Фізико-математичний вісник

 

Інформаційні технології у машинобудуванні

М.Ф. Ясінський, О.І. Огірко, Л.М. Ясінська-Дамрі



 

Українська академія друкарства, м. Львів

Сучасні інформаційні технології (ІТ) поряд із прогресивними технологіями матеріального виробництва дозволяють суттєво підвищити продуктивність праці і якість продукції, що випускається, значно скоротити терміни проектування, виготовлення і постачання виробів, які відповідають запитам і очікуванням споживачів [1-7]. Інформаційна інтеграція досягається шляхом: використання спільних баз даних, що дозволяють ефективніше вирішувати питання проектування і розроблення виробів; підготовки, планування і управління виробництвом; вирішення завдань матеріально–технічного забезпечення, що охоплюють усі процеси  підприємства. При цьому враховується специфіка галузі, в якій функціонує підприємство, і відповідні зміни в інформаційному і організаційному середовищі [2-8].На сьогодні в літературі з’явилася чимала кількість праць [5-14], де розглянуті проблеми ефективної взаємодії існуючих автоматизованих систем проектування CAE/CAD/CAM і управління ERP MRP II на основі інтеграції і управління даними у рамках сучасної концепції інформаційної підтримки – концепції або PLM (Product Lifecycle Management – управління виробу). На вітчизняних підприємствах ця концепція отримала назву: інформаційна підтримка життєвого циклу (ІПЖЦ) [5-13].Ця концепція ґрунтується на використанні єдиного інформаційного простору (інтегрованого інформаційного середовища – ІІС) і забезпечує одноманітні способи управління процесами і взаємодію всіх учасників ЖЦ продукції: замовників продукції (включаючи державні установи і відомства), постачальників (виробників) продукції, експлуатаційного і ремонтного персоналу.ІІС є складною відкритою структурою, в якій міститься велика кількість даних: результати конструкторсько–технологічного проектування, довідкова інформація про матеріали, стандартні і покупні вироби, відомості про використовуване оснащення, інструмент, технічні характеристики обладнання, дані про організаційну структуру і кадровий склад підприємства і т.д. Для роботи з електронною моделлю виробу використовуються комп’ютерні засоби, що належать до класу PDM (Product Data Management – система керування даними про виріб) [3-8].Програмно–технічний комплекс PDM відіграє системоутворювальну роль в ІІС, забезпечуючи акумуляцію і зберігання структурованих даних про конструкцію виробу і його складові частини, технологію його виготовлення і експлуатації, а також про ресурси, потрібні для здійснення процесів, і надання цієї інформації іншим автоматизованим системам. На основі цього здійснюється інформаційна підтримка управління якістю процесів, управління конфігурацією, аналізу логістичної підтримки, збирання і обробки даних про виріб на різних стадіях ЖЦ і т.д. Системи управління інженерними даними, у свою чергу, спираються на системи CAD і CAE, в яких готується  інформація про склад виробу на стадії його проектування. Ці системи є ядром, за допомогою якого будується система управління ресурсами підприємства. Принципи і технології інформаційної підтримки ЖЦВ на всіх його стадіях реалізовано відповідно до вимог системи Міжнародних стандартів, що регламентують правила названої взаємодії переважно за допомогою електронного обміну даними [5-9]. Формат опису даних регламентований вимогами міжнародних стандартів: ISO 10303 (STEP – Standard for Exchange of Product data), ISO 8879 (SGML – Standard Generalized Markup Language), ISO 15531 (MANDATE), ISO 9735 (EDIFACT), ISO 13584 (PLIB), ISO–10179, а також іншими стандартами ISO і методикою функціонального проектування IDEF0.Принциповою відмінністю CALS–технологій від традиційних автоматизованих систем керування (АСК) є не стільки технічний (автоматизація традиційних процесів виробництва), скільки організаційно–економічний аспект реорганізації процесів проектування, підготовки виробництва, експлуатації, технічного обслуговування і ремонту з урахуванням нових можливостей, що надаються безперервною підтримкою ЖЦВ.

Проблема інформаційної взаємодії і застосування CALS особливо актуальна і важлива при створенні машинобудівної продукції виробничо–технічного призначення, яка має тривалий ЖЦ і де необхідна спадковість інформаційної підтримки продукції незалежно від ринкової або політичної ситуації. Складність таких об’єктів управління пов’язана з їх багатовимірністю, нелінійністю, стохастичністю, нестаціонарністю, високим рівнем апріорної і поточної невизначеності, а також властивостями навколишнього середовища, що постійно змінюються, і дефіцитом необхідної інформації. Це різко ускладнює завдання побудови математичної моделі об’єкта у традиційному аналітичному змісті, а інколи взагалі не дозволяє отримати прийнятне рішення.Серйозна методологічна складність на шляху розроблення і впровадження CALS – технологій у вітчизняній машинобудівній промисловості пов’язана з необхідністю створення адекватних економіко–математичних моделей ЖЦВ. Відсутність загальної теорії інтегрованої інформаційної підтримки виробів робить не ефективним управління їх конфігурацією при передачі і обробці великих обсягів технічної інформації численними користувачами автоматизованих систем підготовки виробництва, що знаходяться інколи у різних місцях.Дослідження CALS–процесів пов'язано із двома видами складності – внутрішньою та зовнішньою. Внутрішня складність обумовлена необхідністю врахування синергетичних властивостей, притаманних як елементам СОТС, так і всій системі ЖЦ у цілому. Зовнішня складність полягає в необхідності враховувати вплив усіх факторів зовнішнього середовища на систему, які можуть викликати відхилення від заданої мети її існування або розвитку. Складні вироби у машинобудуванні характеризуються тим, що  в  них  усі  функціональні  процеси  мають  динамічний характер. Ці процеси можуть бути описані  лише  за  допомогою  спеціальних  моделей  із тим або іншим ступенем адекватності. У цей час концепція побудови інтегрованої автоматизованої системи управління інтенсивно розвивається на основі наукової методології системного аналізу, теорії ієрархічних багаторівневих систем, методів дослідження операцій, математичної логіки, теорії штучного інтелекту, теорії алгоритмів, мов представлення даних, теорії локальних обчислювальних мереж на базі міні– і мікро– ПК та мікропроцесорів.Сучасні вимоги до машинобудівної галузі промисловості пов’язані з інтеграцією в інформаційному просторі управлінської діяльності і наукових досягнень для забезпечененя задоволеності замовників виконанням їх вимог. Актуальною науково–прикладною проблемою, що об’єктивно виникла, є розроблення концепції, методології та методів управління множиною факторів внутрішнього та зовнішнього середовища при визначенні часових і ресурсних показників для створення та використання машинобудівної продукції виробничо–технічного призначення. Дослідження цих питань потребує застосування різних галузей знань.Ефективність та економічність систем розроблення і постановки продукції на виробництво визначаються оперативністю впровадження результатів науково–дослідних і дослідно–конструкторських робіт у практику при використанні синергетичного підходу. У зв’язку з цим виробниче середовище класифікується як відкрита інформаційна система, пов’язана із зовнішнім світом, звідки надходить потік енергії (інформації), що стимулює внутрішні процеси перетворення системи та ініціює її оновлення у вигляді створення нової продукції.



 

Створені системи автоматичного проектування, такі, як AUTOCAD, системи автоматизованого проектування технологічних процесів (CAM), технології забезпечення життєвого циклу виробу від маркетингу до утилізації що відслужив свій термін виробу або деталі (CALS).З винаходом комп'ютерів багато етапів створення нових виробів піддалися корінним змінам. Стало можливим перейти на безпаперову технологію[2-6]. Комп'ютер, оснащений відповідними програмами, спільно з принтером, плоттером і графічним планшетом (дигитайзером) замінив собою кульман. При цьому комп'ютер дозволив автоматизувати і значно прискорити інженерні розрахунки. Прикладом може служити автоматизований розрахунок зубчатої передачі за допомогою програми Microsoft Excel. Початковими даними служать передавальне число і модуль даної передачі. Формули розрахунку вводяться у відповідний рядок таблиці Excel. Ввівши у формули значення передавального числа і модуля, отримуємо повний розрахунок всіх параметрів зубчатої передачі будь-якого типу. Іншим, набагато складнішим прикладом може служити розрахунок лопаток парової турбіни, що вимагає залучення комп'ютерів великої продуктивності.Досвід виробництва й експлуатації машинобудівної продукції виробничо–технічного призначення свідчить про те, що з проходженням стадій життєвого циклу зменшується запас якості виробу. Якість є функцією організованості структури процесів створення та використання продукції. Зважаючи на ймовірний характер процесів забезпечення якості під час створення виробу і виходячи з основних положень теорії інформації, можна вважати формування рівня якості результатом нагромадження невизначеностей (ентропії), що спостерігаються на кожній стадії. Ентропія є мірою недоліку інформації про дійсну структуру системи процесів ЖЦВ і, у свою чергу, є функцією ступеня дефектності процесів створення продукції.У поведінці системи процесів ЖЦ розглядається їх очевидна і потенційна ефективність. Очевидна ефективність характеризується так званими синергетичними ефектами якості, суть яких полягає в отриманні вищого ефекту, яким є проста сума ефектів підсистем структури. Потенційна ефективність дозволяє отримувати нову якість системи шляхом зміни її структури.Ефективність функціонування ЖЦВ багато в чому пов’язана з наявністю відповідних об’єктивних законів управління, здатних враховувати умови та зміни внутрішнього і зовнішнього середовищ. Проблеми управління такого роду динамічними системами є актуальними і вимагають нових теоретичних підходів, що відображають зв’язок технічного об’єкта із середовищем за допомогою інформаційних, матеріальних і енергетичних потоків. Це пов’язано, у свою чергу, із необхідністю створення адекватних інформаційних моделей ЖЦВ. У зв’язку з цим, виходячи з основних положень термодинаміки незворотних процесів, потрібні дослідження ефективного поводження і самоорганізації системи процесів ЖЦВ.Система управління ЖЦВ повинна створюватися з урахуванням подальшої еволюції й адаптивності залежно від умов зовнішнього середовища, тобто завжди існує небезпека короткострокового вузького планування, що базується на безпосередній екстраполяції минулого досвіду, а основним джерелом, що дозволяє системі існувати тривалий час, обновлятися і знаходити самобутні шляхи розвитку, є її адаптаційні можливості, що виявляються на шляху еволюції. Саме ці особливості потрібно враховувати при забезпеченні якості складних виробів.Найбільш перспективним є комплексний підхід, який охоплює етапи проектування, виготовлення та експлуатації на основі використання сукупності взаємозв’язаних технічних, економічних, соціальних та інших систем у рамках постійного удосконалювання інтегрованих автоматизованих систем управління якістю. Це створює умови для забезпечення якісно нової сукупності властивостей і міри корисності складних виробів, а також підвищення їх техніко–економічних показників на етапах ЖЦВ. Відсутність загальної науково обгрунтованої теорії організації процесів ЖЦВ на базі інтегрованих інформаційних технологій робить неефективною взаємодію під час передачі та обробки великих обсягів техніко–економічної інформації численними учасниками ЖЦВ, які іноді перебувають у різних місцях.На сьогодні особливого значення набуває інформаційна інтегрована логістична підтримка, що дозволяє на всіх етапах ЖЦВ ефективно управляти формуванням та виконанням замовлень. Аналіз логістичної підтримки сучасної компресорної техніки є актуальним для підвищення її якості та мінімізації вартості життєвого циклу при забезпеченні відповідності вимогам міжнародних стандартів замовників.Виробництво компресорного й поліграфічного обладнання, і зокрема паперорізальних машин, – це одна з галузей вітчизняного машинобудування, де впровадження технологій інформаційної підтримки ЖЦВ є своєчасним і актуальним. Відсутність загальної науково обґрунтованої теорії організації процесів ЖЦ паперорізального обладнання на базі інтегрованих інформаційних технологій робить неефективною взаємодію під час передачі та обробки великих обсягів технічної інформації численними учасниками ЖЦВ, які можуть знаходитися у різних місцях.Прогнозування технічного стану виробів на основі інформації, отриманої в результаті обробки даних від систем контролю, дозволяє раціонально спланувати проведення регламентних робіт, ремонт і заміну техніки, уточнити обсяги й терміни контролю об’єктів, спланувати застосування технічних систем у різних умовах роботи тощо. Ефективне використання інформації від систем контролю вимагає створення інформаційної системи, яка повинна забезпечувати збір, обробку, зберігання та її розподіл. Інформаційна система є складовою частиною системи управління процесами виробництва й експлуатації обладнання.У сучасних умовах однією з головних складових ефективного управління процесами ЖЦ на підприємстві є використання концепцій CALS–технологій   (Continuous Acquisition and Life cycle Support – безперервні постачання та інформаційна підтримка життєвого циклу виробу).Сучасні інформаційні технології (ІТ) поряд із прогресивними технологіями матеріального виробництва дозволяють суттєво підвищити продуктивність праці і якість продукції, що випускається, значно скоротити терміни проектування, виготовлення і постачання виробів, які відповідають запитам і очікуванням споживачів. Інформаційна інтеграція процесів ЖЦВ досягається шляхом: використання спільних баз даних, що дозволяють ефективніше вирішувати питання проектування і розроблення виробів; підготовки, планування і управління виробництвом; вирішення завдань матеріально–технічного забезпечення, що охоплюють усі процеси  підприємства. При цьому враховується специфіка галузі, в якій функціонує підприємство, і відповідні зміни в інформаційному і організаційномусередовищі (рис. 1.)  .На сьогодні в літературі з’явилася чимала кількість праць, де розглянуті проблеми ефективної взаємодії існуючих автоматизованих систем проектування CAE/CAD/CAM і управління ERP MRP II на основі інтеграції і управління даними у рамках сучасної концепції інформаційної підтримки ЖЦВ – CALS – концепції або PLM (Product Lifecycle Management – управління ЖЦ виробу). На вітчизняних підприємствах ця концепція отримала назву: інформаційна підтримка життєвого циклу (ІПЖЦ) [5-13].

http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image049.gif

Рис. 1. Iнформаційної системи управління процесами ЖЦВ [1-5]:ХП, ХТ – вектори запланованих і поточних параметрів стану процесів ЖЦВ;U – вектор керуючих дій; V, Z – вектори дії навколишнього середовища

Ця концепція ґрунтується на використанні єдиного інформаційного простору (інтегрованого інформаційного середовища – ІІС) і забезпечує одноманітні способи управління процесами і взаємодію всіх учасників ЖЦ продукції: замовників продукції (включаючи державні установи і відомства), постачальників (виробників) продукції, експлуатаційного і ремонтного персоналу.ІІС є складною відкритою структурою, в якій міститься велика кількість даних: результати конструкторсько–технологічного проектування, довідкова інформація про матеріали, стандартні і покупні вироби, відомості про використовуване оснащення, інструмент, технічні характеристики обладнання, дані про організаційну структуру і кадровий склад підприємства і т.д. Для роботи з електронною моделлю виробу використовуються комп’ютерні засоби, що належать до класу PDM (Product Data Management – система керування даними про виріб)  . Схематично місце PDM у ІІС показано на рис. 2. Програмно–технічний комплекс PDM відіграє системоутворювальну роль в ІІС, забезпечуючи акумуляцію і зберігання структурованих даних про конструкцію виробу і його складові частини, технологію його виготовлення і експлуатації, а також про ресурси, потрібні для здійснення процесів, і надання цієї інформації іншим автоматизованим системам. На основі цього здійснюється інформаційна підтримка управління якістю процесів, управління конфігурацією, аналізу логістичної підтримки, збирання і обробки даних про виріб на різних стадіях ЖЦ і т.д.

http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image050.gif

Рис. 2. Програмно–технічний комплекс інформаційної системи управління

Системи управління інженерними даними, у свою чергу, спираються на системи CAD і CAE, в яких готується  інформація про склад виробу на стадії його проектування. Ці системи є ядром, за допомогою якого будується система управління ресурсами підприємства. Принципи і технології інформаційної підтримки ЖЦВ на всіх його стадіях реалізовано відповідно до вимог системи Міжнародних стандартів, що регламентують правила названої взаємодії переважно за допомогою електронного обміну даними  . Формат опису даних регламентований вимогами міжнародних стандартів: ISO 10303 (STEP – Standard for Exchange of Product data), ISO 8879 (SGML – Standard Generalized Markup Language), ISO 15531 (MANDATE), ISO 9735 (EDIFACT), ISO 13584 (PLIB), ISO–10179, а також іншими стандартами ISO і методикою функціонального проектування IDEF0.Принциповою відмінністю CALS–технологій від традиційних автоматизованих систем керування (АСК) є не стільки технічний (автоматизація традиційних процесів виробництва), скільки організаційно–економічний аспект реорганізації процесів проектування, підготовки виробництва, експлуатації, технічного обслуговування і ремонту з урахуванням нових можливостей, що надаються безперервною підтримкою ЖЦВ.Ініціатором цього підходу і доведення його до рівня міжнародних стандартів стало військове міністерство США (НАТО) [7,9] у зв’язку з необхідністю підвищення ефективності управління і скорочення витрат на інформаційну взаємодію між державними установами і комерційними підприємствами при постачаннях і в ході подальшої експлуатації озброєнь і військової техніки  . На цей час дана концепція прийнята в більшості промислово розвинених країн.Проблема інформаційної взаємодії і застосування CALS особливо актуальна і важлива при створенні машинобудівної продукції виробничо–технічного призначення, яка має тривалий ЖЦ і де необхідна спадковість інформаційної підтримки продукції незалежно від ринкової або політичної ситуації. Складність таких об’єктів управління пов’язана з їх багатовимірністю, нелінійністю, стохастичністю, нестаціонарністю, високим рівнем апріорної і поточної невизначеності, а також властивостями навколишнього середовища, що постійно змінюються, і дефіцитом необхідної інформації. Це різко ускладнює завдання побудови математичної моделі об’єкта у традиційному аналітичному змісті, а інколи взагалі не дозволяє отримати прийнятне рішення.Серйозна методологічна складність на шляху розроблення і впровадження CALS – технологій у вітчизняній машинобудівній промисловості пов’язана з необхідністю створення адекватних економіко–математичних моделей ЖЦВ. Відсутність загальної теорії інтегрованої інформаційної підтримки виробів робить не ефективним управління їх конфігурацією при передачі і обробці великих обсягів технічної інформації численними користувачами автоматизованих систем підготовки виробництва, що знаходяться інколи у різних місцях.Дослідження CALS–процесів пов'язано із двома видами складності – внутрішньою та зовнішньою. Внутрішня складність обумовлена необхідністю врахування синергетичних властивостей, притаманних як елементам СОТС, так і всій системі ЖЦ у цілому. Зовнішня складність полягає в необхідності враховувати вплив усіх факторів зовнішнього середовища на систему, які можуть викликати відхилення від заданої мети її існування або розвитку. Складні вироби у машинобудуванні характеризуються тим, що  в  них  усі  функціональні  процеси  мають  динамічний характер. Ці процеси можуть бути описані  лише  за  допомогою  спеціальних  моделей  із тим або іншим ступенем адекватності. У цей час концепція побудови інтегрованої автоматизованої системи управління інтенсивно розвивається на основі наукової методології системного аналізу, теорії ієрархічних багаторівневих систем, методів дослідження операцій, математичної логіки, теорії штучного інтелекту, теорії алгоритмів, мов представлення даних, теорії локальних обчислювальних мереж на базі міні– і мікро– ПК та мікропроцесорів.

Використання сучасних комп'ютерних технологій дозволяє істотно скоротити тривалість проектно-конструкторських робіт, по-новому реалізувати проектні процедури і в результаті отримати ефективніші технічні рішення. Апаратне забезпечення автоматизованих робочих місць (АРМ) для працівників самих різних професій мало відрізняється один від одного. Його основою є професійний комп'ютер. Головна відмінність полягає в їх програмному забезпеченні, яке і відрізняє, наприклад, АРМ інженера-проектувальника від АРМ інженера-технолога.Новітні комп'ютерні технології дозволяють організувати автоматизоване робоче місце конструктора-проектувальника. Базовими програмними продуктами АРМ конструктора-проектувальника є операційна система Microsoft Windows і універсальна графічна платформа AUTOCAD 2004 фірми Autodesk.Системи автоматизованого проектування (САПР), звані в англійському перекладі CAD-системами (Computer Aided Design), застосовуються для вирішення різноманітних інженерних і конструкторських завдань. До найбільш популярним слід віднести могутню систему машинного проектування AUTOCAD фірми Autodesk, використовувану для створення креслень.Застосування САПР-ТЕХНОЛОГИЙ дозволяє скоротити час на виконання проекту і випуск виробів, зменшити можливі помилки, підвищити якість конструкторської документації, а при використанні програмно-керованого устаткування - готувати необхідні для цього дані в потрібному форматі. Повний спектр завдань, що вирішуються з допомогою САПР, надзвичайно багатий, і програм, призначених для цього, розроблено достатньо багато.Для ефективної роботи з програмами САПР краще застосовувати монітор з великим розміром екрану. Для отримання твердої копії результатів роботи (креслення, схеми) зазвичай великими форматами паперу. AUTOCAD - це графічне ядро систем автоматизованого проектування (САПР). Багаті функціональні можливості, широкі можливості програмування, зв'язок з базами даних, великий вибір сумісних периферійних графічних пристроїв фактично зробили графічний пакет AUTOCAD світовим промисловим стандартом в своїй області. Випускаються версії програми для різних платформ і під різні операційні системи. Програма сумісна зі всіма видами принтерів і плоттерів, що випускаються[4-9].При створенні нових інженерних конструкцій може застосовуватися математичне моделювання (машинний експеримент) - моделювання реально існуючих об'єктів, здійснюване засобами мови математики і логіки за допомогою комп'ютера.Математичне моделювання засноване на створенні і дослідженні на комп'ютері математичної моделі реальної системи - сукупності математичних співвідношень (рівнянь), що описують цю систему. Рівняння (математична модель) разом з програмою їх рішення вводять в комп'ютер і, імітуючи різні значення вхідних (по відношенню до досліджуваної системи) сигналів і умов роботи системи, визначають величини, що характеризують поведінку системи.Математичне моделювання, на відміну від матеріального (експериментального, наочного), є теоретичним, таким, що відбувається тільки в комп'ютері, а не в реальності. Воно дозволяє обійтися без складного, дорогого або небезпечного експерименту, наприклад при створенні автомобілів, літаків, локомотивів. Математичне моделювання процесу або явища не може дати повного знання про нього. Це особливо істотно у тому випадку, коли предметом математичного моделювання є різної природи. Тому іноді математичне моделювання доповнюють створенням натуральної моделі. Система тривимірного твердотільного моделювання КОМПАС-3D призначена для створення тривимірних асоціативних моделей окремих деталей і складальних одиниць, що містятьі конструктивні елементи. Параметрична технологія дозволяє швидко отримувати моделі типових виробів на основі одного разу спроектованого прототипу. Численні сервісні функції полегшують вирішення допоміжних завдань проектування і обслуговування виробництва. Завдання, що вирішується системою, - моделювання виробів з метою істотного скорочення періоду проектування і швидкого їх запуску у виробництво. Креслярський редактор "КОМПАС-Графік" надає щонайширші можливостіьких робіт в різних галузях промисловості. Він успішно використовується в машинобудівному проектуванні, при проектно-будівельних як оригінальні, так і стандартизован автоматизації проектно-конструкторс роботах, складанні різних планів і схем.На зміну інформаційній підтримці окремих етапів створення інженерних конструкцій в кінці 20-го століття прийшла ідеологія ведення бізнесу CALS (Continuous Acquisition and Support) або, в сучаснішому викладі, PLM (Product Lifecycle Management). За терміном "життєвий цикл" ("Lifecycle") коштують два поняття - "маркетинговий життєвий цикл" (МЖЦ) і "функціональний життєвий цикл" (ФЖЦ). МЖЦ має відношення до поведінки певного виду продукції на ринку і завершується моральним зносом і зняттям з виробництва, а ФЖЦ пов'язаний з функціональним призначенням виробу і завершується фізичним зносом і утилізацією. Прикладом можуть служити персональні комп'ютери. Маркетинговий життєвий цикл систем на базі Pentium II закінчився, але фізично їх успішно продовжують експлуатувати в багатьох організаціях[4-8]. Електронний опис виробу дає вичерпний опис спроектованого виробу і фактично замінює паперову конструкторську документацію. На його основі з'являється можливість технологічних процесів. Таким чином, виконується ще один принцип CALS - принцип безпаперового представлення інформації. Організація технологічного процесу виготовлення дослідних зразків і серійного виробництва виробів здійснюється за допомогою систем автоматизованого проектування технологічних процесів, так званих САМ-СИСТЕМ (Computer Aided Manufacturing). Вони забезпечують найбільш раціональний вибір верстатного устаткування, інструментів і режимів обробки деталей.Комплексні рішення при цьому базуються на передових технологіях гібридного моделювання, інтегрованих засобах електронного документообігу, а також на широкому спектрі спеціалізованих модулів, серед яких важливе місце займають програми для віртуального моделювання процесів механічної і електроерозійної обробки з виходом на верстати з числовим програмним управлінням (ЧПУ).Сучасні металообробні верстати і багатоопераційні оброблювальні центри оснащені числовим програмним управлінням (ЧПУ). Це управління обробкою заготівки на верстаті за програмою, заданою в цифровій формі. Пристрій ЧПУ видає дії, що управляють, на виконавські органи верстата відповідно до програми і інформації про стан керованого об'єкту. Верстати з ЧПУ поєднують високу продуктивність, властиву верстатам-автоматам, з гнучкістю, швидкістю переналадки на інші режими роботи, що характерний для універсальних верстатів. Оброблювальний центр оснащений інструментальним магазином великої ємкості і пристроями для автоматичної зміни інструменту. Верстат дозволяє вести комплексну механічну обробку великого числа поверхонь заготівки різними способами - точінням, фрезеруванням, свердленням і ін.У сучасному машинобудуванні і приладобудуванні відбувається ускладнення продукції, що випускається, номенклатура її збільшується, а серійність виробництва зменшується. Це веде до значного збільшення об'ємів і термінів виконання робіт у сфері конструкторсько-технологічної підготовки виробництва. Вимоги ринкової економіки примушують підприємства постійно покращувати споживчі властивості і якість виробів, а терміни їх випуску максимально скорочувати.Окрім тривимірних (віртуальних) моделей на екрані монітора комп'ютера сучасні інформаційні і лазерні технології дають можливість створювати "тверді" моделі окремих деталей зіітографія". Вона заснована на використанні фотополімеризації лазерним випромінюванням. світлочутливого пластика. Це викликало до життя концепцію крізного циклу проектування і виробництва "від ідеї до металу". Суть її полягає в тому, що комп'ютерні системи і устаткування повинні розглядатися як єдиний інформаційний технологічний процес на всьому протязі від проектування до виготовлення виробів. Крізний цикл складається з блоків Саd/сам/сає/pdm. САМ-СИСТЕМИ є частиною цієї більш загальної концепції.Спочатку за проектом конструктора створюється комп'ютерна модель, яка через мінімальний час може бути втілена у вигляді реальної моделі. Проводяться всі деталі для збірки. Зібрану модель можна пофарбувати, перевірити можливість установки і розміщення електронних компонентів, оптики, ергономіку, пред'явити для затвердження дизайну замовником і так далі.Пластикова модель легко піддається обробці, фарбуванню, металізації. Модель може бути використана для перевірки ідей конструктора, використовуватися на презентаціях, в маркетингових акціях і тому подібнеЛазерна стереолітографія дозволяє створювати деталі найскладнішої форми з максимальними розмірами 250x250x250 мм. Спочатку об'ємний віртуальний образ ділять на набір пошарових зображень тонких перетинів (0,1-0,2 мм). У ванну, наповнену рідиною, що фотополімеризується, поміщають плоску підставку, на якій згодом з'явиться об'єкт, так, щоб вона була занурена на товщину формованого шару (ті самі 0,1-0,2 мм). Потім поверхню рідини обробляють променем лазера, і в тих місцях, які він опромінює, утворюються тверді ділянки. Так виникає нижній шар моделі. Платформу трохи притоплюють і формують другий шар. Операцію повторюють до тих пір, поки модель не буде цілком готова. Сфери застосування лазерної стереолітографії:виготовлення оснащення для різних видів литва;точне литво по суцільних випалюваних моделях.Важливу роль в машинобудуванні грає логістика (матеріально-технічне постачання) - контроль за всіма видами діяльності, пов'язаними із закупівлею ресурсів для виробництва і доставкою готовій продукції покупцеві, включаючи необхідне інформаційне забезпечення цих процесів. Логістика також координує взаємини всіх членів системи постачання і розподілу. До безпосередніх функцій логістики відносяться: транспортування, складування, збір замовлень, розподіл продукції, упаковка, сервісне обслуговування.Система логістики включає логістику на вході і логістику на виході. Перша управляє всіма операціями з сировиною і матеріалами, починаючи з вибору постачальника і закінчуючи поверненням неякісної сировини; друга контролює розподіл готової продукції, включаючи її доставку кінцевому споживачеві.Логістика використовується учасниками каналів руху товару для зниження витрат, підвищення якості обслуговування покупців і підтримки об'єму запасів на складі на мінімальному необхідному рівні.Так інформаційні технології в машинобудуванні і металообробці з важливого, але допоміжного засобу сьогодні перетворилися на головну організуючу силу - реальну крізну автоматизацію виробничих процесів[5-9].


Методологія функціонального моделювання дозволяє здійснити опис процесів ЖЦ складних виробів у машинобудуванні у вигляді взаємодіючих і взаємозв’язаних блоків, що представляють певні функції виробничо–технічних і організаційно–економічних систем. Технологія управління конфігурацією забезпечує відповідність характеристик виробу заданим вимогам. Теорія динамічного програмування дозволяє поетапно знаходити оптимальне рішення на етапах ЖЦ. У сучасному виробництві, значну частину якого займає механічна обробка різанням, введення у верстат додаткових функцій адаптивного управління процесом дозволяє за допомогою спеціальних датчиків отримувати і безперервно використовувати інформацію про стан оброблюваної деталі, інструменту і верстату. Поле розсіювання розмірів деталей визначається методом обробки, конструкцією, розміром і залежно від точності і жорсткості, розкидом властивостей оброблюваних матеріалів і різального інструменту.Величина розсіювання розмірів у процесі обробки партії деталей на конкретному обладнанні не залишається постійною, а змінюється залежно від стану різального леза інструменту і оброблювальної технологічної системи[3-8]. Контроль і діагностування є однією з найбільш важливих завдань автоматизованого виробництва. Основною функцією системи контролю, що діагностує поточний стан технологічної системи, є прогнозування моменту її підналагодження. Це дозволяє уникати незапланованих простоїв обладнання, що, у свою чергу, частіше всього пов'язане з налагодженням або заміною ріжучого інструменту, – найбільш слабкого елемента системи. Точність прогнозування значною мірою залежить від ефективності вибору діагностичної ознаки [4-9], що характеризує стан інструменту.Деформаційні процеси під час різання поліграфічних матеріалів розглянуто з урахуванням властивостей реологій контакту і кінетичної теорії міцності, згідно з якою основною характеристикою міцності є час очікування руйнування  при заданому напруженні.Під час різання поліграфічних матеріалів, у тому числі й композиційних, процесу розділення листів передує напружений стан зони різання, що створюється у результаті втискання у стопу і рухом (шабельний або інший вид руху) різального клина інструменту – ножа (із радіусом кривизни вершини R) (рис. 3). Листи матеріалу на початковій стадії процесу різання під дією кромки леза піддаються деформаціям стискування і розтягування. Досягнувши межі контактного напруження міцності матеріалу листа, починається процес їх розділення. Одночасно здійснюється розрив хімічних зв'язків між волокнами целюлози [2-3]. При цьому відбувається не тільки розділення волокон, в які втиснулося лезо ножа, але й роз'єднання волокон, що ще не стикалися з ножем. Останнє явище умовно можна назвати утворенням тріщини. При опусканні ніж скошеною гранню тисне на кромку чергового листа, при цьому деформує його і відсовує відрізану частину стопи. У першому наближенні взаємодія різальної кромки інструменту із оброблюваним матеріалом може розглядатися як контактна задача втискування в пружну площину похилого штампу із закругленою кромкою (рис. 4)  .Рівняння контуру штампа

                                               http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1117.gif                                                               (1)

в області контакту має такий вигляд

http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1118.gif

Рис. 3. Iнформаційнa cхема взаємодії ножа із поліграфічним матеріалом:

Р – зусилля різання; R – радіус кривизни вершини леза;  – кут гостроти леза.

                                   http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1119.gif                                               (2)

де http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1120.gifhttp://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1121.gif.

Нормальні напруження в області контакту визначається за формулою (4) 

http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1122.jpg

Рис. 4. Iнформаційна cхема втискування похилого штампа в пружну площину: а – розмір зони контакту;  – кут нахилу штампа; R – радіус різальної кромки; b – перехід прямолінійної утвірної штампа у криволінійну (округлу); С – точка, де діє максимальне контактне напруження; Р – сила втискування

http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1123.gif                             (4)

де http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1124.gif.

Відношення http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1125.gif визначається із трансцендентного рівняння

                                      http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1126.gif                               (5)

Вдавлювальна сила Р, що віднесена до одиниці довжини вздовж осі Oz виражається такою залежністю:

                                 http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1127.gif,                               (6)

де G – модуль зсуву;  – коефіцієнт Пуассона.

Основою для розрахункової оцінки процесу різання поліграфічних матеріалів є структурна модель, яка показана на рис. 5. Такий підхід дозволяє розглядати цілісну систему процесів, які визначають на виході ефективність комплексу «процес–обладнання–інструмент». Напруження і деформації, що виникають у цих процесах, а також їх механізми ще недостатньо теоретично обґрунтовані, що не дозволяє з високою достовірністю розраховувати і прогнозувати параметри стану даних технічних систем, а також застосовувати заходи, що підвищують надійність їх елементів.

                                    http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1134.gif

Рис. 5. Iнформаційна модель процесу різання поліграфічних матеріалів

Деформаційні процеси можна розглядати з урахуванням властивостей реологій контакту  . У реології при складанні механічних моделей виходять з того положення, що деформація складного тіла є результатом накладення деформацій елементарних механічних моделей тіл, що ідеалізуються, і відображають основні властивості реологій. За цими механічними моделями складають математичні рівняння залежностей різних параметрів: дотичних  і нормальних напружень , кутових  і лінійних  деформацій, швидкості їх зміни (http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1135.gif і http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1136.gif) і часу t. З урахуванням того що поліграфічні матеріали є композиційними з в’язкопружними і пластичними властивостями, за модель деформації візьмемо в’язкопружну модель Шведова–Бінгама [3-9].

У цій моделі при невеликих напруженнях  розвиваються тільки пружні деформації, а при >lim має місце пластична деформація  (формування в’язкопластичнихвластивостей тіла. Модель Шведова–Бінгама можна подати і без пружного елемента, деформація якого не залежить від часу, а також у вигляді паралельно з'єднаних в'язкого елемента (модель Ньютона) і елемента сухого тертя.При постійній деформації цього тіла в умовах одновісного стискування при початковому напруженні 0 рівняння релаксації має такий вигляд:

                              http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1139.gif,                             (7)

де http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1140.gif – час (період) релаксації; Е – модуль пружності;  – в'язкість;

0 – початкове напруження у момент t0. Період релаксації Tr визначається за експериментальною кривою релаксації і відповідає моменту часу, коли різниця між початковим і кінцевим напруженнями (0–) зменшується у “e” разів, тобто у 2,7 раза.

Поведінка реології і характер руйнування залежать не лише від матеріалу, але й від швидкості та частоти застосування навантажень, а також від виду

 напруженого стану. Швидкість ξ зносу ножа суттєво залежить від вертикальної складової сили різання Р, яка визначає силу тертя на передній і задній поверхнях леза у зонах його контакту із оброблюваним матеріалом при швидкості їх відносного руху v [3-9]

                                        http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1141.gif.                                                         (8)

При постійній швидкості ковзання контактний тиск буде змінюватися разом із областю контакту. Залишковий ресурс пари, що контактує Тор (напрацювання на відмову) визначиться таким чином

                                  http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1142.gif або http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1143.gif (http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1144.gif),                (9)

де h, hпр – відповідно поточна і гранично допустима величини зносу;ТР – максимальний ресурс (максимальне напрацювання до відмови);t0, t – відповідно початковий і поточний час контакту.

Зусилля різання Р з урахуванням сил опору матеріалу руйнуванню може бути визначено за формулою  :

        http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1145.gif,     (10)

де  – кут загострення;  – гострота леза; lim – руйнівні контактні напруження;  – коефіцієнт Пуассона; f – коефіцієнт тертя поліграфічного матеріалу і матеріалу леза ножа; H – товщина матеріалу до початку різання;

Результати експериментальних досліджень паперорізального обладнання показує, що знос лез інструментів у зв'язку з відносно невеликими швидкостями різання, абразивно–втомне руйнування. Тобто ланцюг мікроруйнувань відбувається за тим принципом, що і макроруйнування  . На макрорівні найбільше обґрунтування отримала кінетична теорія міцності  , відповідно до якої основною характеристикою міцності є час (довговічність) при заданому напруженні. Так, С.Н. Журков розглядав руйнування, як термофлуктуаційний процес, де кількісний зв'язок між напруженням, залишковим ресурсом і температурою встановлює запропоноване ним рівняння [4-10]:

                             http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1148.gif,                                               (11)

де τ0 – час одного акту руйнування або утворення зв'язку на мікрорівні (τ0≈10–13с); U0 – початкова енергія активації процесу руйнування, яка збігається із величиною енергії розпаду міжатомних зв'язків; γ – експериментальний коефіцієнт, що характеризує властивості міцності і залежить від структурних змін (має розмірність об'єм); σ – діюча постійна напруга; k – постійна Больцмана;Т – абсолютна температура.

Стосовно процесу різання під діючою постійною напругою σ розуміють напруження, що виникають у точці контакту інструменту із оброблюваним матеріалом. Переходячи у (6.5) до безрозмірної форми, отримаємо такий вираз:

                                   http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1149.gif                                       (12)

де http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1150.gif.

При діагностуванні поточного стану інструменту вважаємо, що рівень діагностичного параметра корельований із величиной контактних напруженнь (А~σ). У результаті вираз після логарифмування і перетворення відносно ТР можна подати у вигляді

                                  http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1151.gif                                          (13)

де http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1152.gif; А0, А – рівні діагностичного параметра процесу різання відповідно на початку обробки і у поточний момент часу;К1 – коефіцієнт розмірності (визначається експериментально).

Вираз (13) є основою для визначення ресурсу різального інструменту в процесі діагностування його технічного стану шляхом оцінки рівня діагностичного параметра. Розв’язуючи рівняння отримаємо вираз, що зв'язує ступінь зносу інструменту із контактними напруженнями:

                                http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1153.gif                                     (14)

Позбавимося параметра К, для чого візьмемо таке відношення для напруження:

                    http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1154.gif                                   (15)

де σlim – гранична величина контактного напруження, досягнувши якої відбувається заміна інструменту.

З урахуванням цього отримаємо такий вираз, який описує процес зміни з часом середньої  величини контактного напруження:

                           http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1155.gif                                           (16)

Bипливає

                             http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1156.gif                                             (17)

Знаючи ТР, можна оцінювати фактичний ступінь зносу інструменту, який змінюється у процесі його застосування. Вирази можна використовувати при проектувальних розрахунках для оцінки передбачуваної стійкості інструменту і ступеня його зносу.Вирази можна використовувати для оцінки ступеня зносу конусоподібного інструменту у процесі проведення технічної діагностики його стану. Для цього, враховуючи співвідношення між напруженням і зносом, слід перетворити цей вираз у вигляд

                                http://polka-knig.com.ua/book_files/305/image1157.gif.                                            (18)

Метою діагностування є визначення ресурсу інструменту ТР у процесі експлуатації та граничного ступеня його зносу. При цьому оцінка ТР і необхідність його підвищення повинні вирішуватися насамперед із економічних позицій.Таким чином, як основа для розрахункової оцінки процесу різання поліграфічних матеріалів запропонована структурна модель, що дозволяє розглядати цілісну систему процесів, які визначають на виході ефективність комплексу «процес–обладнання–інструмент». Деформаційні процеси під час різання поліграфічних матеріалів розглянуто з урахуванням властивостей реологій контакту і кінетичної теорії міцності, згідно з якою основною характеристикою міцності є час очікування руйнування (довговічність) при заданій напрузі.

Використання результатів розробленого методу технічного діагностування і прогнозування фактичного ресурсу важливе для вдосконалення технологічного процесу експлуатації машинобудівної продукції виробничо-технічного призначення в умовах автоматизованого виробництва і підвищення її конкурентоспроможності.

Література

1.Розум О. Ф. Таємниці друкарства / О. Ф. Розум. — К.: Техніка, 1980. — 143 с.

2.Дурняк Б. В. Видавнича справа та поліграфічна діяльність в Україні: моногр. / Б. В. Дурняк, А. М. Штангрет, Я. М. Угрин. — Львів : Укр. акад. друкарства, 2009. — 150 с. — ISBN 978-966-322-153-3

3.Чехман Я. І. Друкарське устаткування: підруч. / Я. І. Чехман, В. Т. Сенкусь, В. П. Дідич, В. О. Босак. — Львів : Укр. акад. друкарства, 2005. — 468 с. — ISBN 966-322-017-1

4.Огірко І. В. Математичне моделювання друкарських форм ротаційних машин/ Я. І. Дуб, І. В. Огірко, М. Ф. Ясінський. — Львів .Вища школа. Вид-во при Львів. ун-т, 1987. 250c.

5.Ogirko I.V., Zapotochnyi V.I. The stress-strain state of screen photopolymer plates / / Soviet Materials Science 22 (6), 1987, pp. 640–643.

6.Тріщ Р.М. Розвиток наукових основ управління якістю в машинобудуванні в умовах обмеженої кількості інформації: автореф. дис. на здобуття наук. cтупеня доктора техн. наук: 05.01.02 „Стандартизація, сертифікація та метрологічне забезпечення” / Р. М. Тріщ. - К., 2007. - 35 c.

7.Васильев А.С. Направленное формирование свойств изделий машиностроения / А.С. Васильев. Под ред. А.И.Кондакова. –М.: Машиностроение, 2005. -352 с.

8.Василєв О.С. Технологічнi основи забезпечення якості деталей машин / О.С. Васил'ев,  А.М. Дальський, С.А. Клименко  – Житомир: ЖДТУ, 2005.– 219 с.

9.Соломенцев Ю.М., Митрофанов В.Г., Павлов В.В., Рыбаков А.В. Информационно-вычислительные системы в машиностроении  (CALS-технологии) / Ю.М. Соломенцев, В.Г. Митрофанов, В.В. Павлов, А.В. Рыбаков. - М.: Наука, 2003. - 292 с.

10.Чуличков А. И. Математические модели нелинейной динамики / А.И. Чуличков. − М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 296 с.

11.Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкцій / Болотин В.В. — М.: Машиностроение, 1984. — 312 с.

12.Мазур М.П. Основи теорії різання матеріалів: підручник /М.П. Мазур, Ю.М. Внуков, В.Л. Доброскок, В.О. Залога, Ю.К. Новоселов, Ф.Я. Якубов; за заг. ред. М.П. Мазур. - Львів: Новий світ, 2010. – 422 с.

13.Дядюра К.О. Зниження негативної технологічної спадковості виготовлення деталей енергетичного обладнання на основі синергетичного підходу / Дядюра К.О., Юнак А.С. // Сучасні технології в промисловому виробництві: матеріали II Всеукраїнської міжвузівської науково-технічної конференції. – Суми: СумДУ, 2012. – С. 60-61.

14.Проектування інформаційних систем/ В.С. Пономаренко, О.І. Пушкар, І.В. Журавльова, С.В. Мінухін. Под ред. В.С. Пономаренко. – К.: Видавничий центр «Академія», 2002. – 486 с.

15. Компьютерно-интегрированные производства и CALS - технологии в машиностроении /Под ред. д-ра техн. наук., проф. Б.И. Черпакова. - М.: ГУП «ВИМИ», 1999. – 512 с.

16.Нагорный В.М., Дядюра К.А. Прогнозирование момента подналадки технологической системы механической обработки при возможных отклонениях от допустимых значений размеров обрабатываемых деталей/ В.М. Нагорный, К.А. Дядюра //Техническая диагностика и неразрушающий контроль – Киев, 2003. - №2, - С.16-20.

 

 



Обновлен 25 мар 2016. Создан 22 мар 2016