Автоматизированная система управления качеством процесса обработки деталей в условиях неопределенности

Проблема качества является важнейшим фактором повышения уровня жизни, экономической, социальной и экологической безопасности. Качествокомплексное понятие, характеризующее эффективность всех сторон деятельности: разработка стратегии, организация производства, маркетинг и др. Важнейшей составляющей всей системы качества является качество продукции. В современной литературе и практике существуют различные трактовки понятия качество. Международная организация по стандартизации определяет качество (стандарт ИСО-8402) как совокупность свойств и характеристик продукции или услуги, которые придают им способность удовлетворять обусловленные или предполагаемые потребности. Этот стандарт ввел такие понятия, как «обеспечение качества», «управление качеством», «спираль качества». Требования к качеству на международном уровне определены стандартами ИСО серии 9000. Первая редакция международных стандартов ИСО серии 9000 вышла в конце 80-х годов и ознаменовала выход международной стандартизации на качественно новый уровень. Эти стандарты вторглись непосредственно в производственные процессы, сферу управления и установили четкие требования к системам обеспечения качества. Они положили начало сертификации систем качества. Возникло самостоятельное направление менеджмента — менеджмент качества. В настоящее время ученые и практики за рубежом связывают современные методы менеджмента качества с методологией TQM (total quality management) — всеобщим (всеохватывающим, тотальным) менеджментом качества[10].

Стандарты ИСО серии 9000 установили единый, признанный в мире подход к договорным условиям по оценке систем качества и одновременно регламентировали отношения между производителями и потребителями продукции.

Понятие качества формировалось под воздействием историко-производственных обстоятельств. Это обусловлено тем, что каждое общественное производство имело свои объективные требования к качеству продукции. На первых порах крупного промышленного производства проверка качества предполагала определение точности и прочности (точность размеров, прочность ткани и т. п.).

Повышение сложности изделий привело к увеличению числа оцениваемых свойств. Центр тяжести сместился к комплексной проверке функциональных способностей изделия. В условиях массового производства качество стало рассматриваться не с позиций отдельного экземпляра, а с позиций стандарта качества всех производимых в массовом производстве изделий.

С развитием научно-технического прогресса, следствием которого стала автоматизация производства, появились автоматические устройства для управления сложным оборудованием и другими системами. Возникло понятие «надежность». Таким образом, понятие качества постоянно развивалось и уточнялось. В связи с необходимостью контроля качества были разработаны методы сбора, обработки и анализа информации о качестве. Фирмы, функционировавшие в условиях рыночной экономики, стремились организовать наблюдения за качеством в процессе производства и потребления. Упор был сделан на преду- * преждение дефектов.

В литературе понятие качества трактуется по-разному. Однако основное — различие в понятиях качества лежит между его пониманием в условиях командно-административной и рыночной экономики.

В командно-административной экономике качество трактуется с позиции производителя. В рыночной экономике качество рассматривается с позиции потребителя.

Качество изделия может проявляться в процессе потребления.

Понятие качества продукта с позиций его соответствия требованиям потребителя сложилось именно в условиях рыночной экономики.

Идея такого подхода к определению качества продукции принадлежит голландскими ученым Дж. Ван Этингеру и Дж. Ситтигу. Ими разработана специальная область науки квалиметрия. Квалиметрия — наука о способах измерения и квантификации показателей качества. Квалиметрия позволяет давать количественные оценки качественным характеристикам товара. Квалиметрия исходит из того, что качество зависти от большого числа свойств рассматриваемого продукта. Для того чтобы судить о качестве продукта недостаточно только данных о его свойствах. Нужно учитывать и условия, в которых продукт будет использован. По мнению Дж. Ван Этингера и Дж. Ситтига, качество может быть выражено цифровыми значениями, если потребитель в состоянии группировать свойства в порядке их важности. Они считали, что качество — величина измеримая и, следовательно, несоответствие продукта предъявляемым к нему требованиям может быть выражено через какую-либо постоянную меру, которой обычно являются деньги [10].

Вместе с тем нельзя рассматривать качество изолированно с позиций производителя и потребителя. Без обеспечения технико-эксплуатационных, эксплуатационных и других параметров качества, записанных в технических условиях (ТУ) не может быть осуществлена сертификация продукции.

Разнообразные физические свойства, важные для оценки качества, сконцентрированы в потребительной стоимости. Важными свойствами для оценки качества являются:

— технический уровень, который отражает материализацию в продукции научно-технических достижений;

— эстетический уровень, который характеризуется комплексом свойств, связанных с эстетическими ощущениями и взглядами;

— эксплуатационный уровень, связанный с технической стороной использования продукции (уход за изделием, ремонт и т. п.);

— техническое качество, предполагающее гармоничную увязку предполагаемых и фактических потребительных свойств в эксплуатации изделия (функциональная точность, надежность, длительность срока службы).

Преобладающая часть современного мирового производства представлена производством товаров. Поэтому то или иное изготавливаемое изделие воплощает в себе как потребительную стоимость, так и стоимость.

Следовательно, качество является комплексным понятием, отражающим эффективность всех сторон деятельности фирмы.

Понятие качества неоднократно обсуждалось научной общественностью и практиками. Большую роль в формировании современного представления о качестве сыграла Академия проблем качества Российской Федерации.

В результате деятельности Академии проблем качества сформировалось концептуальное видение качества как одной из фундаментальных категорий, определяющих образ жизни, социальную и экономическую основу для успешного развития человека и общества. Такое видение качества представляется достаточно емким и более четко определяет значение повышения качества[11].

Значение повышения качества достаточно многообразно. Решение этой проблемы на микроуровне важно и для экономики в целом, т. к. позволит установить новые и прогрессивные пропорции между ее отраслями и внутри отраслей.

Большой вклад в разработку теории управления качеством внесли зарубежные и отечественные ученые. Работы русских ученых П. Л. Чебышева и А. М. Ляпунова являются теоретической основой выборочного контроля качества. Большой вклад в разработку применяемых в настоящее время систем управления качеством внесли отечественные ученые И. Г. Венецкий, А. М. Длин, американские ученые У. А. Шухарт, Э. Дэминг, А. Фейгенбаум[11].

Современное управление качеством исходит из того, что деятельность по управлению качеством не может быть эффективной после того, как продукция произведена, эта деятельность должна осуществляться в ходе производства продукции. Важна также деятельность по обеспечению качества, которая предшествует процессу производства.

Качество определяется действием многих случайных, местных и субъективных факторов. Для предупреждения влияния этих факторов на уровень качества необходима система управления качеством. При этом нужны не отдельные разрозненные и эпизодические усилия, а совокупность мер постоянного воздействия на процесс создания продукта с целью поддержания соответствующего уровня качества.

Повышение эффективности производства и качества продукции в машино-и приборостроении является одной из главных задач. Одна из актуальнейших проблем в условиях развивающейся комплексной автоматизации производствадостижение определенного качества обрабатываемой детали[1]. Качество детали зависит от фактической точности их изготовления, поэтому далее под качеством обработки деталей мы будем подразумевать точность обработки деталей на оборудовании с ЧПУ. Тогда для обеспечения качественной обработки деталей необходимо обеспечить высокую точность обработки деталей, т. е. чтобы размеры обработанных поверхностей не выходили за пределы поля допуска на размер по чертежу и были близки к центру поля допуска. Этого можно достичь только при условии, если качество деталей будет обеспечиваться самим технологическим процессом. Этот метод повышения качества продукции является самым эффективным.

Одной из наиболее характерных тенденций автоматизации современного производства является применение средств вычислительной техники для управления технологическими процессами на всех иерархических уровнях, обеспечивающих гибкость производства, высокую надежность управляющих систем, позволяет полнее реализовать потенциальные возможности прогрессивных наукоемких технологий.

Но среди многообразия средств автоматизации не все автоматизированные систему управления позволяют обеспечить необходимую точность обработки деталей. Даже в такой области традиционного применения автоматизированных систем управления, как управление технологическими процессами и автоматизированный контроль качества деталей машинои приборостроения, не решена до конца задача выбора оптимальных параметров управления технологическим процессом. Кроме того, и в ходе любого технологического процесса возникает задача компенсации воздействия внешних возмущений на объект управления, влияющих на точность выпускаемой продукции.

Обработка на металлорежущих станках протекает при непрерывном изменении внешних условий и параметров динамической системы станка. Описания процессов, происходящих при обработке, получены либо теоретически при использовании соответствующих допущений, либо эмпирически на основании статистической обработки результатов экспериментов для наиболее типичных случаев. Эти зависимости не учитывают всего многообразия факторов, действующих в реальных условиях в каждый данный момент времени.

Наличие жесткой программы, предписывающей исполнение фиксированных траекторий и режимов резания, зачастую ведет к снижению производительности, так как при программировании не могут быть учтены особенности обработки каждой детали и расчет ведется по среднестатистическим данным, причем исходные граничные условия должны выбираться по наихудшим вариантам. Нередки случаи, когда запрограммированная технология (режимы резания и траектория перемещения инструмента) оказывается непригодной, например, из-за плохого схода стружкипри этом неизбежны переделки программы. Эти недостатки не исключаются даже при использовании систем с ЧПУ.

Чтобы преодолеть эти недостатки необходимо наличие системы управления, которая позволит оптимизировать процесс обработки каждой детали благодаря использованию текущей информации по параметрам, определяющим условия и качество процесса резания. Данную информацию можно получать с помощью датчиков обратной связи в ходе процесса резания. Также система управления должна иметь блок самопрограммирования режимов резания, т. е. блок назначения оптимальных режимов резания при вариации условий обработки в самых широких пределах, что позволит улучшить процесс обработки деталей.

Задачу построения такой системы управления можно определить как задачу самопрограммирования с оптимизацией обработки и ее решение возможно на основе методов адаптивного управления, где блок самопрограммирования режимов резания может быть эффективно реализован с привлечением математических методов теории нечетких множеств. Нечеткие методы можно применять совместно с традиционными алгоритмами управления, используя наилучшие черты различных подходов.

Исходя из выше сказанного, можно утверждать, что задача создания подобной системы управления технологическим процессом обработки деталей представляется актуальной.

Предметом исследования данной работы является повышение качества обработки деталей на оборудовании с ЧПУ по параметру точности на основе адаптивных методов, а так же технологические процессы обработки деталей на оборудовании с ЧПУ и программное обеспечение АСУ этих процессов.

Целью настоящей работы является повышение качества обработки деталей машинои приборостроения на станках с ЧПУ.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Разработать математическую модель компонентов процесса контроля и управления точностью обработки деталей на токарных станках с ЧПУ с привлечением математических методов теории нечетких множеств.

2. Разработать алгоритм самопрограммирования режимов резания и методику управления точностью процесса обработки деталей на токарных станках с ЧПУ. «

3. Разработать аппаратно-программный комплекс управления точностью процесса обработки деталей на токарных станках с ЧПУ.

4. Оценить эффективность разработанного аппаратно-программного комплекса управления точностью процесса обработки деталей на токарных станках с ЧПУ.

Методы исследования: Решение поставленных в диссертационной работе задач основано на использовании методов математического моделирования, нечетких множеств, имитационного моделирования, системного анализа, теории автоматического управления.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель компонентов процесса контроля и управления точностью обработки деталей на токарных станках с ЧПУ с привлечением математических методов теории нечетких множеств.

2. Разработан алгоритм и методика управления точностью процесса обработки деталей на токарных станках с ЧПУ, позволяющие с помощью математических методов теории нечетких множеств корректировать режимы резания с целью повышения точности обработки деталей.

3. Проведен анализ возмущающих воздействий влияющих на точность обработки деталей при управлении процессом на основе оборудования с ЧПУ, построен вектор возмущающих воздействий и целевая функция с целью компенсации возмущающих воздействий путем изменения параметров режима резания.

4. Разработан программно-аппаратный комплекс для управления процессом обработки деталей на токарных станках с ЧПУ.

Практическая значимость заключается в разработке аппаратно-программного комплекса для повышения эффективности процессов обработки на станках с ЧПУ, в основу которых положены:

— математическая модель компонентов процесса контроля и управления точностью обработки деталей на токарных станках с ЧПУ с привлечением математических методов теории нечетких множеств;

— алгоритм и методика управления точностью процесса обработки деталей на токарных станках с ЧПУ, позволяющие с помощью математических методов теории нечетких множеств корректировать режимы резания с целью повышения точности обработки деталей;

— технологически ориентированный аппаратно-програмный комплекс управления процессом обработки на станках с ЧПУ, оригинальные программные продукты для управления станками, а также разработанный интерфейс оператора станков, оснащаемых системами программного управления типа НЦ.

Результаты диссертационной работы и разработанный аппаратно-программный комплекс управления точностью процесса обработки деталей на токарных станках с ЧПУ внедрены на предприятии ПО «Стрела» города Оренбурга и данный факт подтвержден актом о внедрении № 150/1251 от 11.04.2006 г.

Также получено свидетельство регистрации разработанной программной системы «ПКОД» № 151 в университетском фонде алгоритмов и программ выданное 17.04.06.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях ОГУ (Оренбург, 2003, 2004, 2005) — на конференции молодых специалистов ПО «Стрела» (Оренбург, 2004) — на конференции 2005 г. Пензана всероссийской научно-практической конференции (Оренбург, 2006). Основные положения и результаты диссертационной работы были опубликованы в журнале «Вестник Оренбургского государственного университета» № 12.

Положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель компонентов процесса контроля и управления точностью обработки деталей на токарных станках с ЧПУ построенная с привлечением математических методов теории нечетких множеств.

2. Алгоритм самопрограммирования режимов резания процесса обработки деталей на токарных станках с ЧПУ, обеспечивающий повышение точности обработки деталей за счет определения и коррекции параметров режима резания, основанный на математических методах теории нечетких множеств.

3. Методика, позволяющая с помощью разработанных алгоритмов самопрограммирования режимов резания управлять точностью процесса обработки деталей на токарных станках с ЧПУ.

4. Аппаратно-программный комплекс управления процессом обработки деталей на токарных станках с ЧПУ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня использованных источников из 114 наименований. Работа выполнена на 137 страницах, в том числе 34 рисунка и 15 таблиц.

Все результаты работы, полученные инженером-программистом отдела 50 Сормовьш С. И. по диссертационной работе «Автоматизированная система управления качеством технологического процесса обработки деталей в условиях неопределенности» переданы ПО «Стрела» ,

От ГОУ ВПО Оренбургский Государственный университет

Зав. кафедрой МОИС кхн., доцент a%iiwr~" И. В. Влащсая vr. гЧ ос Аспирант кафедры МОИС С.И. Сормов

От ПО «Стрела»

Главный технолог Mr^s^ И. Ф. Исак lo.OH.&ts^ Начальник отдела 50

Н.В. Черепанова

МШИСТЕРСТВО ОБРАЗОВ АНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

• ФЕд^ЯтноЕ Агентство по образованию *

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования — «Оренбургский государственный университет» Университетский фонд алгоритмов и программ

ПРОГРАММНОГО' СРЕДСТВА

Настоящее свидетельство выдало на программное средство

Программный комплекс обработки деталей ПКОД v.l.О (10 240 кбайт), зарегистрированное в Университетском фонде алгоритмов и программ.

Авторы: Влацкая И. В., Сормов СЛ.

Дата регистрации:

Регистрационный номер:

17 апрела^СЙШ^^

Проректор по информатизации^ >л

Руководитель УФАП. у’В-В. Быковский

-*гэи"*с «-» г."

Е.В. Дырдина