Введение к работе
Актуальность темы. Одной из основных причин недостаточной конкурентоспособности продукции многих отечественных предприятий машиностроения, осуществляющих многономенклатурное производство, является низкий уровень их мобильности, не позволяющий эффективно реагировать на изменения экономической ситуации. Рыночные отношения во многом предопределили существенные изменения в организационной структуре предприятий, значительно изменился характер производства, повысились требования к качеству выпускаемой продукции. Условия многономенклатурного производства требуют пересмотра стратегии принятия решений при формировании технологической среды механообработки. Решение этой проблемы без автоматизации всего производственного процесса невозможно. Отсутствие научно обоснованных рекомендаций, обеспечивающих наиболее полное использование технологических возможностей и имеющихся ресурсов производственных систем (ПС), приводит к значительным материальным потерям, в ряде случаев делающим производство убыточным.
Традиционные методы конструирования и изготовления,
механообрабатывающего оборудования для многономенклатурного производства не соответствуют современным требованиям ввиду большого риска принятия неэффективных решений. Весьма сложно охватить весь спектр задач, выполняемых с помощью технологического оборудования при реализации производственно-технологического цикла, механообработки. Большинство подходов проектирования механообрабатывающего производства использует математические модели различных процессов, но не учитывает целостность в структурном и функциональном аспектах всей ПС. В практике конструирования механообрабатывающего оборудования для интегрированных производств не нашла должного отражения концепция CALS-технологии.
Анализ методов проектирования модулей механообработки (ММ) показал, что на ранних этапах проектирования весьма сложно прогнозировать их работу в многономенклатурном производстве. Возникает проблема автоматизированного анализа характеристик геометрических моделей деталей в базе данных (БД) САПР с целью обоснованного выбора технических характеристик проектируемого оборудования для их изготовления. Конкурентоспособность продукции механообрабатывающего многономенклатурного производства во многом зависит от возможности быстро адаптироваться к изменениям рынка. На ранних этапах проектирования мехатронных систем механообработки (МСМ) возникают значительные трудности, связанные с отсутствием соответствующей научно-методологической базы позволяющей учесть конструкторско-технологические, информационные, экономические и организационные взаимосвязи.
С повышением уровня автоматизации многономенклатурного производства усложняется технологическое и управляющее оборудование. На ранних этапах проектирования оценки работоспособности узлов, модулей, агрегатов МСМ Стоит задача создания предпосылок обеспечения надежности и стабильности их работы в ПС.
РОС НАЦИОНАЛЬНА» БИБЛИОТЕКА
.OS Yb^WvA —*
Сказанное определило необходимость исследований в области автоматизации процессов механообработки с целью поиска новых подходов к повышению мобильности и эффективности многономенклатурного производства на этапах проектирования ММ и МСМ.
В этой связи установление информационных, конструкторских, технологических и организационных взаимосвязей ПС с целью повышения мобильности и эффективности многономенклатурного производства является актуальной задачей в машиностроении.
Работа выполнялась по направлениям, связанным с планами важнейших НИР ГКНТ «Гибкие производственные системы», межвузовской региональной НТО "Научно-технические и социально-экономические проблемы развития Дальневосточного региона России" (Дальний Восток России), НТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» на 2001 - 2002 годы по разделу «Менеджмент качества, безопасность и конкурентоспособность продукции».
Цель работы - обеспечение мобильности и эффективности многономенклатурного производства изделий машиностроения на основе предложенной методологии проектирования модулей механообработки, учитывающей конструкторско-технологические параметры обрабатываемых заготовок, информационные, конструкторские, технологические и организационные связи производственной системы.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использованы . основные положения технологии машиностроения, конструирования металлорежущих станков, теории иерархических систем, теории управления, теории надежности, теоретических основ САПР, исследования операций, имитационного и агентно-ориентированного моделирования, теории выбора и принятия решений, теории искусственного интеллекта, сетей Петри, теории кластерного анализа, теории экспертных оценок, теории искусственных нейронных сетей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Установлены взаимосвязи конструкторских, технологических, организационных решений, принимаемых и реализующихся в системах механообработки многономенклатурного производства и обеспечивающих их единство. Доказано, что в условиях многономенклатурного производства проектирование модулей механообработки невозможно без согласования технических и технологических функций модулей и производственной системы, а также этапов их жизненного цикла.
-
Предложена методология проектирования модулей механообработки для предприятия с многономенклатурным производством, основанная на интеллектуальных агентах, позволяющая на базе структурно-функционального синтеза учитывать информационные, конструкторские, технологические и организационные связи производственной системы, с учетом данных о конструкторско-технологических параметрах обрабатываемых деталей.
-
Разработана методология целенаправленного структурно-функционального синтеза модулей механообработки, ориентированная на автоматизированную
реализацию, позволяющая формализовать процесс проектирования и процедурно учитывать при проектировании модулей множественные связи производственной системы.
-
Предложены концептуальные модели построения технологического процесса механообработки в условиях МСМ (на примере изготовления корпусных деталей), экономической стратегии станкостроительного предприятия и агентно-ориентированная модель интеллектуальной системы поддержки принимаемых решений, связывающих в единую логическую функцию действия проектировщика, что позволяет обоснованно назначать требования к выбору среды механообработки с учетом жизненного цикла ее модулей механообработки.
-
Выявлены эффективные направления повышения надежности проектируемых модулей механообработки, работающих в условиях производственной системы, что позволяет на ранних этапах проектирования формировать систему диагностики и информационную систему поддержки принимаемых решений для последующих этапов их жизненного цикла. На основе нечетких сетей Петри разработаны имитационные модели функционирования характерных узлов модулей механообработки, позволяющие на стадии проектирования количественно оценивать их надежность при различных значениях удельной длительности восстановления.
Обоснованность научных положений, рекомендаций и достоверность результатов исследований подтверждается:
корректностью применения основных положений технологии машиностроения, теории иерархических систем, теории управления, теории надежности, теоретических основ САПР, методов системного анализа и исследования операций, теории искусственного интеллекта, сетей Петри, теории экспертных оценок, теории искусственных нейронных сетей;
согласованностью теоретических результатов с экспериментальными данными, полученными автором и другими исследователями;
успешной реализацией разработанных математических и программных средств на машиностроительных предприятиях Дальнего Востока.
Практическая ценность работы заключается в создании методологических основ формирования конкурентоспособных и надежных ММ и МСМ для многономенклатурного производства на ранних этапах проектирования с учетом их жизненного цикла и состоит:
в методологии формирования номенклатуры обрабатываемых деталей на базе нейросетевого кластерного анализа конструкторско-технологических параметров обрабатываемых деталей БД САПР изделий;
комплексе алгоритмов и программ расчета производственных мощностей предприятия, расчете основных и вспомогательных материалов;
формировании с достаточной достоверностью на ранних этапах проектирования основных требований к ММ;
возможности целенаправленного повышения надежности проектируемого оборудования, назначения оптимальных сроков ремонтов;
формировании системы поддержки принимаемых решений на всех этапах жизненного цикла ММ;
уменьшении стоимости создаваемых МСМ за счет определения достаточных средств диагностического контроля и обоснованных требований к программному обеспечению ММ.
Разработаны автоматизированные рабочие места технолога-конструктора для проектирования и поддержки жизненного цикла МСМ в виде программных продуктов:
"Маркетинг машиностроительной продукции";
"Расчет производственной мощности машиностроительных
металлообрабатывающих предприятий";
"Автоматизированное рабочее место «Нормировщик материалов»"; "Автоматизированная система «Кластер» группирования деталей для механообработки";
"Автоматизированная система диагностики и контроля технологического процесса";
"Проблемно-ориентированный программный комплекс оценки надежности работы проектируемых металлорежущих станков методом нечетких сетей Петри";
"Программный комплекс анализа и синтеза данных о многомерных объектах «НЕЙРОСЕТЬ»";
"Имитационная модель расчета производительности станка с учетом надежности работы узлов «ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ»".
Предлагаемые в работе методы структурно-функционального синтеза были использованы при выполнении научно-технической программы «Технологии информационного сопровождения и поддержки этапов жизненного цикла наукоемких изделий (ИПИ-технологии)» по теме «Разработка концепции региональной системы управления качеством образовательных услуг».
Реализация работы. Разработаны и внедрены на ПО "Дальсельмаш", г. Биробиджан: "Система автоматизированного учета отходов заготовительного производства на базе ЭВМ СМ1910 с использованием СУ БД «Ребус»" (1989 г.); "Расчет производственных мощностей на СМ 1420" (1990 г.); "АРМ технолога по расчету производственных мощностей на ЭВМ типа PC AT/XT' (1992 г.).
Согласно договору о творческом сотрудничестве в НИИ промышленных
роботов Харбинского политехнического института переданы
автоматизированные рабочие места технолога-конструктора в виде программных продуктов "Расчет основных и вспомогательных материалов" (1994 г.) и "Расчет производственной мощности" (1995 г.).
Программно-диагностический комплекс "Автоматизированная система диагностики и контроля технологического процесса" внедрен на предприятии АО «Спиртовик». Суммарный экономический эффект составил 700 000 руб. в год по ценам 2000 г.
На ОАО «Хабаровский станкостроительный завод» переданы следующие руководящие технические материалы: "Формирование стандартных циклов механообработки на станках с ЧПУ нейросетевыми методами"; "Формирование
рациональных технических характеристик станков методами кластерного группирования обрабатываемых поверхностей" (2002 г.).
Результаты НИР "Обеспечение качества мехатронных модулей механообработки методами структурно-функционального синтеза" внедрены на ОАО "Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение им. Ю. А. Гагарина ", общий экономический эффект составил 900 000 руб. по ценам 2003 г.
Полученные результаты внедрены в виде методик, технических проектов, программных продуктов на следующие предприятия: машиностроительный завод им. А. М. Горького, г. Хабаровск; ПО "Амурмаш", г. Амурск; АО «Дальдизель», г. Хабаровск. Материалы работы использованы при модернизации станков с ЧПУ мод. 11Д65ПФ40.
На основе проведенных расчетов и исследований на моделях спроектирован-ММ ЭИЛ для Института материаловедения Дальневосточного отделения РАН, г. Хабаровск.
Результаты научных разработок используются в учебном процессе студентами специальностей 120200 «Металлорежущие станки и инструменты», 120900 «Проектирование технических и технологических комплексов», 120100 «Технология машиностроения» на кафедрах «Компьютерное проектирование и сертификация машин», «Технологическая информатика и информационные системы» при изучении дисциплин "Системы управления технологическим оборудованием", "Аппаратные и программные средства систем управления", "Управление процессами и объектами в машиностроении" и др.
На защиту выносятся:
-
Результаты исследований взаимосвязей конструкторских, технологических, организационных решений, принимаемых и реализуемых в системах механообработки многономенклатурного производства.
-
Методология ранних этапов проектирования модулей механообработки для предприятия с многономенклатурным производством, позволяющая учитывать информационные, конструкторские, технологические и организационные связи МСМ.
-
Методологические основы формирования рациональных характеристик модулей механообработки на основе нейросетевого кластерного анализа и синтеза конструкторско-технологической информации базы данных САПР изделия.
-
Концептуальные модели построения технологического процесса механообработки в условиях МСМ, экономической стратегии станкостроительного предприятия и агентно-ориентированная модель интеллектуальной системы поддержки принимаемых решений.
-
Методологический подход к моделированию подсистем МСМ с учетом надежности их работы на основе аналитических и имитационных моделей.
Апробация диссертации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных, республиканских и региональных конференциях, среди которых: г. Киев (1975), г. Москва (1976, 1982, 2002, 2003), г. Рига (1976), г. Нальчик (1976), г. Хабаровск (1977,1980,1986, 1989,1990,1991,
1992, 1993, 1994, 1995, 1997, 1998,2000 - 2003), г. Минск (1982), г. Plezen (1984), г. Комсомольск-на-Амуре (1983, 1985, 1996, 1998, 2000, 2002, 2003), г. Ташкент (1983, 1986), г. Владивосток (1986, 1990, 2003), г. Тольятти (1988), г. Harbin (1992, 1994), г. Deli (2001), г. Washington (2002), г. Орел (2003), в том числе на республиканском научно-техническом семинаре "Применение промышленных роботов в машиностроении" (Рига, 1976); всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизация машиностроения на базе станков с ЧПУ и вычислительной техники" (Москва, 1976); научно-технической конференции "Повышение качества и долговечности сложных систем в машинах и оборудовании методами технической диагностики" (Хабаровск, 1980); всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы создания и эксплуатации систем с ЧПУ для металлообрабатывающего оборудования на основе микропроцессоров" (Москва, 1982); международной научно-технической конференции "Automatizace ve strojirenstvi ЛСопіегепсе AUTOS" (Plezen, 1984); научно-технической конференции "Повышение эффективности использования технологического оборудования гибких автоматизированных станочных комплексов" (Комсомольск-на-Амуре, 1985); республиканской научно-технической конференции "Повышение эффективности внедрения роботизированных и гибких автоматизированных комплексов в машиностроении Узбекистана" (Ташкент, 1986); научно-технической конференции "Применение роботизированных комплексов и гибких автоматизированных систем на предприятиях Хабаровского края" (Хабаровск, 1986); 3-й Дальневосточной научно-технической конференции "Автоматизация технологического проектирования и подготовки производства для станков с ЧПУ и ГАП" (Владивосток, 1986); 3-й всесоюзной научно-технической конференции "Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств" (Тольятти, 1988); научно-технической конференции "Повышение надежности автоматических станочных систем" (Хабаровск, 1990); 4-й Дальневосточной научно-технической конференции "САПР и надежность автоматизированного производства в машиностроении" (Владивосток, 1990); международных научно-технических симпозиумах "The actual problems of the scientific and technological progress of the far eastern region on the base of Soviet Union - China direct cooperation" (Khabarovsk- 1991,1993,1997; Harbin- 1992,1994); международной конференции "Моделирование технологических процессов и систем в машиностроении" (Хабаровск, 1994); международной научной конференции "Синергетика. Самоорганизующиеся процессы в системах и технологиях" (Комсомольск-на-Амуре, 1998, 2000, 2002); научно-технической конференции «Качество и ИПИ-технологии» (Москва, 2002); научно-техническом совете Хабаровского государственного технического университета (Хабаровск, 2001, 2003); на 1-й всероссийской научно-практической конференции "Применение ИПИ-технологий в производстве" (Москва, 2003); международной научно-технической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения - Технология-2003" (Орел, 2003).
Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 56 публикациях, в том числе статьях в центральных журналах, авторских
свидетельствах, трудах университетов и институтов, симпозиумов и конференций. Результаты работы докладывались на 7 международных симпозиумах и конференциях, более чем на 25 союзных, республиканских, краевых и вузовских симпозиумах, конференциях, школах передового опыта и семинарах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, библиографического списка использованной литературы из 245 наименований, 11 приложений, содержащих документы о внедрении результатов работ и программные продукты. Объем диссертации составляет 374 страницы (включая 74 страницы приложений), 56 рисунков, 4 таблицы.