CC BY
22
УДК 681.5
ПОСТРОЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-СТРУКТУРНОЙ
МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СТАНОЧНОГО МОДУЛЯ С ПОЗИЦИЙ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА
Е. М. Самойлова
BUILDING INFORMATION-STRUCTURAL MODEL OF THE TECHNICAL SYSTEM OF AN AUTOMATED MACHINE TOOL MODULE WITH SYSTEM APPROACH
E. M. Samoylova
Аннотация. Актуальность и цели. Для обеспечения эффективности производства и качества продукции высокоточных деталей и изделий для авиационной, железнодорожной, автомобильной, судостроительной и другой техники на производстве внедряются системы мониторинга технологического процесса и оборудования с применением интеллектуальных технологий, так как в основе изготовления указанных выше изделий лежат процессы обработки на автоматизированных станочных модулях (АСМ). Материалы и методы. В рамках структурного анализа системного подхода АСМ представляет собой большую техническую систему, характеризуемую достаточным числом многосвязанных, многокритериальных подсистем с разнообразной физической природой элементов. Подсистемы и составляющие их элементы обусловливают интенсивность и разнородность информационных потоков, взаимодействуют между собой как при обработке, так и без обработки (на холостом ходу) при достижении единой цели - обработка заготовок с заданным качеством. Результаты. Построенная информационно-техническая модель АСМ отражает взаимосвязь структурных элементов станка, декомпозированных по функциональному признаку, посредством информационных потоков в едином информационном пространстве общей структуры интегрированной системы предприятия на протяжении всего производственного цикла ЗАГОТОВКА-ДЕТАЛЬ, а также совокупность контролируемых параметров станка: контроль качества детали (геометрические параметры точности, физико-механические характеристики поверхностного слоя), динамические характеристики элементов конструкции, уровни вибрации, спектр запаса устойчивости, температура элементов конструкции АСМ, точность перемещения рабочих органов, точность базирования детали, контроль качества заготовки (геометрические параметры точности, физико-механические характеристики поверхностного слоя). Выводы. В приложении к прецизионным АСМ системный подход и обеспечение технологической надежности означают согласованный выбор альтернатив между современными конструкторскими решениями, технологическими возможностями и ценой, уровнем автоматизации, сложностью программного обеспечения и надежностью, гибкостью и производительностью.
Ключевые слова: системный подход, автоматизированный станочный модуль, характеристика, многомерность, многосвязность, многокритериальность, критерий, система, информационный поток, подсистема, иерархическая структура, обработка, качество, датчик, виброакустические воздействия, автоматизированный режим, прецизионный АСМ.
Abstract. Background. To ensure production efficiency and product quality high-precision parts and products for aviation, railway, automobile, shipbuilding and other ma-
chinery on the production embedded system for monitoring the technological process and equipment with the application of intelligent technologies, as the basis of the manufacture of the above products are the treatment processes to automated machine modules (ACM). Materials and methods. Within the structural analysis a systematic approach ACM is a large technical system, characterized by a sufficient number of multi-criteria multiply connected subsystems with diverse physical nature of the elements. Subsystems and their constituent elements determine the intensity and heterogeneity of information flows, interact with each other as in the processing, and no treatment (at idle) when achieving a common goal - machining of workpieces with the desired quality. Results. Built information technology AFM model reflects the relationship of the structural elements of the machine, decomposed along functional lines, by means of information flows in a single information space of the overall structure of the integrated system of an enterprise throughout the manufacturing cycle PROCUREMENT-to-DETAIL, and a set of controllable parameters of the machine: quality control of details (geometrical parameters of precision, physical and mechanical characteristics of the surface layer), the dynamic characteristics of the structural members, vibrations, range of margin of stability, the temperature of the structural members of the AFM, the accuracy of movement of working bodies, the accuracy based on the details, quality control blanks (geometrical parameters of precision, physico-mechanical characteristics of surface layer). Conclusions. In the Annex to the AFM system precision approach and technical reliability means consistent choice of alternatives between modern design solutions and technological capabilities and the price, level of automation, software complexity and reliability, flexibility and performance.
Key words: system approach, automated machine tool module, characteristic, multidimensional, multiply connected, multicriteriality, criterion, system, information flow, subsystem, hierarchical structure, processing, quality, sensor, vibro-impact, automated, high-precision AFM.
Увеличение сложности современных автоматизированных станочных модулей (АСМ) за счет оснащения их микропроцессорными устройствами автоматизированного управления, а также измерительными (датчиками) для измерения и передачи разнородных силовых, тепловых и виброакустических воздействий, рост номенклатуры изделий параллельно с минимизацией сроков проектирования и изготовления в условиях рынка предполагают применение системного подхода к управлению станками, причем качество обработки рассматривается как целевая функция [1].
В рамках структурного анализа системного подхода автоматизированный станочный модуль (АСМ) представляет собой большую техническую систему (рис. 1), характеризуемую достаточным числом многосвязанных, многокритериальных подсистем с разнообразной физической природой элементов. Подсистемы и составляющие их элементы обусловливают интенсивность и разнородность информационных потоков, они взаимодействуют между собой как при обработке, так и без обработки (на холостом ходу) при достижении единой цели - обработка заготовок с заданным качеством. Каждая подсистема АСМ, выполняя собственную задачу, обеспечивает решение поставленной единой цели [2-4].
Используя принципы и аспекты системно-интегрированного подхода в рамках структурного анализа, построим информационно-структурную модель технологической системы на основе АСМ в общей структуре интегрированной системы предприятия с помощью метода поэтапной детализации (рис. 2).
Анализ влияния
С£ОрОСИ!
процесгоп С ггаНКЕ
Мчлгнньи, средней скорости, бистро протекающие
Анализ факторов. влияющих на качество обработки
Внешние, Внутренние Вход"
технологический процесс - выход
Схруьтурыьгй ЗЙИИ сит
Иерархическая структура
ФуИЕЩИПНЙ Л ЬЯЫЁ
ОБЕС П Е Ч ЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ АСМ
Этап ИГР Этап разработки Этап изготовления Этап эксплуатации
Единое гтформационное пространство
Используемые киемашесш
модели
Д ст ср м ииир ^ ьамные. стоысингсии
Непрерывна.
днскреигие
Ал ал ит ич ее ше,
СТр V (чТ^рныс,
цып! Ишикные. го нитрованные
ОСНУВНыг
направления обеспечения
Нопые технические решения
формообразующих VII о в
Совершенствование мптгнт принта н технт?(ч."[>гп е-ослужнпанмя
Совершенство ванн« средств контроля в .шахиостнроыння Управление качеством обработки, экспертах сшлгма поддер:*кн принятия решения
Анализ видов испытаний
Статические, днна.чнческне, на надежность Не сл едоки епьенк (поучающий эксперимент^ оценочные
Контрольные, сертификационные
Рис. 1. Системный интегрированный подход к обеспечению эффективности и технологической надежности АСМ на этапах жизненного цикла изделия
Рис. 2. Информационно-структурная модель технологической системы
на основе АСМ
По функциональному признаку выделяются шесть подсистем:
1) подсистема управления, которая выполняет функции собственно управления, контроля и диагностирования;
2) подсистема привода движения детали;
3) подсистема привода движения инструмента;
4) подсистема процесса резания;
5) несущие элементы конструкции;
6) вспомогательная подсистема, осуществляющая подачу заготовок, СОТС, воздуха, удаление обработанной детали и т.п.
Подсистемы 2-5 отвечают за процесс формообразования и включают в себя различные двигатели и механические передачи для окончательного выполнения команд подсистемы управления для реализации перемещения исполнительных органов станка. Исследованию точности формообразующих движений рабочих органов металлорежущих станков уделялось особое внимание в исследованиях А. С. Проникова, А. В. Пуша, В. А. Кудинова, В. Н. Подураева, Б. М. Бржозовского и ряда других ученых [1-6].
Построенная модель (см. рис. 2) отражает взаимосвязь структурных элементов АСМ, декомпозированных по функциональному признаку посредством информационных потоков в едином информационном пространстве общей структуры интегрированной системы предприятия на протяжении всего производственного цикла ЗАГОТОВКА-ДЕТАЛЬ, а также совокупность контролируемых параметров станка: контроль качества детали (геометрические параметры точности, физико-механические характеристики поверхностного слоя), динамические характеристики элементов конструкции, уровни вибрации, спектр запаса устойчивости, температура элементов конструкции АСМ, точность перемещения рабочих органов, точность базирования детали, контроль качества заготовки (геометрические параметры точности, физико-механические характеристики поверхностного слоя), отражающих его техническое состояние. Контроль качества осуществляется путем сравнения запланированного показателя качества с действительным его значением.
Анализ факторов, влияющих на качество обработки детали, необходим для организации целеориентированных мероприятий по обеспечению заданных выходных параметров детали, вектор которых У может быть представлен в виде
У (() = У{2 ((), Я ((), К ((), 5 ((), Ё ((), В (х)}, (1)
(г), Т(г)}, (2)
где 2 () - вектор параметров заготовки, описывающих ее геометрические размеры и физико-механические свойства; Я () - вектор параметров режима резания; К () - вектор параметров системы контроля и диагностирования; Ё () - вектор возмущающих воздействий; 5 ()— вектор параметров технологической системы; В () - вектор динамических характеристик элементов конструкций; Т () - вектор температурных деформаций.
Функционал (1) устанавливает в обобщенном виде связь параметров качества детали с целой совокупностью параметров (входных и выходных, внешних и внутренних), оказывающих непосредственное влияние на точность обработки. В каждом конкретном случае имеется свой набор парамет-
ров, причем среди них целесообразно выделить доминирующие и в дальнейшем рассматривать их влияние. Все параметры могут быть переменными и иметь детерминированную и стохастическую составляющие, что затрудняет строгий анализ характера их влияния на точностные характеристики детали и усложняет процесс управления точностью.
Основными тенденциями развития АСМ являются повышение уровня автоматизации, увеличение рабочих скоростей, применение новых материалов (в конструкции станков и для инструмента), технических решений приводов, датчиков на основе нанотехнологий, экспертных систем выбора режима обработки, систем контроля и диагностирования и ряд других.
Используя предложенную обобщенную информационно-структурную модель технической системы на основе АСМ и принимая во внимание конструктивные и функциональные особенности токарных станков, построим модель технологической системы токарного АСМ, уточняя ее иерархию путем поэтапной детализации.
Прецизионный токарный АСМ, с точки зрения современной теории управления, можно рассматривать как сложную динамическую систему, которую можно представить иерархической структурой, состоящей из совокупности подсистем различного уровня, которые взаимодействуют между собой как при обработке, так и без обработки (на холостом ходу), объединенных единой целью - обработкой деталей с заданным качеством. Каждая подсистема АСМ, выполняя собственную задачу, обеспечивает решение поставленной единой цели.
В результате разработаны информационно-структурные модели сверхпрецизионного токарного станка типа ТПАРМ (рис. 3) и по аналогии - токарного вертикального двухшпиндельного полуавтомата ПАБ-350 (рис. 4).
Рис. 3. Информационно-структурная модель технологической системы на основе АСМ ТПАРМ: 1.1 - ЧПУ; 1.2 - интерфейс; 1.3 - исполнительные устройства; 1.4 - датчики; 2.1 - двигатель; 2.2 - шпиндель; 2.3 - импульсный датчик угла; 3.1 - двигатель; 3.2 - механическая передача (МФП); 3.3 - тахогенератор; 3.4 - ДОС (интерферометр); 4.1 - двигатель; 4.2 - механическая передача; 4.3 - датчик положения; 5.1 - станина, 5.2 -направляющие; 6.1 - датчик струи; 6.2 - датчик уровня; 6.3 - магазин; 6.4 - манипулятор; 6.5 - датчик наличия заготовки; 7.1 - вибродатчик
Рис. 4. Информационно-структурная модель технологической системы на основе АСМ ПАБ-350: (Ш1) и (Ш2) - первый и второй шпиндель, соответственно; 1.1 - ЧПУ;
1.2 - интерфейс; 1.3 - исполнительные устройства; 1.4 - датчики; 2.1 - двигатель; 2.2 - шпиндель; 3.1 - двигатель линейный продольного перемещения (х);
3.2 - двигатель линейный поперечного перемещения (z); 4.1 - двигатель; 4.2 - механическая передача; 4.3 - датчик положения; 5.1 - станина, 5.2 -направляющие качения; 6.1 - датчик струи; 6.2 - датчик уровня;
6.3 - магазин; 6.4 - манипулятор; 6.5 - датчик наличия заготовки; 7.1 - вибродатчик
По функциональному признаку выделяются семь подсистем:
1) подсистема управления, которая выполняет функции собственно управления, контроля и диагностирования;
2) подсистема привода главного движения;
3) подсистема привода подачи;
4) подсистема привода револьверной головки;
5) несущие элементы конструкции;
6) вспомогательная подсистема;
7) подсистема процесса резания.
Подсистема 1 - ЧПУ АСМ. Подсистемы 2-4 и 7 отвечают за процесс формообразования и включают в себя электромеханический привод поступательного вращательного перемещения рабочего органа, различные электродвигатели и механические передачи для выполнения команд подсистемы управления для реализации перемещения исполнительных органов станка. Подсистема несущих элементов конструкции оказывает влияние на параметры качества изделий воздействием температурных деформаций и вибраций [1-6].
При условии соответствия как технического состояния станка, так и заготовок установленным нормативным требованиям, качество и производительность обработки деталей зависят, в частности, от назначенных значений параметров режима резания с наибольшей производительностью и требуемым качеством на основе измерения и анализа виброакустических колебаний основных узлов [5], что регулируется системой мониторинга.
Мониторинг направлен на повышение эффективности производства в соответствии с выбранным критерием оптимальности при заданных технологических, экономических и других производственных ограничениях и включает в себя сбор, обработку и анализ информации о технологическом процессе (ТП) и осуществление на основе этих данных контроля и регулирования ТП с помощью средств автоматизации и методов организации, управления производством с использованием вычислительной техники.
При этом критериями эффективности управления являются повышение производительности труда, улучшение качества продукции, экономия материальных ресурсов, снижение себестоимости, улучшение условий труда [6].
Перспективным направлением повышения надежности АСМ рассматривается внедрение в систему мониторинга интеллектуальных технологий, создаваемых с применением экспертных систем поддержки принятия решения (ЭСППР). Анализ информационно-структурной модели системы станка используется как для совершенствования подсистем при анализе процессов и факторов, влияющих на те или иные компоненты, так и при разработке интеллектуальной системы мониторинга с применением ЭСППР при разработке алгоритма идентификации динамической системы станка при резании и выбора режима обработки как части базы алгоритма экспертной системы реального времени [7, 8].
В приложении к прецизионным АСМ системный подход и обеспечение технологической надежности означают согласованный выбор альтернатив между современными конструкторскими решениями, технологическими возможностями и ценой, уровнем автоматизации, сложностью программного обеспечения и надежностью, гибкостью и производительностью.
Список литературы
1. Бушуев В.В. Тенденции развития мирового станкостроения / В. В. Бушуев // СТИН. - 2000. - № 9. - С. 20-24.
2. Проников, А. С. Параметрическая надежность машин / А. С. Проников. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э.Баумана, 2002. -560 с.
3. Пуш, А. В. Моделирование и мониторинг станков и станочных систем / А. В. Пуш // СТИН. - 2000. - № 9. - С. 12-20.
4. Зориктуев, В. Ц. Мехатронные станочные системы / В. Ц. Зориктуев // СТИН. -2007. - № 10. - С. 10-16.
5. Точность и надежность автоматизированных прецизионных металлорежущих станков / Б. М. Бржозовский, А. А. Игнатьев, В. А. Добряков, В. В. Мартынов. -Саратов : Саратов. политехн. ин-т., 1992. - Ч. 1. - 160 с.
6. Игнатьев, С. А. Мониторинг технологического процесса как элемент системы управления качеством продукции : моногр. / С. А. Игнатьев, В. В. Горбунов, А. А. Игнатьев. - Саратов : Изд-во СГТУ, 2009. - 160 с.
7. Самойлова, Е. М. Интеллектуализация мониторинга технологического процесса производства деталей точного машиностроения / Е. М. Самойлова, А. А. Игнатьев, С. А. Игнатьев. - Саратов : Изд-во СГТУ, 2013. - 119 с.
8. Самойлова, Е. М. Системный интегрированный подход к управлению качеством продукции на основе интеллектуальных систем управления в едином информационном пространстве / Е. М. Самойлова, А. А. Игнатьев // Страна живет, пока работают заводы : Междунар. науч.-техн. конф. - Курск, 2015. - С. 311-314.
Самойлова Елена Михайловна
кандидат технических наук, доцент, кафедра автоматизации, управления, мехатроники,
Саратовский государственный технический университет им. Ю. А. Гагарина E-mail: helen_elenka@mail.ru
Samoilovа Elena Michailovna candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of automation, control, mechatronics, Saratov State Technical University named after Y. A. Gagarin
УДК 681.5 Самойлова, Е. М.
Построение информационно-структурной модели технологической системы автоматизированного станочного модуля с позиций системного подхода /
Е. М. Самойлова // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. -2016. - № 1 (17). - С. 318-325.
