CC BY
10
9. Глазунов В. А. Использование теории винтов в задачах механики манипуляторов//Машиноведение 1989 №4, с. 5-10.
SUMMARY
The new generation of processing machinery with parallel kinematics on tne mechatronic systems basis is studied. Comparing with traditional machine tools for a volumet-c mach..iing shows its advantages. Tne results of physical Simulation of kinemaucs of the machine tool - manipulator ana direction of further studies are considered
УДК 658.512
АНАЛИЗ ИНЦИДЕНЦИЙ ПРИ СТРУКТУРИРОВАНИИ
ФУНКЦИИ КАЧЕСТВА НА РАННЕЙ СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО СТАНКА
A.C. Фирсов
Процесс проектирования метал порежущего станка в определенном смысле представляет собой систему управления его качеством Конструктор анализирует исходные данные выбирает принцип работы принимаем инженерные решения, вносит необходимой изменения в конструкцию (т.е. выполняет управляющее воздействие) после чего оценивает экономическую эффективность проекта и. при необходимости производит доголнения каждом этапе своей работы. В меру своих знании, способностей и опыта он оценивает выходные параметры конструкции, сравнивая их с требуемыми и/или допускаемыми. Результат этого сравнения испопьзуется для выработки нового управляющего воздействия - следующей итерации. Это продолжается до тех пор, пока не будет получена конструкция требуемого качества Однако результат работы может оказаться бесполезным, если исходные данные на самсй ранней стадии проектирования не отвечаю-" требованиям потенциального потребителя продукции.
Для оценки влияния требований потребителя на принципиальные технические решения через конкретные значения телнических характеристик целесообразно применять метод структурирования функции качества. Суть метода заключается в последовательном заполнении матрицы согласования потребительских требований (ПТ) и инженерных характеристик (ИХ; и последующем расчете весовых коэффициентов влияния ПТ на ИХ. Методика структурирования функции качества рассмотрена в статье [1]. При определении Пт, предъявляемых к металлорежущим станкам на ранней стадии проектирования набор и значения показателей формируются' 1) на осноче требований заказчика' 2) служебного назначения проектируемого оборудования; 3) требований к качеству деталей, изготовляемых на проектируемом оборудовании; 4) с учетом ряда показателей технического уровня станка (показатели надежности точности, безопасности и т.д.). В свою очередь технические характеристики представляют собой набор внешних технических характеристик отражающих общие требования прьдьявляемые к проектируемому оборудованию в целом (условно являются частью ПТ), и внутоенних инженерных характеристик (ИХ). Принять,е ИХ отражают набор внутренних функций которые, иерархически связуясь друг с другом, определяю"1" внутреннюю структуру проектируемого объекта [2]. Поэтому в состав ИХ включают только те технические характеристики, которые в той или иной степени влекут за собой изменения принципиальных технических решений: компоновочной, кинематической, гидравлической схемах схеме управления станка. В основном ИХ определяются наОором рабочих вспомогательных установочных и специальных дзижений необходимых для реализации технологической схемы обработки на проектируемом станке.
Структурирование функции качества, осуществляется в несколько этапсз. На пеовом этапе уточняются и ранжируются ПТ, по степени их важности для потребителей. Ранг ПТ определяемся экспертным путем, методом по парного соавнения, где в качестве эксперта выступает потребитель. Методика математической обработки результатов предпочтений изложена з статье [1]. На втором этапе заполняется матрица согласования ПТ и ИХ. При ее заполнении выявляются скрытые взаимосвязи каждых Г7Т и ИХ]. Поскольку в большинстве случаев зависимость между конкретными потребительскими требованиями и инженерными характеристиками явно выразить достаточно сложно, а иногда просто невозможно, то необходимо применять метод инциденций [31. Инциденция представляет собой числовое отражение скрытых неявных связей между двумя отличными факторами. В свою очередь, метод инциденций позволяет выдвинь скрытые трудно учитываемые экспертами воздействия при анализе причинно-следственных отношений множества отдельных факторов между собой или со множеством других факторов.
Общая структура процесса определения инциденций представлена в виде формулы определения матрицы вторичного влияния М
= а. Г о IX ,
где матрица инциденций ПТ друг на др>га, IV__- матрица первичного
влияния потребительских требований на инженерные характеристики, ИХ -матрица инциденций ИХ друг на друга. Знак о - представляет собой условное обозначение математической операции позволяющей определить наличие инциденции и называемой композицией максимум-минимум или тахгтп Согласно приведенной зависимости определение инциденций ПТ и ИХ с учетом вторичного влияния ПТ и ИХ производится в следующей последовательности.
1. Уточняется множество ранжированных потребительских тоебований:
ПТ = {П^ ПТ2, Пт:, ПТ,}, например при проектировании шлисровально-заточного станка с ЧПУ набор ПТ, з порядке их важности для потребителя имеет вид:
ПТт - обеспечить технологическую возможность обработки деталей заданной формы и размеров ПТ^"-- обеспечить показатели точности и шероховатости обрабатываемых поверхностей деталей' ПТ3 - обеспечить минимальные габаритные размеры станка' ПТ4 - обеспечить минимальное энергопотребление станка: ПТ5 - обеспечить минимальную массу станка- ПТ6 - обеспечить наибольшую производительность станка; ПТ7 - обеспечить максимальную автоматизацию процесса обработки; ПТ8 - обеспечить низкую себестоимость станка; ПТ9 -обеспечить максимальную безопасность работы на станке; ПТ13 - обеспечить эстетичность станка.
Следует отметить что приведенные потребительские требования являются лишь частью набора потребительских требований предъявляемых к станку при реальном проектировании
Далее формируется матрица инциденций ПТ друг на друга (таблица 1). 3 ячейки матрицы заносятся средние значения семантических переменных (ранжированных лингвистических) установленных группой экспертов. При этом матрица является рефпексивной (главная диагональ обоазована из 1), поскольку инциденция любого ПТ на самого себя функционально положительна
2. Уточняется множество инженерных характеристик
ИХ ь {ИХ, ИХ2, ИХ? . ИХ].
В качестве примера примем инженерные характеристики ИХ-..... ИХ10,
определяющие параметры шлифовально-заточного станка с ЧПУ:
ИХ! - наибольшая длина станка (наибольший размер в горизонтальном направлении вдоль оси ОХ); ИХ? - наибольшая ширина станка (наибольший размер станка в горизонтальном направлении ОУ)' ИХ3 - наибольшая высота станка (наибольший размер станка в вертикальном направлении OZ): ИХ4 - наибольшее
перемещение суппорта шлифовального круга в вертикальном направлении ИХ? - наибольшее перемещение стола с заготовкой в вертикальном направлении 07.; ИХ6 - наименьшая частота вращения шпинделя инструмента; ИХГ - наибольшая частота вращения шпинделя инструмента ИХС - количество управляемых координат; ИХ9 - максимальная мощность ЭД главного движения ИХ<0 -максимальная суммаоная мощность ЭД станка.
Следует отметить, что приведенные инженерные характеристики являются лишь частью набора инженерных характеристик определяющих показатели шлифовально-заточного станка при реальном проектирование
таблица 1- -Матрица инцидечций ПТ
пг ПТ1 ПТ2 ПТЗ ПТ4 ПТ5 ПТ6 ПТ7 ПТ8 ПТ9 ПТ10
ПТ1 1 0 -0.7 0 -0,5 -0 3 0 0,1 -0,3 -0,8
ПТ2 -0,6 1 +0.3 0 0 ■0,7 -"0,5 0 0 -0,9
ПТЗ -0.6 0 1 +0,2 +0.8 0 0 +С,5 0 0
ПТ4 -0.3 С +0,2 1 +0 3 -0 4 0 0 +0 4 +0,3
ПТ5 -0 3 0 +0 5 0 1 0 0 +0,3 +0,2 +0 5
ПТ6 +0 6 -С.6 0 -0,5 0 1 +0,8 -0,3 -0.3 +0.2
ПТ7 +0,3 +§ 4 0 -0 2 0 +0 8 1 +0 2 +0,4 -0,7
ПТ8 0 0 +0 3 0 +0.2 -0.1 +0.3 1 + 1 -0.5
ПТ9 -0 2 +0,2 -0 2 +0,2 -0.3 -0 5 +0,6 +0,2 1 -0,7
ПТ10 -0,4 -С 6 +0 1 -0,5 +С 4 0 -0 7 -0 5 -0.3 1
Далее формируется матрица инциденций ИХ друг на друга (таблица 2). В ячейки матрицы заносятся средние значения семантических переменных установленных группой экспертов При этом матрица является рефлексивной (главная диагональ образована из 1) поскольку иьциденция любого ПТ на самого себя функционально положительна
Таблица 2 - Матрица инциденций ИХ
ИХЪ ИХ1 ИХ2 ихз ИХ4 ИХ5 ИХ6 ИХ7, ИХ8 ихэ ихю
ИХ1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0
ИХ2 С 1 0 0 0 0 0 0 0 0
ихз 0 0 1 +0 5 +0.5 0 0 0 0 0
ИХ4 С с +0 9 1 -0,4 с •0,3 +0,8 +0,2 +0,5
ИХ5 0 0 +0,5 -0,3 1 0 0 +0,5 0 +0.5
ИХЬ 0 I 0 0 0 0 1 0 +0 5 -0.3 -0,2
ИХ7 0 0 0 -0,3 0 с 1 +0 5 +1 +0,5
ИХ8 0 0 0 0 С 0 0 1 0 0
ИХ9 0 0 0 0 0 -0,3 т0,9 0 1 + 1
ИХ10 0 0 0 +0,5 +0 3 0 +0,5 0 0 1
3. Определяются оценки первичного влияния ПТ и ИХ.
Оценки определяются при последовательном сравнении отдельных ИХ и ПТ па основе процедур описанных ранее Полученные значения заносятся в соответствующие ячейки матрицы (таблица 3) первичного влияния потребительских требований на инженерные характеристики М|А
Таблица 3 - Матрица первичного влияния ПТ на ИХ
М|АЬ ИХ2 ихз ИХ4 ИХ5 ИХб ИХ7 ИХ8 ИХ9 ИХ10
ПТ1 +0,7 +0,8 +0 7 + 1 +0,6 0 0 +0,8 0 0
ПТ2 0 0 -0 1 -0 4 -0 2 +0 3 <-0 7 +0 5 +0 3 +0 1
ПТЗ -1 -1 -1 -0.8 -0.4 0 0 +0 3 -0.4 -0.6
ПТ4 0 0 С -0 1 С +0,1 -0.1 -0 5 -0 7 -1
ПТ5 -0.3 -0 3 -С 3 -0.4 ■0 5 0 0 +0 4 -0 3 -0,3
ПТ6 0 0 0 -0.5 -0 3 -0 3 +0,5 +0,9 +0 5 +0.6
ПТ7 0 0 0 0 0 с С + 1 0 0
ПТ8 0,4 -0 3 -0 3 0 0 0 0 +0.2 0 0
ПТ9 -0.1 -0 4 -0 4 -0 7 -0 6 -0 3 -0 8 +0 7 -0 1 -0 3
ПУО -0 3 -0 3 -0 3 0,5 -0 4 0 0 -1 -0 3 -0 5
Производятся последовательное логическое перемножение матриц. Процедура перемножения осуществляется с использованием математической композиции тахгтнп схема которой представлена на рис.2, где в качестве примера оценивается инциденция ПТ7 на ИХ,, с учетом вторичного влияния группы ПТ
ПТ7
ПТ1 Пт2 ПТЗ ПТ7 ПТ8 ПТ& ПТ»
>0,3 +0,4 0 1 +0,2 +0,4 -0.5
ИХ4
Рис. 1 Схема композиции определения оценок потребительских, на примере оценки клетки ^(ПТ7, ИХ4)
-0 4
-0,8
ПТ1 +1 ПТ2 ПТЗ
ПТ7 ПТ8 ПТ9 ПТ10 -0 5 вторичного
0
-( 7
М
ИХ4 = ПТ7
влияния
Согласно приведенной схеме опенка клетки /-/(ПТ7, ИХ,.) в матрице ;ПТА6 М ^ производится следующим образом
/7(ПТ7, ИХ4) = (р(ПТ7 ПТ!) Л А/(ПТь ИХ4)) V ф(ПГ7, Г.Т2) Л ¿7 (ПТ2, ИХ4)) V V Ои(ПТ7, ПТ3) П ^(ПТ3, ИХ,)) В... V (МПТ7, ПТ7) Л р(ПТ7, ИХ4)) V (р(ПТ7, ПТВ) Л р(ПТа, ИХ4)) V (мПТ7, ПТр) Л аДПТ9, ИХ,)) V (р(ПТ7, ПТ10) Л МПТ10, ИХ4)) =
= (+0,3 Л +1) V (+0 4 Л-С 4) У{0 Л -0,8) V ^-0,2 Л -С,1) V (0 Л -0,4) V (+0,8 Л-0,5) V (1 Л 0) V (+0.2 Л 0) V (+0 4 Л-0,7) V (-0,7 Л +0,5) =
= +0,3 V -0 4 V 0 V -0,1 V 0 V -0 5 V 0 V 0 У+0,4 V +0.5 = -0.5.
где символ Л означает выбор минимального (наименьшего) значения по модулю из двух элементов; V - максимального (наибольшего) значения, по модулю из двух элементоь. Знак при сравнении определяется следующим образом: если значения сравниваются по минимуму то знак принимается при оценке в матрице М если значения сравниваются по максимуму, то знак принимается пои оценке ПТ имеющего более высокий ранг Например, при сравнении оценок получаем
/7(ПТ7, ПТ2) Л ¿У (ПТ2, ИХ4) = +0 4 Л-0 4 = -0,4;
0ДПТ7 ПТ6) Л АУ(ПТ6 ИХ4)) V ОЦЩ7 ПТ10) Л ¿7(ПТ10 ИХ,)) = -0,5 V +0,5 = -0 5.
Определив инциденции ПТ и ИХ с учетом влияния ПТ осуществляется нахождение значений оценок матрицы вторичного влияния (таблица 4] Для этого перемножаются, полученная матица перемножения ГЦ"^ и У11ДВ с матрицей инциденции ИХ друг на друга ИХ Последовательность перемножения подобна процедуре описаннои ранее. Следует отметить, что вторичное влияние инциденции ИХ оказывает существенное изменение значений оценок первичной инциденции и иногда может даже привести к изменению зиака. Полученные значения в таблице 4 отражают инциденции между ПТ и ИХ с учетом вторичного влияния отдельно ПТ и ИХ. Необходимость определения инциденции второго порядка можно показать на следующем примере. При первичной оценке инциденций (таблица 3) между оядом ПТ и ИХ взаимосвязей выявлено не было (^(ПТ< ИХ6), ^(ПТ^ИХэ) а/(ПТ7, ИХ4) и т.д.). Однако имеются связи одного ПТ, с другими ПТ, а также связи одной ИХ; с остальными ИХ оказывающими дополнительное влияние на первичную сценку ^(ПТ,, ИХ,;.
Так например первичная инциденция меж^у требованием обеспечения максимальной автоматизации процесса обработки (ПТ7) и наибольшим перемещение суппорта шлифовального круга в вертикальном направлении (ИХ4) группой экспертов не была выявлена, но вторичное влияние требования наибольшей производительности станка (ПТ6) и максимальная мощность станка (ИХ10) оказали вторичное влияние и изменили значение семантической переменной с 0 до -0 5. Аналогично прослеживаются изменения остальных оценок.
Таблица А - Матрица вторичного влияния ПТ на ИХ
М2™ ИХ1 ИХ2 ИХЗ ИХ4 ИХ5 ИХ6 ИХ7 ИХ8 ИХ9 ИХ10
ПТ1 +0 7 +0 8 +0,9 + 1 +0,6 -0,3 + 0 5 +0,8 +0.5 -0,6
ПТ2 -0 6 -0 6 -0 6 -0 6 +0 6 +0 3 +С 7 -0,9 +0 7 +0 7
ПТЗ -1 -1 -1 -0,8 -0,5 -0 3 -0,7 -0 8 -0.4 0,6
П14 -0 3 -0 4 -0 5 0.5 +0 4 0.3 -0.7 +0,7 -0 7 -1
ПТ5 +0.5 +0 5 +0.5 +0,5 -0,5 -0 3 -0.5 +0 5 -0 4 -0,5
ПТ6 +0,6 ^0,6 +0,6 +0 6 +0,6 +0.3 + 0,5 +0.9 -0 4 +0,6
ПТ7 +0,3 -0 4 -0.5 -0,5 +0 4 »-0 3 +0.5 + 1 +0.5 + 0,6
ПТ8 -0.4 -0 4 -0.7 -0,7 -0,6 •0 3 -0,8 +0 7 -С 8 -0,5
ПТ9 -0 3 -0 4 -0,7 -0 7 0 6 -0 3 ^-0 8 +0 7 -0 8 -0 5
ПТ1С -04 -0 4 -0 5 -0 5 -0 4 +0 3 -0.6 -1 -0 6 -0,6
Расчет весовых коэффициентов для каждой ИХ отражающих влияние всех ПТ по следующей формуле
|=|
где Щ - весовой коэффициент у-ой характеристики' г, - ранг /-ого потребительского требования' кь - значение переменной, соответствующее инциденции /-ого потребительского требования и у-ой инженерной характеристики. Поскольку для проектировщика нового оборудования необходимо знать величину ИХ, значение которой ляжет в основу дальнейшего проектирования ""о следующим этапом анализа является окончательное определение этих величин Одних значений весовых коэффициентов ИХ для этого недостаточно, необходимо выявить коэффициенты влияния ИХ друг от друга.
Однако определение одной инженерной характеристики на основании величины соответствующего ей весового коэффициента может повлечь за собой изменение связанных с ней инженерных характеристик и снизить уровень качества проектируемого оборудования. Для устранения этого противоречия выявляются знаиения коэффициентов корреляции между самими ИХ. Коэффициенты
корреляции ИХ принимают значения: + 1; если увеличение одной ИХ повлечет увеличение связанной с ней лругой ИХ' О^если зависимость не выявляется- -1, если увеличение какой либо ИХ влечет уменьшение связанной с ией ИХ Нахождение оптимальных значений инженерных характеристик осуществляют в два этапа: 1) проводят предварительные инженерные расчеты определяющие уровень ИХ, достаточный для обработки заданной номенклатуры детапей на проектируемом станке; 2) величины ИХ уточняют на основе разработанного итерационного алгоритма, с учетом значений весовых коэффициентов и коэффициентов инциденций инженерных характеристик
Таким образом заполнив матрицу согласования ИХ и ПТ и проведя сопутствующие расчеты выявляются параметры всех технических характеристик, которым должен соответствовать проектируемый металлорежущий станок. Технические характеристики используются при формировании в соответствии с СТБ 1080-97, технического задания на проектирование нового станка. Проведенная структуризация функции качества с использованием процедуры анализа инциденций, позволяет уменьшить неопределенность информации на ранних стадиях проектирования металпорежущих стаиков.
Список использованных источников
3. Фирсов А.С. QFD-метод макропроектироваиия металлорежущих станков // Вестник УО ВГТУ, пятый выпуск, 2003. -С. 72-77.
2. Свирский Д.Н Фирсов А 3 Функциональный подход к сЬормализации структурного синтеза металлорежущего оборудования // Машиностроение: Респ межведом, сб научн. тр Вып. 19 / БНТУ. Мн.: УП Техопринт" 2003. -С. 214-219.
3. Кофман А Хил Алуха X. Модели для исследования скрытых воздействии. Пер с исп - Мн.. Выш. шк., 1У93. - 160 е.: ил
SUMMARY
The paper aea's with an actual pioblem of aomestic machine-tool branch - the machine tools early design stages formalizing. The original approach to determ'nation of the bas'c characteristics which are sjppornng the competitive strength of the mach'ne tool on an early design stage is proposed. The paper oasic expert method for diocoverng the main engineering features determining the arguments of the process equipment a'lows. the early design stages routines automation; to eliminate the abundant errors originating because of insufficiency of the information on a stage up to initial designing; and can be utilized in the machine-building plants practice.
