Основы Мехатроники
 Скачать 1.08 Mb.
|
1 2 Кафедра: Кибернетики и Робототехники Курсовая работа На тему: Основы Мехатроники Ростов-на-Дону 2007г. Содержание Введение 1. Жизненный цикл мехатронной системы. Основы построения жизненного цикла мехатронной системы. Теоретические осоновы проектирования мехатронных систем Модели жизненного цикла мехатронной системы 2. Основные идеи CALS-технологии. 2.1 Пример задачи, решаемой при помощи CALS-технологий Заключение Список использованных источников Введение Концепция управления жизненным циклом изделия ProductLifecycleManagement, PLM, представляет собой часть бизнес-стратегии, которая подразумевает определенную последовательность бизнес-решений, направленных на поддержку коллективной работы по созданию, распространению, использованию информации о изделии, а также управлению ею. Наиболее целесообразно разрабатывать подобные системы для изделий, жизненный цикл которых превышает 5 лет. Для управления жизненным циклом своих изделий PLM-системы внедряют такие корпорации, как Boeing, Ericsson, Ford, General Motors, Samsung, Sony, Toyota, Volvo, Audi, Fiat, Hewlett-Packard, Hyundai и т.д. В России внедрение PLM систем произведено на предприятиях: АвтоВАЗ, Уралвагонзавод, Коломенский завод, РПО "Искра", ММПП "Салют", "Техприбор", "Лукойл", "Североникель", МГТС и Мосэнергопроект. Внедрение систем управления жизненным циклом позволяет предприятиям существенно сократить сроки проектирования и производства изделия, сроки подготовки производства, быстрее проводить изменения, сократить сроки создания опытных образцов и уменьшить сроки согласования с заказчиком. Крупными представителями готовых PLM решений на российском рынке являются ЛОЦМАН:PLM, PTC Windchill, SAPmySAP PLM и ENOVIAVPMIBM. Однако они характеризуются высокой стоимостью, развитой функциональностью и отсутствием ориентации на конкретный продукт. Поэтому наиболее оптимальным вариантом для предприятий, разрабатывающих изделия специального назначения, считается разработка уникальной системы под конкретные требования жизненного цикла. Специфика данной продукции предполагает одновременную работу над проектом нескольких десятков сотрудников и параллельную проработку нескольких версий продукта. Производство на предприятии изделий специального назначения ведет к повышению ответственности каждого сотрудника за качество своей работы. Необходимы механизмы четкого отслеживания каждого этапа жизненного цикла изделия. 1 Жизненный цикл мехатронной системы Основы построения жизненного цикла мехатронной системы Проект мехатронной системы – это совокупность технических документов, по которым она может изготавливаться и эксплуатироваться. Проект может быть выполнен традиционно на бумаге или на электронных носителях информации. Состав технической документации регламентирован стандартами. В нашей стране они объединены в единую систему конструкторской документации (ЕСКД), а состав программной документации (ее часто выделяют из технической документации) – в единую систему программной документации (ЕСПД). В техническую документацию входят схемная, конструкторская, монтажная, текстовая, технологическая и эксплуатационная документации. Этапы проектирования и всего жизненного цикла созданного изделия: - разработка технического задания; - предварительное проектирование; - эскизное проектирование; - техническое проектирование; - производство; - эксплуатация. Рассмотрим содержание этих этапов. Первый этап. Техническое задание на проектирование мехатронной системы. Техническое задание является основанием для проектирования. Оно составляется разработчиком на основе исходных данных, предоставленных заказчиком и содержащих прежде всего основные технические требования к создаваемому изделию. Техническое задание утверждается заказчиком при согласующей подписи разработчика. Состав технического задания: - основание для разработки (приказ вышестоящей организации, совместное решение с заказчиком и т.п.); - область применения создаваемой мехатронной системы; - технические требования к мехатронной системе или тактико-технические требования для военной техники (охватывают габариты, массу, точность, надежность, энергопотребление и т.д.); - условия эксплуатации (режим и продолжительность эксплуатации, климатические условия, механические и другие внешние воздействия, условия хранения и транспортировки, требования к обслуживанию и ремонту и т.д.); - стоимость; -условия производства; - сроки и стоимость разработки; - возможные особые условия производства и эксплуатации. Важной частью технических требований является установление перечня (номенклатуры) технико-экономических и тактико-эксплуатационных показателей, характеризующих технический уровень подлежащего разработке мехатронной системы, и их численные значения. В дальнейшем в ходе проектирования именно на основе этих показателей формируются критерии качества, используемые на различных этапах проектирования. Существует теория обоснования и измерения этих показателей и критериев качества техники – квалиметрия. От качества технического задания существенно зависит результат проектирования. Составление технического задания – это всегда результат компромисса между заказчиком и разработчиком, цели которых во многом далеко не идентичны. Иногда этап разработки технического задания называют этапом поискового проектирования и трактуется как первая часть НИР. Второй этап Предварительное проектирование. Этот этап разработки является основной частью НИР. Все последующие этапы относятся уже к ОКР. Результаты предварительного проектирования оформляются в виде технического предложения или аванпроекта. На этом этапе производится: - выбор прототипов и их сравнительный анализ с определением плюсов, которые, очевидно, следует по крайней мере сохранить, и минусов, которые надо преодолеть; - выбор (синтез) возможных вариантов разрабатываемой мехатронной системы, включая принцип действия, структуру (состав), основные технические средства ее реализации, элементную базу; - сравнительный анализ основных характеристик этих вариантов и отбор из них нескольких (в пределе одного) рабочих вариантов, подлежащих дальнейшей разработке; - выбор методов проектирования. Третий этап. Эскизное проектирование. Назначение этого этапа –детальная проработка возможностей создания мехатронной системы, удовлетворяющего техническое задание. На этом этапе производится выбор окончательного варианта разрабатываемой мехатронной системы путем многократного их синтеза и анализа с постепенным уменьшением вариантов и увеличением глубины проработки. Результатом этого этапа является эскизный проект, в который входят: - пояснительная записка, включающая, в частности, теоретическое и расчетное исследование, результаты математического и, если необходимо, физического моделирования; - эскизная техническая документация на мехатронную систему; - общее заключение о его соответствии техническому заданию, т.е. о реальности выполнения последнего. Эскизная документация – это временная документация, предназначенная для изготовления лабораторных и экспериментальных образцов или его отдельных частей, требующих экспериментального исследования. На этапе эскизного проектирования для таких испытаний часто требуется создавать еще и специальные испытательные стенды и другую аппаратуру. Иногда это может представить не меньшую трудность, чем создание самой системы. Часто на этапе эскизного проектирования требуется также создавать габаритно-массовые и тепловые макеты будущей мехатронной системы для испытаний на объекте заказчика, в состав которого будет входить проектируемая система. Эскизный проект защищается разработчиком перед заказчиком и утверждается им (или возвращается на доработку). Предварительно он направляется к заказчику для изучения и выдачи замечаний. При утверждении эскизного проекта в случае необходимости на основании содержащихся в нем материалов может быть откорректировано (уточнено) техническое задание. Четвёртый этап. Техническое проектирование. Оно осуществляется на основании эскизного проекта и материалов его защиты, включая замечания заказчика и возможные изменения технического задания. Результат этапа технического проектирования – комплект технической документации на мехатронную систему, включая конструкторскую, программную, технологическую и эксплуатационную. В конструкторскую документацию входят: - схемы структурные, функциональные, электрические, монтажные, подключения и расположения; - графические документы в виде чертежей общего вида, габаритных, сборочных, узлов и деталей; - текстовая документация: общие технические условия , частные технические условия, техническое описание. В программную документацию согласно ЕСПД входят текст и описание программ, описание применения, руководства оператора и системного программиста и т.д. Технологическая документация включает технологические инструкции, технологические (маршрутные) карты, чертежи на техническую оснастку и приспособления. Эта документация разрабатывается применительно к конкретному производству с учетом его возможностей и особенностей. Это должно учитываться, разумеется, и при разработке конструкторской документации. В эксплуатационную документацию (по ГОСТ 2.601-95) входят руководство по эксплуатации, инструкция по монтажу, пуску и т.п., формуляр, паспорт, ведомость ЗИП – запасных частей, инструмента и приспособлений. Руководство по эксплуатации включает описание мехатронной системы и её использование по назначению, техническое обслуживание, текущий ремонт, правила хранения и транспортировки и т.п. В общем случае в этом этапе различают два самостоятельных этапа – разработку технического проекта по эскизному проекту и разработку рабочего проекта по техническому проекту. В последний и входит вся перечисленная выше рабочая документация. Не останавливаясь на этапах производства и эксплуатации, рассмотрим особенно важную для разработчика проблему испытаний. Различают следующие виды испытаний: - Лабораторные испытания. Они проводятся на всех этапах проектирования причем в более жестких условиях и в большем диапазоне изменений внешних воздействий, чем те, что указаны в техническом задании. - Совместные испытания. Они проводятся, как следует из их названия, разработчиком и заказчиком совместно обычно в объеме лабораторных испытаний с тем, чтобы определить запасы по сравнению с требованиями, указанными в этих документах. (Перед этим разработчик проводит свои лабораторные испытания в более широких пределах изменения варьируемых параметров, чтобы получить уверенность в положительных результатах предстоящих совместных испытаний.) - Приемно-сдаточные испытания. Проводятся при производстве на соответствие ТУ. - Натурные испытания. Эти испытания проводятся как до сдачи мехатронной системы в производство и в эксплуатацию, и максимально приближены к реальным условиям работы при комплексном воздействии большинства реальных возмущений. - Выборочные (типовые) испытания. Эти испытания проводятся для уточнения результатов предыдущих испытаний опытных образцов и для оценки их надежности. В ходе производства и эксплуатации мехатронной системы накапливаются статистические данные, на основании анализа которых осуществляется корректировка технической документации. Этот процесс идет все время пока мехатронная система производится и позволяет окончательно «довести», а затем постоянно улучшать её технический уровень, в том числе с учетом возможных изменений требований потребителей. Таким образом процесс создания мехатронной системы продолжается в течение всего времени её производства. На рисунке 1 приведена типовая структура всего процесса проектирования.  Рисунок 1 - Структура процесса проектирования. Наряду с рассмотренными выше последовательными этапами этот процесс «запараллеливается» путем декомпозиции общей задачи на частные задачи, которые можно решить параллельно. При этом структура решения каждой такой частной задачи в свою очередь содержит все перечисленные выше типовые этапы проектирования. Эти частные задачи решаются по частным техническим заданиям отдельными коллективами специалистов (группы, лаборатории, отделы, специализированные организации) под общим руководством руководителя всего проекта (главный или генеральный конструктор, технический руководитель). Процесс проектирования наряду с последовательно-параллельной структурой имеет обратные связи, являясь итеративными, т.е. с неоднократным уточненным повторением уже пройденных этапов. К таким обратным связям относятся, в частности, и упомянутые выше корректировки технической документации по результатам испытаний и эксплуатации. Проектирование новой мехатронной системы – это всегда противоречивая задача для разработчика: с одной стороны, существует естественное стремление использовать все последние достижения науки и техники в данной области, а с другой этому препятствуют многочисленные ограничения по срокам, стоимости, материальным ресурсам и др., оговоренные в техническом задании и еще реально существующие вне их. Выход здесь один – это компромисс в виде оптимальной преемственности с ранее созданными подобными системами и их компонентами. Основным средством для этого является, как известно, унификация. Иногда в техническом прямо оговаривается степень (процент) унификации. Что касается творческой части проекта, то она заключается в изобретательстве, т.е. в предложении и использовании новых технических идей – способов и устройств для более эффективного решения стоящих инженерных задач. Хотя изобретательство как всякий творческий процесс не поддается формализации, однако общий порядок и отдельные этапы этого процесса могут быть формализованы, что существенно повышает его эффективность. Общий порядок изобретательства можно представить так: - определение к какому роду мехатронная система относится подлежащее созданию новая система (индукция) и построение обобщенной модели систем этого рода; - выделение из этого рода прототипов того же или близкого назначения и анализ их достоинств и недостатков; - собственно изобретение – поиск новых вариантов искомого (дедукция); - сравнительный анализ этих вариантов и прототипов и формулировка новизны окончательного решения рассматриваемой технической проблемы. Хотя творческий процесс идет подсознательно, можно назвать следующие три типа интуитивного мышления, часто отмечаемые крупными проектантами-практиками: 1. Формирование мехатронных систем с требуемыми новыми свойствами на основе комбинаций известных решений. 2. Поиск нужных идей на основе ассоциаций в окружающем мире, включая живой, т.е. использование решений, существующих в других известных сферах. 3. Создание на основе воображения и фантазии идеализированных образцов желаемых систем и нахождение путей их реализации. Изобретения могут иметь различную степень новизны, различный уровень от усовершенствования известного прототипа до новой идеи и открытия. Последнее уже выходит за рамки инженерного творчества и относится к творчеству научному. Между научным и инженерным творчеством, как уже упоминалось, имеется принципиальное различие. В науке – это открытия новых фактов и закономерностей, а в инженерно-технической области – это создание на основе этих закономерностей новых образцов техники. Правда, нередко при этом получаются и новые научные данные вплоть до открытий. Наиболее часто это происходит при создании принципиально новых видов техники, что сами по себе должно рассматриваться как научная деятельность, поскольку такие разработки не могут полностью базироваться на научно обоснованных методах расчетов, конструирования и т.д. 1.2 Теоретические основы проектирования мехатронных систем С позиций кибернетики и прежде всего теории управления проектирование можно рассматривать как процесс управления и соответствующую ему систему управления. Такой системный подход к проектированию технических систем предложено было даже назвать «инженерной кибернетикой». Для теоретического осмысления процесса проектирования и разработки на этой основе инженерных методов проектирования технических систем могут быть применены математический аппарат и методология этих наук: математическое моделирование, методы оптимизации решений, методы управления и исследования больших систем. Действительно, как можно видеть из рисунке 1, система проектирования может рассматриваться как система управления с общей и местными обратными связями, параллельными прямыми каналами и несколькими иерархическими уровнями. Модель такой системы может быть в простейшем случае детерминированной и даже одноконтурной и стационарной, а может быть сетевой, вероятностной, теоретико-игровой, информационной, эвристической. Сетевые модели, в частности, широко используется для планирования процесса проектирования во времени. Основа сетевых моделей (сетевых графиков) – теория графов. Сетевые модели удобны для оптимизации процесса проектирования (путем сокращения критического, т.е. наиболее длинного пути и выравнивания длин всех параллельных путей). Основные принципы такой оптимизации: распараллеливание работ, распределение ресурсов между ними в пользу критических путей, организационные и технологические изменения работ с целью сокращения их длительности. В информационных моделях процесс проектирования трактуется как процесс переработки информации. В основе эвристических моделей лежат неформализуемые эвристические методы и приемы. Наиболее важная задача при разработке модели системы проектирования – разбиение ее на части, образующие структурную схему системы проектирования. Здесь необходим системный подход к создаваемой мехатронной системе. Прежде всего анализируются все внешние связи и формализуются в виде входных и выходных воздействий, как положено в теории автоматического управления. Затем выделяются функциональные части с учетом их взаимодействия. В результате составляется структурная схема системы проектирования, включающая все её части и все перечисленные выше этапы процесса проектирования. Следующая задача – разработка алгоритма процесса проектирования, соответствующего структуре схеме проектирования. Как говорилось выше, этот алгоритм будет обязательно интерактивным. На каждом шаге итерации разработчик ищет возможно наиболее совершенное решение, постепенно уточняя и усложняя задачу. В начале он работает в рамках содержания технической задачи, а заканчивает наиболее полным представлением о модели создаваемой системы в виде рабочего проекта. Следующая задача процесса проектирования – разработка укрупненного плана решения задачи в виде последовательности действий (этапов) от технической задачи до готового проекта, то есть разработка стратегии проектирования. Для каждого такого действия должна быть выбрана методика. В результате стратегия проектирования представляется в виде совокупности последовательно применяемых методик. Существует пять основных типов стратегий: линейная, циклическая, разветвленная, адаптивная и случайная. Линейная стратегия состоит из цепочки последовательных действий (этапов), каждое из которых зависит только от результата предыдущего действия и не зависит от последующих. Это наиболее простая стратегия, соответствующая одноконтурной структуре системы проектирования без обратных связей. Циклическая стратегия реализует итеративный процесс синтеза, когда после получения результатов очередного действия осуществляется возврат к одному из предыдущих действий и его уточненное повторение. В структуре системы проектирования этому соответствуют местные обратные связи. Это более сложная стратегия по сравнению с линейной. Наличие замкнутых контуров может создать для проектировщика «порочный круг», выход из которого потребует изменения самой структуры системы. Разветвленная стратегия включает параллельные и конкурирующие действия (этапы), то есть операции «и» и «или», по результатам которых производится изменение стратегии, т.е. структуры. Адаптивная стратегия предполагает определение сначала только первого действия, а выбор последующего осуществляется в зависимости от результата первого действия и т.д. Структура системы проектирования при такой стратегии является самоорганизующейся. Это наиболее совершенная, но и сложная стратегия. Ее недостаток – в непредсказуемости сроков и соответственно стоимости проекта. Случайная стратегия основана на случайном поиске решения и не имеет плана действий. Реальные стратегии проектирования и соответствующие им системы проектирования обычно представляют собой комбинацию перечисленных выше типовых стратегий и структур системы. На всех этапах проектирования частей системы разработчик обычно в разной последовательности выполняет следующие типовые процедуры: синтез, анализ, принятие решения, создание моделей. При этом на каждом последующем этапе эти процедуры уточняются и углубляются. Процедура синтеза – это формирование принципов действия и технических решений задачи. Анализ – это в данном случае, прежде всего проведение и оценка результатов математических и экспериментальных исследований. Принятие решения – типовая процедура при проектировании новой системы, заключающаяся в выборе наилучшего, неизбежно компромиссного решения из некоторого множества вариантов (альтернатив). Наилучшее решение – это решение оптимальное по определенным критериям качества в рамках заданных в техническом задании ограничений на характеристики. Как правило, критериев и ограничений несколько. Именно поэтому принятие решения – задача всегда компромиссная. Если варианты решения можно описать математически, появляется возможность формализовать задачу принятия решения на базе теории оптимизации и применения ЭВМ. Для этого используют известные методы оптимизации (поисковые, аналитические, численные, комбинаторные, теоретико-игровые, стохастические, эвристические). На практике часто возникает проблема оптимизации качественных характеристик. В этом случае, чтобы применить количественные методы оптимизации, необходимо предварительно решить задачу оценки этих характеристик. Для этого составляется множество допустимых оценок, а затем в его рамках определяется оценка каждого рассматриваемого объекта. Делается это с помощью опроса специалистов (экспертиза, анкетирование и т.п.) и специальной обработки результатов их оценок (например, методами математической статистики с использованием дисперсии оценок как меры согласованности мнений экспертов и т.п.). Разновидностью определения множества допустимых оценок является задача ранжирования. Здесь множество объектов упорядочивается в систему путем расстановки их по убыванию или возрастанию некоторого количественно неизмеряемого признака. Ранг объекта – это его место в этой последовательности. Существует ряд методов экспертных оценок: Дельфи, ПАТТЕРН, методы, основанные на теории нечетких множеств и др. Так, в методе Дельфи, разработанном в 1963 г. в корпорации РЭНД (Хелмером и Далки), используется идея обратной связи путем анонимного ознакомления экспертов с мнениями их коллег, высказанными на предыдущих турах опроса. По методу ПЕТТЕРН или прогнозного графа, разработанного той же фирмой, на основе экспертных оценок строится дерево решений как модели сложной сети взаимосвязей. После этого сложная задача разбивается на более простые подзадачи, каждая из которых отрабатывается на ЭВМ. Именно корпорация РЭНД ввела в 1948 году термин «системный анализ», под которым понимались методы исследования сложных систем, для которых формальные математические методы недостаточны и их необходимо дополнить эвристическими методами, основанными на интуиции и опыте. В дальнейшем понятие системный анализ приобрело более широкий смысл, охватив все и математические и эвристические методы, объединенные концепцией системного подхода к анализу и ориентированные прежде всего на сложные системы. Моделирование мехатронных систем – это основное средство как анализа, так и синтеза проектируемых систем. Существуют три основных типа моделей: эвристические, физические и математические. Эвристические модели формируются в воображении проектантов в виде совокупности некоторых образов и аналогий, выражающих проектные идеи общего образа будущей системы. Эвристические модели – это основа новых технических решений и постановки задач проектирования. Физическая модель может иметь ту же или другую физическую природу по сравнению с проектируемым изделием. В первом случае моделирование основано на теории подобия и заключается в изменении масштаба. Создание моделей другой физической природы чем у проектируемого изделия основано на понятии изоморфизма, то есть взаимном соответствии физически различных явлений, когда протекающие в них процессы имеют одинаковое математическое описание. Физическое моделирование особенно важно при рассмотрении процессов, которые недоступны для наблюдения или невоспроизводимы из-за масштабности, энергетики, продолжительности и т.п. При физическом моделировании достаточно сложных технических систем часто применяют оба типа моделей для различных частей системы – без изменения и с изменением физической природы. Математическое моделирование основано на математическом описании рассматриваемой системы, пригодном для её решения на современных ЭВМ, что и является её математической моделью. Каждый объект моделирования может иметь множество математических моделей, описывающих определенные свойства этого объекта. Существую три основных типа математических моделей, ориентированные на моделируемые объекты различной сложности: - аналитические; - имитационные; - семиотические. Аналитические модели применимы для достаточно простых объектов. Они основаны на математическом описании реальных физических процессов, происходящих в объекте. Адекватность модели объекту устанавливается сопоставлением ее с результатами экспериментального исследования объекта. Эта операция называется идентификацией и для нее разработаны соответствующие методики. Имитационные модели применяются для более сложных объектов, для которых отсутствует аналитическое их описание или оно слишком сложно для использования в ЭВМ. Имитационная модель адекватно описывает зависимость выходных переменных от входных, включая возмущения. При этом объект рассматривается как «черный ящик» с неизвестным принципом действия и структурой. Вариантом имитационной модели является ассоциативная модель, которая имитирует принцип действия мозга при формировании моделей объектов внешней среды путем обучения. Модель автоматически синтезируется в ассоциативном запоминающем устройстве в результате накопления в нем снимаемых с моделируемого реального объекта множества дискретных значений выходных реакций на конкретные входные воздействия. Такая ассоциативная модель позволяет выполнять интерполяцию и распознавать ситуацию на входе по неполному набору составляющих входного воздействия. Для технических систем с известной структурой имитационные модели составляются для отдельных ее частей. Если для некоторых из этих частей возможно получить аналитическую модель, в целом получится комбинированная имитационно-аналитическая модель системы. Семиотические модели применяются для наиболее сложных объектов, когда возможно только лингвистическое их описание. Для таких моделей необходимы специальные языки близкие к естественному, но допускающие их использование в ЭВМ. Семиотические модели создаются на основе экспертных оценок, по которым составляется таблица соответствий выходных реакций системы и возможных ситуаций (состояние системы, входные воздействия). По существу, здесь тот же подход к моделируемому объекту как к «черному ящику», что и при имитационном моделировании, однако вместо математического используется лингвистическое описание. Семиотическое моделирование основано на методах искусственного интеллекта и воспроизводит процессы в мозгу человека поформированию моделей объектов внешней среды при ее изучении и выработке поведенческих реакций на внешние ситуации. Поэтому семиотические модели можно даже выделить из математических моделей в отдельный тип моделей. Математическое моделирование вместе с натурными экспериментами на макетах, а затем и образцах создаваемого изделия –основной арсенал средств на всех этапах проектирования. Наиболее эффективно их комплексное применение, которое позволяет получить результаты недостижимые для каждого из этих средств в отдельности. 1 2 |