Разработка методов и графоаналитических моделей автоматизированного проектирования управляющих программ для станков с числовым программным управлением

Современная промышленная система развивается в условиях жесткой конкуренции и развитие ее идет в нескольких направлениях — это: существенное повышение качества продукциисокращение времени обработки на новейшем оборудовании с числовым программным управлением за счет технических усовершенствований деталей и узловповышение интеллектуальной оснащенности производства с использованием высокоэффективных автоматизированных систем и др. Согласно научно-статических данных, каждые 8-И 0 лет развития науки и техники характеризуются значительным усложнением технических систем и объектов в несколько раз. Учитывая, что период освоения новых технологических процессов в механосборочном и механообрабатывающем производствах составляет значительный период от 5 и более лет, а эффективность, например, механообрабатывающих технологических процессов, растет и того медленнее, то главным резервом повышения показателей экономической эффективности названных производств остается повышение степени автоматизации производственно-технологического процесса, совершенствование и повышение качества разработки управляющих программ для станков с ЧПУ автоматизированным методом, а также совершенствование управления технологическими, производственными и организационными процессами механообрабатывающего производства промышленных предприятий. Поэтому современная стратегия развития промышленного производства во всем цивилизованном мире предполагает создание принципиально новых методов и приемов автоматизированного проектирования, с использованием новых технических средств, ЭВМ и материаловсущественным повышением уровня автоматизации непосредственно технологических процессов, управления этими процессами на основе совершенствования системы обработки информации, экономико-математического априорного моделирования вышеназванных процессов с целью обеспечения выпуска высококачественной продукции механообрабатывающего и механосборочного производств промышленных предприятий в заданные сроки при минимальных затратах.

Для эффективного использования отечественного оборудования современные предприятия используют зарубежные системы, позволяющие автоматизировать проектирование управляющих программ (УП) для оборудования с числовым программным управлением (ЧПУ), но системы зарубежных разработчиков по своей стоимости являются не покупными для большинства отечественных предприятий. Автоматизированное проектирование управляющих программ для отечественного оборудования с ЧПУ с помощью зарубежных САПР и последующая их эксплуатация на отечественном оборудовании приводит к сбоям и ошибкам в процессе механической обработки технологических заготовок и трудно отследить на каком этапе автоматизированной обработки произошли ошибки. Это связано со стохастической неопределенностью выходных апостериорных параметров механической обработки и недостаточной информацией о возмущающих факторах, влияющих на стабильность и точность функционирования производственно-, технологической системы механообрабатывающего и механосборочного производств промышленных предприятий.

Стохастическую неопределенность в технологических процессах разработки управляющих программ для станков с ЧПУ можно уменьшить, на пример, разработкой априорных математических и графоаналитических мо-. делей со взагшоувязкой компонентов технологических процессов и автоматизированного проектирования разработок, представляющих собой зависимости между проектно-технологическими и управленческими параметрами. Поэтому с функционально-экономической точки зрения (основываясь на методологии функционально-стоимостной инженерии) производственная, равно как и поддерживающая — система автоматизации проектированиядолжны реализовывать исходный технологический процесс в виде процедур взаимодействия материального (проектного и производственного), информационного (оптимизационных алгоритмов, математических моделей, электронного моделирования и др.), энергетического (наличие современного оборудования с ЧПУ, автоматизированных систем управления производством и технологическими процессами) и финансового потоков.

Следовательно, при разработке и совершенствовании (модернизации) современных проектно-технологических, производственно-технологических, информационных моделей и методов разработки управляющих программ для станков с ЧПУ с использованием автоматизированных систем возникают проблемы, меньше связанные с рассмотрением свойств и законов функционирования элементов, а больше с выбором наилучшей структуры, оптимальной организации взаимодействия элементов системы, определения оптимальных режимов резания при механообработке и функционирования по критерию стоимости функции проектирования УП для станков с ЧПУ, с учетом влияния внешней среды на основе априорного математического моделирования геометрических объектов и их внутреннего состава и связей.

В этой связи вырисовывается главный тезис — утверждение первостепенной важности проблемы совершенствования системы автоматизированного проектирования технологических процессов для изготовления деталей на станках с ЧПУ, проектирования управляющих программ для станков с ЧПУ на основе априорного технико-экономического и математического моделирования, прогнозирования проектно-технологических, производственных и технико-экономических процессов. На основании вышеизложенного можно констатировать, что основной целью настоящей работы ставится: разработка методов и графоаналитических моделей автоматизированного проектирования, управляющих программ для станков с числовым программным управлением с использованием методологии функционально-стоимостной инженерии по критериям функции и стоимости с позиции функциональности.

Здесь функциональность выступает как технико-экономическая и экономико-математическая категория понятий с совокупностью критериев через функцию как полезное действие, состояния или свойство, то есть функциональность — это: качество, надежность, эффективность и долговечность. Здесь надежность выступает как совокупность качественных показателей, направленных на выполнение главной функции — спроектировать программу для управления станком с ЧПУ, для проведения качественной механообработки деталей в соответствии конструкторской документации. Для достижения поставленной перед исследователем цели в работе ставятся следующие задачи: провести системно-функциональный и верификационный анализ существующих систем автоматизации проектирования на исследуемом предприятии, входящем в комплекс автоматизированных систем проектирования ТП, выполнить структурный, системный и функциональный анализы состава систем, то есть выполнить декомпозицию названной автоматизированной системы, по функции, увязать их технико-экономическими и математическими моделями по возможности со стоимостными показателямиразработать оптимальные методы и математические модели комплексного САПР на примере системы САЭтЭ со взаимоувязкой всех подсистемвыявить удачную подсистему проектирования, пригодную для автоматизированного проектирования управляющих программ для станков с ЧПУ, разработать графоаналитические модели и методы с использованием методологии функционально-стоимостной инженерии (ФСИ).

Таким образом, основными задачами исследования являются:

1. Выполнить системно-функциональный и верификационный анализы существующих систем автоматизации проектирования конструкторско-тех, но логических разработок, методы описания и моделирования технологических процессов в соответствии с методологией функционально-стоимостной инженерии и определить подсистему автоматизации проектирования управляющих программ для станков с ЧПУ в механообрабатывающем и механосборочном производстве промышленных предприятий (например: ФНПЦ ОАО НПО «Марс», ЗАО «Авиастар-СП», ОАО «Авиакор» — Самарский авиационный завод).

2. Теоретически исследовать структуру и графоаналитический состав подсистем проектирования систем автоматизации (как логической составляющей промышленной САПР ТП) и на основе методов математического моделирования выполнить взаимоувязку комплексной системы со всем комплексом и компонентами системы в виде математического и проектно-технологического описания моделей с использованием критериев функциональности и стоимости комплексной (объединенной из подсистем различных систем проектирования и управления) системы автоматизации проектирования (САПР) исследуемого предприятия.

3. Разработать методы и методику математического моделирования промышленной САПР исследуемого предприятия для объединения ее структуры со взаимоувязкой информационных потоков с функциональными, структурными, стоимостными показателями и технологическим обеспечением с целью разработки управляющих программ для станков с ЧПУ.

4. Разработать графоаналитические методы и алгоритмы проектирования, моделирования и адаптации в производство подсистем проектирования УП комплексной промышленной САПР ТП (САБШБ) со взаимоувязкой модулей комплекса технических средств с информационным и программным обеспечением, рабочими процедурами и технологическими процессами на основе теории массового обслуживания, теории информации, исследования операций, теории структур и функционально-стоимостной инженерии по функции времени и стоимостным показателям как основополагающим критериям систем автоматизации проектирования.

Научная новизна работы заключается в разработке метода графоаналитического моделирования геометрических объектов механообработки с использованием проектных процедур системы автоматизированного проек-4-тирования САБШБ по критериям функции с позиции фунщионалъности, на основе структурирования технологических операций механообрабатываю-щих поверхностей, сплайнов и др.

Базисные элементы: графоаналитическая модель, геометрический объект по критерию функциональности САПР, где функциональность — это комплексный показатель: качество, надежность, эффективность и долговеч-' ность системы.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Предложен метод графоаналитического моделирования геометрических объектов механической обработки изделий для автоматизированного проектирования управляющих программ и оборудования с числовым программным управлением с увязкой элементов по критериям функции и стоимости с позиции функциональности с дополнением типовых формулировок конструкторско-технологических, производственных функций, исследуемого предприятия.

2. Предложены методы и графоаналитические модели для взаимоувязки геометрических объектов в виде управляющих программ с комплексом технических средств САПР по временным интервалам в узлах обработки проектно-технологической информации на основе функционально-стоимостной инженерии и математического анализа.

3. Предложены эмпирические формулы для автоматизированного нормирования операций механической обработки изделий, выведенные в процессе проведения экспериментов.

В первой главе выполняется системно-функциональный анализ систем автоматизации проектирования конструкторско-технологических разработок по подсистемам. Рассматриваются модули нескольких заимствованных систем методами верификациирассматриваются и анализируются критические, недостающие, изменения и основные функции систем проектирования. Выполняется научно-обоснованное заключение о практической несовместимости покупных (заимствованных) систем с отечественными системами СЧПУ, с программным обеспечением и интерфейсными модулями отечественного оборудования с ЧПУ и др.

Во второй главе разрабатываются графоаналитические и математические методы моделирования геометрических объектов, изготавливаемых методом механической обработки с моделированием и описанием технологических процедур: операций и переходов технологического процесса разработки управляющих программ на основе графоаналитических моделей геометрических объектов и сплайнов, конфигураций и траекторий движения инструмента на примере штатных изделий машиностроенияразрабатываются методы проектирования технологических переходов движения режущего инструмента на различных поверхностях токарной и фрезерной обработки и др.

В третьей главе на основании проведенных исследований и разработок обобщенных графоаналитических моделей, геометрических объектов машиностроения, обрабатываемых фрезерной обработкой на оборудовании с ЧПУ, разрабатываются методы и математические модели для взаимоувязки элементов «проектирования» с информационным обеспечением по функции и стоимости, а также разрабатываются математические модели взаимоувязки комплекса технических средств и программного обеспечения на основе элементов теории массового обслуживания, теории информации, теории структур, функционально-стоимостной инженерии и других методов. В главе приводятся численные примеры по анализу параметров исходного и процесса в узлах системы САЭШЭ методами решения системы дифференциальных уравнений в предельных случаях протекающих процессов в узлах с очередями в системе автоматизированного проектирования и др.

В четвертой главе описывается технология адаптации методов технико-математического моделирования и описания геометрических объектов и графоаналитических моделей технологических процессов механической обработки изделий машиностроения, выполняемых на оборудовании с ЧПУ, модулей системы в условиях штатного производства, с расчетом норм времени обработки и графического изображения этих расчетов и др. Также, производится расчет экономической эффективности от внедрения методов, моделей и априорной методики по производству расчетов экономической эффективности по результатам исследования и экспериментов, где в качестве реальной САПР-КТР применяется система САБШЗ, используемая на исследуемом предприятии. Вследствие этого достигается снижение трудоемкой-сти при автоматизированном проектировании УП для станков с ЧПУ (в н/часах), рассчитывается условный экономический эффект (в млн. руб.) и определяется коэффициент автоматизации и механизации, процесса разработки УП, который исчисляется в «разах» и составляет 1,7.

Все расчеты подтверждены актами о внедрении результатов исследования, экспериментов и разработок (акты вынесены в приложение настоящей работы). В завершении четвертой главы констатируется полезность выполненной работы.

В основных выводах и результатах к диссертации резюмируются научные и практические результаты, а также акцентируется новизна исследований и экспериментов.

В перечень литературы внесено 120 наименований первоисточников, используемых при написании настоящей работы.

В приложение внесены два акта о внедрении результатов исследования, экспериментов и разработок на двух действующих авиационных предприятиях и высшем учебном заведении.

По теме диссертации опубликованы: 12 научно-технических работ: статей — 9- научно-технических докладов в сборниках — 3- в том числе 3 статьи опубликованы в сборнике, включенном в перечень ВАК РФ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Проведен дополнительный системно-функциональный анализ технологических процессов механообрабатывающих изделий (деталей) на станках с ЧПУ, что позволило разработать графоаналитические модели и программный язык — язык системы CASIUS в виде символов, определений, операторов и других технологических атрибутовусовершенствованы проектные процедуры для автоматизированного проектирования управляющих программ к оборудованию с ЧПУ исследуемых предприятий, в виде геометрических объектов (ГО) изделий.

2. Разработаны структуры программ и объектов проектирования (через построение геометрических функций проектирования), проектные процедуры автоматизированной системы проектирования CASIUS, что позволило разработать объекты проектирования через геометрические выражения и дополнительные проектно-технологические графоаналитические функции на основе проектных процедур изменения направления геометрических элементов САПР.

3. Разработаны специальные объекты проектирования через геометрические выражения, что позволило разработать математические модели взаимоувязки комплекса технических средств САПР УП и обеспечить адаптацию системы проектирования УП на примере фрезерной обработки изделий по функции времени.

4. Разработаны графоаналитические и математические функции как дополнение к производственным формулировкам в виде графоаналитических и геометрических объектов основной номенклатуры механообрабатывающих изделий, обрабатываемых на оборудовании с ЧПУ, что обеспечило необходимой информацией проектные процедуры для разработки методики организации проектирования УП в системе CASIUS.

5. Разработана методика проектирования управляющих программ для оборудования с ЧПУ на основе графоаналитических и математических моделей и функций, что позволило повысить производительность труда программистов-проектировщиков в 1,7 раза по сравнению с традиционной системой разработки УП.

6. Разработаны процедуры выбора критериев оптимальности технологических процессов на основе графоаналитических функций и моделей, что позволяет сократить трудоемкость подготовительных работ по разработке УП для станков с ЧПУ на 16 676,5 н/час., а экономический эффект в целом по механообрабатывающему и механосборочному производству исследуемого предприятия составил Эмод= 1 031 541,2 рубля, в расчёте на одно изделие (самолёт модификации ТУ-204−100).

7. Результаты настоящих исследований и разработок отражены в 12 научно-технических публикациях (9 научно-технических статей и трёх тезисах докладов), в том числе в 3 научно-технических статьях, опубликованных в Известиях Самарского научного центра РАН, входящего в перечень ВАК РФ.