ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

МІШУРА ЄВГЕНІЯ ВОЛОДИМИРІВНА

УДК 621.91.002

ТЕХНОЛОГІЧНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ДЕТАЛЕЙ ТИПУ ВАЛІВ НА БАЗІ МЕТОДІВ НЕЙРОМЕРЕЖЕВОГО МОДЕЛЮВАННЯ

05.02.08 – технологія машинобудування

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ТЕРНОПІЛЬ – 2007

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано на кафедрі "Технологія і управління виробництвом" Донбаської державної машинобудівної академії Міністерства освіти і науки України (м. Краматорськ).

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Ковалевський Сергій Вадимович,

Донбаська державна машинобудівна академія,

завідувач кафедри "Технологія і управління виробництвом".

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Гавриш Анатолій Павлович,

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

професор кафедри "Технологія машинобудування";

доктор технічних наук, професор

Сізий Юрій Анатолійович,

Національний технічний університет

"Харківський політехнічний інститут",

професор кафедри "Технологія машинобудування, металорізальні верстати".

Захист відбудеться 27 грудня 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 58.052.03 Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

Автореферат розісланий 26 листопада 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Данильченко Л.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Найважливішою проблемою сучасного машинобудівного виробництва є забезпечення конкурентоспроможності продукції. Одним із шляхів її рішення є вдосконалення типових технологічних процесів, що дозволяє підвищити їх ефективність.

На сьогодні відомі та розроблені різні методи проектування технологічних процесів. Роботи Бейгельзимера Е.Є., Гавриша А.П., Грабченка А.І., Григоряна Г.Г., Желєзнова Ю.Д., Капустіна Н.М., Кисіля В.В., Коновалова Ю.В., Корсакова В.С., Луговського В.М., Мазура В.П., Михайлова О.М., Одріна В.М., Остапенко А.Л., Петракова Ю.В., Полухіна П.І., Полухіна В.П., Хлопоніна В.М., Скороходова А.М., Челюсткіна А.Б. та ін. авторів показують, що для сформованої системи виробничих відносин їх переваги безперечні. Але їх використання в умовах підвищених вимог до конкурентоспроможності продукції не завжди забезпечує необхідну ефективність технологічного процесу. Тому, на даному етапі розвитку виробництва, коли вимоги до якості та конкурентоспроможності виробів швидко змінюються, необхідні нові підходи до методів проектування технологічних процесів.

Парадигма технології машинобудування змінилася. При цьому зміст технологічного процесу визначається не лише рівнем науково-технічного прогресу, але й вимогами виробника та споживача. У загальному виді задача є комплексною, коли зміст технологічних операцій й процесу в цілому формується виходячи з низки вимог (критеріїв) різної природи.

У зв'язку з цим, пропонуються заходи для вдосконалювання структури типового технологічного процесу на основі використання комплексного критерію, який дозволяє структурувати кожну операцію та є адитивною згорткою окремих критеріїв. Комплексний критерій дозволяє поєднати в собі як технічні, так і економічні, соціальні й інші фактори, часто слабо формалізовані. Основою такого підходу є розроблення комплексних моделей технологічних операцій механічного оброблення і їх використання у виборі найоптимальнішого варіанта типового технологічного процесу.

На основі традиційних методів моделювання, що включають регресійні, статистичний, логічні й ін. види аналізу, поставлена задача була вирішена за допомогою моделей – образів, в основі яких лежить використання мереж з однорідною структурою нейроподібних обчислювальних елементів.

Таке рішення є актуальним і має як наукове, так і, безсумнівно, практичне значення для виробництва.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційну роботу виконано в межах держбюджетної науково-дослідної роботи Міністерства освіти і науки України відповідно до тематичного плану науково-дослідної роботи кафедри "Технологія і управління виробництвом" Донбаської державної машинобудівної академії: Дк-05-2001 № держ. реєстр. 002U005705 "Розробка інформаційного забезпечення для автоматизованого проектування механоскладального виробництва" Робота відповідає пріоритетному напряму розвитку науки та техніки "Нові технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці і промисловості" (Закон України від 11.07.2001р. №2623-III) та постанові Кабінету міністрів України №1716 від 24.12.2001р. "Про затвердження державних та науково-технічних програм пріоритетних напрямів розвитку науки та техніки на 2002-2006 роки". Була в якості виконавця.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – розроблення науково-практичних рекомендацій для підвищення ефективності типових технологічних процесів механічного оброблення деталей типу валів важкого машинобудування шляхом структурування їх технологічних операцій в умовах одиничного та дрібносерійного машинобудівного виробництва.

Для досягнення мети в роботі поставлені та розв’язуються такі задачі:

- проаналізувати відомі типові технологічні процеси механічного оброблення деталей типу валів важкого машинобудування і на цій основі розробити теоретичні передумови проектування ресурсоощадних технологічних процесів механічного оброблення з урахуванням можливості структуризації їх технологічних операцій за комплексним критерієм в умовах одиничного та дрібносерійного машинобудівного виробництва;

- сформулювати вимоги до вибору комплексного критерію структуризації технологічних операцій механічного оброблення;

- обґрунтувати перспективність застосування апарату дослідження на базі нейромережевого моделювання;

- розробити методику підготовки вихідних даних для моделювання на базі як добре формалізованих так і слабо формалізованих факторів технологічної операції механічного оброблення деталей типу валів;

- розробити математичну модель технологічної операції механічного оброблення великогабаритних валків для прокатних станів на основі вдосконалення інформаційних потоків і формування суті базових критеріїв;

- вивести аналітичні залежності для визначення впливу технологічних та організаційних характеристик технологічної операції механічного оброблення великогабаритних валків на її ефективність;

- провести комплекс експериментальних досліджень і виробити практичні рекомендації щодо використання запропонованого методу структуризації технологічних процесів механічного оброблення валків для прокатних станів;

- розробити методику промислового впровадження результатів дослідження
у виробництво.

Об'єкт дослідження – типові технологічні процеси виготовлення деталей – великогабаритних валків холодного прокатування в багатономенклатурному машинобудівному виробництві.

Предмет дослідження – методи моделювання й оптимізації токарних операцій виробів важкого машинобудування.

Методи дослідження – теоретичні дослідження базувались на фундаментальних засадах технології машинобудування, теорії різання, організації виробництва, теоретичних основах створення і використання автоматизованих систем технологічної підготовки виробництва, САПР технологічних операцій і процесів, з використанням методів системного аналізу, положень теоретичної механіки, теорії надійності, параметричної і структурної оптимізації, нелінійного програмування. Експериментальні дослідження виконувались за спеціально розробленою методикою на основі методів математичного планування експерименту, теорії подібності та моделювання, а також з використанням розроблених методів визначення технологічних і конструктивних параметрів в реальних виробничих умовах у процесі виготовлення прокатних валків на ЗАТ "Новокраматорський машинобудівний завод" (НКМЗ).

Програмний апарат дослідження – програми-емулятори мереж з однорідною структурою.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше:

- запропоновано підхід до формалізованого опису технологічних операцій як сукупності технологічних та організаційних характеристик з урахуванням інформаційних баз, удосконалювання комплексних моделей і системних факторів їх сутності;

- запропоновано комплексний критерій проектування, що є адитивною згорткою окремих критеріїв, які включають добре формалізовані та слабо формалізовані фактори, що впливають на ефективність технологічної операції та технологічного процесу в цілому;

- розроблено математичну модель взаємозв'язку між окремими критеріями комплексної структуризації і режимних параметрів технологічної операції токарного оброблення великогабаритних валків станів холодного прокатування;

- за допомогою методів нейромережевого моделювання розроблено технологічні основи комплексної структуризації токарних операцій механічного оброблення деталей типу валів та алгоритм програмного забезпечення, який використовується у проектуванні оптимальних конструкторсько-технологічних параметрів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що на основі проведених досліджень розроблено:

- метод раціоналізації структури токарної операції оброблення великогабаритних валків станів холодного прокатування за комплексним критерієм, який враховує сукупність технологічних та організаційних характеристик на основі використання нейроподібних мереж, реалізованих на низці практичних методик;

- рекомендації з комплексної структуризації технологічних операцій механічного оброблення, що можуть застосовуватися в умовах розширення діапазону використовуваних матеріалів оброблюваних деталей, різальних інструментів та організаційних складових технологічних операцій;

- алгоритм і інженерну методику виготовлення деталей типу валів важкого машинобудування на основі структуризації їх технологічних операцій, яку впроваджено в структуру технологічної підготовки виробництва у відділі головного технолога ЗАТ "Новокраматорський машинобудівний завод" і в навчальний процес підготовки фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня бакалавр та магістр з напрямків 6.090202 та 8.090202 – технологія машинобудування під час викладання дисциплін "Технологічні основи машинобудування", "Робочі процеси високих технологій", "Теорія моделювання на основі мереж з однорідною структурою" на кафедрі технології і управління виробництвом Донбаської державної машинобудівної академії.

Особистий внесок здобувача полягає в тому, що автором безпосередньо розроблено теоретичні 2, 3, 4, 6, 9, 10, 11 та технологічні 1, 5, 7, 8, 12, 13, 15, 19, 20 передумови комплексної структуризації типових технологічних процесів та операцій механічного оброблення деталей – великогабаритних валків холодного прокатування і проведено комплекс експериментальних досліджень 14, 16, 17, 18.

Основні теоретичні та експериментальні дослідження за темою дисертаційної роботи виконані автором самостійно. Постановка задач, аналіз і трактування результатів виконано спільно з науковим керівником та, частково, зі співавторами публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи доповідались й обговорювались на: науково-практичних конференціях Донбаської державної машинобудівної академії у 2001-2007 рр., Всеросійських конференціях НКП з міжнародною участю (м. Москва, 2000-2002 рр.), наукових конференціях студентів, аспірантів і молодих вчених ДонДАБА (м. Макіївка, 2001-2002 рр.), конференціях Сумського державного університету: "Машинобудування України очима молодих" (м. Суми 2001-2002 рр.)., Міжнародних науково-технічних конференціях "Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку" (м. Краматорськ, 2004-2007 рр.), а також на провідних машинобудівних підприємствах Донецької області. Робота доповідалась й отримала позитивний відгук на розширеному засіданні науково-технічного семінару Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя у 2007 р.

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 20 наукових працях, із них: 7 статей у збірниках наукових праць у фахових виданнях, 6 статей у збірниках праць міжнародних конференцій, 3 у збірниках матеріалів конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Робота містить: вступ, 4 розділи, загальні висновки, список використаних джерел, додатки. Загальний обсяг – 144 сторінки, у тому числі 41 рисунок, 12 таблиць, список використаних джерел з 140 найменувань та 5 додатків на 58 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність теми, визначено мету та задачі досліджень, викладено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі висвітлено сучасний стан досліджуваної проблеми, показано її актуальність та наведено результати огляду літературних джерел. Проаналізовано методи структуризації технологічних операцій і процесів механічного оброблення. Встановлено, що, незважаючи на те, що проблемам оптимізації та структуризації технологічних процесів та операцій механічного оброблення машинобудівного виробництва присвячено досить багато робіт і наукових досліджень, не можна назвати цю тему цілком вичерпаною. З розвитком інформаційних технологій, з одного боку, і з ресурсною кризою, що наступила, з іншого, вирішенню питань оптимального розподілу ресурсів на виробництві й ефективному створенню типових технологічних процесів, які враховують швидкість змін процесу виробництва продукції, приділяється недостатньо уваги. На основі виконаного аналізу поставлено задачі подальших досліджень в області вдосконалення технологічної підготовки машинобудівного виробництва на основі комплексних підходів до підвищення ефективності технологічних процесів механічного оброблення з врахуванням як добре, так і слабо формалізованих факторів.

Такий методологічний підхід надає реальну можливість параметризації механічного оброблення шляхом визначення технологічних режимів, обґрунтованих в однаковій мірі, як з технічної, так і з виробничої позицій, забезпечуючи досягнення необхідного співвідношення якості оброблення, продуктивності та витрат.

Для рішення поставлених задач обґрунтовано застосування принципів системного підходу, у першу чергу, цілісності, оскільки технологічна операція є складною комплексною системою взаємодіючих елементів.

Другий розділ присвячений розробленню методу комплексної структуризації технологічних операцій механічного оброблення, що спрямоване на підвищення ефективності технологічних операцій в умовах системного впливу добре і слабо формалізованих факторів. Сформульовано основні етапи методу: вибір і обґрунтування об'єкту дослідження; вибір і обґрунтування критеріїв якості досліджуваної технологічної системи; вибір функціональної структури технологічної системи; обґрунтування доцільності вибору запропонованого методу структуризації; обґрунтування програмного апарату дослідження; визначення сутнісних параметрів обраного технічного рішення (рис. 1).

Обґрунтовано об'єкт дослідження – типові технологічні процеси виготовлення деталей – великогабаритних валків холодного прокатування в широко номенклатурному машинобудівному виробництві. Запропоновано й обґрунтовано вид комплексного критерію, що дозволяє враховувати такі організаційні фактори, як, наприклад, рівень організації робочого місця, розряд верстатника, задоволеність процесом праці, рівень корпоративної культури підприємства, напруженість і безпека праці верстатника тощо.

Запропонований комплексний критерій структуризації F є адитивною згорткою нормалізованих значень окремих критеріїв Ki наділених ваговими коефіцієнтами fi.

, (1)

де n – кількість окремих критеріїв, що враховуються.

В адитивній схемі використано зважену суму рейтингів, у якій коефіцієнт, що зважує, визначає вагу доданка в сумі. При цьому

, (2)

Для i-ого переходу технологічної операції величина комплексного критерію F сукупності показників технологічної операції визначається залежністю:

, (3)

де – нормалізовані значення критеріїв на i-ому переході операції; f1;fn – позитивні числа, що характеризують відносну важливість критеріїв, сума яких визначається як:

f1,+f2,+….+ fn=1, (4)

Рис. 1. Метод структуризації технологічних операцій
механічного оброблення деталей

Нормалізація критеріїв, тобто приведення їх до безрозмірного вигляду, здійснено за формулою:

, (5)

де Kmin і Kmax – відповідно мінімальне та максимальне значення критерію K на множині рішень;

Ki і Ki* – відповідно поточне та нормалізоване значення критерію K на i -ом переході операції.

Цільова функція F, представлена комплексним критерієм задачі структуризації, дорівнює:

, (6)

де Х – сукупність ознак, що описують систему яка оптимізується; Ki* – нормалізоване значення окремого критерію K; fn – коефіцієнти значимості окремих критеріїв оптимальності.

Обмеженнями є:

- мінімальні та максимальні значення ознак, заданих навчальною вибіркою й описуючих технологічну операцію;

- умови неможливості послідовного виконання варіантів переходів у технологічній операції, якщо вони не пов'язані один з одним.

Основними вимогами до вибору окремих критеріїв є їх повнота, мінімальність, операційність, вимірність і економічність. Цим вимогам відповідають такі критерії: якість та точність оброблення, стійкість різального інструменту, працемісткість виготовлення деталі, продуктивність оброблення, витрати на операцію, напруженість праці верстатника, рівень організації робочого місця, рівень мотивації праці верстатника.

Сформульовано основний принцип моделювання технологічної операції механічного оброблення – принцип структурної мінімізації. Визначено фактори, що впливають на її синтез: технічні, що характеризують роботу технологічної системи та фактори, що характеризують вплив зовнішнього (стосовно системи "верстат – пристосування – інструмент – деталь") середовища.

Обґрунтовано вибір методу нейромережевого програмування, що дозволяє розв’язувати задачі, здійснювати комплексну структуризацію з набором вихідних даних і з обліком слабо формалізованих параметрів виробництва продукції на основі використання штучної нейронної мережі Хопфілда, відмінною рисою якої
є наявність зворотних зв'язків, що забезпечують якість її настроювання і функціонування.

Запропоновано методику структуризації операцій механічного оброблення на основі використання нейромережевих технологій (рис. 2-3), що складається
з таких етапів:

1. Виявлення (на основі експертного аналізу) кращої групи критеріїв структуризації технологічної операції.

2. Попереднє оброблення добре і слабо формалізованих факторів на мережах з однорідною структурою. Відсів факторів і використання в подальшій роботі лише тих, коефіцієнт значимості Kзнач яких дорівнює або перевищує 0,5.

3. Проведення комплексної структуризації технологічної операції на основі експертних значень вагомості кожного з критеріїв.

4. Формування нового варіанта технологічного процесу механічного оброблення з урахуванням знайденого оптимального сполучення технологічних режимів оброблення і вимог до слабо формалізованих факторів.

Запропонована методика дозволяє:

- враховувати вплив на комплексний критерій добре і слабо формалізованих факторів технологічних операцій деталей групи і корегувати можливі викривлення вихідних даних;

- інтегрувати в моделі накопичений виробничо-технологічний досвід, з огляду на специфічні виробничі умови, характеристики устаткування тощо;

- вирішувати актуальну для машинобудівних заводів проблему збільшення продуктивності праці або зниження вартості операцій із заданим рівнем якості, встановлюючи раціональне для цих умов сполучення технологічних режимів і умов виконуваної операції;

- скорочувати терміни та підвищувати ефективність прийнятих технологічних рішень, раціональніше здійснювати організацію виробництва.

Універсальність запропонованого підходу дозволяє адаптувати його для інших етапів технологічного процесу виробництва продукції.

Третій розділ присвячений розробленню методик підготовки вихідних даних для моделювання як добре формалізованих, так і слабо формалізованих факторів.

Розроблено методику підготовки даних, що характеризують добре формалізовані фактори. Обрано та обґрунтовано вихідні дані, застосовувані для моделювання технологічної операції механічного оброблення. За об'єкт дослідження обрано типові технологічні процеси механічного оброблення валків холодного прокатування, які розроблені й застосовуються на ЗАТ НКМЗ.

Розроблено методику підготовки даних, що характеризують слабо формалізовані фактори. За допомогою методу експертних оцінок проранжовано слабо формалізовані фактори моделі технологічної операції й обрані значиміші. До них відносяться: рівень організації робочого місця (РМ), рівень мотивації праці верстатника (МТ), напруженість праці верстатника (НТ), рівень корпоративної культури підприємства (КК).

Показано, що представницьке сімейство критеріїв і їх вагомість повинні вибиратися за допомогою критеріїв нульового рівня, а саме повноти, мінімальності, операційності, інформативності.

Рис. 2. Схема структуризації технологічної операції механічного оброблення

Рис. 3. Структурна схема нейромережевої системи структуризації
технологічної операції механічного оброблення

На основі визначених рангів показників і відповідно до вербально-числової шкали Харрингтона знайдено вагомості показників і узагальнений рейтинг за кожним із факторів. Установлено, що найвагомішим є рівень мотивації праці верстатника і напруженість праці верстатника, що приймають значення в межах НТ (4-7), МТ (2-6).

У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень процесів оброблення деталей типу валів важкого машинобудування на базі методів нейромережевого моделювання.

Виконано апробацію запропонованого методу структуризації важкої токарної операції механічного оброблення валків холодного прокатування на виробництві. Побудовано комплекс математичних моделей, представлених системою обмежень на технологічну операцію. Визначено вхідні та вихідні параметри, наведено функціональні перетворювачі та форми постоброблення нормалізованих значень досліджуваних критеріїв: Сн, Qн, ITн., Raн, tшт-к н, РМн, МТн, KKн, НТн, to, Тн, у такому вигляді (рис. 4):

Рис. 4. Математична модель залежності продуктивності важкої токарної операції оброблення валків холодного прокатування від слабо і добре формалізованих факторів, де A – вихід суматора нейрона; aij, bij , cij – функціональні перетворювачі вхідних сигналів мережі i-м нейроном j – фактору; Sij, Kij, Rij, Qk – коефіцієнти нормування кількісних вихідних сигналів мережі i-м нейроном j – фактору для k – виду критерію

Для оброблення бочки валка холодного прокатування після термооброблення струмами промислової частоти рекомендовано чотири окремі критерії: питома вартість технологічної операції C, грн/хв, продуктивність технологічної операції Q, шт/хв, напруженість праці верстатника НТ і рівень мотивації праці верстатника МТ. Точність і якість обробленої поверхні, які характеризуються показниками квалітету точності IT і шорсткістю Ra, мкм є основними обмеженнями.

Комплексним критерієм є наступне вираження:

, (7)

На основі оцінки добре формалізованих факторів технологічної операції зроблено висновки про доцільність застосування на токарній операції різців, оснащених змінними неперезагострювальними пластинами із твердого сплаву марки Т14К8 і визначено режими оброблення які за заданих умов склали: швидкість різання V = 53 м/хв, подача S = 0,45 мм/об. Отримані результати відповідають режимам, що обрані за критеріями (Суд, Qуд, НТ, МТ).

Урахування слабо формалізованих факторів (рівня напруженості праці верстатника НТ і рівня мотивації праці верстатника МТ) показав, що вищезгадані режими оброблення корегуються залежно від значень цих рівнів до 15-18%. На рис. наведено графічні ілюстрації такого взаємозв'язку, що підтверджує необхідність і можливість кількісної оцінки впливу слабо формалізованих факторів.

Рис. 5. Графіки залежностей продуктивності операції від швидкості
різання і показника рівня напруженості праці верстатника
(1 – слабкий рівень НТ = 4; 2 – середній рівень НТ =5,5; 3 – сильний рівень НТ =7)

Рис. 6. Графіки залежностей продуктивності операції від подачі
і показника рівня напруженості праці верстатника
(1 – слабкий рівень НТ = 4; 2 – середній рівень НТ = 5,5; 3 – сильний рівень НТ = 7)

Рис. 7. Графіки залежностей питомої вартості операції від швидкості
різання і показника рівня напруженості праці верстатника
(1 – слабкий рівень НТ = 4; 2 – середній рівень НТ = 5,5; 3 – сильний рівень НТ = 7)

Рис. 8. Графіки залежностей питомої вартості операції від подачі
і показника рівня напруженості праці верстатника
(1 – слабкий рівень НТ = 4; 2 – середній рівень НТ = 5,5; 3 – сильний рівень НТ = 7)

Встановлено, що при f1 = ,4; f2 = ,4; f3 = ,1; f4 = ,1 значення V і S відповідають критерію продуктивності виробництва. При f1 = ; f2 = ; f3 = ; f4 = значення V і S відповідають критерію питомої вартості операції. Зміна НТ із величини 5 до 6 вимагає коректування V і S. Зміни величин МТ від 4 до 5,5 і вище також змінюють V і S.

Вибір технологічних режимів за критерієм питомої вартості оброблення позитивно вплине на зниження вартості оброблення, але призведе до підвищення величини шорсткості поверхні в середньому на 10-12%.

Вибір технологічних режимів за критерієм питомої продуктивності оброблення (продуктивності технологічної операції) відповідає окремому випадку структуризації за комплексним критерієм з коефіцієнтами f1 = ,2; f2 = ,4; f3 = ,2; f4 = ,2.

Значення отриманих режимів збігаються зі значеннями, що отримані під час комплексної структуризації добре формалізованих факторів технологічної операції за окремими критеріями питомої вартості операції і продуктивності оброблення (рис. ).

Розроблено загальні рекомендації щодо використання методу комплексної структуризації для вирішення широкого кола технологічних задач, використання яких у виробничих умовах дозволить призначати технологічні режими з урахуванням виявлених взаємозв'язків.

Рис. 9. Результати комплексної структуризації добре і слабо формалізованих
факторів токарної операції оброблення валків холодного прокатування

Для успішного практичного застосування запропонованих методологічних принципів і підходів необхідно дотримуватись таких правил:

1. Сформувати представницьку вибірку даних про прецеденти технологічних процесів, установивши перелік добре формалізованих і слабо формалізованих факторів. У число добре формалізованих факторів рекомендується прийняти режимну частину за наявності взаємозамінного устаткування – перелік устаткування, інструменту, заготовок. До числа слабо формалізованих факторів переважно віднести рівень напруженості праці верстатника та рівень мотивації праці. Оцінки добре формалізованих факторів вибирати з технологічної документації, обґрунтованих і відпрацьованих на виробництві технологічних процесів. Рівні напруженості та мотивації праці визначати на основі експертних оцінок з усередненням даних експертів з метою виключення суб'єктивності думок і обмеженість методик.

2. Вибрати перелік окремих критеріїв системи C, Q, IT, Ra і (або інші), беручи до уваги, що вибирається максимальна кількість окремих критеріїв, яку необхідно врахувати.

3. Із загальної сукупності даних і сформувати дві множини: навчальне і тестове, на основі яких визначити параметри моделей C, Q, IT, Ra , провести оцінку достовірності адекватності моделі на основі оцінки результатів тестової вибірки. Основна вимога – помилка тестової вибірки не повинна перевищувати помилки навчальної вибірки.

4. Сформувати масив можливих значень факторів, які структуруються.

5. Сформувати масив значень окремих критеріїв і провести нормування значень у діапазоні від 0 до 1, де 0 – мінімальне, а 1 – максимальне значення критерію.

6. Визначити значення комплексного критерію для масиву даних, зазначених в п.5, завдаючи експертами значення f у межах обмеження .

7. За максимумом критерію F визначити значення факторів, що відповідають цьому максимумові.

Для ефективного використання запропонованого підходу на підприємстві варто сформувати нормативні характеристики організації праці верстатника для різних рівнів НТ і різних умов роботи, включаючи в тому числі роботу на малих, середніх, важких верстатах, а також сформувати нормативні характеристики, які визначають рівень МТ (коефіцієнт преміювання за якість, преміювання за виконання роботи в термін, економію різних видів ресурсів і т.д.).

Оцінка економічної доцільності створення універсального комплексу моделей довела їх переваги порівняно з існуючими. Впровадження запропонованого комплексу моделей дозволить підвищити ефективність проектованих технологічних процесів оброблення деталей, що враховують вимоги сучасного виробництва і слабо формалізовані фактори та забезпечити окупність розроблень протягом 0,4-0,6 року.

ВИСНОВКИ

1. У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове рішення науково-технічної задачі, що полягає в розробленні високопродуктивних ресурсоощадних типових технологічних процесів виготовлення деталей типу валів важкого машинобудування на базі структуризації їх технологічних операцій за комплексним критерієм в умовах одиничного та дрібносерійного машинобудівного виробництва. Задача вирішена за рахунок виведення залежності для визначення впливу технологічних та організаційних характеристик технологічної операції механічного оброблення великогабаритних валків на її ефективність, які дозволяють визначити найраціональніші режими різання для кожної технологічної операції. Вирішення цієї задачі дозволить підвищити продуктивність, якість і точність виготовлення валків, а також знизити собівартість одиниці продукції.

2. Вперше розроблено метод проектування технологічних операцій, який засновано на принципі цілісності систем і враховує вплив на вибір раціональних режимів різання сукупності добре формалізованих (технологічні характеристики) і слабо формалізованих (організаційні характеристики) факторів. Розроблений метод може бути використано на різних машинобудівних підприємствах, тому що універсальність запропонованого підходу залишає можливість адаптації методу для структуризації інших параметрів процесу механічного оброблення, а також інших етапів технологічного процесу виробництва продукції.

3. Дослідженнями встановлено, що як комплексний критерій оптимальності доцільно застосувати адитивну згортку нормованих значень окремих критеріїв, таких як питома вартість технологічної операції C, грн/хв, продуктивність операції Q, шт/хв, квалітет точності IT, шорсткість обробленої поверхні Ra, мкм; рівень мотивації праці MT; рівень напруженості праці верстатника НT, використання яких дозволяє:

- обґрунтувати зміну технологічних режимів оброблення зі зміною умов їх виконання (НТ, МТ і ін.);

- забезпечити вдосконалення технологічних операцій і технологічних процесів в цілому шляхом цілеспрямованої зміни слабо формалізованих факторів і раціонально використовувати наявні для цього ресурси підприємства.

4. Обґрунтовано перспективність застосування апарату дослідження на базі нейромережевого моделювання для підвищення ефективності технологічних процесів механічного оброблення. Цьому сприяють розроблені:

- структура моделі технологічної операції для обліку умов технологічного експерименту;

- принципи параметризації моделі технологічної операції на основі її навчання, що дозволили створювати адекватні моделі за наявності обмеженої кількості виробничих даних.

Вперше розроблено теоретичні передумови вибору та підготовки вихідних даних для моделювання на базі як добре так і слабо формалізованих факторів технологічних операцій механічного оброблення валків.

5. Вперше розроблено комплекс математичних моделей технологічної операції механічного оброблення великогабаритних валків для прокатних станів на основі вдосконалення інформаційних потоків і формування суті базових критеріїв, що дозволяють здійснювати комплексну нейромережну структуризацію важких токарних операцій оброблення валків холодного прокатування. Кожну модель представлено системою обмежень на технологічну операцію, визначено вхідні та вихідні параметри, наведено функціональні перетворювачі й форми постоброблення нормалізованих значень досліджуваних критеріїв. Тестування навчених нейромережних моделей показало, що максимальна відносна похибка рішення прикладів тестової вибірки склала не більш 5-7%.

6. Показано вплив обмежень на підвищення ефективності токарних операцій на важких токарних верстатах. Встановлено, що в межах забезпечення якості оброблення за ознаками фізичних процесів різання діапазон зміни швидкості та подачі може корегуватись на 15-18%.

Отримано порівняльні залежності впливу добре і слабо формалізованих факторів на ефективність технологічної операції, що оцінюється низкою окремих критеріїв, які дозволяють зробити висновок про те, що за такими рівнями значимості як продуктивність Q10-3 шт/хв = 0,5; питома вартість С грн/хв = 0,2; точність оброблення IT = ,2 і якість оброблення Ra, мкм = 0,3 доцільно використовувати такі режими: швидкість різання V =  м/хв, подача S = ,42 мм/об, рівень напруженості праці верстатника НТ = ,5 і рівень мотивації праці МТ = .

7. Проведено комплекс експериментальних досліджень, який підтвердив, що впровадження результатів досліджень у виробництво дає можливість підвищити продуктивність технологічної операції на 15-18%, знизити питому вартість технологічної операції механічного оброблення виготовлення валка холодного прокатування номенклатури ЗАТ НКМЗ на 10-12 %. Також зроблені висновки про доцільність застосування на остаточній токарній операції різців, оснащених змінними неперезагострювальними пластинами, із твердого сплаву марки Т14К8 і обґрунтовано технологічні режими V і S, а також значення рівнів, що рекомендуються, а саме напруженості та мотивації праці. Проведені експериментальні дослідження відповідно до розробленої програми досліджень підтвердили адекватність теоретичних розрахунків дійсним значенням технологічних параметрів. Похибка розрахунків склала 8-10%.

8. На основі комплексу проведених теоретичних і експериментальних досліджень розроблено інженерні рекомендації щодо використання методу комплексної структуризації для рішення широкого кола технологічних задач, використання яких дозволить обґрунтовано призначати технологічні режими для кожних виробничих умов.

Проведено оцінку економічної доцільності створення універсального комплексу моделей, яка показала їх переваги порівняно з існуючими. Впровадження запропонованого комплексу моделей дозволить підвищити ефективність проектованих технологічних процесів оброблення деталей, що враховують вимоги сучасного виробництва з урахуванням слабо формалізованих факторів виробництва і забезпечити окупність розроблень протягом 0,5 року.

Результати досліджень впроваджено на ЗАТ НКМЗ з річним економічним ефектом 42159 грн і до навчального процесу.

СПИСОК ОСНОВНИХ ПРАЦЬ,
ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Зуева Е. В. (Мишура Е. В.), Еськов А. Л., Хает Г. Л., Многокритериальная оптимизация процесса механообработки с учетом стабильности и трудового потенциала станочников // Надійність різального інструменту та оптимізація технологічних систем: Зб. наукових праць. В 2-х т. – Краматорськ: ДДМА, 1997. – Т. 2. – С. 147–156.

2. Мишура Е. В., Ковалевский С. В. К проблеме создания ассоциативного компьютерного технологического справочника // Проблемы технологии, управления и экономики. – Краматорск, 1999. – Ч. 2. – С.8–10.

3. Мишура Е. В., Ковалевский С. В. Моделирование на основе нейроподобных сетей в условиях ограниченности ресурсов // Труды VII Всероссийской конференции "Нейрокомпьютеры и их применение" НКП-2001 с международным участием. – Москва: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, 2001. – С. 385–389.

4. Мишура Е. В. К проблеме ресурсосбережения в машиностроительном производстве // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури: Збірник наукових праць. Випуск 2001-3(28). Матеріали 27 наукової конференції студентів. – Макіївка: ДонДаба, 2001. – Т. 1. – С. 125–128.

5. Мишура Е. В. Проблема обоснования и выбора целевой функции при синтезе технологических операций // Вісник Сумського державного університету. Науковий журнал. Серія технічні науки (машинобудування). – Суми, СумДУ, 2002. – №2 (35). – С. 83–88.

6. Мишура Е. В., Мишура В. Б., Ковалевский С. В. Нейросетевые технологии в корпорациях машиностроительной отрясли // Труды VIII Всероссийской конференции "Нейрокомпьютеры и их применение" НКП-2002 с международным участием. – Москва: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН, 2002. – С. 621–625.

7. Мишура Е. В. Ресурсная модель технологического процесса как новая парадигма в ресурсосберегающих технологиях // Вісник Донбаської державної академії будівництва і архітектури. Збірник наукових праць. Випуск 2002-3(34). Матеріали 28 наукової конференції студентів. – Макіївка: ДонДаба, 2002. – Т. 1. – С. 54–58

8. Мишура Е. В. Моделирование технологических процессов при ресурсных ограничениях как совершенствование технологической подготовки машиностроительного производства // Вісник Сумського державного університету: Науковий журнал. Серія технічні науки (машинобудування). – Суми: СумДУ, 2003. – № (48). – С. –117.

9. Мишура Е. В., Ткаченко Н. А. Использование нейросетевых технологий для разработки новых методов синтеза технологических процессов в условиях ограниченности ресурсов // Збірник наукових праць по матеріалам міжнародної наукової конференції: "Нейросітьові технології і їх застосування" 2002-2003. – Краматорськ: ДДМА, 2003. – С. –143.

10. Мишура Е. В., Лунькова И. С. Применение систем искусственного интеллекта в корпорациях машиностроительной отрасли // Збірник наукових праць по матеріалам міжнародної наукової конференції: "Нейросітьові технології і їх застосування" 2002-2003. – Краматорськ: ДДМА, 2003. – С. –151.

11. Мишура Е. В., Мишура В. Б. Корпоративные ценности как основа корпоративной культуры // Корпоративна культура організацій XXI століття: Зб. наук. праць. – Краматорськ: ДДМА, 2003. – С. 39–43.

12. Мишура Е. В. Комплексный подход к оптимизации технологических процессов механообработки изделий тяжелого машиностроения // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. – Краматорськ-Київ: ДДМА, 2004. – Вип. №15. – С.201–207.

13. Мишура Е. В. Моделирование технологических операций механообработки на основе сетей с однородной структурой // Збірник праць по матеріалам третьої міжнародної наукової конференції: "Нейросітьові технології і їх застосування". – Краматорськ: ДДМА, 2004. – С. 116–126.

14. Мишура Е. В. Комплексная оптимизация тяжелых токарных операций механической обработки деталей типа валов // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. – Краматорськ-Київ: ДДМА, 2005. – Вип. № . – С.253–258.

15. Мишура Е. В. Комплексный подход в оптимизации технологических операций механообработки на основе использования нейросетевых технологий // Збірник праць по матеріалам четвертої міжнародної наукової конференції: "Нейросітьові технології і їх застосування". – Краматорськ: ДДМА, 2006. – С. 83–88.

16. Мишура Е. В. Использование сухого резания на получистовых и чистовых операциях механообработки валков холодного проката // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. – Краматорськ-Київ: ДДМА, 2006. – Вип. № . – С. 207–213.

17. Мишура Е. В. Применение сухого резания в механообработке валков холодного проката // Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку. Матеріали четвертої міжнародної науково-технічної конференції, 5-8 червня 2006 рокуПід заг. ред. Ковальова В.Д. – Краматорськ: ДДМА, 2006. – С. 75.

18. Мишура Е. В., Ковалевский С. В. Структуризация тяжелой токарной операции обработки деталей типа валов с учетом комплексного критерия // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем: Збірник наукових праць. – Краматорськ-Київ: ДДМА, 2007. – Вип. № . – С. 190–196.

19. Мишура Е. В. Разработка и применение методологии структуризации проектирования производственных процессов // Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку: Матеріали четвертої міжнародної науково-технічної конференції, 4-7 червня 2007 року / Під заг. ред. Ковальова В.Д. – Краматорськ: ДДМА, 2007. – С. 91.

20. Мишура Е. В. Методология структуризации проектирования производственных процессов // Матеріали першої науково-технічної конференції молодих вчених та спеціалістів ВАТ "Енергомашспецсталь – 2007". – Краматорськ: ВАТ ЕМСС, 2007. – С. 40.

АНОТАЦІЯ

Мішура Є.В. Технологічне забезпечення виготовлення деталей типу валів на базі методів нейромережевого моделювання. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування. Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, – Тернопіль, 2007.

У дисертації на основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень викладено узагальнення та запропоновано нове вирішення науково-прикладної задачі розроблення ресурсоощадних технологій та підвищення ефективності типових технологічних процесів механічного оброблення деталей типу валів важкого машинобудування шляхом структурування їх технологічних операцій в умовах одиничного та дрібносерійного машинобудівного виробництва.

Запропонована математична модель описує взаємозв'язок між технологічними та організаційними характеристиками технологічної операції токарного оброблення великогабаритних валків станів холодного прокатування.

Розроблено технологічні основи комплексної структуризації токарних операції механічного оброблення деталей типу валів та алгоритм програмного забезпечення який використовується під час проектування оптимальних конструкторсько-технологічних параметрів.

Ключові слова: технологічна операція, типовий технологічний процес, структуризація, питома вартість, продуктивність.

АННОТАЦИЯ

Мишура Е.В. Технологическое обеспечение изготовления деталей типа валов на базе методов нейросетевого моделирования. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 – технология машиностроения. – Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя. – Тернополь, 2007.

В диссертации на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложено новое решение научно-прикладной задачи проектирования ресурсосберегающих технологий и повышения эффективности типовых технологических процессов механообработки деталей типа валов тяжелого машиностроения путем структурирования их технологических операций в условиях единичного и мелкосерийного машиностроительного производства.

Разработаны технологические основы комплексной структуризации токарных операций механообработки деталей типа валов и алгоритм программного обеспечения который используется при проектировании оптимальных конструкторско-технологичных параметров.

В первом разделе проведен анализ литературных источников и патентов, касающихся технологии изготовления крупногабаритных валков станов холодной прокатки, а так же методов структуризации технологических операций и процессов механической обработки, сформулирована цель и задачи исследования.

Во втором разделе разработан метод комплексного проектирования технологических операций механической обработки деталей, направленный на повышение эффективности технологических операций в условиях системного воздействия хорошо и слабо формализованных факторов. Сформулированы основные этапы метода, обоснован и предложен вид комплексного критерия позволяющего, наряду с традиционными, учитывать такие слабо формализуемые факторы как уровень организации рабочего места, разряд станочника, удовлетворенность процессом труда, уровень корпоративной культуры предприятия, психофизической состояние станочника, напряженность и безопасность труда станочника. Обоснован выбор метода нейросетевого программирования, позволяющий решать задачи широкого профиля, проводить комплексную оптимизацию слабо формализуемых параметров производства изделий.

В третьем разделе разработана методика подготовки данных, характеризующих хорошо и слабо формализуемые факторы. Выбраны и обоснованы исходные данные, применяемые для построения моделей и проведения структуризации технологической операции механообработки. В качестве объекта исследования выбраны типовые технологические процессы механической обработки валков холодного проката, разработанные и применяемые в ЗАО "Новокраматорский машиностроительный завод".

В четвертом разделе выполнена апробация предложенного метода структуризации токарной операции механической обработки валков холодного проката по результатам которой разработаны инженерные рекомендации по использованию метода комплексной структуризации для решения широкого круга технологических задач. Использование разработанных рекомендаций позволит обоснованно назначать технологические режимы с учетом производственных условий.

Ключевые слова: технологическая операция, типовой технологический процесс, структуризация, удельная стоимость, продуктивность.

THE SUMMARY

Mishura E.V. Technological providing with manufacture of components as shafts on the basis of methods neuronet modelling. – The manuscript.

The dissertation for getting a scientific degree of Candidate of Sciences Engineering, speciality 05.02.08 – mechanical engineering. – Ternopil State Technical University named after Ivan Puluj. – Ternopil, 2007.

The modern economic conditions, in which mechanical engineering firms of Ukraine have been working, determine necessity of continuous increase of efficiency of processing of rolls of cold hire.

In connection with it, it is offered to structure operations of machine work of rolls on the basis of usage of complex yardstick of optimality technological operations which represent themselves as furl of individual yardsticks, both technical, and economical nature. The analysis of traditional methods of simulation has shown that the decision of the put problem is necessary to do, with the help of models, in the basis of which networks with homogeneous structure of computing elements lye.

It allows to take