Автоматизация структурного синтеза конструкций специальных станочных приспособлений для механической обработки Половинкин Алексей Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы. Проектирование и изготовление специальных станочных приспособлений (ССП) для механической обработки деталей и сборочных единиц (ДСЕ) для изделий авиадвигателестроения и машиностроения (далее, изделий) в условиях мелкосерийного или серийного производства предприятий (далее, предприятий) обладает следующими особенностями: 1) обеспечение высокой требуемой точности изготовления ДСЕ; 2) сложность и разнообразие конструкций ДСЕ. Это приводит к существенным ограничениям применения универсальных станочных приспособлений (СП), а также к необходимости проектирования множества видов СП и усложнению их конструкций; 3) использование разнообразных технологий изготовления ДСЕ. Это обуславливает разнообразие применяемых видов и конструкций СП; 4) применение труднообрабатываемых материалов ДСЕ. Например, при механической обработке ДСЕ, возникают значительные силы резания, которые повышают требования к жёсткости и прочности СП, а также усложняют конструкцию СП.

Анализ существующих бизнес-процессов (БП) проектирования и изготовления ССП выявил преобладание рутинных функций при проектировании ССП, осуществляемых с помощью базовых (стандартных) возможностей локального программного обеспечения (ПО) CAD(Computer Aided Designer)-систем (включая применение схемы «конструкция-прототип»), что приводит к одновременному увеличению прямых и косвенных затрат в себестоимости изготовления ССП для ДСЕ изделий.

Таким образом, актуальной является задача создания и экспериментальной апробации на предприятиях ПО CAFD(Computer Aided Fixture Design)-системы, предназначенной для автоматизации структурного синтеза конструкций ССП для механической обработки ДСЕ изделий.

Актуальность научной задачи диссертации также подтверждается её поддержкой в проектах Государственных заданий Министерства образования и науки РФ на выполнение научно-исследовательской работы №8.313.2014К (2014-2016 г.г.) и №11.6893.2017/БЧ (2017-2019 г.г.).

Целью работы является разработка моделей и методов создания ПО CAFD-системы, предназначенной для автоматизации структурного синтеза конструкций ССП для механической обработки ДСЕ изделий.

Для достижения цели потребовалось сформулировать и решить следующие исследовательские задачи:

1. провести системный анализ отечественных и зарубежных научных исследований в области методологий проектирования СП для производства ДСЕ изделий, а также результатов практической апробации этих исследований на предприятиях. Исследовать возможность применения вышеуказанных методологий для решения сформулированной цели исследования;

2. разработать объектно-ориентированную функциональную модель CAFD-системы на основе результатов реинжиниринга существующих БП проектирования и изготовления ССП для механической обработки ДСЕ изделий на предприятиях, а также интеграции этапов функционального моделирования (включая определение структуры CAFD-системы) и создания ПО CAFD-системы;

3. на основе функциональной модели разработать математическое обеспечение CAFD-системы, включающее в себя: формализованное описание прямой и обратной задач структурного синтеза конструкций ССП, структурно-математические модели, методы и алгоритмы для определения выходных параметров ССП; информационную модель CAFD-системы;

4. на основе предложенных моделей разработать ПО CAFD-системы, практически реализующей в едином информационном пространстве (ЕИП) задачу автоматизированного структурного синтеза конструкций ССП для механической обработки ДСЕ изделий, а также программное взаимодействие на уровне управления и наборов данных с интегрированной автоматизированной информационной системой (ИАИС) предприятия. Выполнить экспериментальные исследования и практическую апробацию ПО CAFD-системы, разработанной на основе предложенных моделей (функциональной, структурно-математической и информационной моделей и соответствующих методик).

Объект исследования – модели и методы решения задачи структурного синтеза конструкций ССП для механической обработки ДСЕ изделий. Предметная область исследования – техническая подготовка механообрабатывающего производство ДСЕ изделий на предприятиях.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы системного анализа и проектирования ПО систем автоматизированного проектирования (САПР), фундаментальные положения технологии машиностроения, теория базирования, теория размерных цепей, методы проектирования СП, методы CASE (Computer-Aided Software Engineering)-технологий, методы функционального и информационного моделирования, теория множеств, теория алгоритмов, методы объектно-ориентированного программирования, теория баз данных (БД), численные эксперименты для оценки эффективности предложенных моделей и методов и ряд других смежных научных дисциплин.

Результаты, выносимые на защиту:

1. новая задача автоматизированного структурного синтеза конструкций ССП на основе системного анализа реализованных методологий проектирования и изготовления различных видов ССП для ДСЕ изделий;

2. объектно-ориентированная функциональная модель CAFD-системы на основе результатов реинжиниринга существующих БП проектирования и изготовления ССП и формализованного описания этапов жизненного цикла проекта CAFD-системы, отличающаяся формулировкой прямой и обратной задач автоматизированного структурного синтеза конструкций ССП и методов их решения, определением набора выходных параметров для оценки качества конструкции ССП, полнотой и корректностью описания БП проектирования и изготовления ССП, а также интеграцией этапов функционального моделирования (включая определение структуры CAFD-системы) и создания ПО CAFD-системы;

3. математическое обеспечение CAFD-системы, отличающееся формализованным описанием структурно-математических моделей, методов и алгоритмов решения прямой и обратной задач автоматизированного структурного синтеза конструкций ССП на основе определения выходных параметров (размерных, точностных, силовых и жесткостных) для количественной оценки качества конструкций ССП, а

также новым методом автоматического формирования параметрических трёхмерных геометрических моделей и комплекта конструкторской документации для ССП (сборочные и деталировочные чертежи, спецификации) с применением API(Application Programming Interface)-функций CAD-систем.

Научная новизна:

4. классифицирована новая задача автоматизированного структурного синтеза конструкций ССП, отличающаяся математическим описанием прямой и обратной задач автоматизированного структурного синтеза конструкций ССП для ДСЕ изделий;

5. разработана объектно-ориентированная функциональная модель CAFD-системы на основе результатов реинжиниринга существующих БП проектирования и изготовления ССП, отличающаяся тем, что формализовано описывает прямую и обратную задачи автоматизированного структурного синтеза конструкций ССП и методы их решения, выходные параметры для количественной оценки качества конструкций ССП, взаимодействие БП проектирования и изготовления ССП, а также интегрирует этапы функционального моделирования (включая определение структуры CAFD-системы) и создания ПО CAFD-системы;

6. разработано математическое обеспечение CAFD-системы. Математическое обеспечение отличается реализацией структурно-математических моделей, методов и алгоритмов решения прямой и обратной задач автоматизированного структурного синтеза конструкций ССП на основе определения выходных параметров (размерных, точностных, силовых и жесткостных) для оценки качества конструкции ССП, а также новым методом автоматического формирования параметрических трёхмерных геометрических моделей и комплекта конструкторской документации (сборочные и деталировочные чертежи, спецификации) для ССП с применением API-функций CAD-систем.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

ПО CAFD-системы Stalker MTA представляет собой законченный программный продукт, позволяющий повысить качество и существенно (до 96%) сократить сроки проектирования ССП для механической обработки ДСЕ изделий с помощью автоматизации структурного синтеза конструкций ССП на основе определения размерных, точностных, силовых и жесткостных параметров оценки качества конструкций ССП; реализации автоматического формирования параметрических трёхмерных геометрических моделей и комплекта конструкторской документации для ССП на основе применения API-функций CAD-систем, а также создания БД параметрических конструктивных элементов ССП; прямого и обратного программного интерфейса в ЕИП предприятия между ПО CAFD-системы Stalker MTA и ИАИС предприятия.

Реализация результатов работы. Выполненные разработки внедрены на предприятии ПАО «ОДК-Уфимское моторостроительное производственное объединение (ОДК-УМПО)» (Республика Башкортостан, г. Уфа).

Апробация работы. Основные результаты научных разработок, выполненных автором по теме диссертации, докладывались на международных и российских конференциях (форумах): «Теоретические и прикладные аспекты современной науки» (Белгород, 2014 г.); «Информационные технологии. Проблемы и решения» (Уфа,

2015 г.); «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2015 г.); «Инновации. Технологии. Производство» (Рыбинск, 2015 г.); «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий» (Уфа, 2015-2016 г.г.); «Компьютерная интеграция производства и ИПИ технологии» (Оренбург, 2015, 2017 г.г.); «Станкостроение и инновационное машиностроение. Проблемы и точки роста» (Уфа, 2018 г.); «Перспективные информационные технологии (ПИТ)» (Самара, 2015-2018 г.г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы и результатам исследований опубликовано 18 научных трудов, в том числе 3 статьи в журналах из «Перечня…» ВАК, 2 из которых индексированы в базе SCOPUS, 1 зарегистрированное Роспатентом программное средство.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из перечня основных сокращений и условных обозначений, введения, пяти глав, основных выводов и результатов, списка литературы (99 наименований) и приложения, выполнена на 210 страницах, включает 86 рисунков, 24 таблицы, 4 страницы приложений.