Введение к работе
Актуальность темы длссертаиии. Структурные изменения экономики, столь необходимые для промышленности России, невозможно провести без создания инфраструктуры профессионального инжиниринга. Эта концепция выдвинута и получила развитие в недрах научной школы профессора В.Г.Колосова и возглавляемой ни Международной академии технологической кибернетики (ннноватики). Высшая школа выступила с инициативой организации инновационно-финансовой отечественной инфраструктуры, через которую и должны выполняться "под ключ" экономически эффективные проекты, загружающие науку и промышленность России. Объединенные в сеть проектно-производственные центры инжиниринга ориентированы на единичное и мелкосерийное производство головных образцов наукоемких изделии и технологического оснащения, необходимого для выпуска товаров народного потребления. Обеспечивая быстрое и широкое внедрение таких центров по регионам, инжиниринг открывает еще не использованный в стране путь насыщения товарного рынка. Эффективность этого пути подтверждается мировым опытом развитых и развивающихся стран. Формирование инжиниринг-сети - механизма реализации научно-технических нововведений - позволит в 3 - 8 раз сократить полный цикл создания объектов и систем по схеме: маркетинг, технико-экономическое обоснование, комплектная поставка оборудования, инкубация коллектива специалистов, сдача "под ключ", сервисное сопровождение.
Результатом такой целенаправленнлной деятельности высшей школы явилась разработка и принятие федеральной инновационной программы "Российская инжиниринговая сеть технических нововведений (Инжини-рингсеть России)", утвержденной постановлениями Правительства РФ от 15 апреля 1994 г. N 322 и от 4 декабря 1995 г. N 1207. Программа предусматривает необходимый комплекс мер по формированию инжиниринг-сети путем создания инфраструктуры и инструментальных средств, в том числе развитие информационно-управляющих систем инжиниринга, создание инструментария для реализации сложных комплексных проектов и распространение проработанного опыта с поэтапным охватом регионов Российской Федерации по приоритетным направлениям развития. В процессе выполнения Программы формируется сетевая межрегиональная и межотраслевая инновационная инфраструктура, реализующая на местах проекты комплексного развития территорий России и профессиональное
выполнение_ннновационных комплексных проектов до внедрения-под
ключ". К настоящему времени в разных регионах России организованы и функционируют более ста инжиниринговых центров с головным центром в Санкт-Петербурге (ЦНИ при СПбГТУ). Центры работают в рамках инновационно-инвестиционного механизма, как экономической основы децентрализованного управления.
Качество выполнения конкретных проектов инжиниринговыми центрами или их специализированными подразделениями во многом определяется степенью развития их инструментария - механизма инжиниринга. Техническая политика здесь должна предусматривать достижение и превышение мирового уровня развития инструментария инжиниринга, в состав которого входит компьютеризированная среда управлення проектами с базами данных о выполненных проектах, технологиях, оборудовании! программных средствах, экспертах и возможных соисполнителях, включая зарубежных. Важное место также занимают современные сред-
ства автоматизированного проектирования и непосредственного создания подсистем проекта "под ключ".
Известно, что вспомогательное производство прежде всего является базой совершенствования производственного комплекса в целом. Его становление характеризуется феноменом авторазвитня, так как порождает положительную обратную связь на ускоренное создание новых автоматизированных систем. Единичный и мелкосерийный характер вспомогательного производства приводит к необходимости его развития на базе компьютеризированных проектно-пронзводственных систем со сквозным безбумажным циклом проектирования изделий заранее неизвестной номенклатуры. Предпосылками их создания явились работы таких ученых как П.Н.Беляннн, В.Г.Колосов, Н.М.Капустин, С.П.Мн-грофанов, В.М.Пономарев, ИЛ.Туккель и др.
В машиностроении суперннтегрнрованные проектно-пронзводствен-ные системы (СППС) и входящие в их состав интегрированные проект-но-пронзводственные системы (ИППС) должны решать следующие задачи: проектирование (расчеты и конструирование) оригинальных изделий, детален и необходимых для их изготовления средств технологического оснащения с использованием баз типовых деталей и сборочных единиц; технологическая подготовка производства с генерацией управляющих программ (У П) для станкове ЧПУ и выдачей технологической документации для многоцелевого оборудования; архивация проектных решений; реализация интерфейсов между подсистемами и с АСУ; изготовление опытных образцов изделии и средств технологического оснащения.
Круг задач, решаемых проблемно-ориентированными ИППС, может быть существенно расширен путем создания в их рамках при минимальных дополнительных затратах предметно-ориентированных программно-аппаратных комплексов, интегрирующих наряду с традиционными прогрессивные и интеллектуальные технологии. Поэтому актуальной,
носяшен межотраслевой характер, представляется задача разработки на концептуальном уровне методологии построения таких комплексов, как подмножеств типовой проблемно-ориентированной ИППС, и практическая реализация на этой основе комплексов, обеспечивающих реальные запросы промышленности России.
Связь работы с крупными научными программами и проектами. Те-матика многоплановых исследований в рамках рассматриваемой работы формировалась при решении научно-технических проблем, определенных программами и проектами совершенствования отечественного машиностроения:
-
"Российская инжиниринговая сеть технических нововведений" (Федеральная инновационная программа, утвержденная постановлениями правительства Российской Федерации от 15 апреля 1994 г. N 322 и от 4 декабря l995r.N 1207).
-
"Создание центров инженерного обеспечения машнностроитель-ных производств" (Постановление Совета министров РСФСР от 13.07.91 г., N 396).
-
"Технологии, производства и машины будущего. Компьютеризированные интегрированные производства" (Постановления Госкомитета по науке и технике от 11.03.90 г. N 179 и от 24.04.91 г. N 647).
-
"Оснащение машиностроительных предприятий гибкими производственными системами механообработки" (Распоряжение Совета министров СССР от 25.10.88 г. N 2118р).
-
"Компьютеризированные интегрированные производственные системы" (Минвузовская программа на 1990- 1993 г.г., задание 1.3. Приказ Г осударственного комитета СССР по народному образованию от 23.05.90 г. N 349).
-
"Авиационная технология" (Научные направления 03.01 и 04.02 на XII пятилетку. Совместные приказы Минавнапрома СССР и Минвуза РСФСР от 09.08.79 г. N 186/390 и от 09.04.80 г. N77/199).
7. Программа "Совместной работы на 1990 - 1995 г т. по проблемам комплексной автоматизации между Дрезденским техническим университетом и Ленинградский политехническим институтом" (задание 3.6), утвержденная ректорами упомянутых вузов.
Комплекс исследований, связанный с указанными программами, был проведен под руководством и/или при ведущем участии автора в Центре наукоемкого инжиниринга С-Петербургского государственного технического университета.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка методологии системного проектирования и создания предметно-ориентированных программно-аппаратных комплексов ИППС, способных обеспечить принципиально новый уровень развития и автоматизации единичного и мелкосерийного производства и, тем самым, обеспечить существенные предпосылки для развития многих технологических областей и приоритетных направлений исследований и разработок.
Достижение поставленной цели обеспечивается за счет решения следующих проблем: формирование методологии проектирования и создания программно-аппаратных комплексов с учетом их гибкости и адаптируемости; развитие идей концентрации на основе интеграции в рамках комплексов прогрессивных и интеллектуальных технологий; разработка математических моделей конкретных видов технологических процессов; определение совокупности ограничений основных варьируемых параметров, правил оценки вариантов, связей с основной функцией, методов решения; исследование влияния привходящих факторов на реализацию конкретных видов технологических процессов в условиях автоматизированного производства на программно-аппаратных комплексах; проведение оценки адекватности моделей; создание предметно-ориентированных на решение важных задач промышленности программно-аппаратных комплексов ИППС; экспериментальная отработка и внедрение их в производство.
Научная новизна. Предложена концепция создания специализированных программно-аппаратных комплексов, расширяющих без значительных материальных затрат круг задач, решаемых проблемно-ориентированными ИППС машиностроения, за счет создания на их базе дополнительных функциональных возможностей гибких производственных модулей путем интеграции в них разнородных технологий.
Разработаны методологические основы создания комплексов, как подмножеств типовой проблемно-ориентированной ИППС или автономных образований. Интеграционный подход позволил обеспечить в рамках комплексов высокий, недостижимый ранее уровень производственной концентрации и повысить эффективность единичного и мелкосерийного производства в машиностроении.
Разработан принцип параметрического описания поверхностей с ^использованием аппарата периодаїческих кубическйхсплайнов и метод периодической прогонки при расчете контуров, позволяющие для конкретной поверхности рассчитать и построить сетку из гладких контуров с учетом параметров инструмента и технологической схемы обработки.
Исследовано влияние разнообразных технологических факторов на точность и производительность обработки сложнопрофильных деталей из сверхтвердой керамики при автоматизированном их производстве.
Для программно-аппаратных комплексов, обеспечивающих обработку цилиндрических зубчатых колес на основе универсальных ГПМ универсальным инструментом, разработаны: математические зависимости, описывающие формообразующие движения инструмента; методика определения геометрических параметров инструмента для различных схем нарезания зубчатых венцов; новые геометро-кинематнческне схемы нарезания зубчатых колес, подкрепленные кинематическим анализом схем нарезания по новой технологии на основе классической теории формообразования эвольвентных поверхностен; новая технология нарезания эвольвентных колес внешнего зацепления с учетом получения
различной модификации профилей зубьев в соответствии с предельным диапазоном смещения исходного производящего контура и выработаны рекомендации для определения оптимальных параметров управления н режимов обработки при нарезании зубчатых колес по новой технологии.
Разработан ряд пакетов прикладных программ, дополняющих возможности технологической САПР программно-аппаратного комплекса для реализации инновационных проектов машиностроения.
Практическая значимость полученньи; результатов. Результаты исследований послужили основой для разработки программно-аппаратных комплексов ИППС различного технологического назначения. Комплексы позволяют по заданному на входе описанию детали, в соответствии с заданной точностью и требованиями по шероховатости обрабатываемых поверхностей и параметрами режущего инструмента, рассчитать траекторию движения инструмента и параметры технологического процесса обработки, спроектировать управляющую программу и изготовить опытные экземпляры изделий. Практическое внедрение получили следующие разработки:
I) Программно-аппаратные комплексы для изготовления сложно-профильных изделий из сверхтвердой керамики. Использование комплексов позволило впервые в России изготовить партию опытных образцов лопаток из сверхтвердой керамики на основе рекреационно-спе-ченного нитрида кремния для высокотемпературной турбины газотурбинного двигателя изделия специального назначения. Лопатки прошли высокоскоростные "холодные" испытания и натурные испытания в условиях газотурбинного двигателя. Изготовлен опытный вариант моноблочного (за одно целое с лопатками) колеса газовой турбины из углепластика, соответствующий предъявляемым к нему конструктивным требованиям и позволяющий резко повысить тактико-технические характеристики газотурбинного двигателя.
-
Программно-аппаратные комплексы для изготовления зубчатых венцов цилиндрических зубчатых колес универсальным инструментом на универсальных станках с ЧПУ. С использованием комплексов реализованы различные схемы формообразования поверхностен зубьев на универсальном технологическом оборудовании с возможностью модификации геометрии зубьев внешнего зацепления. Программно-аппаратные комплексы и новые технологические схемы нарезания зубчатых колес легко реализуемы в условиях единичного и мелкосерийного производства.
-
Программно-аппаратный комплекс для реализации инновационных проектов в различных отраслях машиностроения. На основе комплекса выполнен ряд проектов по техническому перевооружению и решению конкретных задач совершенствования производства предприятий
авиационного, энергетического, приборостроительного и инструментального профиля. Комплекс также широко используется в учебном процессе при научно-исследовательской работе аспирантов и студентов, курсовом и дипломном проектировании на факультете технической кибернетики, механико-машиностроительном и энергомашиностроительном факультетах СПбГТУ.
Экономическая значимость работы определяется тем, что существенно расширяется круг задач, возлагаемых на ИППС. Дополнение ГПМ общего назначения программным обеспечением и оснащением для реализации прогрессивных технологии заменяет специализированное оборудование (с сокращением капитальных затрат и занимаемых производственных площадей), повышает точность и качество изделий (в связи с обработкой с минимальным количеством переустановок), сокращаются длительность производственного цикла и объемы незавершенного производства. Повышается уровень автоматизации новых технологий, т.к. для их реализации используется высокоточная многокоординатная система базового ГПМ.
-II-
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
Методология построения предметно-ориентированных (специализированных) программно-аппаратных комплексов, как подмножеств проблемно-ориентированных ИППС машиностроения или автономных образований, на базе общепринятой концепции производственной концентрации предусматривающих интеграцию в рамках комплексов интеллектуальных и прогрессивных технологии, что существенно повышает эффективность единичного и мелкосерийного производства за счет сокращения капитальных затрат и производственных площадей, повышения точности и качества изделий, сокращения длительности производственного цнкла и объема незавершенного производства, повышения уровня автоматизации новых технологий.
Программно-аппаратный комплекс для изготовления сложнопро-фнльных изделии из сверхтвердой керамики, включающий предметно-ориентированную САПР технологическом подготовки производства и аппаратную часть - модернизированное под задачи алмазного шлифования оборудование с ЧПУ общего назначения.
Программно-аппаратный комплекс для изготовления эвольвент!іьіх зубчатых венцов цилиндрических зубчатых колес внешнего зацепления универсальным инструментом на станках с ЧПУ общего назначения, включающий предметно-ориентированную СЛПРтехнолошческой подготовки производства н аппаратную часть - модернизированное под указанные задачи оборудование с ЧПУ токарной, фрезерной или элек-троэрозноннон групп.
Программно-аппаратный комплекс для реализации инновационных проектов технического перевооружения предприятий машиностроения, включающий многоуровневую среду сквозного безбумажного проекти-ровния, открытую на всех уровнях для расширения и объединенную внутренними и внешними интерфейсами.
Достоверность результатов работы основывается:
на теоретических положениях, полученных с использованием современных достижений фундаментальных и прикладных наук;
на экспериментальном подтверждении адекватности используемых при исследовании моделей;
на достаточном совпадении экспериментальных и расчетных данных;
на успешной апробации в производственных условиях технических решений, полученных на основе теоретических разработок.
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Всесоюзном научно-техническом семинаре "Проблемы создания программного обеспечения комплексной автоматизации" (Калинин, 1987); зональной конференции "Рациональная эксплуатация и ннструментообслуживание станков_с_ЧПУЦ_ -(Пенза;~1989);""зональной научно-технической конференции "Оптимальная температура - основа современной теории и практики механообработки" (Уфа, 1989); научно-техническом семинаре "Достижения и пути развития технологии машиностроения" (Ленинград, 1990); Уральской зональной научно-технической конференции "Физическая оптимизация, управление и контроль процессов обработки резанием" (Уфа, 1991); общем годичном собрании "Международной академии технолопіческон кибернетики" и "Ассоциации центров инжиниринга и автоматизации" (СПб, 1994); Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России" (СПБ, 1995); научно-методической конференции "Высокие интеллектуальные технологии образования и науки" (СПб, 1995).
Опубликование результатов. По материалам диссертации опубликовано более 40 печатных и рукописных работ, в которых достаточно полно отражены полученные результаты.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 237 страницах. Она содержит введение, пять глав, заключение и список литерату-
ры. Приложение (65 стр.) включает исходные тексты программ и другие дополнительные материалы.
