Автоматизация концептуальной стадии проектирования приводов заданного целевого назначения

Конкурентоспособность машиностроительной продукции напрямую связана с уровнем технологической оснащенности и сроками подготовки производства. «Рыночный успех» технических объектов достигается за счет резкого повышения качества проектно-конструкторских работ и технологической подготовки производства, сокращения их сроков и трудоемкости. Основной задачей автоматизации становится создание, организация доступа и управление необходимой информацией в рамках сквозной компьютерной технологии решения задач проектирования, производства, сопровождения и утилизации машиностроительной продукции. При экономической тенденции производства к увеличению мобильности в отношении как технологии производства, так и выпускаемой продукции, значение данных факторов еще более возрастает.

Максимальная эффективность производства при различных условиях применения технологических машин и оснастки возможна только при выполнении требований, предъявляемых к машинам и агрегатам в каждом отдельном случае. Оценивая технологическую машину как часть производственной системы, удовлетворяющей техническому заданию, необходимо отметить, что уровень автоматизации, гибкость, надежность (автоматический контроль, малое число отказов), производительность (достаточная мощность приводов, быстрота выполнения операций между циклами обработкинепродолжительные простои при выходе из строя) и точность (контроль заготовки и/или обработанной деталистабильность работы при изменении температуры, контроль износа инструментавысокое качество системы управления и датчиков) главным образом зависят от трех факторов: структуры составляющих механизмов технологической машины (структуры) — дополнительных устройств для связи технологической машины с остальной частью производственной системы (интерфейсных устройств) и устройств управления технологической машиной (устройств управления).

Одним из важнейших узлов технологических машин и оснастки является привод. Качество привода в значительной мере определяет качество оборудования в целом.

Исключительное значение приобретают знания возможностей различных типов приводов как для выбора наиболее рационального типа привода, так и для грамотного обслуживания его во время эксплуатации. Современные приводыотдельный класс технических систем, отличающихся иерархичностью структур, многообразием конструкций, многокомпонентностью и многофункциональностью, широким диапазоном характеристик, и, как следствие, низкой степенью универсальности и типизации функциональных элементов. Номенклатура приводов технологических машин и оснастки постоянно растет, расширяются их функции и повышаются требования к рабочим характеристикам, а следовательно, усложняются конструкции приводов, что ведет к увеличению длительности процесса проектирования и конструирования, удорожанию экспериментально-доводочных работ и испытаний. Основной проблемой проектирования становится проблема разработки приводов заданного целевого назначения. Наибольшую важность приобретают решения, принимаемые на концептуальной стадии проектирования приводов, а именно: выбор физического принципа действиявыбор функционально-физической структурывыбор узловых мест концептуальных решенийопределение примерного перечня спецификации. Решения, принятые на данной стадии, являются определяющими для дальнейших процессов параметрической оптимизации, разработки рабочей документации, изготовления и доводки привода. Ошибки, допущенные на ранних стадиях проектирования, являются наиболее «дорогими» и стоимость их устранения возрастает экспоненциально со временем ее обнаружения. В настоящее время, в информационно — интегрированных системах автоматизации нет компонент поддержки конструктора на концептуальной стадии проектирования. Отсутствие в практической деятельности предприятий интегральных критериев выбора приводов оборудования и оснастки говорит о том, что условия производства конкретного Потребителя выдвигают, наряду с общими критериями, свои требования, связанные с технологическими традициями, оснащенностью предприятия и накопленным инженерным опытом. Максимальная автоматизация проектирования должна обеспечивать формирование концепции привода (выбор рациональных вариантов решений) для дальнейшей проработки на основе направленной индивидуальной стратегии, при высокой функциональной гибкости в применении к конкретным особенностям как предприятий, так и проектируемой и производимой ими продукции.

Цель работы — повышение эффективности процесса многовариантного проектирования приводов заданного целевого назначения при обеспечении качества вариантов решений для дальнейшей проработки и сокращении сроков создания на основе разработки технического решения задачи автоматизации концептуальной стадии их проектирования.

В диссертации представлены основные положения методологии автоматизации концептуальной стадии проектирования приводов заданного целевого назначениярезультаты исследования основных форм технической эволюции приводов технологических машинуточненная концепция пространства проектирования приводовинформационно-методическое обеспечение автоматизации концептуальной стадии проектирования приводовтестовые примеры автоматизированного формирования концептуальных решений приводов.

Автор защищает:

1 .Техническое решение задачи автоматизации концептуальной стадии проектирования приводов заданного целевого назначения.

2.0сновные положения методологии автоматизированной поддержки концептуальной стадии проектирования приводовпроцедурную модель и обобщенный алгоритм формирования концепций приводов технологических машин и оснастки.

3.Алгоритм выбора рациональных концепций привода на основе выявленной совокупности проектных показателейсхему автоматизированного формирования концептуальных решений приводов как процесса принятия конструкторских решений.

4.Уточненную концепцию пространства проектирования приводов технологических машин и оснастки.

5. Метод вывода по прототипности и принцип расчета прототипности.

6.Многоуровневую стратегию автоматизированного формирования концептуальных решений приводов технологических машин и оснастки.

7.Информационно-методическое обеспечение автоматизированного формирования решений приводов заданного целевого назначения на концептуальной стадии проектирования.

Автор выражает глубокую благодарность за научно-методическую помощь при проведении исследований научному консультанту доктору технических наук, профессору А. В. Пушу.

Терминология и условные сокращения.

Некоторые термины, применяемые в настоящей работе, нуждаются в пояснении.

Привод технологической машины — силовой привод, установленный на стационарном технологическом оборудовании и использующий в качестве источника первичной энергии промышленную трехфазную сеть переменного тока, работающую с частотой 50 Гц при стандартных напряжениях.

Технологическая машина — совокупность различных технических устройств, предназначенная для преобразования обрабатываемых объектов за счет изменения их формы, свойств и состояний. Из широкого круга технологических машин рассмотрены, в основном, следующие четыре: кузнечно-прессовое оборудованиеметаллорежущее оборудованиепромышленные роботы и машины литейного производства.

Концептуальная стадия проектирования приводов — ранние этапы проектирования (разработка технического заданиятехнического предложения и, частично, эскизного проекта), состоящие из множества взаимосвязанных отдельных подзадач и формирующие концепцию привода применительно к исполнительной части и питанию (без системы управления), а именно:

1) определение минимально достаточной функционально-физической структуры концептуальных решений привода с учетом используемого физического принципа действия основного двигателя;

2) определение узловых мест концептуальных решений привода. и прогнозирование степени истинности обеспечения его назначения;

3) определение «индивидуальных» особенностей концептуальных решений привода;

4) трансформация узловых мест концептуальных решений привода в аппаратную с составлением примерного перечня спецификации;

5) занесение полученного концептуального решения привода в библиотеку типовых решений.

Узловые места концептуальных решений привода — стабильные блоки и элементы, определяющие функциональную структуру, возможные варианты принципиального схемного описания и реализации концепции привода, например: устройства проведения и преобразования первичной энергииосновной двигатель и т. д.

В работе часто вместо терминов «привод заданного целевого назначения» и «привод технологических машин и оснастки» используется термин «привод».

Основные сокращения:

С — структура составляющих механизмов технологической машины и оснастки;

ИУ — дополнительные устройства для связи технологической машины с остальной частью производственной системы;

УУ — устройства управления технологическим оборудованием;

КСПП — концептуальная стадия проектирования приводов;

АФКР — автоматизированное формирование концептуальных решений.

Остальные сокращения, встречающиеся в работе, раскрыты в тексте.

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему:

1.Разработано научно обоснованное техническое решение задачи автоматизации концептуальной стадии проектирования приводов, внедрение которого вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса за счет точной локализации текущей задачи пользователя и нахождения ее рационального решения при увеличении числа анализируемых вариантов, повышении обоснованности и обеспечении качества решений, принимаемых для дальнейшей проработки, сокращении сроков и, в целом, повышении эффективности процесса многовариантного проектирования приводов заданного целевого назначения.

2.Анализ литературных источников и результатов анкетного опроса показал, что привод является одним из важнейших узлов, на 30% определяющим потребительские свойства, на 37% - показатели технического уровня и на 10−50% - тенденции совершенствования технологических машин и оснастки. Создание приводов заданного целевого назначения является основной задачей разработчиков. Решающим фактором повышения эффективности и качества служит резкое увеличение средней производительности труда конструкторов, достигаемое за счет автоматизации проектных процедур. Особенно ответственной и важной частью процесса проектирования становится его концептуальная стадия, имеющая наименьший уровень автоматизации.

3.Анализ известных методов проектирования позволил предложить методологию автоматизации концептуальной стадии, базирующуюся на кибернетическом подходе, учитывающем закономерности эволюции приводов, методы типового и поискового конструирования, а также психологические аспекты автоматизации проектирования. Сутью методологии является последовательный выбор концепций, максимально соответствующих техническому заданию, выполняемый непосредственно на основе массивов исходных данных, которые включают описание технической функции, совокупности свойств и характеристик привода и особенностей технологических традиций предприятия.

4.Разработана процедурная модель автоматизации концептуальной стадии, обеспечивающая повышение идеальности процесса проектирования за счет линейной стратегии выбора, реализуемой на основе правил и процедур, характерных для деятельности опытного инженера-проектировщика и предоставляющая информацию о разрешимости задачи на уровнях физической осуществимости, технической реализуемости и экономической выгодности. Процедурная модель явилась основой для создания обобщенного алгоритма автоматизации, который базируется на технологии экспертных систем и обеспечивает формализацию задачи выбора концептуальных решений. Алгоритм автоматизации органически сочетает выбор и верификацию альтернатив и учитывает индивидуальные особенности задачи и условий реализации решения, которые производятся через ограничения нечеткого вида, что дает возможность проектировщику изменять структуру своего опыта и мышления применительно к существенным особенностям и многофакторности проектной ситуации и получать прогноз степени истинности обеспечения требуемой технической функции сформированным вариантом концепции привода.

5.Результаты анализа статистического распределения моделей технологических машин и оснастки по физическому принципу действия основного двигателя выявили наиболее применимые на сегодняшний день типы приводов. Исследование основных форм технической эволюции позволило определить тенденции развития и закономерности строения приводов, их стабильную физическую структуру, что послужило основой для описания функциональной схемы обобщенного привода технологических машин и разработки его конструктивной и потоковой функциональных структур. По результатам анализа функций обобщенного привода построена иерархическая функциональная структура, разработаны абстрагированные и конкретизированные функционально-потоковые структуры различных типов приводов — основа автоматизированного формирования концептуальных решений. Описано И-ИЛИ-дерево множества альтернативных вариантов узловых мест приводов технологических машин и оснастки.

6.Введены меры технической приспособленности концепций, которые позволяют учесть располагаемые уровни показателей качества, объективно присущие варианту привода при соответствии требованиям по физическому принципу действия основного двигателя, функциональному описанию и особенностям работы. Меры технической приспособленности концепций определяются выявленной совокупностью проектных показателей, которые охватывают практически весь жизненный цикл приводов и полностью характеризуют возможности альтернативных концептуальных решений. Совокупность проектных показателей представлена четырьмя группами свойств: динамическими, включающими силовые, кинематические и энергетические характеристикинадежностнымиресурсными и системности, представляющими собой степени принадлежности, определенные в виде нечетких лингвистических переменных. Предложена схема автоматизации концептуальной стадии проектирования приводов как процесса принятия конструкторских решений.

7.Выявлено, что единственным реальным объектом моделирования является знание, имеющее внешнее выражение и зафиксированное на различного вида носителях информации, то есть коллективная память, которая существует в виде совокупности текстов, словарей, справочников и энциклопедий, описывающих предметную область приводов технологических машин и раскрывающих систему применяемых понятий и классификаций.

8.Уточнена концепция пространства проектирования приводов, позволяющего учесть субъективные факторы, возможные варианты наименований ситуаций и связи между ними. Сутью концепции является пошаговый переход от обобщенного привода, порожденного на слитном множестве отдельных описаний приводов и процессов их функционирования, к рациональным вариантам концептуальных решений, наиболее соответствующих целевому назначению. Применение уточненной концепции моделирует процесс решения задачи конструктором: а) анализ исходных данных — процессное описание системыб) анализ входов и выходов системыв) получение решения — определение признаков объектного строения системы. Предложенная концепция явилась основой для построения модели знания приводов технологических машин и оснастки по соответствующим узловым местам.

9.Разработано информационно-методическое обеспечение, которое требует минимального обновления и учитывает возможные технические решения настоящего и будущего за счет совместного использования статистических данных и данных, полученных на основе тенденций развития приводов технологических машин.

Введение

расчета прототипности по компоненте С технической функции привода на основе алгебраической суммы нечетких множеств позволяет проводить более глубокий анализ исходного пространства проектирования и расширять получаемое подмножество альтернативных концепций приводов по физическому принципу действия основного двигателя с целью более качественного и эффективного принятия решения.

10.

Введение

этапа анализа сформированного варианта концептуального решения по критерию технологических традиций позволило учесть наряду с общими критериями выбора неопределенные и неконтролируемые факторы — индивидуальные особенности предприятий, связанные с их оснащенностью и накопленным инженерным опытом.

11 .Разработанное техническое решение задачи автоматизации концептуальной стадии проектирования позволяет создавать программные комплексы поддержки принятия проектных решений как по отдельным этапам, так и для процесса концептуального проектирования в целом, доступные и эффективные при проработке различных конструкций приводов, а также при повышении квалификации и обучении основам создания приводов заданного целевого назначения и задействовать при этом менее квалифицированный персонал, обеспеченный всеми необходимыми данными.

12.Результаты теоретических исследований и практических разработок внедрены в различные системы автоматизации поддержки жизненного цикла изделий.

Ростовский-на-Дону институт управления и инновацийАО «Новочеркасский станкозавод»), а также использованы при разработке приводов ряда технологических машин и оснастки, в том числе защищенных авторскими свидетельствами и патентами (Ростовское-на-Дону монтажное управление РМУ АО «Монтажлегмаш" — Ростовский-на-Дону вертолетный производственный комплекс РВПК — ОАО «Роствертол" — завод строительных материалов ЗСМ «Дон») при обеспечении качества решений и сокращении сроков разработки.

Заключение

.

В соответствии с целями и задачами настоящей работы разработано научно обосновано техническое решение задачи автоматизации концептуальной стадии, повышающее эффективность процесса многовариантного проектирования приводов заданного целевого назначения.

Стремление производителей поддерживать на высоком уровне конкурентоспособность выпускаемой продукции заставляет искать способы совершенствования методов и ускорения процессов проектирования, в том числе автоматизированного формирования концептуальных решений, что и обуславливает регулярный интерес к проблемам автоматизации и к результатам их решения, являясь важнейшим стимулом развития различных систем поддержки жизненного цикла изделий.

Работа выполнена на кафедре «Теория технологических машин» Московского Государственного Технологического Университета «СТАНКИН».