Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 9
1.1 Состояние работ по методам технической подготовки производства 10
1.2 Обзор и анализ мехатронных модулей, методы их расчета и проектирования 14
1.3 Аксиоматическая модель технической подготовки производства конкурентоспособных мехатронных модулей 25
1.4 Оценка информационного содержания мехатронных модулей с целью определения их конкурентоспособности 36
Выводы из главы 1 41
Глава 2. Удельные и интегральные характеристики конкурентоспособных мехатронных модулей 42
2.1 Общие положения оценки технического уровня мехатронных модулей 43
2.2 Методы выбора аналога 50
2.3 Методы оценки технического уровня продукции 53
2.4 Выбор перечня показателей, определяющих конкурентоспособность технического устройства 58
2.5 Метод оценки технического уровня мехатронных модулей с помощью комплексных и удельных показателей 62
2.6 Оценка технического уровня мехатронного модуля по неизмеряемым параметрам 68
Выводы из главы 2 77
Глава 3. Методы формирования и определения взаимосвязей и показателей конкурентоспособности с функциональными и конструктивными параметрами и характеристиками мехатронных модулей 78
3.1 Классификация методов проектирования изделий (мехатронных модулей) с заданными параметрами 78
3.2 Структурные методы выбора и прогнозирования параметров мехатронных модулей 95
3.3 Структурно-параметрические и программные методы обеспечения изделий, методами проектирования мехатронных модулей с заданными параметрами 102
Выводы из главы 3 109
Глава 4. Информационная модель автоматизированных систем технической подготовки производства мехатронных модулей 110
4.1 Применение аксиоматического проектирования 110
4.2 Представление проектной архитектуры 118
4.3 Выбор компонентов с использованием информационной аксиомы 122
4.4 Расчет содержание информации для разъединенного проектирования 131
4.5 Автоматизированная методика проектирования мехатронных модулей с заданным информационным содержанием 144
Выводы из главы 4 148
Заключение по работе 149
Список литературы
- Аксиоматическая модель технической подготовки производства конкурентоспособных мехатронных модулей
- Выбор перечня показателей, определяющих конкурентоспособность технического устройства
- Структурно-параметрические и программные методы обеспечения изделий, методами проектирования мехатронных модулей с заданными параметрами
- Выбор компонентов с использованием информационной аксиомы
Аксиоматическая модель технической подготовки производства конкурентоспособных мехатронных модулей
При выполнении компоновочных решений, а также при выборе конструктивных решений, элементов технологического изделия и его изготовлении, с использованием автоматизации, является перспективным направлением в машиностроение. Прежде всего, необходимо перейти к автоматизации всего цикла производства изделия, от проектирования до изготовления. Решая основные задачи автоматизации, не только на основе традиционных, прочностных, кинематических и технологических расчетов, а также и с использованием технико-экономических значений изделия: надежности, производительности, экономичности [2,3,6,7]. Автоматизация производственных процессов заключается не в замене человека при обслуживании аппаратов и машин, а в создании высокопроизводительных технологических процессов, которые вообще невозможны без непосредственного участия человека.
Важнейшим объектом комплексной автоматизации машиностроения является процесс проектирования, большую часть которого составляет переработка информации для выбора решений, описывающих объект проектирования. Работы в этом направлении [12,14,15,106] свидетельствуют, о том, что проявляются общие тенденции для развития данных областей в науки. [7,16].
Работы в области создания системы управления параметрами мехатронных модулей трудно переоценить, они создают базу для решения проблемы комплексной автоматизации производства.
Начало в решении задач, связанных с методами проектирования технических изделий, было положено учеными А.П. Соколовским, Б.С.Балакшиным, В.М. Кованом, А.А. Маталиным, В.П. Фираго, Ю.М. Соломенцевым, Д.В. Чарнко, В.С. Корсаковым, Koren У., U1soy A.G., Mehrabi M.G., А.Б. Яхиным («Научные основы теории технологического проектирования»), С.П. Митрофановым («Проектирование групповых технологических процессов»), Г.К.Горанским, Н.М. Капустиным, В.Д. Цветковым, В.В. Павловым, А.Н.Гавриловым, В.Г. Митрофановым («Автоматизированное проектирование технологических процессов») и другими. Вопросам, связанным с разработкой методов проектирования технических устройств, посвящены труды М. Беталаффи («Общая теория систем»), Д. Хилл («Матрица идей»), Г. Тагучи («Метод качественного инженерного проектирования»), Н.П, Су («Аксиоматика проектирования»), а также работы других ученых. Разработка методов проектирования технических устройств очень актуальная задача и требует дополнительного изучения.
Необходимо оценить конкурентоспособность проектируемого продукта в отношении ожидания пользователя. Вы должны будете рассмотреть многократные критерии в оценке. Точность, длительность работы, стабильность, надежность, стоимость и эффективность - некоторые типичные примеры критериев, которые вы можете рассмотреть.
В оценке системы у этих критериев будут взаимодействия друг с другом. Например, у двух критериев может быть некоторый уровень избыточности друг с другом, или у двух критериев может быть отрицательная корреляция друг с другом. Тогда, наличие обоих критериев вместе не будет эквивалентно суммированию наличия каждого из них отдельно. Вы должны соединить критерии должным образом, чтобы достигнуть лучшей, полной, системной работы проектирования, оно должно быть параллельным, объединенным, и основанным на системе. Развитие параллельного и интегрированного подхода проектирования нелегко, из-за разнообразия целей проектирования, сложности возможных взаимодействий, которые могут произойти между компонентами, потребностью знания во множестве областей, и нехватки формального и систематического подхода к проектированию. Из-за этих трудностей, большинство инженеров конструкторов все еще следуют за традиционными последовательными методами проектирования, которые, очевидно, не могут привести к оптимальным проектам в большинстве случаев. Поскольку большинство существующих систем было разработано посредством последовательного подхода, они, возможно, не оптимальны. Таким образом, есть потенциал для усовершенствования посредством параллельного проектирования, который может использоваться для существующих смешанных систем, чтобы помочь проектировщику оценить насколько оптимально продукт был разработан и определить компоненты или подсистемы, которые могут быть далее улучшены посредством модификации проектирования.
Традиционная и аксиоматическая модель разложения. В традиционном последовательном процессе проектирования (названным электромеханическим проектированием), основанным на технических требованиях, механическая структура изделия разработана (например, конфигурация машины, калибровка структуры, материала структуры) согласно некоторым техническим требованиям (например, допустимое напряжение, допустимое рабочее пространство).
Слабость последовательного процесса проектирования в том, что различные подсистемы разработаны и оптимизированы относительно особого критерия, который важен для подсистемы. Если компонент куплен с рынка, он отобран просто согласно его полным ограничениям, тогда как другие исполнительные технические требования не рассматриваются при выборе. Например, когда покупают электрический двигатель, то, обычно, отбирают по основным параметрам: необходимой мощности и цене. Однако, есть много других особенностей в электрическом двигателе, которые затрагивают работу и ограничения потребителя, такие как: постоянный вращающий момент, постоянное напряжение, механическая инерция, сопротивление, и индуктивность. Эти технические требования, которые обычно игнорируются при выборе мотора, могут сделать два двигателя очень отличающимися с точки зрения проектирования для ожидаемой задачи, хотя у них может быть идентичная мощность.
Мехатронные системы нуждаются в интегрированной, параллельной, и основанной на методологическом проектировании методе. Результатом этого методологического проектирования должно стать обеспечение оптимальной комбинации критериев, вовлеченных в вычисление. Другими словами, это проектирование, у которого есть самое высокое глобальное чувство удовлетворения. Аксиоматическое проектирование состоит из двух аксиом:
Качественное проектирование должно удовлетворять двум этим аксиомам, в то время, как плохое проектирование не удовлетворяет ни одной из аксиом. Известно, что слово «аксиома» происходит из геометрии. Аксиома не может быть доказана и становится устаревшей, когда альтернативная аксиома утверждена. До сих пор, альтернативной аксиомы в очевидном дизайне не было найдено. Вместо этого утверждены много полезных примеров проектирования с аксиомами.
Проектирование – это взаимодействие между «чего мы хотим достигнуть» и «как мы достигаем этого». Проектировщик пытается получить то, что он хочет достигнуть через соответствующее взаимодействие между обеими сторонами.
Таким образом, зная, что можно спроектировать с помощью существующих проектов, можно найти лучший проект. Очевидно, одним из способов для достижения технологичности производства является разработка справочной информации при различных ситуациях. Эти руководства могут быть очень полезны в определенных ситуациях, но основным подходом будет проектирование, которое применимо ко всем проектам и производственным задачам. Справочный подход является специализированным подходом, в отличие от общего аксиоматического подхода.
На рисунке 1.13 показаны четыре основные области: потребность клиента (CN), функциональная область (FR), физическая область (DP) и область процесса (PV). Каждая из этих областей определяется множественными переменными или множественными параметрами. Техническая подготовка производства требует оптимизации взаимосвязей между функциональными (FRs), физическими (DPs) и производственными переменными (PVs).
Схематическое представление взаимосвязей между функциональной областью (FRs), физической областью (DPs) и переменными области процесса (PVs) из производственных операций показаны на рисунке 1.13. Существует взаимосвязь между (FRs) и (DPs), а также между (DPs) и (PVs). Поэтому, если мы находим хороший проект, то эти отношения должны удовлетворяться, в этом случае мы имеем возможность развивать данный проект и, тем самым, повысить производительность.
Выбор перечня показателей, определяющих конкурентоспособность технического устройства
Целью проектирования мехатронного модуля является преобразование исходных требований в конструкторскую реализацию и соответствующую документацию, по которой может быть изготовлена эта система, удовлетворяющая сформулированным показателям качества.
Проектирование мехатронного модуля заключается в нахождении наилучшего соответствия между заданной функцией и конструктивным исполнением.
В целом, совместное влияние указанных показателей на технический уровень предлагается выражать дифференцированными и интегральными коэффициентами, которые объективно характеризуют различные свойства мехатронных модулей. Эти коэффициенты определяются не как среднеарифметические значения составляющих удельных и комплексных показателей, а как их произведения или отношения. При этом показатели, с увеличением которых технический уровень повышается, находятся в качестве множителей в числителях, а показатели, с увеличением которых технический уровень понижается - как множители в знаменателях. Это также увеличивает чувствительность оценки к изменению отдельных параметров, показателей и характеристик [31]. Модуль №1
Корректность рассмотрения заключается в выполнении операций над множеством параметров основных свойств, имеющих одинаковый смысл, содержание которых сопоставлено как в качественном, так и в количественном отношении.
Идеальная система – такая, у которой вес, объем или размеры (или другие исследуемые характеристики) стремятся к нулю (наилучшему значению), а функция сохраняется и выполняется.
В таблице 3.1 приведены ММ на основании которых построена методика выбора и/или поиска оптимального мехатронного модуля для решения поставленной задачи их области допустимых значений.
Во второй главе приведена методика оценки технического уровня мехатронных модулей №1 - №6 с помощью комплексных, удельных и интегральных показателей, позволившая дать более достоверную оценку технического уровня промышленных изделий, на основе параметров и показателей, представляемых в информационных материалах зарубежных и отечественных источников.
Анализ результатов расчетов, произведенных для мехатронных модулей, показал, что мехатронный модуль №5 (СПШ20-23017) несмотря на то, что модель имеет наибольшую стоимость, имеет наибольшую величину определяющего коэффициента, а, следовательно, обладает и наилучшим техническим уровнем. Действительно, эта модель имеет самый высокий развиваемый момент, уровень быстродействия, наилучшие показатели по энергопотреблению, скорости, самую маленькую погрешность и массу модуля.
Мехатронный модуль №1 (ПД605) обладает наименьшим определяющим показателем и, соответственно, техническим уровнем.
Для этого задаем виртуальные мехатронные модулей №7 и №8, которые обладают значениями с максимальными и минимальными качественными и количественными показателями, которые позволят нам определить область допустимых значений. 1) KVR - Коэффициент полезного использования рабочего пространства (максимальный и минимальный) для мехатронных модулей, работающих в прямоугольных, угловых и цилиндрических системах координат: Максимальный коэффициент KVR_max: 2) KCOR - Коэффициент удельной производительности (максимальный и минимальный) для мехатронных модулей с прямоугольной, угловой и цилиндрической системой координат, в т.ч. портальных, мостовых и консольных: Минимальный Для интегральной оценки технического уровня используются произведения коэффициентов. В этом случае чувствительность интегральных показателей к изменениям отдельных параметров повышается. При этом возможна интегральная оценка отдельных свойств оцениваемого образца и аналогов.
С учетом интегрального коэффициента оценки технического уровня по измеряемым параметрам обобщенный интегральный коэффициент оценки технического уровня будет определяться как их произведение, т.е: При учете стоимости (цены) мехатронных модулей имеется возможность отразить экономический аспект и таким образом совместить в оценке конкурентоспособности сравниваемых товаров косвенным путем как «потребительную стоимость» (полезность), так и «меновую стоимость» (цену) с помощью определяющего показателя где С - стоимость (цена) мехатронного модуля. Полученные значения внесем в таблицы 3.2; 3.3. Исходя из полученных результатов качественных и количественных показателей по шести выбранным мехатронным модулям, а также на основании интегральных и определяющих показателей найдем виртуальный мехатронный модуль (№9), который будет обладать значениями показателей, равными математическому ожиданию (среднее ожидаемое значение случайной величины).
Для построения графика плотности вероятности нормального распределения и процент попадания случайной величины на отрезки, равные среднеквадратическому отклонению, необходимо найти виртуальные мехатронные модули №11 и №12 для которых показатели, определяющие технический уровень продукции, принимают значения, равные математическому ожиданию плюс, минус три дисперсии.
Структурно-параметрические и программные методы обеспечения изделий, методами проектирования мехатронных модулей с заданными параметрами
Мехатронные системы нуждаются в интегрированном, параллельном, и основанном на методологическом проектировании методе - аксиоматическом проектировании. Цель этого методологического проектирования - обеспечить оптимальную комбинацию критериев.
Далее на примере создания трех мехатронных модулей (проекты 1,2,3) приведем метод, обеспечивающий достижение конкурентоспособности, используя общие положения информационной модели и аксиомы минимума информационного содержания.
Разложение мехатронных модулей, приведенных в главе 2 и 3, на функциональные требования и параметры проектирования для аксиоматического проектирования, с целью определения оптимальных параметров проектирования. Первый уровень разложения Потребность может быть дополнительно переведена на функциональные требования: FRj = Интегральная оценка ТУ по измеряемым параметрам K N;
В концептуальном проектировании (GMRPs) первый слой является несвязанным проектированием. Несвязанное проектирование должно контролироваться в соответствии с последовательностью определения матрицы проектирования, а затем конструкция является приемлемым проектом. Так как в этой конструкции нет связи FR1, FR2 и FR3 по отношению друг к другу, то они могут быть просто объединены, чтобы получить самый высокий уровень. В то время как второй слой является связанным проектированием в соответствии с матрицей проектирования.
Аксиома независимости была удовлетворена в генерации конструктивных параметров. Из-за характеристик конструкции в уравнение 4.1, данная матрица является диагональной.
Второй уровень разложения первого этапа Следующим шагом в аксиоматическом проектировании будет возвращение к функциональной области от физической области, если DP1, DP2 и DP3 не могут быть реализованы без дальнейшего детального проектирования. FR1X и DP1X раскладываются как: FRJJ = Коэффициент полезного использования рабочего пространства Кт; FR12 = Коэффициент удельной производительности KmR; FR13 = Коэффициент полезного использования мощности Кт; FR14 = Коэффициент удельного энергомомента Кш; FR15 = Коэффициент удельного момента KMG; FR16 = Коэффициент удельной энергоемкости Кш; соответствующий набор DPS может быть выбран в качестве: DPJJ = Развиваемый момент М; DP12 = Величина рабочего хода R ,V; DP]3 = Точность позиционирования Л; DP14 = Скорость перемещения рабочего органа V,CO; DP15 = Мощность N; DP16 = Масса G.
Концептуальное проектирование GMRPS будет предназначено для удовлетворения модульности концепций, позволяющих эффективно и быстро взаимозаменять машины, используя применение единого крепежа и разъемов, модульных элементов конструкций, модульного программного обеспечения. Кроме того, стандартные интерфейсы (электрические, механические, управления и программные) должны позволить обеспечить быструю интеграцию модульных элементов или блоков, которые были разработаны или заранее выбраны.
На этом этапе, стандартизация и модульность основаны на применении принципов использования стандартных или взаимозаменяемых деталей. После определения {FR1X} и {DP1X} определяются DP}, конструкция матрицы должна быть создана таким образом, чтобы предлагаемой конструкции удовлетворить аксиому независимости.
Создание механизма стремится позволить устройству удовлетворять новые требования мехатронного модуля. Таким образом, новые требования задач должны быть уточнены. Создание конфигурации и выбор ключевых компонентов являются существенным следующим шагом по формированию изделия. Оценка должна быть выполнена для того, чтобы созданный концептуальный механизм имел возможность изготовлять необходимые продукты.
После окончательного соответствия между функциональной областью и физической областью с проектными матрицами, FRS и DPS можно использовать, чтобы представлять проектную архитектуру для концептуального проектирования GMRPs. Процесс разложения мехатронных модулей представлен в таблице 4.4, а на рисунке 4.4, 4.5 иллюстрировано, представлены уравнения проектных матриц 4.14.3 и все шаги разложения FRS .
Коэффи- Коэффи- Коэффи- Коэффи- Коэффи- Коэффи- циент полез- циент циент циент циент циент Множитель Весовой ного исполь- удельной полезного удельного удельного удельной значимости множитель зования произво- использо- энерго- момента. энергоем- (MJ ш рабочего дительности. вания момента . кости. пространства(Кя) (KWR) мощности.(Km) (KNM) &ио) (KNG) Рис. 4.5 Структура DP - (Параметры проектирования / Физическая область)
Развиваемый момент Величина рабочего Точность позициони- Скорость перемещения Мощность, Масса, Техническая Качествен- (М) хода. (V; R) рования. рабочего органа.(V-CQ) (N) (О) характеристика ные показатели 122
Выбор компонентов для области концептуального проектирования (GMRPs) является важным шагом в разработке. При выборе компонентов, обычно есть набор функциональных требований, которые должны быть удовлетворены одновременно. Информационная аксиома является мощным инструментом для выбора наилучшего набора (DPS), когда есть множество (FRS), которые будут удовлетворены и поэтому могут быть использованы в выборе компонентов, чтобы получить наиболее подходящие. В качестве примера показано, как использовать аксиоматическую информацию при выборе лучших компонентов для проектирования (GMRPs). Предположим, что мехатронные модули с шестью следующими функциональными требованиями необходимых для GMRP и есть шесть высокотехнологичных мехатронных модулей (ПД605, SGLGW, RAN 28, 9IDGC-60WH, СПШ 20-23017 и ШМ-2) в библиотеке компонентов.
Выбор компонентов с использованием информационной аксиомы
Интегральный коэффициент оценки технического уровня мехатронных модулей по неизмеряемым параметрам (KН) будем определять как средневзвешенное значение суммы произведений всех показателей. Обобщенный интегральный коэффициент (K) определяется произведением интегральных коэффициентов оценки технического уровня по измеряемым и неизмеряемым параметрам. При учете стоимости получаем определяющий показатель (KО).
Диапазон параметров проектирования необходим для разработки метода вероятностного проектирования мехатронных модулей, позволяющего нам получить наилучший модуль. Из предлагаемых комплексных, удельных и определяющих показателей оценки технического уровня мехатронных модулей находим минимаксные значения, которые позволят нам определить область допустимых значений: коэффициент полезного использования рабочего пространства максимальный и минимальный (KVR_max и KVR_min); коэффициент удельной производительности (KWR_max и KWR_min) и т.д. Аналогично найдем интегральные характеристики: интегральная характеристика быстродействия точности, энергоиспользования относительно крутящего момента (KM_max и KM_min) и т.д.
Исходя из полученного диапазона качественных и количественных показателей, а также на основании интегральных и определяющих показателей, найдем виртуальный мехатронный модуль, который будет обладать значениями показателей, равными математическому ожиданию (среднее ожидаемое значение случайной величины). А также найдем среднеквадратичное отклонение (при расчете стандартного отклонения при его математическом ожидании). Нахождение ( и ) позволило нам найти плотность вероятности нормального распределения.
Структура и прогнозирование параметров мехатронных модулей расчетными значениями показали, что определенные мехатронные модули обладают наибольшим и наименьшим определяющим показателем. Данные значения получены с помощью различных коэффициентов и интегральных оценок. Исходя из этого, можно получить наибольший и наименьший технический уровень мехатронного модуля с помощью всевозможных вариантов из допустимой области выбранных ММ.
Диапазон изменения параметров виртуальных модулей выполнен на основании расчетов и выборов параметров из диапазона минимаксных значений. И чем этом диапазон минимальных и максимальных значений шире, тем есть большая вероятность подобрать такой мехатронный модуль, который будет иметь наилучший технический уровень, но при этом в его составе будут почти все значения с наименьшими показателями.
Определение параметров FR и DP. Мехатронный модуль обладает функциональными параметрами (FR), которые взаимно зависят от параметров проектирования (DP).
Зависимость функциональных параметров от параметров проектирования FR-DP выражаем с помощью аксиоматической матрицы проектирования FR=A-DP Информационное содержание может быть по-разному определено в соответствии с характеристиками проекта. Вероятность успеха была использована в качестве индекса информационного содержания. Обратная вероятность используется для получения большей вероятности с меньшей информацией.
Функция вероятной плотности и информационное содержание могут быть вычислены при использовании функции плотной вероятности. Расчетный диапазон определяется нижними и верхними границами. Проект направлен на снижение информационного содержания.
Оценка информационного содержания параметров аксиоматического проектирования, используя графический метод, определяется площадью пересечения допустимой области и области допустимого предела проектных параметров. Вероятность успеха и информационного содержания являются Af следующими: Ps =— и / = -log2 Ps . Содержание информации проектируемого модуля, исходя из уравнений связи, можно определить не графическим методом, что является довольно сложным для расчета. Таким образом, вероятность успеха определяем:
Имея значения информационного содержания мехатронного модуля, выбираем наилучший модуль и его параметры, необходимые для выполнения определенной задачи. 1. Решена задача повышения технического уровня мехатронных модулей при их создании на основе разработанного метода построения (АСТПП) конкурентоспособных мехатронных модулей. 2. Установлены связи параметров и характеристик мехатронных модулей различного функционального назначения с удельными и интегральными показателями технического уровня. 3. Разработаны методы формирования уровней взаимосвязей между показателями конкурентоспособности, функциональными и конструктивными параметрами мехатронных модулей на основе их структурного и функционального аксиоматического анализа. 4. Разработан метод построения (АСТПП) конкурентоспособных мехатронных модулей, позволяющий обеспечить их заданный (требуемый) технический уровень с установленной величиной вероятности их достижения в диапазоне допустимых изменений конструктивных параметров.
