ОБОБЩЕН ТЕОРЕТИЧЕН МЕТОД ЗА ПРОЕКТИРАНЕ НА РЕКОНФИГУРИРАЩИ СЕ МНОГООПЕРАЦИОННИ МЕТАЛОРЕЖЕЩИ МАШИНИ доц. д-р Сашо ГЕРГОВ sguergov@tu-sofia.bg Катедра ТМММ, Технически университет София A GENERAL THEORETICAL METHOD TO DESIGN OF RECONFIGURABLE MULTIFUNCTIONAL MACHINE TOOLS Assoc. Prof. Dr. Sasho GUERGOV Department of Machine Tools and Machine-Building Technologies, Technical University of Sofia, 1756 Sofia, 6 St. Kl. Ohridski Blvd., sguergov@tu-sofia.bg Abstract: The paper presents the stages and algorithms of a general theoretical method to the design of the Reconfigurable Multifunctional Machine Tools. The basic idea of the suggested method is the possibilities of the designed machine to treate both rotational or/and prismatic parts, using different machining operations (e.g. turning, grinding, drilling, milling etc.) and combine the advantages of different machine tools in a single unit as well. Keywords: Reconfiguration, Self-Reconfiguration, Design Algorithms, Machine Structure, Automated Control System, Information System, Executive System 1. ВЪВЕДЕНИЕ Понастоящем в резултат на глобализацията на индустриалното производство и завишените изисквания на пазара се търсят нови, ефективни технологии и средства за производство, свързани с подобрява и поевтинява на производствената техника, производствените процеси и производството като цяло. Концепцията за бърза реакция на производството спрямо пазарните изисквания се въвеж през 1991 г. [9,12,14], което рефлектира върху развитието на производствената техника и появата на идеята за реконфигурируемост основно в две направления: разработва на реконфигуриращи се машини [5,7]; обединява на максимален брой операции на едно работно място [2,4,13]. Основното предназначение на реконфигуриращите се производствени машини е чрез бързи измения в структурата (хардуерно и софтуерно) се осигурят оптимални производствени характеристики на машината (системата) с цел максимално удовлетворява на динамичните пазарни изисквания [5,6,8]. Реконфигуриращите се производствени системи изискват нов подход на проектира както на системно, така и на ниво машина. Основните ключови моменти при съзвато на тези подходи са свързани с: разработвато на основни принципи и методи за проектира и анализ на реконфигуриращи се машини и системи; проектирато и съзвато на модели на реконфигуриращи се металорежещи машини, отговарящи на ключовите характеристики за реконфигурируемост (модулност, производствена гъвкавост, интегрируемост, конвертируемост /функционалност, пренастройваемост и диагностируемост). Изследванията в тази област [5,10,11], определят реконфигуриращото се производство с най-висок приоритет за бъдещи изследвания в областта на машиностроето, а реконфигуриращите се машини като основно ключово предизвикателство до 2020 година. 19
Настоящата статия предлага обобщен теоретичен метод за изграж на реконфигуриращи се многооперационни металорежещи машини (РМММ) с възможности за концентрация както на повече технологични операции, така и обработва на различни детайли на една машина. Това изследва е извършено в катедра ТМММ на ТУ София. Идеята за този метод премина през дълъг еволюцион процес от абстрактната идея до съзвато на реална методология и концепция за проектира и съзва на нов клас самореконфигуриращи се многооперационни машини за механична обработка с възможности за: висока гъвкавост, автоматизация, интеграция и организация при работа; изпълние на различни технологични операции (стругова, фрезова, свредлова, шлифова и др.); реализира на комплексен технологичен процес за обработвато както на ротационни, така и на призматични детайли; съчетава на предимствата на различни металорежещи машини в една и с възможности за работа при различен тип на производство. 2. ОБЩА СХЕМА И ЕТАПИ НА МЕТОДА Методът включва пет основни етапа (фиг.1) като на схемата са отразени, свързаните с тях теоретични изследвания и получени конкретни резултати, които могат посредствено се използват в практиката при проектирато на реконфигуриращи се многооперационни технологични системи за механична обработка. Първият етап Технико-технологичен анализ на производствената зача и избор на модули за изграж на компоновачни структури включва анализ на производствената зача с цел групира на номенклатурата от детайли, обект на обработва от проектираната РМММ и синтез на детайли-типопредставители на основата на които се разработват технологичните схеми на обработва. На тази основа се определя ви и броя на инструменталната екипировка, обходимите работни и спомагателни движения и крайните изпълнителни звена (модули) за компонова на различни структури на технологичната система. След определя на обходимите модули за изграж на технологичната система (ТС) на машината се съставят рационални структури на компоновачни варианти за обработва на дефинираните вече видове детайли. За тази цел е предложен метод, който с помощта на Теорията на гетичните алгоритми, съзва възможност за герира на структури, като чрез предварително дефинира на двуичен стринг с дължина броя на модулите, избран критерий (фитс) за оценява на вариантите и преминавато през няколко етапа (популации) се определят крайните варианти на структурите за изграж на ТС. По предложена схема се извършва кодира на детайлите след което се определят показатели за компонова на ТС, на чиято основа се дефинират критерии, описващи различните компоновачни варианти за реконфигурира структурата на машината. С практическа приложимост са получените резултати от анализа на около 40 детайла (ротационни и призматични), използвани в машиностроето и определените детайли-типопредставители, съдържащи както ротационни, така и ротационни повърхнини; направеният анализ на обходимите инструменти за тяхното обработва; дефинираните модули за компонова на РМММ за обработва както на РСД, така и на ПКД или комбинация от тях; определените критерии за реконфигурира на технологичната система на машината; извършеното кодира на детайлите и синтезираните 20 рационални компоновачни варианти, както и съставената матрица на вариантност, позволяваща автоматизиран избор на компоновачен вариант за РМММ. 20
Теоретични изследвания и методика Етап Приложни резултати Съставя на БД за детайли, инструменти, ТТП, схеми на работа Синтез на компоновачни структури Разработва на матрица на инцидентност Анализ на сновните производствени характеристики на РМММ Анализ, класификация, групира на обектите за обработва Синтез на модули, показатели и критерии за реконфигурира на технологичната система Метод за разработва на граф на състоянията и математичен модел на РМММ Технико-технологичен анализ на производствената зача и избор на модули за изграж на компоновачни структури анализ, класификация, групира на обектите за обработва; инструменти и инструментална екихировка; обходими движения и др.; определя на обходимите компоновачни модули и критерии за реконфигурира на технологичната система; герира на компоновачни структури; кодира и съставя на матрица на инцидентност. Съставя на графоаналитичен модел за изследва на основните производствени харакеристики граф на състоянията на системата; математичен модел; финални вероятности, параметри. РСД и ПКД типопредставители Зависимости на финалните вероятности за основните състояния на РМММ Модули Показатели и критерии за компонова Пропускателна способност Време за обслужва Коефициент на натоварва и др. Кодира и матрица на инцидентност АСУ ИСи ИС Параметри на ЦСУ и типовите динамични звена Метод за избор на основните архитектурни и организацинни принципи и функции на РМММ Метод за организация и формализация на параметрите и функциите на РМММ Избор на основни архитектурни и организационни принципи и функции основни принципи при избор на компоновачен вариант на ТС; целева функция, критерии и поведение на системата при достига целите; синтез на обща структура на системата и работна сре. Дефинира и формализира на основните параметри и функции на системата за управление на ЦСУ - управляващи параметри, превателна функция, преходна функция, крайни изпълниелни звена; на Информационната система; на изпълнителната част на технологичната система - ориентация, вид на управление, вид на задвижва; разработва на комутационна матрица и схема за управление на модулите. Дефинирани основни принципи при избор на компоновачен вариант Процедура за параметрично описание на обекта за обработва Основни параметри на ЦСУ и крайните изрълнитенлни звена Организация и структура на БД1,2,3,5,6,7,9 Организация на структурата на изпълнителната част Обща структура на РМММ, АСУ, функции и структура на МС, ИСи и ИС Организация и структура на БЗ4 за селектира на нни и натрупва на нова информация Комутационна матрица Процедура за избор на критерий за реконфигурира, отчита на текущото състояние, избор / синтез на управленчески модел на ТС Структурна схема на релейните изходи на СЦПУ и ПК на РМММ БД /БЗ на ИСи Разработва на графични стпруктурни варианти Разработва на конструктивни варианти на РМММ Синтез на конструктивен модел Разработва на конструктивна документация Концептуална схема на РМММ за обработва на РСД и ПКД Графични структурни варианти на РМММ Гама ХМ Разработва на прототип Фиг.1 Обща схема на мето 21
Обобщеният алгоритъм за първия етап от мето за проектира на РМММ е ден на фиг.2. Фиг.2 Алгоритъм за извършва на технико-технологичен анализ на производствената зача и избор на модули за изграж на компоновачни структури Вторият етап Съставя на графоаналитичен модел и изследва на основните производствени характеристики включва по разработена методика [3] съставя на граф на състоянията и математичен модел за определя, изследва и анализ на основните производствени характеристики на производствената система - средно време за обслужва от страна на роботите, коефициентът на натоварва (използваемост) на машината и др. Също така може се извърши анализ на транспортния поток по отношение на интензивността на заявките на вхо на системата, интензивността на потока от обработвани заявки, които ват възможност за определя на пропускателната способност на машината, дължината на редицата от заявки в зависимост от интензивността на работа и обслужва на системата и др. Получените резултати, които имат практическа приложимост са изведените зависимости за финалните вероятности на основните състояния на една РМММ, ващи възможност за определя на пропускателна способност, средното време за обслужва от страна на роботите и коефициентът на натоварва (използваемост) на машината, както и други характеристики на производствената система. Обобщеният алгоритъм за втория етап от мето за проектира е ден на фиг.3. 22
Фиг.3 Алгоритъм за изследва на основните производствени характеристики Третият етап Избор на основни архитектурни и организационни принципи и функции по разработения метод включва определя на основните управляващи, информационни, организационни и изпълнителни принципи и функции и подсистеми за изграж на РМММ. На този етап се определят основните самоорганизиращи принципи и функции; целева функция, критерии и поведение на системата за реализира на крайната цел; функции и работна сре на мета-системата; структура на конструкторскотехнологичните пакети; функции на информационната система и др., т.е. извършва се цялостното концептуира на модела на РМММ. С практическа приложимост са резултатите, свързани с предложената укрупна функционална схема за изграж на многооперационните технологични системи, включваща автоматизирана система за управление (АСУ), информационна система (ИСи) и изпълнителна система (ИС): дефинираните функции на информационната система (формализация и описание на обекта за обработва, причислява на обекта към съответен клас детайли, определя /синтез на типов технологичен процес, селектира на нни и натрупва на нова информация, избор /синтез на маршрут за последователност на технологичните операции, избор на допълнителна технологична и инструментална екипировка, избор/синтез на операцион технологичен процес, избор на оптимизацион критерий за преструктурира /реконфигурира на ТС, избор на структурен модел на системата, отчита на текущото състояние на ТС, избор /синтез на управленчески модел за преструктурира на ТС, уравление на ТС); описаната логиката на работа на многооперационните технологични системи (модулно изграж, разделя на системата на подсистеми, нива на организация, избор на компоновка от множество алтернативни варианти, преходни състояния и др.на базата на принципите на самоорганизация на системите) и др. Обобщеният алгоритъм за този етап е ден на фиг.4. 23
Li n k Pos it io n L in k Po si tio n L in k Po si tio n 1 2 3 4 5 6 L in k Po si ti on L in k Po s iti on L in k Pos it io n MDI AUI 1 2 3 4 Un it Po si tio n Pa ck et Co lis ion Powe r MSM 3Com Fi be r Hu b S D Четвъртият етап Дефинира и формализира на основните параметри и функции на системата за управление се разработват алгоритмите, структурата и организацията на БД-и и БЗ. Тези процедури включват определя и формализация на основните параметри и функции на РМММ по отношение на: управляващите параметри (превателни, преходни функции); описанието на обекта за обработва; причислявато на обекта към съответен клас детайли; определято /синтезът на типов технологичен процес; селектирато на нни и натрупва на нова информация; изборът /синтезът на маршрут за последователност на технологичните операции; изборът на допълнителна технологична и инструментална екипировка; изборът /синтезът на операцион технологичен процес; изборът на оптимизацион критерий за преструктурира /реконфигурира на ТС; изборът на структурен модел на системата; отчитато на текущото състояние на ТС; изборът /синтезът на управленчески модел за преструктурира на ТС; уравлението на ТС. A Производствена зача Д Д 1 2 3 БЗ 4 С 13 Локална система за управление ЦСУ Централен компютър Мета-система Интерфейс С Б А 5 9 6 7 10 11 8 12 Е E Б ТС Фиг.4 Алгоритъм за избор и определя на основните архитектурни и организационни принципи и функции на РМММ По-нататък се извършва: структурира на системата за управление на изпълнителната част; систематизация и унификация на движенията на модулите в 24
зависимост от устройството за управление (ЦПУ, ПК и ви на управление); съставя на схемата за управление на изпълнителните звена; комутационната схема за управление на движенията на модулите и др. Обобщеният алгоритъм за етапа Дефинира и формализира на основните параметри и функции на системата за управление е ден на фиг.5. k F m Фиг. 5 Алгоритъм за дефинира и формализира на основните параметри и функции на системата за управление на РМММ Получените резултати на този етап, които имат практическа приложимост са: получените зависимости за параметрите на АСУ (управляващи, превателни и преходни функции); 25
разработените методики, процедури, алгоритми, структура и организация на БД-и за: - описание на обекта за обработва; - причислява на обекта към съответен клас детайли; - определя /синтез на типов технологичен процес; - избор /синтез на маршрут за последователност на технологичните операции; - избор на допълнителна технологична и инструментална екипировка; - избор/синтез на операцион технологичен процес; - избор на оптимизацион критерий за преструктурира /реконфигурира на ТС; - избор на структурен модел на системата; процедурите за: - избор на оптимизацион критерий за преструктурира /реконфигурира на ТС; - отчита на текущото състояние на ТС; - избор /синтез на управленчески модел за преструктурира на и управление на ТС; предложената структура за организация на системата за управление на изпълнителната част на РМММ; разработената комутационна схема за управление на движенията на модулите и разработения подход за съставя на комутационна матрица за организация на работата и управлението на модулите за съответния компоновачен вариант на технологичната система. Петият етап Синтез на конструктивен модел съдържа БЗ за синтезира на варианти на РМММ и БД с основните параметри на хващащи механизми и графични структурни варианти за синтез на машини в зависимост от ви и броя на обработваните детайли, максималния брой на режещите инструменти при първоначално настройва на машината и мястото на тяхното разположение. Обобщеният алгоритъм за етапа е ден на фиг.6. Фиг.6 Алгоритъм за синтез на конструктивен модел на РМММ С практическа приложимост в този етап са резултатите, свързани със: предложената конструктивна схема на многооперационна металорежеща машина за механична обработка, изградена на модулен принцип с възможности за автоматично реконфигурира на структурата, комплексни функции и обработва както на РСД, 26
така и ПКД или комбинация между тях; укрупната схема на реконфигуриращ се многооперацион технологичен център, включваща АСУ, ИСи и ИС, както и предложените графични структурни варианти за синтез на машини в зависимост от ви и броя на обработваните детайли, максималния брой на режещите инструменти при първоначално настройва на машината и мястото на тяхното разположение (револверна /и глава /и или патронник). 3. ИЗВОДИ 1. Разработен е обобщен теоретичен метод за изграж на многооперационни металорежещи машини с реконфигурираща се структура за обработва на ротационно-симетрични и призматично-корпусни детайли (поотделно или в комбинация) и използвато на различни технологични операции - стругова, фрезова, свредлова, шлифова и др. Методът ва възможност за: a. модулно изграж, разделя на системата на подсистеми, нива на организация, избор на компоновка от множество алтернативни варианти, преходни състояния и др. на базата на принципите на селекционната организация на системите; b. прилага на основните принципи и функции на самоорганизация, за работа на реконфигуриращите се многооперационни металорежещи машини, работещи в интелигентна сре на организация, самоконтрол и взема на решения и управление на базата на минал опит; c. определя и дефинира на оптимален брой модули за компонова на реконфигуриращи се структури; d. дефинира на обобщени критерии за реконфигурира на технологичната система, което улеснява формализацията при избора на оптимален компоновачен вариант на машината; e. герира на рационални структури на технологични системи за изграж на многооперационни металорежещи машини за обработва на детайли от типа на РСД и/или ПКД в зависимост от ви и броя на обработваните детайли, максималния брой на режещите инструменти при първоначално настройва на машината и мястото на тяхното местоположение. 2. Предложеният метод за структурно изграж (функции и организация) на базата знания ва възможност за автоматично селектира на нни и натрупва на нова информация, както и взема взема на решения и управление на процеса на самореконфигурира на РМТС. 3. Резултат от приложението на мето е създената конструктивна схема на автоматизирана многооперационна технологична система с комплексни функции [1]. ЛИТЕРАТУРА [1] Гергов, С. Многооперационная технологическая система с комплексными функциями, реконфигурирующеься структурой, высокой степенью интеграций и елементами самоорганизации, Proceedings V International Congress Computer Science for Design and Technology, 5-7 Oct., 2005, Stankin, Moscow, Russia, стр. 31-36 [2] Beard, T. Feature New Turning Centre Design Aims at Maximum Turning and Milling Rates, Mazak s MMS Online TM, 2005, http://www.mmsonline. com/articles/ 070406.html [3] Guergov, S. Mathematical Modelling of a Flexible Multifunctional Manufacturing System for Mechanical Treatment, Proceedings: 2 nd International Conference on Manufacturing Engineering (ICMEN), Kassandra-Ihalkidiki, Greece, October 5-7, 2005, pp. 781-790 [4] Koepfer, C. Rapid Traverse One Stop Milling, Drilling, Turning and Grinding, Mazak s MMS Online TM, 2005, http://www.mmsonline. com/articles/ 1201rt2.html 27
[5] Koren, Y., G. Ulson. Vision, Principles and Impact of Reconfigurable Manufacturing Systems, Powertrain International, 2002, pp. 14-21 [6] Koren, Y., Heisel, U., Jovane, F., Moriwaki, T., Pritschow, G., Ulsoy, G., and Van Brussel, H. Reconfigurable Manufacturing Systems, Annals of the CIRP, 1999, Vol. 48/2, pp. 527 540 [7] Koren, Y., S. Hu, T. Weber. Impact of Manufacturing System Configuration on Performance, Annals of the CIRP, Vol. 47/1, 1998, pp. 369-372 [8] Kota, S. Design of Reconfigurable Machine Tools, Proc. 32 nd CIRP Intl. Seminar on Manufacturing Systems, May, Leuven, Belgium, 1999, pp. 297-303 [9] Kusiak, A., D. W. He. Design for Agile Assembly: An Operational Perspective, International Journal of Production Research, Vol.35, No.1, 1997, pp.157-178 [10] Mehrabi, M., A. Ulsoy, Y. Koren. Reconfigurable Manufacturing Systems: Key to Future Manufacturing, J. of Intelligent Manufacturing, Vol. 11, 4, 2000, pp. 403-419 [11] National Research Council (NRC). Visionary Manufacturing Challenges for 2020, National Academy Press, Washington, D.C.,1998 [12] Noaker, P. M. The Search for Agile Manufacturing, Manufacturing Engineering, Vol. 13, 1994, pp. 40-43 [13] Shaw, R. Better Production - Manufacturer Takes Innovative Approach to Advanced Manufacturing Processes, Mazak s MMS Online TM, 2005, http://www.mmsonline. com/articles/ 0500bp4.html [14] Sheridan, J. H. Agile Manufacturing: Step Beyond Lean Manufacturing, Industry Week, 1993, pp. 30-46 28