Введение к работе
Актуальность работы обусловлена возрастанием сложности, электронной и информационной насыщенности современного технологического оборудования и его объединением в производственные системы различного уровня, основной концепцией развития которых является сейчас переход к интегрированным автоматизированным производствам (ИАП). Вместе с тем существует целый ряд изделий, изготавливаемых из труднообрабатываемых материалов или имеющих сложные обрабатываемые поверхности, которые требуют применения электротехнологических методов обработки.
На современном этапе развития электротехнологические методы обработки претерпели существенные изменения. Они стали гораздо более разнообразными, наряду с традиционными субтрактивными методами, основанными на удалении материала, стали более широко использоваться аддитивные методы, основанные на наращивании материала. Существенное влияние на их развитие оказали современные требования по снижению энергоемкости и экологической безопасности методов обработки. Область использования некоторых методов электробработки существенно сократилась, область использования других (например, электроэрозионной обработки), наоборот значительно расширилась и в ряде случаев переместилась из вспомогательного в основное производство.
Для того чтобы функционировать в составе современного ИАП, электротехнологического станочные системы должны представлять собой интегрированные производственные системы. От того, насколько успешно впишутся электротехнологические станочные системы в современное интегрированное автоматизированное производство, зависит не только их дальнейшее развитие, но и перспективы их существования вообще. Необходимость обеспечения возможности функционирования в составе современного ИАП накладывает дополнительные требования на процесс создания или модернизации электротехнологических систем. При этом особенно важным становится этап предпроектного анализа и составления технического задания на проектирование или модернизацию, когда принимаются концептуальные решения, определяющие состав, структуру, конструкции и компоновку модулей, а также параметры системы. На этом этапе осуществляется функциональный синтез системы, представляющий собой формирование множества функций, реализуемых в электротехнологической станочной системе и учитывающих особенности применяемых методов обработки. Результативность остальных этапов синтеза зависит в значительной мере от правильно определенного множества функций синтезируемой системы. Исследование вопросов функционального синтеза применительно к электротехнологическим методам обработки является актуальным также вследствие присущих этим методам особенностей, таких как бесконтактный характер формообразования и существенная стохастичность результа-
тов обработки. Эти особенности требуют реализации в электротехнологической системе ряда дополнительных функций, направленных на снижение их негативного влияния.
Электротехнологическая станочная система, как и любая другая производственная система, в процессе своего функционирования обязательно подвергается целому ряду различных изменений. Поскольку эти изменения направлены, естественно, на улучшение показателей качества системы, то подобный процесс можно рассматривать, как своеобразную технологическую эволюцию. Любым конструкторским разработкам в рамках подобной эволюции должен предшествовать выбор вновь реализуемых функций, то есть функциональная эволюция.
Таким образом, возникает необходимость решения актуальной научной проблемы создания элементов теории и практических методов функционального синтеза и эволюции на этапе предпроектного анализа при разработке или модернизации оборудования электротехнологических станочных систем с учетом присущих этим системам особенностей формообразования. Актуальность решаемой проблемы подтверждается также тем, что часть работ выполнялась в соответствии с серией хозяйственных договоров с рядом предприятий энергомашиностроения, а также в рамках республиканской научно-технической программы "Робот".
Цель работы. Повышение эффективности, увеличение продолжительности жизненного цикла и обеспечение возможности функционирования электротехнологических станочных систем в составе современных интегрированных автоматизированных производств
Задачи исследования:
разработать способы функционального синтеза и эволюции станочных систем, позволяющие осуществлять на этапе предпроектного анализа и составления технического задания выбор и оценку эффективности реализуемых функций применительно к автоматизированным электротехнологическим станочным системам (АЭСС) с учетом особенностей процесса формообразования, присущим используемым в этих системах методам обработки;
выявить эффективные направления функционального насыщения оборудования электротехнологических станочных систем, обеспечивающие снижение негативного влияния особенностей электротехнологических методов формообразования и возможность их функционирования в составе современного ИАП;
разработать способы реализации выявленных эффективных функций и осуществить функциональное насыщение ими электротехнологического
оборудования на примере копировально-прошивочных станков для размерной электрохимической и электроэрозионной обработки .
Методика исследований. Теоретические исследования базировались на использовании современного математического аппарата и физико-химических научных основ теории и технологии электрических методов обработки. Использованы также положения теории функционально-стоимостного анализа, системного анализа, теории информации, теории вероятностей и математической статистики, теории множеств, реляционной алгебры и теории оптимального управления.
При экспериментальных исследованиях была использована специальная установка. Достоверность результатов подтверждается использованием современного экспериментального оборудования и приборов, а также статистической обработкой результатов экспериментов.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
элементы теории функционального синтеза и функциональной эволюции для электротехнологических станочных систем, позволяющие выявить направления функционального насыщения и оценить эффективность реализации дополнительных и избыточных функций;
понятие потенциально-позитивной избыточной функции - избыточной функции, обладающей потенциальной возможностью обеспечить повышение качества реализации целевой и основных функций в процессе функционирования системы в условиях стохастического изменения состояния параметров системы, определяющих множество ее функций (номенклатуры обрабатываемых изделий, внешних условий, и т.д.);
концепция необходимости функциональной избыточности станочных систем, основывающаяся на выводе о том, что, применительно к автоматизированным электротехнологическим станочным системам, функция способности к эволюции является не просто условием реализации функций системы, а необходимо должна входить в состав ее дополнительных функций в качестве потенциально-позитивной избыточной функции. Отсюда следует заключение о том, что только функционально избыточные системы способны к эффективной эволюции, вследствие чего при функциональном синтезе автоматизированной станочной системы целесообразно вводить в универсум функций избыточные функции (формирующиеся путем декомпозиции функции способности к эволюции), то есть осуществлять функциональное насыщение оборудования, которое обеспечивает эволюцию системы и увеличивает продолжительность ее жизненного цикла за счет увеличения периода эксплуатации;
способ оценки эффективности реализации отдельных дополнительных или избыточных функций и функционирования системы в целом путем по-
строения векторной доходно-затратно-временной диаграммы, позволяю
щей учесть динамику затрат и доходов, связанных с эксплуатацией станоч
ной системы в течение всего ее жизненного цикла; '
объектное представление функций электротехнологической системы с выделением для каждой функции множеств элементов и методов, позволяющее строить комплексные математические и информационно-логические модели анализа динамики затрат на функционирование станочной системы для оценки эффективности реализации дополнительных и избыточных функций;
способ предотвращения или устранения последствий аномалий процесса ЭХО (пассивации, искрового или дугового пробоя промежутка и др.), основанный на использовании управляющих программ, реализующих принципы работы экспертных систем, учитывающих одновременно несколько контролируемых параметров, несущих информацию о предпосылках ано-мштий процесса, и исключающих тенденцию к установке системой управления параметров, опасных с точки зрения возникновения подобных аномалий;
способы и результаты функционального насыщения оборудования для электрохимической и электроэрозионной обработки, позволяющие снизить влияние стохастического фактора формообразования за счет использования стохастического динамического программирования для определения оптимальных программ управления (при ЭХО) и геометрического контроля участвующих в формообразовании поверхностей (при ЭЭО) и обеспечить возможность эксплуатации данного оборудования в составе современного ИАП.
Научная новизна.
Сформулировано новое научное понятие - потенциально-позитивная избыточная функция системы, выявлены подобные функции, разработаны способы оценки их эффективности, отличающиеся учетом всех составляющих жизненного цикла системы, и осуществлена их реализация применительно к автоматизированным электротехнологическим станочным системам, отличающаяся учетом стохастического характера бесконтактного формообразования, присущего электротехнологическим методам обработки.
Практическая ценность работы заключается в разработке методик и программного обеспечения для оценки эффективности реализации функций технологического оборудования автоматизированных электротехнологических станочных систем на этапе предпроектного анализа и составления технического задания, а также в лериод эксплуатации систем, в процессе их модернизации, и в разработке ряда конструкций функционально-
насыщенного электротехнологического оборудования вместе с программным обеспечением систем управления подобным оборудованием.
Практическая реализация результатов работы осуществлена в рамках серии хозяйственных договоров в Специальном проектно-конструкторским и технологическим бюро электрообработки (г. Санкт-Петербург), АО "Ленинградский металлический завод" и АО "Ленинградский завод турбинных лопаток".
Апробация диссертации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: IV , V и VI Всесоюзные конференции по электрохимической размерной обработке деталей машин ( г. Тула, 1975, 1980 и 1986 годы); Всесоюзные конференции по применению методов ЭХО ( г. Пермь, 1976 г. и г. Казань 1977 г.); Всесоюзная конференция по передовой технологии, механизации и автоматизации производства (г. Рязань, 1977 г.); Всесоюзный семинар "Комплексная механизация и автоматизация процессов и оборудования для электрообработки " (г. Ленинград, 1985 г.); Всесоюзный семинар "Повышение качества и эффективности применения электрофизических и электрохимических методов обработки " (г. Ленинград, 1986 г. ); Международная научно-техническая конференция "Инновационное проектирование в образовании, технике и технологии" (г. Волгоград, 1995 г.); 3-й международный конгресс "Конструкторско-технологическая информатика" - КТИ-96 (г. Москва, 1996 г.); Юбилейная международная научно-техническая конференция "Вопросы совершенствования технологии механической обработки и сборки изделий машиностроения" (г. Тула, 1996 г.); 4-й международный конгресс "Конструкторско-технологическая информатика" - КТИ-2000 (г. Москва, 2000 г.); международная конференция "Автоматизация и информатизация в машиностроении" АИМ-2000 (г. Тула, 2000 г.); международная конференция "Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения" (г. Орел, 2000 г.) а также на межвузовских и региональных научно-технических и научно-практических конференциях, семинарах и совещаниях, секциях научно-технических конференций профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета с 1975 по 2000 гг.
Публикации: По теме диссертации опубликовано 40 научных работ.
' Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов, списка литературы и приложения, содержит 286 страниц машинописного текста, 70 рисунков, 1 таблицу и библиографический список из 254 наименований.