Информационное обеспечение технологических процессов

Информационное обеспечение разработки новой продукции,
проведения технологических процессов и
создания наилучших условий эксплуатации изделий

Станислав РАДЧЕНКО

Великий китайский стратег и мыслитель древности, автор специальных трактатов и наставлений, посвященных искусству ведения группового и индивидуального боя, Сунь Цзы в V веке до н.э. писал: «Причиной победы просвещенного государя и мудрого генерала над противником всякий раз, как они предпринимают поход,» является наличие у них информации об этом противнике. «Кто – еще до сражения – побеждает предварительным расчетом, у того шансов много; кто – еще до сражения – не побеждает расчетом, у того шансов мало».

Прошло 2500 лет. Необходимая информация о качестве, надежности и рынках сбыта произведенных товаров стала жизненно важной для передовых фирм мира в непрекращающейся ежедневной экономической борьбе за их продажу.

Качество продукции целесообразно закладывать на самых начальных стадиях ее изготовления, а именно – исследовании, проектировании и не позднее получения экспериментального образца.

Как отмечал авиаконструктор А.Н. Туполев: «Чем дальше от доски конструктора обнаруживается неисправность, тем дороже она обходится». Исправление ошибки на этапе исследования требует вдесятеро больше затрат при проектировании, в 100 раз – изготовлении экспериментального образца и 1000 и более раз при серийном выпуске. Поэтому современные принципы обеспечения качества продукции предусматривают проведение основных действий по достижению качества – 75% на этих начальных этапах. Показательно, что на контроль производственных процессов американские специалисты затрачивают 20% усилий и только 5% – на приемку готового изделия; а в Японии на приемку изделия затрачивают лишь 1%.

Даже крупнейшие фирмы мира не гарантированы от ошибок в исследованиях и возможного скрытого брака разрабатываемой продукции.

Знаменитая ошибка FDIV устройства вычислений с плавающей запятой чипа Pentium в ноябре 1994 г. обошлась фирме Intel почти в 500 млн долларов. Фирма «Ниссан» отозвала 1,1 млн своих автомобилей разных моделей, выпущенных с октября 1989 г. по март 1994 г., для замены дефектных конденсаторов, способных вызвать пожар. Как сообщило агентство АП, эта акция обойдется компании в 57 млн долларов.

Компания Toshiba решила выплатить по судебному иску компенсацию в $2,1 млрд за то, что в поставляемых ею ПК-блокнотах конструкция контроллерных чипов, производимых NEC и Intel, оказалась с дефектом. Дефект проявляется в том, что в совершенно произвольный момент времени может произойти порча информации, причем пользователь даже не может определить, какой именно файл изменился.

Создать новые наукоемкие изделия, современные (высокие) технологии, определить наилучшие условия эксплуатации изделий, экономить живой труд, энергоносители, сырье позволяет использование информационных технологий. Они позволяют:

• прогнозировать возможный сбыт продукции;
• позиционировать (определять место) на рынке изделий и конкурентов;
• сводить к возможному минимуму потребление вещественных, энергетических, пространственных, временных и других физических ресурсов;
• создавать наукоемкие и многофункциональные изделия, современные технологии;
• находить оптимальные режимы эксплуатации изделий в меняющихся условиях.

Такие проблемы решают разработанные в Национальном техническом университете Украины «Киевский политехнический институт» информационные технологии прогнозирования поведения объекта или процесса от многих причин и поиска наилучших (оптимальных) условий работы оборудования, технологических процессов, инструментов.

В частности отработано решение следующих групп задач:

• разработка новых и повышение качества изготовляемых строительных материалов: бетонов, смесей, плиток, рулонных покрытий и др.;
• поиск наилучших размерно-геометрических характеристик и критериев качества машин, технического оборудования и процессов;
• достижение наилучших показателей качества, уменьшение затрат сырья, материалов, энергии, повышение производительности труда при разработке новых и совершенствовании существующих технологических процессов;
• уменьшение затрат трудовых, материальных, энергетических ресурсов и средств на проведение работ при испытании новой техники;
• диагностика действующих систем, объектов, технологических процессов;
• аттестация контрольно-измерительных приборов и информационно-измерительных систем;
• обработка и статистический анализ результатов измерений, построение математических моделей многофакторных градуировочных графиков;
• минимизация погрешностей измерений путем исключения из конечных результатов различных систематических и переменных систематических погрешностей, возникающих при исследовании сложных характеристик машин, систем, объектов, процессов;
• оптимизация и математическое моделирование в системах автоматизированного проектирования и управления (САПР, АСУ).

Разработанные на основе наших методов технологии и инструменты позволяют обеспечивать высокое качество обработки, экономию расходных материалов, повышение технико-экономических показателей производственного процесса при изготовлении деталей, а также повысить эксплуатационные характеристики изделий (ресурс работы, экономичность, безотказность и др.).

Возможности разработанной нами информационной технологии видны на примере создания технологического процесса антифрикционно-деформационного хонингования гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания СМД-60. По сравнению с традиционным алмазным плосковершинным хонингованием удалось:

• повысить задиростойкость поверхностей в 8...10 раз;
• уменьшить величину коэффициента трения на 50...70%;
• сократить время приработки поверхности в 3...4 раза;
• уменьшить интенсивность износа поверхностей в 5...6 раз.

Ходовые испытания двигателей ЗМЗ-53, ЗМЗ-24-01, МТ10-36 с гильзами, обработанными антифрикционно-деформационным хонингованием в оптимальных режимах, полученных с помощью наших технологий, показали следующие результаты:

• ресурс работы деталей цилиндро-поршневой группы повысился в 1,9...5 раз;
• приработка в паре «поршневое кольцо–гильза» ускорилась вдвое;
• расход топлива на 100 км сократился на 0,4...0,5 л и масла на 30...40 см³.

Новые технологии, инструмент и оснастка для алмазно-абразивной обработки позволяют улучшить существующие процессы и технологии обработки изделий, организовать новые участки и рабочие места на крупных и малых предприятиях. Кроме того, их можно использовать взамен зарубежных аналогов при обработке следующих материалов:

• строительных материалов, стекла, хрусталя;
• природного камня различной прочности и других хрупких материалов;
• стали и чугуна различной твердости;
• твердых сплавов на основе вольфрама, кобальта, титана и др.;
• меди, алюминия, никеля и других цветных металлов;
• покрытий на основе алюминия, титана, хрома, никеля, вольфрама и др.

Инструмент, оснастка и технологии для алмазно-абразивной обработки предлагаются комплексно или раздельно, методически или с практическим изготовлением и внедрением в производстве.

Разработанные технологические процессы и инструменты были внедрены в производство на нескольких заводах Украины и России и дали значительный экономический эффект.

Существенные возможности в прогнозировании, управлении и совершенствовании различных систем открывает и использование многофакторных математических моделей, которые тоже созданы нами. Они могут быть применены для повышения качества выпускаемой продукции, сокращения потребления сырья, энергоносителей, производственных площадей, рабочего времени и создания системных ресурсов – функциональных, оптимизационных, целевых.

Программный продукт OptimeChoice позволяет автоматизировать решение задачи многокритериального сравнения с целью ранжирования сравниваемых между собой объектов. Возможны введение весовых коэффициентов по каждому критерию, выбор наилучшего объекта с учетом значимости критериев, моделирование повышения качества объекта с учетом затрат на изменение критериев качества.

Использование микропроцессоров и микро-ЭВМ для управления разнообразными техническими, технологическими системами и их оптимизация становится возможным, если их основные условия работы связаны с критериями функционирования многофакторными математическими моделями.

С целью получения указанных моделей, проведения многокритериальной оптимизации, вычислительного эксперимента с моделями разработано программное средство «Планирование, регрессия и анализ моделей» (ПС ПРИАМ). Его можно использовать для поиска наилучших конструкций, технологии изготовления, проведения испытаний, эксплуатации оборудования. ПС ПРИАМ представляет собой высокоэффективную технологию проведения сложных экспериментов, обработки, анализа и интерпретации их результатов. С ним могут работать даже не специалисты в области прикладной статистики, программирования. По мнению экспертов, ПС ПРИАМ имеет преимущества по сравнению с аналогичными пакетами ПНП БИМ, BMDP, ППСА, ОТСЕВ, Statgraphics, SPSS. На Первом украинском конкурсе программных продуктов в 1993 г. он получил диплом и работает во многих организациях Украины и России.

Огромны возможности информационного обеспечения технологических процессов и средств измерений путем математического моделирования погрешностей обработки и измерений с последующей их коррекцией.

Обеспечение высокого качества продукции, проведения измерений традиционно достигается за счет физических принципов на основе конструкторских и технологических решений. А повышение качества обработки обычно связано с использованием высокоточного оборудования, многооперационных технологических процессов, созданием и поддерживанием специальных (стандартных) условий внешней среды. Но многооперационная последовательная стратегия достижения высокого качества снижает производительность и увеличивает себестоимость обработки и, тем самым, ухудшает конкурентоспособность изготавливаемых изделий. Необходимое качество обычно создается без анализа и учета систематических и переменных систематических погрешностей обработки, которые возникают вследствие влияния, так называемых, неуправляемых факторов: изменения характеристик обрабатываемого сырья, условий внешней среды, изменяющихся в процессе эксплуатации свойств технологического оборудования и других причин. Возникающие при этом изменения критериев качества выпускаемой продукции, ухудшение точности измерений приводят к ухудшению качества и, как следствие, требуют средств на исправление и доработку. Такая продукция становится не конкурентоспособной.

Объединение физических и информационных принципов в единую интегральную систему позволяет принципиально по-новому решать старые проблемы. Сочетание информационного математического моделирования, микросхемы и физических свойств различных систем создает их новое качество – интеллектуальность. Это может принципиально изменить свойства, надежность и качество различных систем: технических, технологических, измерительных и даже материаловедческих.

Новый процесс быстрой зарядки аккумуляторов, разработанный американской компанией Advanced Charger Technology, позволяет более чем вдвое сократить время подзарядки для большинства используемых в аккумуляторах электрохимических схем. Используется 8-разрядный микроконтроллер от Microchip Technology. Компактная управляющая программа, размещенная во встроенной памяти микросхемы, адаптивно подстраивает параметры процесса зарядки с учетом величины тока, температуры и степени заряженности батарей. Срок годности никель-кадмиевых элементов при использовании новой технологии увеличивается почти в три раза.

Компания PowerSmart проводит исследования по созданию «интеллектуального» аккумулятора. Определяется состояние аккумулятора и 34 параметра контроля его показателей и условий работы. Специальная микросхема, разработанная для аккумулятора, будет предсказывать оставшуюся емкость с точностью до 1%.

В области материаловедческих систем разработана краска, способная чувствовать вибрации и посылать электрические сигналы, предупреждающие о возможных структурных повреждениях. Xerox в три раза повысила надежность металлических балок, установив в них микроскопические датчики и преобразователи. Как только балка подвергается большим нагрузкам, команды, направленные на противодействие этим нагрузкам, передаются с помощью компьютера на преобразователи – активные строительные элементы. Это поможет построить сооружения, устойчивые к землетрясениям. Инертные материалы уступают место материаловедческой системе с кибернетикой и математическими моделями.

Примером существенного повышения точности при взвешивании на цифровых весах является разработка лаборатории экспериментально–статистических методов исследований: моделирование влияния «мешающих» факторов – температуры внешней среды и изменения напряжения автономного источника питания емкостного датчика весов. Первоначальная модель была принята линейной. Средняя относительная погрешность составляла 0,5%. Учет в математической модели различных переменных систематических погрешностей позволил повысить точность измерений по критерию средней абсолютной погрешности в 13,3 раза и по критерию среднеквадратичной погрешности в 11,2 раза. Точность весов была повышена на несколько классов без стабилизации внешних условий.

Другая задача, решенная лабораторией экспериментально-статистических методов исследований – системный учет и комплексная оптимизация конструкторских факторов спиральных монолитных твердосплавных сверл (СМТС), технологии их изготовления, упрочнения, эксплуатации и восстановления (всего 20 факторов) дали возможность одновременно повысить ресурс работы сверла в 5...6 раз, производительность сверления печатных плат довести до 100...150 ходов/мин и гарантировать (100%) на последующей операции металлизации стенок отверстий сплошной плотный мелкокристаллический слой химически осажденной меди без разрывов и царапин. Работоспособность СМТС была повышена до 32 погонных метра. При работе на станках с ЧПУ группой сверл необходимо уменьшить общую длину просверленных отверстий до 20...22 м.

Работа была внедрена на производственном объединении им. С.П. Королева и в лаборатории твердосплавного инструмента после чего налажен выпуск СМТС по усовершенствованной технологии.

Информационная технология проведения наукоемких исследований успешно использовалась для решения широкого круга задач более чем в 25 организациях стран СНГ с большим экономическим эффектом: в целом на один затраченный рубль было получено 2,82 руб. прибыли.

Своим партнерам мы предлагаем:

• Поставку разработанных технологий, инструментов и оснастки для алмазно-абразивной обработки.
• Решение сложных исследовательских и диссертационных задач.
• Поставку программного обеспечения, которое поддерживает информационную технологию решения задач и не требует специальных знаний от пользователя.
• Обучение специалистов предприятий или организаций методам, которые дают возможность эффективно решать задачи указанных классов.
• Лекции для студентов старших курсов, магистров, аспирантов и преподавателей по указанной выше тематике.

Источники информации:

1. Радченко С.Г. Математическое моделирование технологических процессов в машиностроении. – К.:ЗАО «Укрспецмонтажпроект», 1998.
2. Радченко С.Г., Лапач С.Н. Универсальная высокая технология решения разнообразных научных, технических, технологических задач // Высокие технологии: моделирование, оптимизация, диагностика: Международный научно-технический семинар «Интерпартнер – 95». 27 сентября – 2 октября 1995 г. – Харьков – ХГПУ – Алушта, 1995.
3. Радченко С.Г. Системное ресурсное обеспечение создания наукоемких изделий и высоких технологий // Вестник Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт». Машиностроение. Вып. 32. – К.: НТУУ «КПИ». – 1997.
4. Радченко С.Г. Принцип информационной коррекции переменных систематических ошибок технологических и измерительных систем // Вестник Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт». Машиностроение. Вып. 33. – К.: НТУУ «КПИ». – 1998.
5. Радченко С.Г., Бабич П.Н. Информационная коррекция переменных систематических погрешностей средств измерений и измерительных информационных систем. // Радиоэлектроника и информатика. – 1999. – №3.
6. Радченко С.Г. Моделирование и оптимизация конструкции и технологии изготовления спиральных монолитных твердосплавных сверл // Надежность режущего инструмента и оптимизация технологических систем. Сб. статей. В 2-х т. Т1. / Предс. редсовета Г.Л. Хает. – Краматорск: ДГМА, 1997.
7. Оптимизация технологических условий сварки полиэтиленовых труб / С.Г. Радченко, Ю.С. Бурбело, Э.В. Котенко, С.Н. Лапач, Ю.А. Сидоренко, В.С. Лищинский // Пластические массы. – 1988. – №9.
8. Многофакторная математическая модель термонапряженной электроизоляции / М.Е. Иерусалимов, С.А. Соколовский, С.Г. Радченко, Ю.В. Романенко, С.Н. Лапач // Электричество. – 1991. – №8.
9. Радченко С.Г., Лапач С.Н. Высокая технология совершенствования выпускаемой продукции // Жизнь и компьютер: Первый Всесоюз. науч.-практ. семинар по автоматизации инж. труда, 19...25 нояб. 1990 г. – Харьков, 1990.

Дата публикации:

5 августа 2000 года