Введение к работе
Актуальность исследований. Совершенствование технологии выполнения работ в судоремонте на основе математических моделей и методов исследования операций является исключительно важной научно-исследовательской задачей, имеющей большое народно-хозяйственное значение. Задачи поддержания флота в нормальном техническом состоянии и обеспечения высококачественного ремонта приобретают особую актуальность, в связи с необходимостью поддержания в работоспособном состоянии судов, находящихся длительное время в эксплуатации. Современные методы организации и управления судоремонтным производством на водном транспорте основываются, бесспорно, на фундаментальных научных исследованиях отечественных ученых. Это, прежде всего, доктора технических наук, профессора Лопырев Н.К., Сумеркин Ю.В., Никифоров В.Г., Лазарев А.Н., Половинкин В.Н., Веселков В.В., Борисов Ю.В., Климов Е.Н., Кулик А.Я., Криулин А.С., Погодаев Л.И., Михайлов В.И., Степанов М.Н., Вихров Н.М., Шнуренко А.А., Барышников С.О., Чистов В.Б., Матвеев Ю.И. и др. Их труды известны широкому кругу специалистов и получили высокую оценку как в нашей стране, так и за рубежом.
В диссертации определен класс первоочередных задач, подлежащих решению в исследуемой предметной области. К ним отнесены задачи моделирования и алгоритмизации процессов сборки узлов и агрегатов при ремонте на основе компьютерных технологий и методов практической оптимизации.
Актуальность диссертационных исследований состоит в том, что с помощью разработанных моделей производятся оценки срока службы корпусов речных судов при ремонте, принимаются оптимальные решения по моделям управления запасами, предлагаются варианты раскроя материала для изготовления накладных полос и других конструктивных элементов корпуса с количественными оценками, выполняемыми методами математического программирования и исследования операций.
Актуальность определяется результатами исследований по созданию алгоритмов и совершенствованию математических моделей сборки кривошипно – шатунных механизмов судовых дизелей при судоремонте, алгоритма и вычислительной процедуры минимизации погрешности узловой сборки путем использования методов планирования эксперимента. Актуальными являются способы численной оценки и сплайн – алгоритм коррекции матрицы преобразования координат промышленного робота, упрощающие процедуру перенастройки промышленного робота для выполнения технологических операций и предназначенные для компенсации погрешностей при измерении сигналов с помощью датчиков информации.
Исследования в перечисленных выше направлениях позволяют на качественно новом уровне решать задачи совершенствования технологических процессов на судоремонтных предприятиях, использовать модели и алгоритмы для принятия научно обоснованных решений на этапе технологической сборки узлов и деталей дизелей, применять модели и алгоритмы для формирования критериев качества, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к конкретным ремонтным операциям.
Цель исследований состоит в разработке моделей, алгоритмов и программных средств, обеспечивающих совершенствование технологии выполнения работ в судоремонте, оценки срока службы корпусных конструкций, собираемости механического оборудования, сборки кривошипно – шатунных механизмов судовых дизелей и эффективности технологии использования промышленных роботов-манипуляторов
Задачи исследований:
-
Разработка модели оценки технического состояния и срока службы корпусов речных судов при ремонте. Выбор критериев оптимальности для определения сроков службы корпуса судна по результатам предремонтных обследований. Разработка модели управления запасом прочности корпуса судна. Модели и алгоритмизация компьютерного способа раскроя материала при изготовлении накладных полос.
-
Моделирование и алгоритмизация процесса совершенствования сборки узлов и агрегатов при ремонте судовых механизмов и машин методами и средствами практической оптимизации.
-
Модель совершенствования организации и технологии сборки агрегатов на основе теоремы Гозинта с установлением соотношений между сборочной матрицей технологического процесса и матрицей полных коэффициентов потребностей. Оперативные расчеты объемов потребных материалов, деталей и узлов в необходимых объемах для качественного выполнения сборочных работ при ремонте (выпуске конечной продукции).
-
Способы повышения точности сборки при ремонте узлов и агрегатов. Алгоритмы и модели параметрической оптимизации для эффективного распределения ресурсов, определяющих стоимость выполнения сборочных работ в условиях ограничений, и их использование для совершенствования сборочных работ при ремонте.
-
Разработка сплайн – алгоритма для совершенствования технологии выполнения работ в судоремонте с нелинейными критериями целевых функций в условиях ограничений, слабо поддающихся математической формализации. Реализация способа распределения ресурса (суммарного допуска) по процессам при минимальной стоимости сборки узла.
-
Разработка математических моделей совершенствования сборки узлов судовых дизелей при ремонте; модели технологической операции сборки и центровки поршня кривошипно-шатунного механизма в цилиндре дизеля, с учетом перекосов и поворотов оси поршня в функции от производственных погрешностей.
-
Совершенствование сборки в машиноремонте путем минимизации погрешностей методами планирования эксперимента. Разработка алгоритма и программы для оптимизации сборки методом варьирования направлений частных погрешностей, составляющих суммарный перекос. Проведение активного эксперимента на модели и реализация сборки способом целенаправленного подбора деталей.
-
Математическая модель рекурсивного оценивателя и ее практическое использование при обработке экспериментальных данных и результатов измерений.
-
Разработка моделей и алгоритмов для повышения точности компьютерного управления перемещением спредера манипулятора (движением «руки» промышленного робота) по заданной траектории.
-
Модели оценки элементов матрицы преобразования координат промышленного робота (манипулятора) в компьютерном и технологическом базисах; способы коррекции элементов матрицы по критериям минимума суммы квадратов ошибок и минимума суммарной абсолютной ошибки измерений координат.
Методы исследований. Исследования проводятся на основе фундаментальных положений технологии судостроения, судоремонта и организации судостроительного производства, теоретических основ создания технологического оборудования, деталей корпуса судна и судовых систем, способов оценки собираемости механического оборудования. В работе использованы теоретические положения, на базе которых созданы способы совершенствования технологии выполнения ремонтных работ с применением компьютерных и новых информационных технологий. Решение задач параметрической оптимизации в судоремонте выполнено на базе теории планирования эксперимента и прикладной теории оптимизации. Общая теория систем, системного анализа и исследования операций, математическое моделирование и теория оценивания использованы для получения конкретных технических решений, направленных на уменьшение погрешностей механизмов и узлов при выполнении сборочных работ.
Научная новизна результатов исследований содержится в следующих положениях, выносимых на защиту:
-
В получении модели оценки технического состояния и срока службы корпусов речных судов при ремонте для реализации различных схем эксплуатации корпуса; в модели управления запасом прочности корпуса судна; в модели и алгоритме компьютерного способа раскроя материала при изготовлении накладных полос.
-
В создании модели и алгоритма совершенствования сборки узлов и агрегатов при ремонте судовых механизмов и машин методами и средствами практической оптимизации.
-
В совершенствовании модели Гозинта для установления соотношений между сборочной матрицей технологического процесса и матрицей полных коэффициентов потребностей; в ускорении расчетов объемов потребных материалов, деталей и узлов для сборочных работ при ремонте на основе аппарата разреженных матриц.
-
Научная новизна состоит в разработке способов повышения точности сборки при ремонте узлов и агрегатов; в моделях параметрической оптимизации для эффективного распределения ресурсов, определяющих стоимость выполнения сборочных работ в условиях ограничений.
-
Новым является сплайн-алгоритм совершенствования технологии выполнения работ в судоремонте с нелинейными критериями целевых функций в условиях ограничений и компьютерная программа для его практического использования.
-
В создании математических моделей совершенствования сборки узлов судовых дизелей при ремонте; моделей технологических операций сборки и центровки поршня кривошипно-шатунного механизма в цилиндре дизеля; в разработке алгоритма и программы для оптимизации сборки методом варьирования направлений частных погрешностей, составляющих суммарный перекос.
-
Новизна содержится в разработке математической модели рекурсивного оценивателя и рекомендаций по ее практическому использованию.
-
Новыми являются модели оценки элементов матрицы преобразования координат промышленного робота (манипулятора) в различных базисах; способы коррекции элементов матрицы при обеспечении минимума суммы квадратов ошибок и минимума суммарной абсолютной ошибки измерений координат.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в создании моделей и алгоритмов совершенствования технологических способов выполнения работ в судоремонте на основе математического моделирования и численных методов оптимизации. Практическая значимость работы заключается в новых технических решениях и алгоритмах совершенствования сборки узлов и агрегатов, в моделировании сложных процессов сборки кривошипно-шатунных механизмов судовых дизелей, практических способах оценки качества сборки и выборе на основе моделирования вариантов компоновки деталей для минимизации погрешности сборки.
Важными для практических приложений являются модели и алгоритмы повышения точности выполнения технологических операций промышленным роботом за счет коррекции элементов матрицы преобразования координат и применения сплайнов для оценки траектории движения рабочих органов робота.
Основные выводы и положения диссертационных исследований внедрены на судоремонтных предприятиях водного транспорта, что подтверждено актом о внедрении. Предложенные модели и алгоритмы используются в учебных курсах на судомеханическом факультете и факультете портовой техники и электромеханики в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций (СПГУВК).
Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались на Международной научно-практической конференции «Водный транспорт России: инновационный путь развития», 6 – 7 октября 2010г. Россия, Санкт - Петербург, СПГУВК; на научно-практической конференции «Проблемы развития транспортной инфраструктуры Европейского Севера России», Котлас, 29-30 марта 2008 г.; на Международной научно – практической конференции «Интеграционная стратегия становления профессионала в условиях многоуровневого образования», 22-24 июня 2007 г., Котлас, 2007; «Научно-технической конференции молодых научных сотрудников СПГУВК », Санкт-Петербург, 1-7 июня 2005 г.; на конференции «Проблемы развития транспортной инфраструктуры Европейского Севера России», Котлас, 20-21 марта 2003г.; постоянно действующих семинарах кафедр Технологии судоремонта, Технологии материалов и материаловедения, Сопротивления материалов и строительной механики в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций.
Публикации. Основные положения диссертационных исследований опубликованы в 7 печатных работах, перечень которых приведен в библиографическом списке, помещенном в диссертации. В перечне трудов содержатся две работы, опубликованные изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация представлена в форме рукописи, состоящей из введения, четырех глав, заключения, списка использованных отечественных и зарубежных источников, состоящего из 103 наименований, приложений, в которых содержатся файлы, разработанные для выполнения расчетов и проведения машинного эксперимента. Общий объем работы составляет 176 стр. текста, в том числе 23 рисунков, 7 таблиц. Приложения представлены на 20 стр. машинописного текста.
