авторефераты диссертаций www.z-pdf.ru
БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
 

На правах рукописи

Гаврилова Анна Владимировна

ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ

ПРИ КОНТРОЛЕ ДИНАМИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ

Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами (в машиностроении)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов – 2015

Официальные оппоненты:

Резчиков Александр Фёдорович,

член-корреспондент РАН,

доктор технических наук, профессор,

Институт проблем точной механики

и управления Российской академии наук,

научный руководитель ИПТМУ РАН

Козлова Татьяна Дмитриевна,

кандидат технических наук, доцент,

Балаковский инженерно-технологический

институт – филиал ФГАОУ ВПО

НИЯУ «МИФИ»,

доцент кафедры «Информатика и управление

в технических системах»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный

технический университет» (г. Тамбов)

Защита состоится «04» февраля 2016 г. в 15.00 часов на заседании

диссертационного совета Д 212.242.02 при ФГБОУ ВО «Саратовский

государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по

адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, корп. 1, ауд. 319.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой

печатью организации, просим направлять по адресу: 410054, г. Саратов,

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего образования «Саратовский

государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Игнатьев Александр Анатольевич

ул. Политехническая,

Д 212.242.02.

77, ученому секретарю диссертационного совета

С

диссертацией

можно

ознакомиться

в

научно-технической

библиотеке ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический

университет имени Гагарина Ю.А.» и на сайте http://www.sstu.ru

Автореферат разослан «_____» декабря 2015 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

2

Игнатьев Александр Анатольевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Узлы вращения машин, станков, двигателей и

других изделий являются одними из важнейших, что обусловливает особое

внимание к качеству их изготовления, в том числе к качеству подшипников, что

определяет конкурентоспособность продукции на внутреннем и международном

рынках. Эксплуатационная надежность подшипников в значительной степени

определяется шлифовальной обработкой колец, при которой в основном

формируются заданные значения геометрических параметров точности и

качества поверхностного слоя дорожек качения. Высокопроизводительное

шлифование

сопровождается

интенсивными

силовыми,

тепловыми

и

колебательными процессами в зоне резания, поэтому непостоянство условий

обработки приводит к существенным отклонениям значений макро- и

микрогеометрических параметров точности дорожек качения, к изменению

физико-механических

характеристик

поверхностного

слоя,

к

появлению

прижогов и микротрещин, что снижает долговечность подшипников и повышает

уровень их шума. Качество деталей подшипников достигается управлением

процессами шлифования, в основе которых содержится анализ влияющих

факторов и выделение доминирующих; одним из них является динамический

процесс

в

технологической

системе

(ТС),

которые

оцениваются

по

виброакустическим колебаниям (ВА) основных функциональных узлов.

Следует

отметить,

что

на

большинстве

предприятий

машиностроительного комплекса сохраняется значительный парк морально

устаревшего и физически изношенного оборудования. В этом случае перед

персоналом, занимающимся его эксплуатацией, обслуживанием и ремонтом,

возникает задача поддержки заданной точности и надёжности оборудования. В

условиях, когда из-за ряда причин количество высококвалифицированного

персонала ограничено, обеспечение качества функционирования оборудования

целесообразно достигать использованием систем мониторинга технологического

процесса (СМТП) и соответствующих экспертных систем, в которых накоплены

знания о работе оборудования и рекомендации по устранению функциональных

и параметрических отказов. Эффективность функционирования шлифовальных

станков заключается в обеспечении заданного качества обработки при

наибольшей производительности.

Таким образом, возникает задача поддержки обслуживающего персонала

при

анализе

информации.

Ее

решение

опирается

на

информацию

о

динамических характеристиках оборудования, на логические рассуждения,

анализ и перебор вариантов, для решения которой необходимо привлечение

экспертов в заданной области. В связи с этим возникает целесообразность

разработки экспертной системы (ЭС), осуществляющей поддержку принятия

решения при контроле динамического состояния шлифовальных станков для

системы мониторинга технологического процесса. В известных работах такие

ЭС не рассматривались. Для создания баз данных (БД) и баз знаний (БЗ)

экспертных систем в рассматриваемой области необходимо использование

результатов исследования функционирования технологического оборудования.

Применение экспертной системы позволяет аккумулировать знания

обслуживающего персонала и экспертов о причинах снижения качества

3

Г.С. Осипов, В.К. Финн и многие другие.

Разработанные ЭС применяются

в различных отраслях и сферах

обработки колец, являющихся следствием функциональных и параметрических

отказов, и мер по их устранения, что сокращает время поиска неисправностей и

восстановления работоспособности оборудования, и, соответственно, повышает

коэффициент готовности станка и обеспечивает качество колец. Изложенное

обуславливает актуальность работы.

Степень проработанности темы. Разработкой и созданием ЭС занимались

зарубежные и российские учёные: П. Джексон, К. Таунсенд, С. Осуга, Дж. Элти,

А. Брукинг, П. Джонс, Ф. Кокс, Д. Уотерман, Д. Ленат, К. Нейлор,

А.П. Частиков, В.В. Зубов, В.А. Макушкин, А.Г. Оглоблин, И.Б. Фоминых,

Е.Б. Кисель, М.Д. Шапт,В. А. Чулюков, Д. А. Поспелов, В.Л. Стефанюк,

деятельности. В машиностроении данные системы направлены на поддержку

принятия решений при отказе механических систем, при идентификации

аварийных ситуаций, при оперативно-диспетчерском контроле и управлении

объектами, при планировании производства. В работе Д.В. Бубнова решена

задача,

заключающаяся

в

разработке

методов

и

алгоритмов

принятия

управленческих решений в автоматизированных машиностроительных системах.

В работе В.В. Юркевича представлена ЭС Архимед 2008, которая была создана

для

токарно-винторезного

станка

ТВ-7,

который

был

оборудован

автоматизированной системой контроля точности обработки заготовок. В работе

Ю.Ф.

Воронина

разработана

графовая

модель

определения

причинно-

следственных связей между разновидностями дефектов и причинами их

возникновения.

Одной

из

немногих

работ

по

разработке

ЭС

для

автоматизированных станков является диссертация Т.Д. Козловой, выполненная

в СГТУ. В ней приводятся результаты исследований по разработке экспертной

системы поддержки процесса диагностирования автоматических станочных

модулей. Данная ЭС направлена на выявление отказов в подсистемах станка и

формированию рекомендация по их устранению.

Вопросами динамики станков занимались такие учёные как В.А. Кудинов,

М.М. Аршанский, Б.М. Бржозовский и другие, однако работ в области создания

ЭС для контроля динамики станков не выявлено.

Целью

диссертационного

исследования

является

повышение

эффективности функционирования шлифовальных станков и обеспечения

заданного качества обработки колец подшипников на основе создания

экспертной

системы

для

поддержки

принятия

решения

при

контроле

динамического состояния станков, содержащей значения виброакустических

колебаний и параметров качества колец подшипников, в процессе эксплуатации.

Задачи исследования. В соответствии с целью исследования поставлен и

решен ряд задач:

1. Разработать методическое обеспечение по построению ЭС поддержки

принятия

решения

для

обработки

колец

подшипников

при

контроле

динамического состояния шлифовальных станков.

2. Обосновать выбор информационных параметров с целью контроля

динамического состояния станков.

4

практического применения в производственных условиях.

Научная новизна:

1. Разработано методическое обеспечение для построения

экспертной

системы

поддержки

принятия

решения

при

контроле

динамических

характеристик шлифовальных станков, базирующееся на выявленных причинно-

следственных связях технического состояния основных функционирующих

узлов и их виброакустических характеристик с параметрами качества

обрабатываемых колец подшипников, что позволяет в условиях эксплуатации

оперативно

формировать

рекомендации

обслуживающему

персоналу

по

снижению уровня виброакустических колебаний основных узлов путём

восстановления их параметрической надёжности.

2. Предложена информационно-функциональная модель шлифовального

станка, необходимая для построения экспертной системы, включающая

установленные

экспериментально

контролируемые

виброакустические

характеристики основных функциональных узлов и их допустимые значения для

каждого станка без резания, а также запас устойчивости динамической системы

как основной характеристики для выбора целесообразного режима шлифования,

причём

для

этого

обосновано

соответствие

аналитической

модели

автокорреляционной

функции

виброакустических

колебаний

и

идентифицированной автокорреляционной функции по экспериментальным

данным, на основе которой вычисляется запас устойчивости динамической

системы.

3. Построена база знаний экспертной системы поддержки принятия

решения, включающая декларативную компоненту, содержащую знания о

динамических характеристиках станков, параметрах качества, информацию о

неисправностях и способах устранения, и процедурную компоненту в виде

продукционной

модели,

содержащей

правила,

отражающие

взаимосвязь

значений параметров качества обработки колец, превышающих допустимые

значения со значениями параметров виброакустических колебаний основных

функциональных узлов станка, что обеспечивает формирование рекомендаций

по устранению неисправностей для снижения виброактивности узлов станка.

4. Выполнена алгоритмизация работы экспертной системы и программная

реализация ее компонентов, основанные на знаниях экспертов, обеспечивающие

возможность быстрого информирования о динамическом состоянии станка,

параметрах качества деталей, полученных на их основе рекомендаций по

устранению

неисправности,

что

способствует

повышению

значения

коэффициента готовности станка и обеспечению заданного качества обработки

колец подшипников.

Работа соответствует паспорту научной специальности: 05.13.06

«Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами

(в машиностроении)»: пункт 2 «Автоматизация контроля и испытаний»; пункт 9

«Методы

эффективной

организации

и

ведения

специализированного

информационного и программного обеспечения АСУТП, АСУП, АСТПП и др.,

5

3. Разработать базу знаний ЭС контроля динамического состояния

шлифовальных станков, используя для этого продукционную модель.

4. Осуществить алгоритмическую и программную реализацию ЭС для

включая базы и банки данных и методы их оптимизации»; пункт 16

«Теоретические основы, методы и алгоритмы построения экспертных и

диалоговых подсистем, включенных в АСУТП, АСУП, АСТПП и др.».

Методы исследования. При выполнении исследований использованы

методические и математические основы построения экспертных систем,

методика построения реляционных баз данных. Вычисления в процессе

исследований, численная и графическая обработка результатов производились с

применением математического аппарата прикладных программ. Для построения

базы знаний экспертной системы использована информация о параметрах

качества и вибрационных характеристиках станков, технические характеристики

шлифовальных

станков

модели

SIW-5

и

SWaAGL-50.

Для

контроля

динамического состояния оборудования используются виброизмерительный

прибор ВШВ-003-М3, для контроля колец – кругломер Talyrond-73 и прибор

вихретокового контроля ПВК-К2М.

Для разработки основных компонентов экспертной системы использованы

объектно-ориентированный язык СИ++ и система управления БД MS Access

2010. Программа реализуется на компьютере типа Notebook, что позволяет

непосредственно в производственных условиях использовать экспертную

систему наладчиками оборудования.

Достоверность

и

обоснованность

полученных

результатов

и

рекомендаций обеспечиваются согласованностью теоретических выводов с

результатами их реальной экспериментальной проверки, апробацией результатов

исследований на научных конференциях различного уровня и публикацией в

печати.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методическое обеспечение для

построения экспертной системы

поддержки принятия решения при контроле динамических характеристик

шлифовальных станков.

2. Информационно-функциональная модель шлифовального станка с

обоснованием выбора основных контролируемых параметров ВА колебаний

узлов станка.

3. Разработанная база знаний экспертной системы поддержки принятия

решения при контроле динамических характеристик шлифовальных станков,

включающая декларативную и процедурную компоненты.

4. Алгоритмическая и программная реализация экспертной системы

поддержки принятия решения

шлифовальных станков.

Практическая ценность

при контроле динамических характеристик

Использование экспертной системы поддержки принятия решений при

контроле станков по динамическим характеристикам обеспечивает накопление

знаний экспертов и обслуживающего персонала и в условиях производства

оперативное выявление на их основе причины снижения параметрической

надёжности станков и варианты их устранения в виде рекомендаций по

ремонтно-профилактическим

работам;

снижение

уровня

затрат

на

восстановление сокращением времени контроля.

6

Структура и объем диссертации

Диссертация

состоит

из

введения,

4

глав,

заключения,

списка

использованной литературы из 125 наименований, 3 приложений. Диссертация

содержит 147 страниц, включая 29 таблиц, 57 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы

цель и задачи исследования, представлены научная новизна, практическая

ценность, положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведён анализ научно-технической информации о

развитии

интеллектуальных

информационных

систем.

Рассмотрена

классификация ИИС, включающая экспертные системы, расчётно-логические

системы и ряд других.

7

Реализация и внедрение

Предложения по внедрению приняты на ОАО «ЕПК-Саратов» и ЗАО

«Станкошлиф», о чём свидетельствует акт передачи результатов исследования.

Результаты

работы

используются

в

учебном

процессе

на

кафедре

«Автоматизация, управление, мехатроника» СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Апробация работы

Основные

положения

работы

докладывались

на

8

конференциях

различного

уровня:

международных:

«Прогрессивные

технологии

в

современном машиностроении» (Пенза, 2013), «Материалы и технологии XXI

века» (Пенза, 2014), «Математические методы в технике и технологиях»

(Саратов, 2011, 2012), «Инжиниринг техно 2014» (Саратов, 2014), «Качество

продукции: контроль, управление, повышение, планирование» (Курск, 2014);

всероссийских: «Современные тенденции в технологиях металлообработки и

конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий»

(Уфа, 2014), на заседаниях кафедры «Автоматизация, управление, мехатроника»

в 2012-2015 гг.

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликованы 20 печатных

работ, из них 4 в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, получено

1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ [5].

Личный вклад автора. Обосновано соответствие теоретических моделей

и экспериментальных АКФ, которые используются для вычисления запаса

устойчивости ДС шлифовального станка, что позволяет по его максимуму

определить целесообразный технологический режим с точки зрения качества

обработки и максимальной производительности [3, 4]. Разработан алгоритм

построения продукционных правил для ЭС [20], БД, содержащий информацию о

текущих, эталонных и допустимых динамических характеристиках станков и

параметрах качества колец подшипников, техническую информацию о станках,

кольцах

подшипников,

измерительных

приборах

и

обрабатывающих

инструментах [12, 18], БЗ, содержащую набор продукционных правил для

формирования рекомендаций. Разработано программное обеспечение в виде ЭС

поддержки принятия решения при контроле динамического состояния станков.

Рассмотрена

типовая

структура

экспертной

системы,

включающая

следующие компоненты: базу знаний, базу данных, решатель, интеллектуальный

редактор баз знаний, интерфейс пользователя, подсистему объяснений, рабочую

память. Существует стандартная технология разработки ЭС, состоящая из шести

основных этапов, классификация ЭС по различным критериям, средства

разработки, оболочки ЭС, основные задачи, решаемые ЭС в различных областях

и сферах деятельности, в том числе в машиностроении.

Экспертная

система

в

данном

случае

осуществляет

поддержку

обслуживающего персонала при анализе информации о состоянии станков,

полученной системой мониторинга, тем самым позволяет принять решение о

профилактических,

корректирующих

и

защитных

действиях

с

целью

оперативного восстановления изготавливаемых колец и обеспечения качества и

технологического оборудования.

Во второй главе рассмотрены методические основы построения ЭС для

поддержки

принятия

решения

при

контроле

динамического

состояния

шлифовальных

станков,

включающие

ряд

этапов:

идентификация,

концептуализация, формализация, выполнение и опытная эксплуатация.

На этапе идентификации определяются цель создания ЭС, оборудование и

вычислительные средства. В качестве объекта исследования выступают 6

внутришлифовальных станков модели SIW-5 и 4 круглошлифовальных станка

модели

SWaAGL-50.

Измерительными

средствами

являются

виброизмерительный

прибор ВШВ-003-М3 для

контроля

динамического

состояния, для контроля колец – кругломер Talyrond-73 и прибор вихретокового

контроля ПВК-К2М. Все исследования проведены в производственных условиях

ОАО «ЕПК-Саратов». Обработка данных производилась на компьютере типа

Notebook. После обработки измерений за эталонные выбираются станки с

лучшими динамическими характеристиками.

На

этапе

концептуализации

разрабатывается

информационно-

функциональная

модель

шлифовального

станка

для

обработки

колец

подшипников, которая дает представление об измеряемых ВА параметрах,

привязанных к элементам функциональной схемы (рис. 1). В динамике станков

эксперименты и испытания направлены на контроль виброактивности и оценку

виброустойчивости, вибродиагностику оборудования и его динамического

качества, а также на обоснование выбора режима обработки. При эксплуатации

контролируются такие параметры качества как отклонение от круглости,

волнистость, шероховатость, огранка, неоднородность поверхностного слоя.

Достаточно информативными в указанных случаях являются регистрация

и обработка ВА колебаний станков, сопровождающих обычный режим

функционирования как без резания, так и при резании. При этом осуществляется

анализ как детерминированных составляющих ВА колебаний с оценкой их

амплитуды и частоты, так и стохастических составляющих с формированием

некоторых функционалов от спектров мощности или автокорреляционных

функций.

В производственных условиях контроль ВА колебаний станков в рамках

СМТП направлен на решение двух задач:

8

W(p)=

или в другой форме

1. Контроль технического состояния оборудования и диагностирование,

выполненные на холостом ходу.

2. Выбор режима

обработки

индивидуально

для

каждого

станка,

поскольку динамическое состояние их различается.

С точки зрения оценки динамического состояния станка при резании

возможно измерение спектра колебаний и его изменения в процессе обработки

на

основе

статистического

анализа,

однако

в

этом

случае

трудно

сформулировать физическое обоснование изменениям в динамике станка.

Из всего комплекса характеристик ВА колебаний, таких как уровень

вибрации на отдельных частотах, спектр колебаний, общий уровень вибрации и

т.д., для выбора режима резания предлагается использовать запас устойчивости

ДС станка, в частности шлифовального. Он определяется из передаточной

функции ДС, полученной из автокорреляционной функции (АКФ) ВА

колебаний, зарегистрированных вблизи зоны резания.

В ряде известных работ, рассматривающих динамику процесса резания,

отмечается, что при стационарном режиме резания на ДС станка действует

случайная составляющая силы резания, спектр которой может рассматриваться

как аналог стохастического сигнала типа «белый шум». В этом случае

передаточная функция замкнутой ДС W(p) связана с АКФ K(τ) выходного ВА

сигнала соотношением, полученным А.В. Скляревичем:

W(p)W(-p)= K(p)+K(-p),

(1)

где K(p) – изображение по Лапласу K(τ).

Динамическая система шлифовального станка при незначительных силах

резания,

как

показывает

ряд

исследований,

может

быть

представлена

колебательным звеном с передаточной функцией вида

k

k

1

T2 (p-p1)(p-p2)

W(p) =

где p1, p2 – корни характеристического уравнения.

Для того чтобы в дальнейшем получить выражения для K(p) и K(-p),

выделим два слагаемых:

k2

=

Ap + B

Cp + D

(p + p1)(p + p2)

), (3)

+

(p - p1)(p - p2)(p + p1)(p + p2)

(p - p1)(p - p2)

а затем определим значения коэффициентов A, B, C, D (метод неопределённых

коэффициентов):

9

T2p + 2ρTp + 1

,

(2)

A = -

B =

{

4αω2

2(-α - √α2 - ω2 - α + √α2 - ω2)2ω2

1

1

=

2ω2

2 ((-α - √α2 - ω2)(-α + √α2 - ω2))

(4)

(5)

1

4αω2

1

2ω2

C = -

D =

ОУВ ШУ

детали,

спектр

УВЧВ

Подсистема

привода

вращения

детали

Подсистема

управления

Подсистема

процесса

резания

Вспомогательная

подсистема

Несущие

элементы

конструкции

ОУВ ШУ

инструмента,

спектр

УВЧВ

ОУВ, спектр

1

1

=

Подсистема

привода

вращения

инструмента

Подсистема

привода

подачи

бабки

инструмента

ОУВ, спектр

Рис. 1. Информационно-функциональная модель

динамических характеристик шлифовального станка,

где ОУВ – общий уровень вибрации; УВЧВ – уровень вибрации

на частоте вращения; ШУ – шпиндельный узел

10

После необходимых преобразований получим АКФ, имеющую вид

k

α

K(τ)=

e-ατ(cos ω1τ +

sin ω1τ).

ω1

где α = , ω = , ω1 = √ω2 - α2.

T

T

Запас устойчивости

ОУВ, спектр

ДС

ρ

1

(7)

C(p21 + p22)p11p12 + Dp11p12 - Dp21p22(p11 + p12)] = H2,

{

приp0:

2p11p12p21p22 Bp21p22 + Dp11p12 = H0.

6

5

4

2

K(τ ) 0

- 2

- 4

- 4.921

- 6

0

Аналитическая модель АКФ для ДС в виде одного колебательного звена

представлена на рис. 2. На практике АКФ вычисляется из зарегистрированных

ВА

колебаний

при

обработке

колец

подшипников.

Типичный

вид

экспериментальной АКФ в виде затухающей косинусоиды представлен на рис. 3,

причём он соответствует малым подачам круга (0,2 мм/мин и менее). При

существенных силах резания, например при больших подачах шлифовального

круга, ДС станка может быть представлена параллельными соединениями двух

колебательных звеньев (шпиндельные узлы круга W1(p) и детали W2(p)).

Произведение передаточных функции с учётом параллельного соединения

узлов:

W(p)W(-p)= [W1(p)+W2(p)][W1(-p)+W2(-p)].

(6)

Далее

по

методу

неопределённых

коэффициентов

сравниваются

коэффициенты при соответствующих степенях p:

приp6:

2A(p11 + p12) + 2C(p21 + p22) + 2B + 2D = 0,

приp4: 2[Bp11p12 + Dp21p22 - B(p2 +p2 ) - D(p2 +p2 ) -

0

τ

20

- 1

0

Рис. 2. Вид аналитическойАКФ

ДС в виде одного колебательного

звена

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Рис. 3. Вид экспериментальной АКФ

в устойчивой ДС станка при малых подачах

Временная зависимость АКФ, полученная по модели (8), представляет

собой затухающую косинусоиду с модуляцией амплитуды, представленную на

рис. 4.

При больших подачах круга (0,3 мм/мин и более) наблюдается модуляция

амплитуды в экспериментальной АКФ (рис. 5).

11

21

22

11

12

2

2

A(p11 + p12)(p2 + p2 ) - C(p11 + p12)(p21 + p22)] = H4,

приp2: 2[Bp2 p2 - Bp11p12(p2 + p2 ) + A(p11 + p12)p2 p2 +

2

2

2

2

2

2

21

22

21

22

21 22

21 22

(

)

По аналогии с формулой (5), можно получить общий вид АКФ:

K(τ)=k1e-β1τ A1cos ω1τ + B1 sin ω1τ + k2e-β2τ(A2cos ω2τ + B2 sin ω2τ). (8)

1

0.5

K( )

0

- 0.5

5

10

15

20

(

)

10

20

30

0

τ

30

Рис. 4. Вид аналитическойАКФ ДС

в виде двух колебательных звеньев

Рис. 5. Вид экспериментальной АКФ

в устойчивой ДС станка

при больших подачах

Следовательно, установлено соответствие теоретических моделей и

экспериментальных АКФ, которые используются для вычисления передаточной

функции с последующим определением запаса устойчивости ДС шлифовального

станка,

что

позволяет

по

его

максимуму

определить

целесообразный

технологический режим с точки зрения качества обработки и максимальной

производительности.

Таким образом, предложено методическое обеспечение для построения

ЭС поддержки принятия решения при контроле динамических характеристик

шлифовальных

станков,

основой

которого

служит

информационно-

функциональная модель станка, отражающая комплекс ВА характеристик,

измерение которых в процессе эксплуатации позволяет установить их

допустимые значения с точки зрения обеспечения заданных параметров качества

такие как шероховатость, отклонение от круглости, волнистость поверхности

качения

колец

и

неоднородность

физико-механических

характеристик

поверхностного слоя. На основе установленных связи допустимых значений ВА

характеристик

основных

узлов

станков

с

их

техническим

состоянием

формируются продукционные правила принятия решений процедурной модели.

Построение базы знаний ЭС основывается на последовательном анализе

динамических характеристик. Представлена общая структура ЭС.

Третья глава посвящена разработке базы знаний экспертной системы.

Для её создания необходимо разработать и наполнить базу данных. Прежде чем

приступить к разработке БЗ, необходимо определить методы представления

данных и знаний. Для этого были определены знания, которые должна

содержать

ЭС,

и

причинно-следственные

отношения

объектов.

При

проектировании БД определены сущности – основные компоненты программы,

которые позволяют оценить работу оборудования. Для каждой сущности

(объекта предметной области) выбраны свойства (атрибуты) и определены типы

отношений между сущностями или атрибутами.

Анализ факторов, влияющих на процесс шлифования, необходим для

выполнения целеориентированных мероприятий по обеспечению заданных

выходных параметров качества деталей.

12

20

11

10

K(τ )

0

- 10

- 10.221

- 20

0

Декларативная компонента БЗ реализована объектно-ориентированной

моделью. Схема данных в СУБД MicrosoftAccess 2010 представлена на рис. 6.

Процедурная компонента представлена продукционной моделью, содержащей

около двухсот правил, связывающих виброакустические характеристики станков

и параметры качества колец подшипников.

Рис. 6. Схема данных в СУБД MicrosoftAccess 2010

При отклонении значения параметра качества от нормы проверяется

соответствие значения параметра качества выбранного колец подшипника

допустимым значениям и соответствие ВА характеристик выбранного станка

допустимым значениям в соответствии с (9) и (10):

xiв

yiв

где

– верхнее допустимое значения параметра качества,

– верхнее

допустимое значение ВА характеристики станка.

Для формирования продукционных правил

формула:

используется следующая

(11)

Формирование продукционных правил при отклонении от нормы параметра

качества «неоднородность поверхностного слоя»:

13

zixiyi

zi

zi

xiyi

xixiв

yiyiв

,

(9)

,

(10)

Правило 1. Если «Параметр качества «Неоднородность поверхностного

слоя»=отклонение от нормы» и «Измеряемый параметр – ОУВ ШУ круга =

отклонение от нормы», то «Заключение = Необходимо проверить УВЧВ круга».

Правило 2. Если «Параметр качества «Неоднородность поверхностного

слоя»=отклонение от нормы» и «Измеряемый параметр – ОУВ ШУ детали =

отклонение от нормы», то «Заключение = Необходимо провести балансировку

шпинделя на частоте вращения».

Правило 3. Если «Параметр качества «Неоднородность поверхностного

слоя» = отклонение от нормы» и «Измеряемый параметр – УВЧВ круга =

отклонение от нормы», то «Заключение = Круг не сбалансирован. Необходимо

провести балансировку круга».

Правило 4. Если «Параметр качества «Неоднородность поверхностного

слоя» = отклонение от нормы» и «Измеряемый параметр – УВЧВ детали =

отклонение от нормы», то «Заключение = Деталь базируется неправильно.

Необходимо провести балансировку шпинделя с деталью».

Правило 5. Если «Параметр качества «Неоднородность поверхностного

слоя» = отклонение от нормы» и «Нет отклонения от нормы», то «Заключение =

Возможно влияние вибраций от внешнего оборудования или предоставлены

некачественные заготовки».

Построена база знаний экспертной системы, включающая декларативную

компоненту в виде объектно-ориентированной модели, содержащую знания о

параметрах качества, ВА характеристиках станков, эталонных и допустимых

значениях, и процедурную компоненту в виде продукционной модели,

содержащую комплекс правил, используемых для обработки декларативных

знаний, что обеспечивает формирование сообщений о ВА характеристиках

станка.

В

четвертой

главе

рассмотрена

алгоритмическая

и

программная

реализация ЭС контроля динамического состояния шлифовальных станков.

Рассмотрен конкретный пример работы ЭС контроля динамического

состояния шлифовальных станков. При анализе качества обработки колец

шарикоподшипников

выполнены

измерения

ВА

колебаний

на

круглошлифовальном

автомате

модели

SWaAGL-50,

обрабатывающем

поверхности качения колец различных типов, номер станка 241. Тип

обрабатываемого кольца 308/02. Материал обрабатываемого кольца – сталь ШХ-

15. Материал кругов 25А10НСМ2. Применяемая СОЖ – водный раствор

триэтаноламина (1%) и нитрита натрия (1%). Время обработки – от 20 с до 30 с.

Подача круга при окончательном шлифовании: черновая – 0,3…0,4 мм/мин,

чистовая 0,1…0,2 мм/мин.

В процессе обработки колец выявлено отклонение от нормы параметра

качества «волнистость». Согласно проведённым исследованиям, на отклонение

от нормы данного параметра качества влияют следующие ВА характеристики:

общий уровень вибрации шпиндельного узла круга (ОУВ ШУ круга), уровень

вибрации на частоте вращения круга (УВЧВ круга), общий уровень вибрации на

передней опоре шпиндельного узла детали (ОУВ на ПО ШУ детали), общий

уровень вибрации на задней опоре шпиндельного узла детали (ОУВ на ЗО ШУ

детали), общий уровень вибрации двигателя (ОУВ двигателя), общий уровень

14

вибрации шпиндельного узла детали (ОУВ ШУ детали), уровень вибрации на

частоте вращения детали (УВЧВ детали). После проведения измерении на станке

№ 241 превысили норму такие ВА характеристики как общий уровень вибрации

на задней опоре шпиндельного узла детали, общий уровень вибрации двигателя,

обусловленный выходом из строя подшипника двигателя. После замены

двигателя ОУВ на ЗО ШУ круга и волнистость детали стали в пределах нормы.

Для формирования рекомендаций необходимо иметь текущие значения ВА

характеристик

станка,

эталонные

допустимые

значения,

зписанные

в

соответствующих полях программы. Также необходимо иметь текущие значения,

эталонные и допустимые значения параметров качества обрабатываемой детали,

записанные

в

соответствующих

полях

программы

(рис.

7).

Программа

«рассматривает» только правила, которые соответствуют отклонениям от нормы

ВА характеристик и параметров качества деталей, и выдаёт соответствующие

рекомендации по

станка (рис. 8).

ремонту и восстановлению параметрической надёжности

Рис. 7. Компонент анализа дефектов

Рис. 8. Формирование рекомендаций по восстановлению станка

15

Для обеспечения надёжности станка необходимо также периодически

контролировать основные ВА характеристики, такие как ОУВ ШУ круга ОУВ

ШУ детали. Для этого в программе предусмотрена компонента «Диаграмма

состояния». На ней отражены изменения данных ВА характеристик согласно

проведённым замерам (рис. 9), а именно дата проведения замера и уровень

вибрации.

Программа реализуется на компьютере типа Notebook, что позволяет

непосредственно в производственных условиях использовать экспертную

систему наладчиками оборудования.

Рис. 9. Диаграмма состояния

Таким образом, рассмотрен пример работы ЭС контроля динамического

состояния шлифовальных станков. Выполнены измерения ВА колебаний и

параметров качества кольца подшипника. Разработан алгоритм принятия решения

и выдачи рекомендаций по нормализации работы станка. Применительно к данной

ситуации сформированы продукционные правила и выданы рекомендации по

улучшению ВА характеристик станка и параметров качества обрабатываемой

детали. Предложения по внедрению ЭС приняты на ЗАО «Станкошлиф»,

занимающемся модернизацией шлифовальных станков с ЧПУ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1.

Анализ

научно-технической

информации

и

обобщение

опыта

эксплуатации шлифовальных станков модели SIW-5 и SWaAGL-50 обосновали

целесообразность разработки экспертной системы поддержки принятия решения

при контроле динамического состояния шлифовальных станков, позволяющей

аккумулировать знания экспертов и обслуживающего персонала, выявлять на их

основе причины отклонения от нормы ВА характеристик станков и параметров

качества колец подшипников и выдавать рекомендации по устранению

неисправностей.

16

2. Разработано методическое обеспечение для построения ЭС, состоящее из

ряда

этапов.

Отмечены

особенности

построения

информационно-

функциональной модели, базы знаний, созданной на основе сведений о реальном

объекте, и показан пример реализации ЭС.

3. Предложена информационно-функциональная модель шлифовального

станка,

необходимая

для

построения

ЭС,

включающая

установленные

экспериментально

контролируемые

ВА

характеристики

основных

функциональных узлов и их допустимые значения для каждого станка без

резания, а также запас устойчивости ДС как основную характеристику для

выбора целесообразного режима шлифования.

4. Обосновано соответствие аналитической модели АКФ ВА колебаний в

динамической системе станка и идентифицированной АКФ по экспериментальным

данным, на основе которой вычисляется запас устойчивости ДС.

4. Построена база знаний ЭС поддержки принятия решения при контроле

динамического состояния станков, включающая декларативную компоненту,

содержащую знания о динамических характеристиках станков, параметрах

качества, информацию о неисправностях и способах устранения, и процедурную

компоненту в виде продукционной модели, содержащую набор правил,

отражающих взаимосвязь значений параметров качества обработки колец,

превышающих допустимые значения, со значениями параметров ВА колебаний

основных функциональных узлов станка, что обеспечивает формирование

рекомендаций

обслуживающему

персоналу

непосредственно

в

производственных условиях по устранению неисправностей для снижения

виброактивности узлов станка.

5. Для реализации процедурной компоненты, диалогового компонента,

компоненты приобретения знаний обоснован выбор объектно-ориентированного

языка

программирования

СИ++,

что

обусловлено

его

расширенными

возможностями для создания пользовательского интерфейса, возможностью

связи с другими приложениями. Для реализации декларативной компоненты

выбрана СУБД Access 2010.

6. Реализация компонентов ЭС обеспечивает оперативное формирование

рекомендаций по ремонту и подналадке станка в соответствии с выявленными

причинно-следственными связями ВА характеристик и параметров качества

обрабатываемых колец подшипников, что существенно (в несколько раз)

снижает время обнаружения и устранения разладки станка по динамическим

характеристикам.

7. Выполнены алгоритмизация работы экспертной системы и программная

реализация

ее

компонентов,

обеспечивающие

возможность

быстрого

информирования обслуживающего персонала о динамическом состоянии станка,

параметрах качества деталей, полученных на их основе рекомендаций по

устранению неисправности, что способствует повышению коэффициента

готовности станка на 6% и обеспечению заданного качества обработки колец

подшипников. Предложения по внедрению ЭС приняты на ЗАО «Станкошлиф»,

занимающемся модернизацией шлифовальных станков с ЧПУ.

17

Основные

положения

диссертации

опубликованы

в

следующих

работах:

Публикации в изданиях, включенных в Перечень ВАК РФ

1. Каракозова (Гаврилова) А.В. Предпосылки создания экспертной

системы для контроля динамического состояния шлифовальных станков /

А.В. Каракозова, А.А. Игнатьев // Вестник Саратовского государственного

технического университета. – 2011. – № 3 (58). – С. 170-176.

2. Каракозова (Гаврилова) А.В. Управление качеством технологического

процесса изготовления подшипников с использованием экспертной системы /

А.В. Каракозова, А.А. Игнатьев // Вестник Саратовского государственного

технического университета. – 2013. – № 2 (71). – С. 186-191.

3. Каракозова

(Гаврилова)

А.В.

Анализ

информативности

виброакустических параметров при контроле динамического состояния станков /

А.В. Каракозова, А.А. Игнатьев // Известия высших учебных заведений.

Поволжский регион. Технические науки. – 2015. – № 1. – С. 108-120.

4. Каракозова

(Гаврилова)

А.В.

Аналитическая

оценка

автокорреляционной функции виброакустических колебаний в динамической

системе станка. Ч. 1 / А.В Каракозова, А.А Игнатьев // Вестник Саратовского

государственного технического университета. – 2015. – № 1 (78). – С. 85-88.

Свидетельства на программные продукты РФ

5. Каракозова (Гаврилова) А.В., Игнатьев А.А. Экспертная система

контроля динамического состояния шлифовальных станков. Свидетельство о

государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014662238

Публикации в других изданиях

6. Каракозова (Гаврилова) А.В. Применение экспертных систем в

машиностроении / А.В. Каракозова, А.А. Игнатьев // Автоматизация и

управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. – Саратов: СГТУ, 2012. –

С. 75-79.

7. Каракозова (Гаврилова) А.В. Автоматизированная система контроля

процесса шлифования колец подшипников / А.В. Каракозова, А.А. Игнатьев //

Сб. трудов XXV Международной научной конференции ММТТ-25 «Участники

школы молодых ученых и программы УМНИК». – Саратов: СГТУ, 2012. – С.

337-340

8. Каракозова

(Гаврилова)

А.В.

Экспертная

система

для

автоматизированного контроля процесса шлифования / А.В. Каракозова, А.А.

Игнатьев

//

Информационные

технологии,

системы

автоматизированного

проектирования и автоматизация: сб. науч. тр. – Саратов: СГТУ, 2012. – С. 60-62.

9. Каракозова (Гаврилова) А.В. Использование экспертных систем для

контроля динамического состояния шлифовальных станков / А.В. Каракозова,

А.А. Игнатьев // Наука: 21 век (транспорт и машиностроение). – Саратов, 2013. –

№ 1 (3). – С. 35-41.

10. Karakozova (Gavrilova) A.V. Use of expert systems to improve the

efficiency of grinding / A.V. Karakozova // Наука и жизнь: материалы конф. с

междунар. участием. – Саратов: СГТУ, 2013. – С. 34-37.

18

11. Каракозова (Гаврилова) А.В. Использование экспертных систем для

контроля динамического состояния шлифовальных станков системы для

управления

качеством

изготовления

подшипников

/

А.В.

Каракозова,

А.А. Игнатьев // Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сб.

статей 8-й Междунар. конф. – Пенза: ПДЗ, 2013. – С. 17-20.

12. Каракозова (Гаврилова) А.В. Построение базы данных и базы знаний в

экспертной системе / А.В. Каракозова, А.А. Игнатьев // Сб. трудов XXVI

Международной научной конференции ММТТ-26 «Участники школы молодых

ученых и программы УМНИК». – Ч. 1. – Саратов: СГТУ, 2013. – С. 178-180.

13. Каракозова (Гаврилова) А.В. Экспертные системы в структуре

системы управления качеством продукции / А.В. Каракозова, А.А. Игнатьев //

Прогрессивные технологии в современном машиностроении: сб. статей 9-й

Междунар. конф. – Пенза: ПДЗ, 2013. – С. 23-25.

14. Каракозова (Гаврилова) А.В. Информационная основа для построения

экспертной системы по оценке динамического состояния шлифовальных станков /

А.В. Каракозова, А.А. Игнатьев // Материалы и технологии XXI века: сб. статей

12-й Междунар. конф. – Пенза: ПДЗ, 2014. – С. 129-133.

15. Каракозова А.В. (Гаврилова) А.В. Информационно-функциональная

модель динамических характеристик шлифовального станка для экспертной

системы в структуре системы мониторинга / А.В. Каракозова, А.А. Игнатьев //

Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. –

Саратов: СГТУ, 2014. – С. 61-63.

16. Каракозова

(Гаврилова)

А.В.

Использование

интеллектуальных

технологий при мониторинге динамического состояния шлифовальных станков /

А.В. Каракозова, А.А. Игнатьев, В.А. Каракозова // Современные тенденции в

технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин

и комплектующих изделий: межвуз. науч. сб. – Уфа: УГАТУ, 2014. – С. 131-135.

17. Каракозова (Гаврилова) А.В. Предпосылки создания экспертной

системы поддержки процесса диагностирования шлифовальных станков /

А.В. Каракозова // Инжиниринг техно – 2014: сб. тр. II Междунар. конф. –

Саратов: СГТУ, 2014. – С. 230-235.

18. Каракозова (Гаврилова) А.В. Анализ взаимосвязей в технологической

системе при разработке экспертной системы / А.В. Каракозова // Качество

продукции: контроль, управление, повышение, планирование: сб. науч. тр. –

Курск, 2014. – С. 230-233.

19. Каракозова

(Гаврилова)

А.В.

Теоретическая

оценка

автокорреляционной функции виброакустических колебаний в динамической

системе станка / А.В. Каракозова, А.А. Игнатьев // Автоматизация и управление

в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. – Саратов: СГТУ, 2014. – С. 41-44.

20. Каракозова (Гаврилова) А.В. Формирование продукционных правил

базы знаний экспертной системы при контроле динамического состояния

шлифовальных станков / А.В. Каракозова, А.А. Игнатьев // Автоматизация и

управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. – Саратов: СГТУ, 2015. –

С. 57-60.

19

Подписано в печать 24.11.15

Формат 60×84 1/16

Бум. офсет.

Усл. печ. л. 1,0

Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз.

Заказ 156

Бесплатно

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Тел.: 24-95-70; 99-87-39, е-mail: izdat@sstu.ru

20



Похожие работы:

«ЛЕМЫТСКАЯ Дарья Евгеньевна АРХИТЕКТУРНО-ПЛАНИРОВОЧНОЕ РАЗВИТИЕ И ИСТОРИКО-КУЛЬТУРНОЕ НАСЛЕДИЕ ГОРОДОВ ХАКАСИИ (НА ПРИМЕРЕ АБАКАНА И ЧЕРНОГОРСКА) Специальность: 05.23.20 – Теория и история архитектуры, реставрация и реконструкция историко-архитектурного наследия АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата архитектуры Санкт-Петербург 2015 Диссертация выполнена в ФГАОУ ВПО Сибирский федеральный университет, г. Красноярск Научный руководитель: Официальные...»

«МЕЛЕХОВА Анна Леонидовна УПРАВЛЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ ПАМЯТЬЮ ВИРТУАЛЬНОЙ МАШИНЫ Специальность 05.13.11 – математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва — 2015 Работа выполнена на кафедре информатики Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский физико-технический институт...»

«Пугачёв Александр Олегович ЩЁТОЧНЫЕ УПЛОТНЕНИЯ В РОТОРНЫХ СИСТЕМАХ АВИАЦИОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 05.07.05 Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук Москва 2015 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет). Научный консультант: доктор...»





 
© 2015 www.z-pdf.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.