеми функціонування, комплексна автоматизація виробництва та комп'ютеризоване технологічне середовище.

Системна побудова визначає взаємозв'язок, взаємодію всіх основних явищ, процесів, елементів і параметрів технологічної системи з неодмінною структурною та параметричною оптимізацією.

Поточно-просторова схема функціонування передбачає одночасну паралельну організацію потоків деталей, пристосувань, інструментів, засобів контролю керуючих впливів та ін.; багаторівневе розміщення устаткування та об'ємні схеми маршрутизації; підвищення концентрації та паралелізму технологічних зон оброблення.

Комплексна автоматизація базується на комп'ютерному керуванні всіма процесами проектування, виготовлення і складання, на фізичному і математичному моделюванні, загальному аналізі моделей процесу і його складових. Наявність розглянутої ознаки вимагає системного підходу до її комп'ютерно-інтелектуального середовища: переходу до систем CAD/CAM/CAE у проектуванні та до програмно керованих технологічних процесів у виробництві.

У науковій літературі для позначення концепції комплексної автоматизації виробництва з'явилося поняття - машинно-орієнтоване виробництво, яке на наш погляд точно відбиває тенденції вдосконалення та розвитку машинобудування у зв'язку зі створенням ВГТС. Основою машинно-орієнтованого виробництва є просторова математична модель деталі - аналітичний еталон (анет). Така модель повинна містити повну інформацію про деталь, бути атестованою як еталон і супроводжувати виріб протягом всього його життєвого циклу.

На відміну від простих форм комп'ютерного документообігу, заснованого на використанні електронних образів паперових документів, анет не має прямих аналогів у паперовому документообігу, але здатний замінити креслення і будь-який інший еталон, що використовується у машинобудуванні при передачі форм і розмірів деталей від конструкторського задуму до матеріального втілення.

Повні ВГТС призначені для реалізації всього життєвого циклу і забезпечують сполучення прецизійності, продуктивності та гнучкості.

У той же час більшість прийнятих технологічних рішень зі створення ВГТС базується на евристичних методах і не позбавлено суб'єктивізму. У нечисленних поки публікаціях з питань створення ВГТС підкреслюється, що найменш вивченою є методологія формалізованого синтезу як систем у цілому, так і їхніх структурних елементів у різних галузях машинобудування.

Для вирішення цієї проблеми потрібні нові підходи та системні математичні дослідження, що включають рішення сформульованих завдань даної роботи.

У другому розділі «Теоретичні аспекти створення високопродуктивних гнучких технологічних систем» розроблено методологію формалізованого проектування ВГТС і досліджені загальні закономірності зміни принципів конструкторсько-технологічного забезпечення машинобудування при зміні засобів і способів виробництва. Результати опубліковані в роботах [1 - 6, 29 - 31]

Для створення методології формалізованого проектування скористаємося системним підходом. Потрібні конкретні ясні цілі, етапи, принципи, критерії, показники і міри, що визначають ефективність проектування. Щоб зрозуміти, що варто робити, потрібно системне, цілісне уявлення про об'єкт. А для розуміння явищ і процесів, та керування ними, треба вміти виділяти структури і параметри, що визначають їх перебіг, та виявляти взаємозв'язки між ними. Накопичений запас знань і досягнутий сучасною наукою рівень дозволяють виділяти окремі властивості, перебуваючи в межах будь-якої наукової дисципліни. Насамперед , необхідно враховувати та використовувати можливості точних наук. У той же час питання ефективності створюваних систем занадто складні, щоб їх вирішувати з позицій чисто технічних парадигм. Тому не можна забувати природно-наукові закони і соціально-філософські аспекти проблеми, що розглядається. На рис. 1 показана трирівнева структура процесу створення технологічних систем.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Метод заснований на одержанні інтегральної функції системи, її циклічності та обмежень, проведенні її декомпозиції на складові елементарні функції та здійсненні конкретизації структур і параметрів, які дозволяють одержати моделі систем, достатні для їхньої практичної реалізації детермінованими процедурами.

На першому рівні вирішуються завдання визначення: сфери застосування інновацій (СФ); призначення створюваного об'єкта (ПР); загальної інтегральної функції інновації (F), що у свою чергу розкладається на множину елементарних функцій системи - f_i i {1, N}. Дані процедури синтезу передбачають застосування знань соціально-гуманітарних наук.

Кожна з функцій системи може реалізуватися за допомогою різних фізичних (математичних, хімічних, біологічних і ін.) ефектів. Тому на другому рівні визначаються кластери К_i ефектів Е_ij, які детермінують принцип дії технічної інновації. Це сфера застосування знань природничих наук.

На третьому рівні використовуються знання власне технічних наук, де визначаються технологічні процеси T_i і забезпечується структурно-параметричне проектування елементів технічної системи ST_i, з яких складається загальна структура (S ). Тут П_ij - параметри елементів системи.

Процес системного аналізу завершується перевіркою загальної структури системи на відповідність заданим умовам комунікації S_Д.

На основі цієї структури розроблено узагальнену послідовність етапів конкретизації атрибутів технологічних систем (рис. 2), у якій використовується принцип інформаційної співпідпорядкованості етапів.

На перших двох етапах вирішується завдання визначення області застосування і призначення технологічної системи (ТС). На третьому етапі задається загальна інтегральна функція системи із зовнішніми критеріями оптимізації та обмеженнями і здійснюється декомпозиція цієї функції.

На четвертому етапі кожній елементарній функції ставиться у відповідність один або кілька ефектів (принципів дії), здатних реалізувати задані функції або їхні об'єднання.

У результаті процесного етапу (етап 5) отримується інформація про ієрархію структур функціонально-часових перетворень і створюються технологічні процеси. Визначення структур елементів ТС (етап 6) відбувається шляхом постановки у відповідність кожному етапу процесу уніфікованої структури техніки (устаткування, оснащення, інструментів), що відповідає необхідному рівню механізації, автоматизації та інформатизації виробництва, з наступним об'єднанням уніфікованих структур з урахуванням інформації про задані обмеження. Конкретизація структур дозволяє перейти до параметризації об'єктів (етап 7) шляхом створення математичних моделей, що відбивають умови взаємодії частин об'єктів між собою та із середовищем з урахуванням інформації про обмеження і критерії оптимальності. На даному етапі параметри системи розділяються на ті, які змінюються до моменту приведення системи у стан функціонування (конструктивні, у тому числі - налагоджувальні) і ті, які змінюються при функціонуванні системи (технологічні, у тому числі - параметри режимів).

Таким чином, процес створення ТС не є монолітним етапом. Він являє собою кінцеву множину кроків на шляху послідовної ітеративної розробки. При цьому послідовність кроків може змінюватись. Протиріччя між продуктивністю та гнучкістю ТС вирішується виходом у часові цикли верхніх ієрархічних рівнів. Вихід у ці цикли передбачає матеріалізацію підсистем, що їх реалізують.

Наведена узагальнена послідовність етапів проектування ТС дозволяє генерувати для даного рівня розвитку знань області можливих рішень, що відповідають критерію повноти, і тим самим забезпечувати одержання ефективних результатів. Слід зазначити, що більшість етапів проектування може бути формалізована.

Якщо визначити варіативність системи, як здатність змінювати свої атрибути і властивості під впливом зовнішніх або внутрішніх факторів, то кожному виду змінюваних атрибутів можна поставити у відповідність свій рівень варіативності системи. На підставі цього положення створена класифікація рівнів варіативності. Очевидно, що рівень варіативності збільшуються в міру ускладнення системи і визначається при її проектуванні з урахуванням критеріїв оптимальності та прийнятих обмежень.

При заданому впливі зовнішнього середовища, можна встановити наявність двох видів способів забезпечення варіативності ТС: зміна об'єктів виробництва; зміна засобів виробництва. На практиці застосовують обидва види, як правило, у їхньому сполученні. Зміна об'єктів виробництва найбільше часто здійснюється на етапі проектування з урахуванням принципів групової технології або на етапі відпрацьовування виробів на технологічність. Зміна засобів виробництва здійснюється на різних етапах життєвого циклу системи.

Можна виділити наступні рівні варіативності ТС.

Мінімальний рівень варіативності (на рівні параметрів режимів) мають жорсткі системи. Другий рівень варіативності відповідає параметрично гнучким системам, що допускають зміну параметрів налагодження. Третій рівень має місце, коли в системі змінюється структура елементів і зв'язки між ними. Така система називається структурно-гнучкою. Якщо система допускає зміну технологічного процесу без зміни видів застосовуваних ефектів, вона належить до четвертого рівня варіативності та називається процесно-гнучкою. На п'ятому рівні змінюються види застосовуваних ефектів і морфологія системи. Така система називається трансформерною. Рівні варіативності вище п'ятого визначаються атрибутами надсистеми. Зміна функцій системи переводить її в клас багатофункціональних (шостий рівень). Сьомий рівень відповідає системам з множиною призначень, а восьмий - багатосферним системам, у яких варіюється область застосування.

Таким чином, ТС можуть мати різні рівні варіативності, обумовлені можливостями зміни структур і параметрів, а також видом змінюваних атрибутів системи. Необхідний рівень варіативності визначається при синтезі систем з урахуванням критерію оптимальності та прийнятих обмежень.

Далі сформульовані принципи підвищення продуктивності ТС.

Множина можливих способів забезпечення необхідної продуктивності ТС являє собою декартовий добуток безлічі прийомів, на яких базується створення нової техніки (М_пр), і множини функцій, що визначають тривалість робочого циклу технологічної системи (М_ф), тобто М_сп = М_пр Ч М_ф. Множину прийомів утворить тріада: виключення (И_c), зменшення (У_м), сполучення (С_м), тобто М_пр = {И_c , У_м , С_м}.

Множину функцій утворить тріада: основні дії (О_д), допоміжні дії (В_д), простоювання (П_р), тобто М_ф = {О_д , В_д , П_р}. На основі аналізу множини М_сп, сформульовані та обґрунтовані теоретичні принципи підвищення продуктивності:

- передпроектне зменшення та сполучення основних і допоміжних дій (застосування способів У_м О_д, У_м В_д, С_м О_д, С_м В_д);

- забезпечення максимальної безперервності виробничих процесів (застосування способів И_с П_р та У_м П_р);

- максимальне сполучення допоміжних дій з основними діями та вимушеними простоями (застосування способів С_м В_д та С_м П_р,);

- забезпечення оптимальної концентрації та інтенсифікації основних дій (застосування способів С_м О_д та У_м О_д);

- оптимізація рівня інтенсифікації допоміжних дій (застосування способів И_с В_д та У_м В_д).

Перераховані принципи охоплюють всі способи, що входять у множину М_сп. Повнота способів дозволяє здійснювати оцінку ступеня досконалості існуючих і розроблювальних ТС, виходячи з того, наскільки в них реалізовані ці принципи.

Вихід у верхній ієрархічний рівень моделі створення технологічних систем дозволив виявити закономірності зміни інформаційного забезпечення машинобудівного виробництва при зміні засобів і способів виробництва (табл. 1).

Як відомо, на етапі виникнення машинобудування головним засобом виробництва була система машин і технологія механічної обробки. У результаті цього процесу з'явився поопераційний поділ праці, а основою способу виробництва стало ручне керування системою машин.

Сучасний етап розвитку промисловості характеризується широким впровадженням кібернетичних методів і комп'ютерних засобів, що вимагає якісно нової організації виробництва, зміни його структури і характеру праці. Кінцева мета цього етапу розвитку - становлення способу виробництва, основою якого стане програмне керування системою машин.

У кожній виробничій системі засобом праці служить система машин, керована людиною. Однак у старій системі відбувається безпосередня взаємодія людини з керованим нею знаряддям праці (верстатом, вимірювальним або креслярським приладом), а в новій - функція безпосередньої взаємодії зі знаряддям праці (машиною) передається також машині, але кібернетичній. Тому людина в такому виробництві управляє тільки кібернетичними машинами.

Порівняльні характеристики способів виробництва Таблиця 1

Спосіб виробництва	Кустарний	Людино-орієнтований	Машинно-орієнтований
Виникнення	2 е тис. до н. э.	кінець XVIII в.	початок XXI в.
Поділ праці	Міжгалузеве	Поопераційне
Основа виробництва	Безпосередня праця	Ручне керування системою машин	Програмне керування системою машин
Поданняінформації	Графічне	Чисельне
Мова геометричногомоделювання	--	Нарисна геометрія	Аналітична геометрія
Носійформ і розмірів	Рисунок	Креслення	Аналітичний еталон (анет)

Матеріальне втілення задуму нового виробу у старій системі залежить від здатності робітника достовірно сприйняти інформацію про виріб і трансформувати її в ручне керування верстатом. Тому мова подання інформації про виріб повинна бути пристосована до органів чуття людини. Для цієї мети підходить креслення виробу, створене мовою нарисної геометрії, що стала основним еталонним носієм інформації про форму, розміри і властивості виробу.

Навпаки, у новій системі завдання людини полягає в забезпеченні інформацією про виріб керуючої верстатом кібернетичної машини, принцип роботи якої заснований на використанні інформації в чисельній формі. Для цього потрібна інша мова (аналітична геометрія) і новий еталонний носій інформації про виріб - аналітичний еталон. Теоретичною основою цього твердження є існування ізоморфізму між обчислювальною математикою, що оперує числами, і аналітичною геометрією, об'єктами якої є точки.

При аналізі характеристик різних способів виробництва звертає на себе увагу співпадіння у часі виникнення людино-орієнтованого виробництва, понять «технологія» та «креслення», створення науки - нарисної геометрії. Аналогічно, з різницею у два століття, виникнення машинно-орієнтованого виробництва співпадає зі створенням систем комп'ютерного моделювання об'єктів мовою аналітичної геометрії та появою понять «інформаційна технологія» і «аналітичний еталон». Таке порівняння доводить, що створення ВГТС вимагає не тільки нових кібернетичних засобів праці та нового рівня підготовки кадрів, але і нової концепції забезпечення конструкторсько-технологічною інформацією. Традиційне креслення повинно бути замінене аналітичним еталоном.

З огляду на те, що у сучасному машинобудуванні присутні характерні елементи двох способів виробництва, можна стверджувати, що нинішній етап розвитку машинобудування персоніфікує перехідний період від людино-орієнтованого до машинно-орієнтованого способу виробництва.

Механізм становлення цілісності нового способу виробництва визначається діалектикою продуктивних сил і виробничих відносин, а також законами, що відбивають їхню єдність. Тобто характерною рисою і рушійною силою сучасного наукоємного машинобудування є протиріччя між машинно-орієнтованими продуктивними силами та людино-орієнтованими виробничими відносинами.

Протиріччя закладене в самій можливості двох форм передачі документації від конструктора у виробництво - у формі традиційного креслення, або у формі віртуального аналітичного еталона. Створення і супровід одночасно двох носіїв еталонної інформації одного виробу, заданих принципово різними способами, економічно невигідне і містить ризик втрати достовірності інформації. З цього випливає висновок про доцільність заміни креслення аналітичним еталоном.

З іншого боку, можна говорити про закономірність цього процесу, тому що протиріччя є внутрішнім джерелом саморозвитку будь-якої системи.

Усвідомлення цих явищ дає керівникам підприємств можливість здійснювати керуючі впливи щодо прискорення процесу, приводячи у несуперечливу відповідність технічне, конструкторське, технологічне, інформаційне і адміністративно-управлінське забезпечення виробництва.

Далі сформульовано принципи реорганізації потоку конструкторсько-технологічної інформації в перехідний період. Основний принцип полягає в тім, що у виробництво передається дублюючий пакет документів анет + креслення. Однак провідна роль належить анету, тому креслення створюється на основі анета, а не мавпаки. Інформаційний файл із анетом зберігається в комп'ютерній базі даних підприємства. Будь-яка зміна у кресленні приводить до зміни анета і навпаки.

Наприкінці розділу наведені приклади неефективного використання інструментів комп'ютерного моделювання у виробництві та сформульовані задачі, які необхідно вирішити підприємствам на першому етапі створення ВГТС.

У третьому розділі «Формоутворення великогабаритних лопаток у системі керування реального часу» розроблена адаптивна ВГТС реального часу для механічної обробки заготовок великогабаритних лопаток і лопатей. Результати розділу опубліковано в роботах [7 - 10, 32].

При розробленні технологічних процесів програмно-керованої обробки фасонних поверхонь великогабаритних лопаток виникає проблема, яка пов'язана з неможливістю уведення корекції на геометрію інструмента та необхідністю зберігання керуючих програм з дуже великим обсягом інформації.

Вирішити проблему дозволяє адаптивна керуюча система, що змінює траєкторію руху інструмента і режими різання, залежно від зношування інструмента, похибки в позиціонуванні деталі та ін. Для цього верстат оснащується процесором, що забезпечує розрахунок траєкторії руху інструмента в реальному масштабі часу.

На сьогодні такі системи використовуються для формоутворення плоских контурів, що складаються з відрізків прямих і дуг кіл (колова інтерполяція, контурна обробка). Це пов'язане з відсутністю універсальної, інформативної та обраховуваної математичної моделі регулярної ділянки поверхні. Тут інформативність - це можливість зберігання параметрів моделі в малому обсязі пам'яті комп'ютера, а обраховуваність - наявність швидкодіючих алгоритмів розрахунку геометричних характеристик моделі.

Вирішення проблеми пов'язане з питаннями інтерполяції та апроксимації функції двох змінних. Як модель пропонується сплайн - функція S(u,v) a _u ? u ? b _u, a _v ? u ? b _v, рівняння якої має вигляд:

, (1)

де B_n(x) - нормалізований В- сплайн ступеня n дефекту 1; Ш (x) - зростаюча аналітична функція відображення;
C _{i j} - дійсні коефіцієнти; N - розмірність простору В- сплайнів.

Для n = 3 , k1 = k2 = 1, а формули В- сплайна і першої похідної мають вигляд:

Далі показані лінійна незалежність функцій B_n(x - i), які утворюють базис у просторі B-сплайнів, безперервність сплайн - функції S(u,v) і її n - 1 похідних, а також інші важливі властивості, що дозволяють звести завдання геометричного моделювання поверхні до визначення коефіцієнтів C _{i j}.

Для визначення коефіцієнтів C _{i j} використовується метод множників Лагранжа з мінімізацією функціонала

де л_k - множники Лагранжа, (u_k, v_k, f_k) - таблично-задана функція.

Завдання зводиться до послідовного вирішення ряду систем лінійних рівнянь, із симетричною позитивно-визначеною стрічковою матрицею.

Найпростіша функція відображення - Ш(x) = x. Нелінійні функції використовуються, коли необхідно скоротити кількість коефіцієнтів в інформаційному масиві математичної моделі. Для визначення оптимальних нелінійних функцій відображення вирішене завдання варіаційного обчислення.

Модель створюється один раз. Зберігати необхідно коефіцієнти C _{i j} плюс 14 чисел. У такий спосіб доведена інформативність моделі. Обраховуваність доведемо на прикладі обчислення похідній у довільній точці (u₀, v₀).

. (2)

Завдяки фінітності В- сплайн, відмінні від нуля тільки (n + 1)² доданків.

При n=3 формула (2) завжди містить тільки 16 доданків і легко обраховується.

Для порівняльної оцінки якості моделі проведений експеримент. Поверхня, яка задана 27 перерізами по 16 точок у кожному, була змодельована чотирма різними способами: інтерполяція всіх точок поверхні; інтерполяція точок перерізів з апроксимацією отриманих кривих; апроксимація перерізів з інтерполяцією кривих; апроксимація перерізів з апроксимацією кривих. Потім для кожної моделі у двох відомих системах MILLING та MACHINIST був проведений розрахунок траєкторії руху фрези. На тім же комп'ютері, з тією же кількістю кадрів, розрахована траєкторія по моделі (1). Результати експерименту зведені у таблицю. сплайн

Створена ВГТС реального часу для фрезерування пера лопаток, які мають велику довжину і малу товщину. Для компенсації пружних деформацій заготовки, застосовано фрезерування поверхонь двома фрезами одночасно на модернізованих верстатах 4ФСЛ-8П, які призначені для двостороннього фрезерування лопаток довжиною до 1000 мм (рис 3).

Фрезерування здійснюється дисковими фрезами Ш 270^-20.000 або Ш 230^-20.000. Після кожного переточування діаметр фрези зменшується на 0.2 ... 0.5 мм.

Метод	max д (мм)	Пам'ять (Кб)	Тривалість (сек)
			MIL	MACH
1	0	407	187	92
2	0.06	22.8	150	67
3	0.52	40.4	255	112
4	2.3	2.9	103	103
Новий	0.001	1.5	3

Тут д - відхилення математичної моделі від вихідних точок каркаса (характеризує точність моделювання). Отримані результати доводять значну перевагу нової математичної моделі. Для роботи з нею досить мати комп'ютер невеликої потужності. Обмеження на форму завдання сітки функції, яка моделюється, відсутні.

Для оброблення лопаток обраний технологічний процес, що складається із чорнового фрезерування із припуском 1 мм, з наступним напівчистовим і чистовим фрезеруванням відповідно із припуском 0.4 мм і 0.1 мм. Такий техпроцес дозволяє досягти мінімальної деформації лопатки за рахунок часткової компенсації зусиль різання. Шліфування пера на стрічково-шліфувальному верстаті повністю виключає ручне припасування профілю.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На кожному етапі фрезерування здійснюється за три операції: коренева частина пера і полиця замка; середня частина пера і нижні поверхні антивібраційних полиць; кінцева частина пера і верхні поверхні полиць. Для обробки лопатки затрадиційною технологією необхідно було б створити 18N керуючих програм, де N ? 100 - кількість переточувань інструмента.

Для оснащення верстата системою керування реального часу до пристрою керування «Курс-332» розроблено технологічний пристрій CNC-10 на базі комп'ютера з тактовою частотою - 0.3 МГц; ємністю ОЗУ - 32 Кб; ємністю ПЗУ - 32 Кб.

В ПЗУ записано програми розрахунку координат центра фрези і керування рухом фрезерувальних голівок верстата. До ОЗУ уводяться геометричні та технологічні дані обробки (математичні моделі поверхонь; розміри базування лопатки на верстаті; припуск, частота обертання фрези, величини подач, вид траєкторії та ін.). Перед обробленням кожної лопатки, у ВЧПК вводиться фактичний діаметр фрези. З пульта можна також відкоригувати інші параметри обробки.

Пристрій забезпечив розрахунок траєкторії інструмента безпосередньо на верстаті в режимі реального часу, коли черговий кадр переміщення фрези розраховується протягом часу відпрацьовування попереднього кадру.

Використання у ВГТС комп'ютера, з низькою швидкодією і малим обсягом пам'яті доводить, що технологічні характеристики високої якості мають методи математичного моделювання фасонних поверхонь і розрахунку траєкторії різального інструменту, які також успішно працюють на сучасній обчислювальній техніці.

Для виготовлення лопатей дерев'яних повітряних гвинтів до поршневих двигунів малої потужності створена ВГТС на базі верстата МА-655, оснащеного системою керування з процесором ІBM PС-386. На стендових випробуваннях гвинти показали тягу більше розрахункової, що доводить важливість точного і стабільного виготовлення фасонних поверхонь лопатевих машин.

Таким чином, вирішена проблема підвищення продуктивності виготовлення великогабаритних лопаток і лопатей. При цьому також підвищилася точність і стабільність формоутворення, надійність роботи устаткування і термін служби інструмента, відпала необхідність підбирання інструмента під наявну програму і розрахунку програми для наявного інструмента, виключена необхідність використання керуючої програми на будь-якому фізичному носії.

У четвертому розділі «Бітангенціальна обробка моноколіс» розроблено методологію бітангенціальної механічної обробки поверхонь лопаток осьових і відцентрових коліс компресорів і турбін на верстатах із ЧПК. Результати розділу опубліковано в роботах [11 -16, 33].

П'ятикоординатне фрезерування, характерне тим, що в кожному кадрі КП змінюється не тільки просторове положення інструмента щодо деталі, але й орієнтація вісі обертання. При цьому використовується обробка кінцевою частиною інструмента і обробка бічною частиною. У першому варіанті контакт фрези з оброблюваною поверхнею точковий, а в другому - лінійний. Комбінований метод (рис. 4) називається бітангенціальної обробкою, котра забезпечує багаторазове зростання продуктивності у порівнянні із точковим спіральним фрезеруванням за рахунок меншої кількості рядків траєкторії та підвищення якості оброблюваної поверхні за рахунок відсутності міжрядкових гребінців.

Вирішено завдання позиціонування фрези з торовим торцем при бітангенціальної обробці. Геометрія фрези задається параметрами (D, R, в) (рис. 4). Показано, що для поверхні, що розгортається, завдання має єдине рішення.

Одиничний вектор осі фрези визначається векторним співвідношенням де - матриця, , - одиничні вектори твірної прямої поверхні, що розгортається, і нормалі до поверхні в будь-якій точці на твірній прямій. .

Координати точки центра тора фрези, що торкається поверхні S, заданої параметричним рівнянням , знайдемо з рішення завдання , де ,



N_TC, A_TC - поточні координати точки центра тора в системі (r_N, r_A, r_P).

Результати експерименту з оброблення поверхонь крильчатки і відцентрового колеса (рис. 5.3), підтвердили вірогідність теоретичних моделей та високу продуктивність бітангенціальної обробки.

Вирішено завдання синтезу поверхонь, що розгортаються. Доведено, що лінійчата поверхня, побудована на базі двох ліній, одна з яких отримана шляхом масштабування і паралельного переносу іншої лінії, є конічною поверхнею, що розгортається. Представлено параметричне рівняння поверхні, коефіцієнтами якого служать величина масштабування і координати вектора переносу. Виведено рівняння кусково-конічної поверхні, що складається з довільного числа ланок, і розроблений алгоритм її синтезу. Чисельні експерименти підтвердили теоретичні висновки.

При бітангенціальній обробці поверхонь, що не розгортаються, точне рішення завдання визначення лінії контакту з бічною поверхнею фрези неможливе. Тому представлено наближене рішення.

Нехай заданій оброблюваній поверхні S₀ належить деяка множина просторових кривих L і нехай одній із цих кривих, обраній базовою, належить точка Т. Тоді, варіюючи положенням вектора вісі конуса дотичного базовій кривій в точці Т, мінімізуємо відхилення поверхні конуса від інших кривих множини L.

, (3)

де - мінімальна відстань від вісі обертання фрези до кривої ?(t), вимірювана перпендикулярно вісі фрези; R0 - радіус конуса фрези в площині виміру д; w > 0 - ваговий коефіцієнт.

Координати центра тора фрези знайдемо, мінімізуючи функцію

,

де N_TC, OS_TC, A_TC - поточні координати крапки центра тора в системі (r_N, r_A, r_P).

У результаті рішення завдання (3) на кожній кривій ?_i визначиться точка Т_i, від якої відстань до вісі обертання фрези буде мінімальною. Наприкінці загального ітераційного процесу множина точок Т_i визначить лінію контакту бічної поверхні фрези з оброблюваною поверхнею. Очевидно, що в загальному випадку точки Т_i не лежать на одній прямій. Тому контакт фрези з оброблюваною поверхнею здійснюється по кривій лінії, що значно розширює можливості бітангенціальної обробки.

Експериментальна перевірка методу проведена на колесі турбіни (рис 5.2) Для ускладнення умов експерименту вибрана фреза з максимально можливим при обробці міжлопаткового простору діаметром 12 мм. У результаті рішення завдання (3) отримана траєкторія руху фрези. Відхилення сформованою фрезою поверхні від теоретичної не перевищує 0.007 мм, що в 20 разів менше допуску на виготовлення пера лопатки.

Таким чином, експеримент підтвердив можливість бітангенціального фрезерування поверхонь лопаток, що не розгортаються, з високою точністю.

На рис. 5.1 показано, криву лінію контакту фрези з поверхнею лопатки.

Рис. 5.2. побічно підтверджує твердження про високу продуктивність бітангенціальної обробки, тому що фреза в п'яти статичних положеннях заповнює більше половини обсягу міжлопаткового простору колеса турбіни.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таким чином, вирішене завдання підвищення продуктивності механічної обробки поверхонь лопаток моноколіс. Позитивний ефект отриманий за рахунок застосування бітангенціальної обробки замість точкового спірального фрезерування і за рахунок синтезу поверхонь, що розгортаються.

У п'ятому розділі «Підготовка виробництва лопаток турбін методом аналітичних еталонів» удосконалено методологію підготовки виробництва лопаток із жароміцних сталей і сплавів. Результати опубліковані в роботах [15 - 19, 28].

Застосування для виробництва охолоджуваних лопаток турбін (рис. 6.1) пріоритетної наукоємної технології точного лиття зі спрямованою кристалізацією пов'язане з підвищенням ефективності процесу проектування та виготовлення формотворного оснащення - модельних і стрижневих прес-форм.

Модельні прес-форми для пресування з воску моделей, що виплавляються, можуть виготовлятися з різних матеріалів від - сталі до епоксипластів.

В стрижневих прес-формах пресуються стрижні з кераміки (рис. 6.2). Тому для їхнього виготовлення завжди використовується інструментальна сталь.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для виготовлення металевих деталей прес-форм застосовується пріоритетна наукоємна технологія програмно-керованої об'ємної електроерозійної обробки без наступної механічної обробки та слюсарного доведення. Електроди фрезеруються на верстатах із ЧПК. Робоча поверхня електрода повинна відрізнятися від оброблюваної поверхні на величину ерозійного проміжку (еквідистанта ~ 0.2 мм). Очевидно, що для проектування еквідистантної поверхні електрода важливіше мати анет поверхні прес-форми (рис. 6.3), ніж найдетальніше креслення. Аналогічно при розрахунку керуючих програм фрезерування електродів, важливіше мати анет електрода, ніж його креслення. Тобто, існуючому виробництву притаманне протиріччя, яке полягає у тому, що робочі креслення прес-форм виявляються або незатребуваними (у випадку наявності анету у складі КД), або непридатними для розробки електродів і КП (у випадку відсутності анету).

Протиріччя знімається, якщо створення прес-форм здійснювати методом аналітичних еталонів. Суть методу полягає у виготовленні лопаток і формотворного оснащення на програмно-керованому устаткуванні без традиційних еталонних носіїв конструкторсько-технологічної інформації (робочих креслень, плазів, таблиць координат, контрольних зразків). При цьому єдиним носієм і джерелом інформації про геометрію будь-якої деталі стає анет. Робоче креслення замінюється документом, що засвідчує передачу деталі у виробництво, і відсутньою в анеті інформацію: технічні вимоги, допуски і посадки, шорсткість, підписи і т.п.

...