Міністерство освіти і науки України

тернопільський державний технічний університет

імені івана пулюя

СКЛЯРОВ РУСЛАН АНАТОЛІЙОВИЧ

УДК 621.91.06

ПРОГНОЗУВАННЯ РОЗВИТКУ КОМПОНОВОК

БАГАТОШПИНДЕЛЬНИХ ТОКАРНИХ АВТОМАТІВ

Спеціальність: 05.03.01 – Процеси механічної обробки, верстати та інструменти

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тернопіль – 2001

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України та в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Кузнєцов Юрій Миколайович Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” професор кафедри “Конструювання верстатів та машин”

Офіційні опоненти :

доктор технічних наук, професор Хицан Валерій Дмитрович Національний технічний університет України “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри “Технології машинобудування та верстати

кандидат технічних наук, професор Гордєєв Олександр Федорович Луцький державний технічний університет, професор кафедри “Верстати”

Провідна установа:

Одеський державний політехнічний університет Міністерства освіти і науки України інститут промислових технологій, дизайну і менеджменту, кафедра “Металорізальних верстатів”, (м.Одеса).

Захист відбудеться 1 березня 2001 року о 1300 на засіданні спеціалізованої вченої ради К58.052.01 при Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя, за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська 56.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя, за адресою: м. Тернопіль, вул. Руська 56.

Автореферат розісланий “ 30 “ січня “ 2001р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Б.Г. Шелестовський

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. В багатьох галузях промисловості поряд з масовим вузькономенклатурним виробництвом в його традиційному розумінні, формуються підприємства з виробництвом продукції широкої номенклатури, яка постійно оновлюється. Таке виробництво по формі і структурі є багатоцільовим, що дозволяє швидко і гнучко реагувати на зміни потреб народного господарства. Гнучкість виробництва в основному визначається: технологічним обладнанням, одним із основних видів якого є металорізальні верстати. Поряд з високим ступенем гнучкості металорізальні верстати та верстатні системи повинні відповідати вимогам основних показників, таких як продуктивність, точність, надійність. Ці показники потрібно неперевно вдосконалювати в силу впровадження нових технологій та розвитку матеріалів, ріжучих інструментів, тощо.

Розвиток металорізальних верстатів повинен проходити цілеспрямовано і носити системний характер. Це забезпечується науковим прогнозуванням, як одним з головних методів, який дозволяє розробляти стратегію розвитку металорізальних верстатів. В даній роботі досліджується процес розвитку багатошпиндельних токарних автоматів (БТА), які відповідають вимогам багатономенклатурного автоматизованого виробництва. Прогнозування дозволяє передбачити тенденції розвитку БТА, особливості конструктивних рішень вузлів та компоновок верстатів нового покоління з відповідними основними технічними показниками.

В звязку з цим прогнозування розвитку БТА нового покоління, а саме їх компоновок на початкових етапах їх розробки є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Окремі наукові результати дисертаційної роботи отримані при виконанні д/б теми №2217 “Розробка теорії проектування та дослідження високопродуктивних, ресурсозберігаючих методів автоматизованої токарної обробки та нового швидкодіючого обладнання”, яка виконувалась в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” згідно з тематичними планами науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України (реєстр. № 01980001291, 1998-99р.).

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є підвищення техніко-економічних показників багатошпиндельних токарних автоматів (БТА) нового покоління на початкових етапах їх розробки завдяки високого ступеня достовірності оцінки їх стану і прогнозування розвитку.

Для досягнення мети потрібно вирішити такі основні задачі:

·

· провести аналіз розвитку БТА на основі фактографічних матеріалів (включаючи патентний пошук) з використанням системного підходу;

· розробити математичну модель прогнозування розвитку БТА, вид якої відповідає представленню системи у вигляді логістичної кривої, а також провести її аналіз;

· розробити структуру бази даних конструктивних рішень та технічних показників БТА, яка відповідає представленню верстата, як системи і відповідні програмні засоби, що дозволяє реалізувати математичні моделі прогнозування розвитку БТА з використанням сформованої бази даних;

· спрогнозувати розвиток технічних параметрів, нових компоновок БТА, конструктивних рішень його вузлів упродовж декількох періодів з використанням уточненої стратегії системи автоматизованого проектування БТА;

· розробити методики проведення прогнозних досліджень БТА, які доповнюють методологічну базу проектування металорізальних верстатів.

Об'єкт дослідження – БТА, як складна технічна система.

Предмет дослідження – конструктивно-параметричні показники БТА.

Методи дослідження. Системний підхід як метод дослідження дозволяє в роботі представити об'єкт як єдине ціле і одночасно розглянути розвиток його складових компонент, розкрити їх особливості, і показати можливі варіанти представлення. Різноманітний підхід в розгляді БТА як системи розширив спектр представлення БТА (від фізико-механічного рівня до систем керування). Використання методу математичного моделювання дало можливість створити нову математичну модель, розкрити її істотну відмінність і визначити область (межі) її застосування. Метод синтезу дозволив розкрити можливі варіанти пошуку нових конструктивних рішень по наперед заданих параметрах. Метод обробки стохастичних даних з представленням регресійних рівнянь дозволив зіставити теоретичні розробки з даними, накопиченими упродовж як виготовлення і експлуатації БТА, так і патентних їх розробок.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

·

· запропоновано формалізований опис компонент БТА на прикладі шпиндельного вузла, який визначає його положення в просторі;

· створено інформаційну базу даних конструктивних рішень та технічних показників БТА, та програмні продукти для накопичення і обробки статистичних даних, формування математичної моделі і аналізу отриманих результатів;

· запропоновано нові компоновки БТА на модульному принципі, які отримані з використанням диференціально-поліномної моделі та методу морфологічного аналізу, які відрізняються від існуючих компоновок наявністю багаторядних револьверних головок і можливостями нарощування шпиндельних блоків;

· завершено формування принципу замкнутості циклу при проектуванні БТА, який передбачає на початковій стадії обов'язкове проведення прогнозування.

Практичне значення одержаних результатів. 1.Практичною цінністю роботи є розробка методики прогнозування розвитку конструкцій БТА, яка дозволяє здійснювати прогноз розвитку параметрів не тільки БТА, але й іншого металорізального обладнання; 2.Підготовлена програма для розрахунку параметрів та технічних показників верстатів на основі розробленої диференціально-поліномної моделі; 3. Розроблена база даних токарних автоматів в якій міститься інформація про патенти, моделі верстатів, та деталі представники підприємств машинобудівного профілю, яка може представляти інтерес для організацій, які займаються створенням та розробкою нових верстатів. 4.Запропоновані нові компоновки верстатів, на які подано заявки на патент України та отримано пріоритет.

Запропонована методика прогнозування та розроблені бази даних знайшли використання у відкритому акціонерному товаристві верстатобудівного і універсального машинобудування ВАТ “Верстатуніверсалмаш” (м. Житомир), Державному конструкторсько-технологічному центрі верстатобудування (м. Київ), та передані на ВАТ “Беверс” (м. Бердичів). Результати дослідження використовуються в навчальному процесі при викладенні курсів “Верстати-автомати та автоматичні лінії”, “Верстати з ЧПК та верстатні комплекси” в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут”, “Прогнозування розвитку верстатобудування” в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи доповідалися і обговорювалися на 4-х конференціях: ("Ускорение разработки и внедрение ГПС в механообрабатывающем и сборочном производстве", (Кременчуг, 1996); “Прогрессивные технологии в машиностроении” (м. Одеса, 2000); конференція “Надежность машин, механизмов, оборудования” (Карпати с. Славське, 2000); “Прогресивні матеріали, технологія та обладнання в машино- і приладобудуванні” (м. Тернопіль, 2000)) та 2-х семінарах: на кафедрі “Верстато-інструментальних систем автоматизованого виробництва” Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя та “Конструювання верстатів та машин” Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Публікації. Основні результати дисертації викладені в 8 друкованих роботах, з них 4 статті у фахових наукових виданнях, отримано 2 позитивних рішення на видачу патенту України.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів і основних висновків, розміщених на 172 сторінках, 57 рисунків та 9 таблиць на 33 сторінках, списку літературних джерел з 157 найменувань на 12 сторінках і 5 додатків на 65 сторінках, всього 250 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність проблеми дослідження з розвитку токарних автоматів та верстатних комплексів, сформульовані мета та задачі досліджень, наведені відомості про наукову новизну результатів дисертації та практичну цінність, апробацію роботи.

В першому розділі проведено аналіз існуючих методів і моделей прогнозування. Прогнозування розвитку технічних систем дозволяє визначитись в напрямках проведення пошукових і дослідницьких робіт.

Застосування кожного виду прогнозуючих моделей в межах зон їх раціонального використання при оцінці розвитку БТА показав обмеженість відомих моделей як в точності так і в надійності прогнозу. Для прогнозування розвитку компоновок і технічних характеристик БТА доцільним є використання методів екстраполяції. Верифікація прогнозу за допомогою лінійних моделей дозволяє відобразити тенденції розвитку токарних автоматів з певним ступенем точності тільки на досить короткому часовому інтервалі (не більше 3…5 років). Для отримання прогнозуючої оцінки на більшому часовому інтервалі доцільно використовувати нелінійні моделі. Проте їх точність є недостатньою для прогнозу розвитку токарних автоматів (15…30%). Точність прогнозу підвищується при використанні моделей у вигляді логістичної кривої.

Серед методів експертних оцінок для прогнозування розвитку БТА ефективним є морфологічний метод, який сприяє використанню індивідуальної інтуїції експерта. Доцільним при прогнозуванні розвитку БТА є використання методів, які ґрунтуються на аналізі патентної інформації (методи статистичного моделювання).

В другому розділі приведено опис і аналіз об'єкту прогнозування.

Об'єкт дослідження, яким є БТА, представлено у вигляді системи, яка визначається множинами: елементів (компонентів БТА), відношень та властивостей . Сукупність елементів і відношень між ними , визначають сукупність властивостей , які реалізуються на цих елементах і відношеннях: , а декартовий добуток визначає сукупність БТА ():

(1).

Поділ системи на складові компоненти (підсистеми, блоки, вузли і т.ін.) може бути будь-яким. Розбиття на п'ять підсистем (обробки, маніпулювання, керування, контролю та обслуговування) дозволяє при прогнозуванні структури верстата виявити вплив компонентів та вузлів на його технічні характеристики. Розбиття на три складові частини: кінематичну, конструктивну та систему керування, дозволяє здійснити прогноз тенденцій розвитку як технічних показників верстата так і систем та підсистем верстата.

БТА представлено у вигляді орієнтованого графа (рис.1), вершинами якого є складові компоненти, а ребра вказують на зв'язки між ними, що дозволяє перейти до функціональної моделі, де кожен блок чи елемент виконує певну функцію.

Рис.1. Повна граф-модель функціональної структури БТА

Представлена повна граф-модель є тільки графічним представленням БТА, для подальшого аналітичного аналізу її представляють у вигляді матриць суміжності, ідентичності чи інцидентності. Повна граф-модель БТА включає двадцять елементів Е1-Е20 (вузли і блоки БТА), зв'язки в моделі - Ф1-Ф20 (описують основні функції блоків систем, і їх взаємодію між собою).

На основі матриці суміжності побудовано зважений мультиграф структури БТА. Представлення системи БТА разом з її аналітичним відображенням у вигляді матриць суміжності, ідентичності дозволяє проводити аналіз значної кількості компоновок БТА.

Проведено аналіз області використання БТА, при цьому виявлено, що найбільш раціональним методом автоматизації дрібносерійного виробництва є використання БТА з ЧПК. Аналіз розвитку компоновок БТА показав, що верстати в основному побудовані на агрегатно-модульному принципі, система керування – ЧПК, передбачена автоматизація всього циклу обробки деталі, можлива наявність пристроїв автоматичного маніпулювання об'єктами.

Відомі математичні моделі компоновок, як правило відображають взаємозв'язок між блоками верстата і тільки у відносній формі дають інформацію про розташування блоків у просторі. Залишається невідомим конкретне положення блоків у просторі і їх максимальне переміщення, так як існуючі формалізовані записи не однозначно описують компоновку верстата.

Пропонується формалізований опис положення шпиндельних блоків, що входять в загальну компоновку верстата, при цьому за основу прийнято плоску поверхню торця переднього кінця шпинделя і точку перетину цієї площини з віссю шпинделя.

Формалізований запис включає початкове положення блоку і його можливі переміщення, а саме . Такий опис включає номер блоку і положення нормалі вісі шпинделя, тобто кути (рис.2) з врахуванням того, що вибір системи координат завжди є однозначним: торець шпинделя знаходиться в площині , вісь завжди направлена в шпиндель, а вісь горизонтальна, та кути нахилу нормалі складають і відстань центру , то форма запису або , де індекс вказує на положення початкове вісі (нормалі) і площини поверхні торця шпинделя.

Рис. 2. Переміщення шпиндельного блоку в просторі

В загальному вигляді формулу запису положення вузла в просторі можемо записати:

, або (2)

Відсутність нижніх вказує на те, що кути залишились без зміни, а саме . Так при переміщенні блоку в напрямку вісі Z форма запису прийме вигляд .

Третій розділ присвячений розробці математичної моделі для прогнозування розвитку багатошпиндельних токарних автоматів.

Для математичного моделювання розвитку технічних систем використовують два основних типи моделей: диференціальна і алгебраїчна моделі, кожна з яких має свої характерні особливості. Недоліком цих моделей є те, що вони не дозволяють провести аналіз характерних точок на кривих еволюції систем (початку чи кінця інтенсивного розвитку). В даній роботі пропонується диференціально-поліномна модель розвитку БТА, яка дозволяє вирішити цю задачу.

Розвиток характеристик БТА можна зобразити у вигляді - кривої, яка має три стадії: початкову, інтенсивного розвитку та згасання. Існує концепція, що розвиток системи в цілому можна зобразити у вигляді - кривої, яка охоплює окремі стадії (фази) розвитку цієї технічної системи (рис.3).

Рис.3. S- крива розвитку технічної системи

Так як існує різне трактування - кривої, то - кривою називаємо гладку криву, якщо виконуються наступні умови: в деякій декартовій системі координат дотична до кривої в будь-якій її точці утворює із додатнім напрямом осі абсцис гострий кут; якщо відрізок на осі , в який проектується , крива, то знайдуться такі числа що на відрізках , крива є відповідно опуклою вниз, відрізком прямої, опуклою вверх. Функцію класу будемо називати визначену на відрізку двічі неперервно-диференційовану функцію , графіком якої є - крива.

Практично немає необхідності вибирати функцію у вигляді полінома високого порядку, достатньою є така його степінь, для якої множина кривих була б “досить щільною” і містила б криву достатньо близькою до будь-якої кривої.

Для оцінки близькості кривих введено метричний простір – множину всіх функцій класу , визначених на з метрикою

. (6)

Оцінка щільності деякої множини функцій класу в множині здійснюється по значенні коефіцієнту :

(7)

Чим меншим для вибраної множини є число , тим щільнішою є множина і тим кращу вона забезпечуватиме апроксимацію.

Запропоновано наближений критерій оцінки щільності поліномної моделі. Число визначається двома множинами функцій і , тобто . Нехай - множина функцій класу поліноміальної моделі (3), (4) степеня . Апроксимаційна щільність множини при :

(8).

Визначена формулою є насправді заниженою. Замінивши в формулі (8) на , де , отримуємо краще наближення апроксимаційної щільності. Наближення тим точніше, чим більше .

Для довільної множини функцій класу апроксимаційна щільність

, (9)

якщо .

Основною властивістю моделі (4), (5) є те, що при довільно заданій множині функцій класу для будь-якого як завгодно малого додатного числа знайдеться така степінь поліномної моделі (4), (5) , що .

Якщо відомі значення потрібного параметра системи, які можуть відноситися як до одного,так і до декількох її поколінь, то в межах одного покоління зміну параметра з часом можна описати S- кривою, яку можна вважати відомою з точністю до декількох параметрів, що визначають цю криву. Якщо наявні дані стосуються поколінь системи, то очевидно вписувати в ці дані потрібно також - кривих.

Принцип вибору рівнянь регресії: коефіцієнтів регресії кривої відповідної еволюції -того покоління забезпечують мінімум по (способу розбиття) наступного виразу:

(10)

де - спостережувана точка з номером , що відповідає -тому поколінню при j-тому способові розбиття точок на підмножини; - -тий коефіцієнт рівняння регресії для -того покоління при -тому розбитті; - кількість точок, віднесених до -того покоління при -тому розбитті.

Коефіцієнти визначаються на основі спостережуваних (статистичних) даних які є випадковими. Спосіб визначення коефіцієнтів критерію є по суті статистичним методом найменших квадратів для їх точкових оцінок, що є досить ефективними.

Оцінку кількості поколінь системи здійснюється методом статистичної оцінки гіпотези про змішування нормально розподілених випадкових величин, що утворює -горбий розподіл. При цьому застосовується - критерій Пірсона або критерій Колмогорова перевірки гіпотези про закон розподілу.

Застосування критерію (10) зводиться до пошуку мінімуму квадратичної форми і не складає принципової проблеми. Однак число y швидко росте як із збільшенням числа спостережуваних точок, так із збільшенням числа поколінь.

Для проведення прогнозних досліджень на основі диференціально-поліномної моделі створено програму "Прогноз", мова програмування - Turbo Pascal. Об'єм пам'яті програми складає 32 кБайт. Перевірка адекватності моделі показала, що на відміну від диференціальної та алгебраїчної моделей, точність прогнозу становить 90-95% (80-85% - диференціальна і алгебраїчна моделі).

Четвертий розділ присвячений автоматизованому прогнозуванню розвитку БТА.

При проектуванні БТА найбільш ефективним є багатоцільовий підхід, який передбачає також проведення прогнозних досліджень. Основними етапами прогнозного дослідження, як елемента (складової) автоматизованої системи наукових досліджень, є: вибір об'єкту прогнозу; вибір методу прогнозування; отримання прогнозних даних та верифікація отриманих результатів. В якості об'єкту дослідження для прогнозування вибрано БТА. Завданням прогнозування БТА є наукове обґрунтування доцільності створення БТА з новими властивостями.

Розроблено структуру бази даних конструктивних рішень та технічних показників БТА, яка відповідає представленню БТА, як системи, і включає такі основні інформаційні блоки: верстат, патент, деталь. Інформаційний блок "Верстат" складається із шести масивів: параметри сфери виробництва, експлуатації, кількісні, кінематичні, розмірні та силові; блок "Патент": нумераційні, фірмові характеристики, пріоритетні заявки, тематичність та патенти-аналоги; блок "Деталь" містить чотири масиви, а саме загальної, характеристичної, технологічної та графічної інформації про деталі-представники основних виробників БТА. Реляційно-алгоритмічний підхід у проектуванні бази даних дозволяє реалізувати добротний інтерфейс споживач - комп'ютер, зручну інформаційно-пошукову мову системи.

У створеній БД містяться відомості про майже 650 моделей БТА, які випускаються вітчизняними і зарубіжними фірмами, а також про понад 1300 патентів і авторських свідоцтв на компоновочні рішення і конструкції БТА і їх вузлів, відомості про два десятки деталей-представників (графічна інформація) та підприємства машинобудівного профілю, які зацікавлені в цих деталях. Сформована і наповнена база даних займає 1300 кБайт, передбачена можливість розширення цієї бази.

Розкрито тенденції в розвитку нових технічних рішень БТА, які захищені патентами. Аналіз показує зростання винахідницької активності в області патентування токарних верстатів з ЧПК, в тому числі і багатоцільових БТА. Так, кількість патентів БТА з системою ЧПК зросло від 15 (1980-1990 роки) до 31 (1990-2000 роки), лавиноподібного росту набуло патентування БТА на основі блочно-модульного принципу. Якщо в 1970-1980 роках зафіксовано 5 патентів, то в 1980-1990 роках – 9 патентів, а з 1990 по 2000 рік – 34 патенти. Одночасно спостерігається зменшення кількості патентів БТА і їх вузлів на основі розподільчого валу. Так патентування конструктивних рішень механізмів повороту і фіксації шпиндельного барабану зменшилось за аналізуючий період (1980-2000 рр.) в п'ять раз; кількість патентів стосовно механізмів затиску БТА, за аналогічний період, зменшилась в три рази.

Етап прогнозування розвитку верстата є невід'ємною складовою частиною пошукового проектування. Стратегія проектування БТА базується на використанні готових стратегій, але при цьому на деяких етапах вводяться прогнозні процедури. Початковим етапом проектування є аналіз креслення деталі та технічного завдання проектування (аналіз відомостей про матеріал деталі, її габаритні розміри, стан поверхні, яку необхідно обробити, точність обробки та шорсткість). Наступним етапом є вибір заготовок для заданої деталі (метод її отримання, форма, розміри, допуски, припуски на виготовлення). При цьому враховуються прогресивні тенденції розвитку технології машинобудування. На даному етапі доцільним є використання прогнозуючої моделі, яка дозволяє спрогнозувати допуски та припуски на виготовлення поки що не існуючої, очікуваної нової технології отримання заготовок. Всі наступні розрахунки проводяться виходячи з того, що така технологія вже існує, це дозволяє підвищити вимоги до заготовок, а отже, сприяє зменшенню припусків обробки на БТА.

В подальшому здійснюється пошук і вибір раціонального маршруту обробки, деталі представляються набором елементарних оброблюваних поверхонь; розробляються елементарні маршрути обробки поверхонь; проводиться розрахунок міжпереходних припусків, режимів різання, укрупнене нормування. При цьому є альтернативна процедура – використання типових технологічних процесів.

На основі вибраного раціонального маршруту обробки здійснюється вибір основних параметрів БТА. Використання диференціально-поліномної моделі дозволяє спрогнозувати очікувані параметри БТА (точність, швидкість різання, подача, потужність верстата, тощо). При такому підході можна спроектувати БТА з технічними показниками, вищими від існуючих на даний момент верстатів.

Згідно прогнозу на 2010-2020 роки максимальна швидкість різання на токарних напівавтоматах з ЧПК може досягти 1500…4500 м/хв (рис. 5). Це вказує на необхідність вдосконалення існуючих і розробки нових шпиндельних вузлів, їх опор та високошвидкісних затискних механізмів, патронів, цанг тощо. Прогноз розвиту компоновок БТА вказує на збільшення насиченості зони обробки технологічними модулями: шпиндельними блоками до 4, супортами і револьверними головками до 4. Інтенсифікація насиченості стосується і конструктивних варіантів в межах одного блоку (вузла), зокрема збільшення кількості інструменту до 40 (рис. 6), і функцій револьверної головки від 6 до 8. Розвиток систем керування (в найближчі 15-20 років) на основі розподільчого валу в основному припиниться. Основною системи керування буде система ЧПК. Кількість одночасно керованих координат стане достатньою для обробки деталі будь-якої складності.

Рис. 5. Прогноз росту швидкості двошпиндельних токарних автоматів

Рис. 6. Прогнозування росту кількості інструменту в револьверній головці

Вибір раціональних конструкцій блоків і вузлів верстата проводиться із умови необхідної достатності. Ця умова формується за рахунок відповідності елементарних оброблюваних поверхонь і блоків, які можуть забезпечити їх обробку. При цьому встановлюються прогнозовані вимоги до вузлів (наприклад, забезпечення прогнозованої точності биття шпинделя, вимоги багатофункціональності тощо). На основі вибраних раціональних конструкцій вузлів і блоків верстату формуються його компоновки. Наклавши критеріальні умови відбору проводимо вибір оптимальної компоновки верстату, для якої здійснюється оцінка функціональної якості (визначаються температурні та статичні деформації, будується динамічна модель).

В цьому розділі також запропоновані нові компоновки БТА, які розроблені на основі запропонованої стратегії проектування БТА. Пропонується БТА (рис.7), який може бути використаний для обробки деталей типу тіл обертання в умовах дрібносерійного і середньосерійного виробництва (Позитивне рішення на патент України по заявці №99031625).

Конструкція компоновки побудована виходячи із зпрогнозованої підвищеної доступності модулів. БТА містить шпиндельні бабки (1), які рівномірно розташовані по колу відносно осі повороту з затискними патронами (2) для заготовок, які розташовані на супортах із можливістю переміщення. Жорсткість компоновки досягається тим, що кожна шпиндельна бабка розташована на багатокоординатному супорті (3), а той в свою чергу на монолітній станині (4), на ній також встановлена інструментальна головка (5). Підвищена жорсткість компоновки дозволяє проводити обробку з високими режимами різання, а висока продуктивність БТА забезпечується можливістю одночасної обробки кількох деталей.

Рис.7 Компоновка зпрогнозованого БТА

Висновки

На основі системного підходу та інформаційних технологій в дисертації здійснено теоретичні дослідження результатом яких є створення математичної моделі прогнозування, точність якої підтверджена комп'ютерно-експериментальними дослідженнями розвитку БТА, які дозволяють вирішити завдання підвищення техніко–економічних показників БТА на початкових етапах їх розробки.

1. На підставі проведеного аналізу існуючих методів і моделей прогнозування, встановлено, що верифікація прогнозу за допомогою лінійних моделей дозволяє відобразити тенденції розвитку БТА тільки на досить короткому часовому інтервалі (не більше 3…5 років). При використанні нелінійних моделей точність прогнозу становить 15…30%. Точність підвищується при використанні моделей у вигляді логістичної кривої. Однак існуючі їх математичні представлення не адекватно відображають еволюційні процеси, що відбуваються в БТА.

2. Представлення багаторівневої системи БТА на різних ієрархічних рівнях в різноманітних зрізах (ретроспективний, конструктивний, компоновочний, технологічний, параметричний тощо) дозволяє провести системний аналіз і дати різносторонню оцінку їх розвитку, розкрити вплив кожної складової на загальний стан системи, встановити пріоритетні компоненти стосовно БТА і проводити цілеспрямований прогноз. Аналітичний опис представлених систем БТА матрицями суміжності, ідентичності та інцидентності дозволяє проводити оцінку структури БТА при виключенні обмежень в складності представлення системи.

3. Запропоновано формалізований опис положення компонент верстата в просторі, а саме шпиндельних блоків, що враховує порядок розташування блоків і їх можливих переміщень (лінійних і кутових) у вибраній системі координат. За основу прийнято плоску поверхню торця переднього кінця шпинделя і точку перетину цієї площини з віссю шпинделя. Вибір системи координат завжди є однозначним: торець шпинделя знаходиться в площині XOZ, вісь Z завжди направлена в шпиндель, а вісь X горизонтальна.

4. Розроблено теоретичну диференціально-поліномну модель опису еволюції і прогнозу БТА. За концептуальну модель прогнозування прийнято логістичну криву. Вона сформована на основі методу статистичної оцінки гіпотези про змішування нормально розподілених статистичних величин. Основна відмінність диференціально-поліномної моделі полягає у тому, що характеристика системи БТА виражається поліномом, степінь якого вибирається таким, для якого множина S- кривих є досить щільною (тобто містить криву достатньо близьку до будь-якої S- кривої). Розроблена модель, на відміну від диференціальної та алгебраїчної моделей, дозволяє більш точно відстежувати процес розвитку БТА, та ефективно прогнозувати їх компоненти. Проведені комп'ютерно-експериментальні дослідження моделі вказують на її адекватність опису процесу розвитку параметрів БТА., точність прогнозу може становити 95-60%, більшій точності відповідають менші часові інтервали.

5. Розроблено структуру бази даних конструктивних рішень та технічних показників БТА, яка відповідає представленню БТА, як системи, і включає такі основні групи: верстат, патент, деталь. Основою структури бази даних є множини інформаційних потреб конструктивно-параметричного характеру, що безпосередньо зв'язані з БТА. Реляційно-алгоритмічний підхід у проектуванні бази даних дозволяє реалізувати добротний інтерфейс споживач - комп'ютер, зручну інформаційно-пошукову мову системи.

6. Створено програмні продукти для накопичення і обробки статистичних даних, формування математичної моделі і аналізу отриманих результатів. Сформовано базу даних токарних автоматів, яка створена в інформаційному середовищі Access, структура побудови програми – модульна. В базі даних накопичено відомості про більше ніж 650 моделей БТА, понад 1300 патентів і авторських свідоцтва та два десятки деталей-представників. Для проведення прогнозних досліджень на основі диференціально-поліномної моделі створено програму "Прогноз", вона не потребує високих системних вимог до комп'ютера та спеціальних навичок в практичному користуванні.

7. Проведено прогноз розвитку БТА, а саме параметричних характеристик верстата, їх компоновок, блоків і вузлів, систем керування. Згідно прогнозу до 2020 року максимальна швидкість різання на БТА з ЧПК досягне 1500…4500 м/хв, збільшиться кількість технологічних модулів (шпиндельних блоків до 4-6, супортів і револьверних головок до 4), зросте кількість інструменту в револьверній головці до 40. Це вказує на необхідність вдосконалення існуючих і розробки нових шпиндельних вузлів, їх опор та високошвидкісних затискних механізмів, патронів, цанг тощо. Кількість одночасно керованих координат стане достатньою для обробки деталі будь-якої складності.

8. Запропоновано стратегію автоматизованого проектування БТА на початкових етапах, що базується на використанні відомих процедур з введенням на відповідних етапах прогнозних досліджень, які передбачають: вибір об'єкту прогнозування, методу прогнозування, отримання і аналіз прогнозних даних та вироблення практичних рекомендацій. Прогнозування дозволяє ефективно впливати на формування технічного завдання при розробці БТА нового покоління.

9. Розроблено методику прогнозування розвитку БТА, з використанням як існуючих різноманітних моделей прогнозу, так і розробленої диференціально-поліномної моделі. Представлена робота завершила формування принципу замкнутості циклу для проектування БТА, який передбачає на початковій стадії проведення прогнозування; використання принципу замкнутості циклу при створенні БТА стало повноцінним.

10. Розроблено нові компоновки БТА на рівні винаходів (поз. ріш. на патент України по заявках №99031625, №99105804 ), в основу яких покладено паралельний, послідовний та паралельно-послідовний принципи обробки, з багаторядними револьверними головками і можливостями нарощування шпиндельних блоків, задніх бабок. Практична реалізація БТА з точки зору компоновочного виконання є цілком реальною.

Результати роботи впроваджено в Державному конструкторсько-технологічному центрі верстатобудування (м. Київ), у відкритому акціонерному товаристві верстатобудівного і універсального машинобудування ВАТ “Верстатуніверсалмаш” (м.Житомир), навчальному процесі в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя, та Національному технічному університеті України “Київському політехнічному інституті”.

Основний зміст дисертації опубліковано в роботах:

1. Кузнецов Ю.Н., Скляров Р.А. Аспекты прогнозирования развития конструкций многошпиндельных токарных автоматов // Вестник Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт".- 1997.- Серия Машиностроение, №32.- С.17-22.

2. Скляров Р.А. База даних для прогнозування розвитку токарних автоматів. Вестник Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт". -1999. Серия Машиностроение, №34, С.299-303.

3. Кузнєцов Ю.М., Скляров Р.А. Використання випадково змішаних випадкових величин для аналізу розвитку технічної системи //Вестник Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт".- 1999. Серия Машиностроение, №37.- С.229-235.

4. Кузнецов Ю.Н., Скляров Р.А. Тенденции развития станков с ЧПУ/ В сб.: Ускорение разработки и внедрение ГПС в механообрабатывающем и сборочном производстве.- Кременчуг, 1996.- С.123-127.

5. Кузнєцов Ю.М., Скляров Р.А., Вагі Алла Сухел. Прогнозування компоновок багатошпиндельних токарних автоматів по критеріям надійності. В сб. тезисов докладов конференции "Надежность машин, механизмов, оборудования", Карпаты, п.Славское.- К.: 2000, С.62-63.

6. Кузнєцов Ю.М., Скляров Р.А. Прогнозування параметрів багатошпиндельних токарних автоматів. В сб. тезисов докладов конференции "Прогрессивные технологии в машиностроении" (Технология – 2000), Одесса.- К.: 2000, С.121-122.

7. Кузнєцов Ю.М., Скляров Р.А. Вплив технологічних факторів на вибір багатошпиндельних токарних автоматів з раціональною системою керування. В зб. тез доповідей конференції "Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино і приладобудуванні”, Тернопіль 2000, С.38.

Анотація

Скляров Р.А. Прогнозування розвитку компоновок багатошпиндельних токарних автоматів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 – процеси механічної обробки, верстати та інструменти, Тернопіль, 2001 рік.

Захищається робота, метою якої є підвищення техніко-економічних показників багатошпиндельних токарних автоматів (БТА) нового покоління на початкових етапах завдяки достовірності оцінки їх стану і прогнозування розвитку. В дисертації здійснено представлення БТА як системи, здійснено їх аналітичне та графічне представлення. В результаті статистичного експерименту розкрито тенденції в розвитку тематичного напрямку патентування. Розроблено диференціально-поліноміальну модель для прогнозування розвитку БТА і база даних, яка реалізована на ЕОМ. В дисертації також запропоновано стратегію проектування БТА з використанням прогнозної моделі.

Ключові слова: прогнозування, багатошпиндельний токарний автомат (БТА), система, диференціально-поліноміальна модель, компоновка.

The summary

Sklayrov R.A. Forecasting of development of arrangements of multiple spindles turning automatic machines.- Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of technical science on a speciality 05.03.01 - processes of mechanical processing, machine tools and tools, Ternopol, 2001.

The operation is defended, the purpose by which one is the heightening of overall economics of multispindle turning automatic machines (МSА) of a new generation on incipient states due to veracity of an estimation of their condition and prediction of a development. In a thesis the series transition from elementary representation of a system to the structurally functional scheme of the machine tool is carried out. As a result of statistical experiment the tendencies of development of a theme direction of patenting are uncovered. Is designed differential-polynomial model for forecasting of development MSA, which one realized on a computer. In a thesis policy of designing MSA with usage of forecasting model also is offered.

Key words: forecasting, multiple spindle turning automatic machines (MSA), system, differential-polynomial model, and arrangement.

Аннотация

Скляров Р.А. Прогнозирование развития компоновок многошпиндельных токарных автоматов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 - процессы механической обработки, станки и инструменты, Тернополь, 2001 год.

Защищается работа, целью которой является повышение технико-экономических показателей многошпиндельных токарных автоматов (МТА) нового поколения на начальных стадиях благодаря достоверности оценки их состояния и прогнозирования развития.

В диссертации МТА, как техническая система, представлен в виде структурно-функциональной модели, которая позволяет более детально, описать слагаемые компоненты, а следовательно, и компоновку МТА. Построенная граф-модель представлена в виде ориентированного графа, вершинами которого являются компоненты станка, а ребра указывают на связи, которые между ними существуют. Такое представление позволяет перейти к функциональной модели, в которой каждый блок исполняет определенную функцию. Аналитическое описание представленных систем МТА матрицами смежности, идентичности и инцидентности позволяет проводить оценку структуры БТА при исключении ограничений в сложности представления системы.

Предложено формализированное описание положения компонент станка в пространстве, а именно шпиндельных узлов, которое учитывает порядок расположения блоков и их возможных перемещений (линейных и угловых) в выбранной системе координат.

Разработана теоретическая дифференциально-полиномная модель описания эволюции и прогноза МТА. Она сформирована на основании метода статистической оценки гипотезы о смешивании нормально распределенных статистических величин. Основное отличие дифференциально-полиномной модели состоит в том, что характеристика системы МТА выражается полиномом, степень которого выбирается такой, для которого множество S- кривых будет довольно плотным (содержать кривую достаточно близкую к любой S- кривой). Разработанная модель, в отличие от дифференциальной и алгебраической моделей, разрешает точнее отслеживать процесс развития МТА, и эффективно прогнозировать их компоненты. Проведенные компьютерно-экспериментальные исследования модели указывают на ее адекватность описанию процесса развития параметров МТА, точность прогноза может составлять 95-60%, большей точности соответствуют меньшие временные интервалы.

В работе осуществлен выбор и произведена классификация источников информации, которые используется при прогнозных исследованиях, обоснованы необходимость создания баз данных и выбор средств их разработки. На основании разработанной структуры создана база данных МТА, которые выпускались различными странами, патентов на компоновочные решения и основные узлы, а также детали, которые обрабатываются на этих станках.

В результате статистического исследования раскрыты тенденции развития тематического направления патентования. За последние 15 лет изобретательская активность в областях механизмов зажима, поворота шпиндельного блока МТА, токарных автоматов с кулачковым управлением существенно снизилась, наблюдается четкая тенденция роста изобретательской активности в области патентования токарных автоматов с ЧПУ.

Произведен анализ динамики выпуска токарных автоматов с различными системами управления и по количеству шпинделей, на основании которого сделаны выводы о необходимости выпуска МТА с ЧПУ на модульном принципе (в том числе многоцелевых), выпуска МТА параллельного и параллельно-последовательного действия на базе двухшпиндельных модулей.

Разработана методика прогнозирования развития БТА, с использованием как существующих разнообразных моделей прогноза, так и разработанной дифференциально-полиномной модели. Представленная работа завершила формирование принципа замкнутости цикла для проектирования МТА, который предусматривает на начальной стадии обязательное проведение прогнозирования.

В диссертации предложена стратегия проектирования МТА на начальных этапах, которая базируется на использовании известных процедур с введением на соответствующих этапах прогнозных исследований, которые предусматривают: выбор объекта прогнозирования, метода прогнозирования, получение и анализ прогнозных данных и выработка рекомендаций по дальнейшему использованию результатов прогноза.

Это позволило выполнить прогноз параметров станка (максимально допустимая скорость резания), количества технологических модулей (шпинделей, супортов, револьверных головок), рост количества инструментов в револьверной головке и др. На основании такого подхода возможно спроектировать токарный автомат, с высшими технико-экономическими показателями по сравнению с существующими.

Ключевые слова: прогнозирование, многошпиндельный токарный автомат (МТА), система, дифференциально-полиномиальная модель, компоновка.