Использование методов квалиметрии и онтологии для оценки качества металлорежущего станка

УДК 004.827

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ КВАЛИМЕТРИИ И ОНТОЛОГИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО СТАНКА

1 2 С.С. Сосинская , Т.А. Гущенко

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрены методы квалиметрии и онтологии для оценки качества металлорежущих станков на основе их характеристик; выстроены иерархии этих характеристик; проанализированы общие свойства и различия этих методов. Предложенные методики могут использоваться для оценки как существующих на предприятии, так и приобретаемых станков. Ил. 6. Табл. 1. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: квалиметрия; онтология; металлорежущий станок; признак; иерархия; правило; оценка.

USE OF METHODS OF QUALIMETRY AND ONTOLOGY FOR THE EVALUATION OF METAL CUTTING MACHINE TOOL QUALITY

S.S. Sosinskaya, TA Gushchenko

National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.

The article examines the methods of qualimetry and ontology to evaluate the quality of metal cutting machine tools based on their characteristics. The authors build a hierarchy of these characteristics and analyze general features and differences between these methods. The proposed procedures can be used for the evaluation of machine tools both existent at the plant and being purchased. 6 figures. 1 table. 4 sources.

Key words: qualimetry; ontology; metal cutting machine tool; characteristic; hierarchy; rule; evaluation.

Качество работы металлорежущих станков зависит от многих признаков, которые могут быть объединены в иерархическую структуру. Для описания такой структуры предлагается применить два различных метода - онтологии и квалиметрии.

Как известно, онтология - это структурированное описание некоторой предметной области, которое включает в себя словарь терминов этой области и множество логических связей (типа «элемент -класс», «часть - целое»), которые описывают, как эти понятия соотносятся между собой.

Квалиметрия - наука о количественной оценке качества объекта, описываемого набором признаков. Эти признаки образуют иерархию, т.е. один из признаков нижележащего уровня содержит ряд признаков вышележащего уровня.

Оба эти метода не новы, их сближает выстраивание иерархии признаков для оценки состояния анализируемого объекта или группы объектов (в данном случае, металлорежущих станков). Но если метод квалиметрии разработан специально для оценки качества в численном выражении, что позволяет сравнивать между собой разные экземпляры объектов, то метод онтологии имеет более широкое применение, так как на основе выстроенной иерархии свойств можно получить ответы на различные запросы, связанные с ней.

Постановка задачи. Металлорежущий станок можно охарактеризовать большим количеством раз-

нообразных показателей, признаков, которые в той или иной степени влияют на его качество. Эти признаки можно выстроить в некоторую иерархию. Для оценки качества станка возможно применение метода ква-лиметрии (квалиметрической экспертизы) и метода онтологии, относящихся к методам искусственного интеллекта. Применение этих методов, на наш взгляд, может оказаться полезным как в процессе приобретения новых станков и выборе из нескольких альтернатив, так и при оценке существующего станочного парка и принятии решения о замене оборудования в целом или его узлов. В целях реализации указанных методов для описания группы признаков, выстраивания их иерархии предлагается использовать определенные программные средства.

Описание признаков станка, влияющих на оценку его качества. Показатель качества станка -это количественное выражение одного или нескольких свойств машины применительно к определённым условиям её создания и эксплуатации.

Для предварительной оценки качества станка и построения онтологии предлагается использовать следующие группы показателей, в каждую из которых входят определённые признаки: 1. Геометрическая и кинематическая точность: угол поворота шпиндельной головки; расстояние от торца шпинделя до рабочей поверхности;

расстояние от оси шпинделя до направляющих

1Сосинская Софья Семеновна, кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры технологии машиностроения, тел.: (3952) 405149; e-mail: sos@istu.edu

Sosinskaya Sophia, Candidate of technical sciences, Associate Professor, Professor of the chair of Technology of Mechanical Engineering, tel.: (3952) 405149; e-mail: sos@istu.edu 2Гущенко Татьяна Алексеевна, студентка; e-mail: gush@mail.ru Guschenko Tatiana, Student; e-mail: gush@mail.ru

станины;

перпендикулярность направления вертикального перемещения консоли рабочей поверхности;

перпендикулярность продольного перемещения стола;

радиальное биение конического отверстия шпинделя;

радиальное биение конического отверстия шпинделя у торца;

частота вращения шпинделя.

2. Статические качества:

прочность;

статическая жёсткость.

3. Динамические качества:

виброустойчивость; погрешность обработки; стойкость к тепловым воздействиям.

4. Надёжность и долговечность:

средняя безотказная наработка; средняя наработка до первого отказа; коэффициент готовности; гарантийный срок службы.

5. Показатели технологичности:

блочность;

материалоёмкость;

трудоёмкость.

6. Сохраняемость:

сопротивляемость коррозии;

износоустойчивость;

термостойкость;

стабильность рабочих процессов.

7. Экономичность:

удельная масса металла; удельный расход электроэнергии.

8. Эксплуатационные показатели:

безопасность;

производительность;

экологичность;

мощность привода подач;

мощность привода главного движения.

9. Эргономические показатели:

уровень звука;

корректировочный уровень звукового давления; октавный уровень звуковой мощности; октавный уровень звукового давления. Эта иерархия выстроена на основе использования подходов работы [4].

Рассмотрим группы показателей качества станка более подробно.

Геометрическая и кинематическая точность Точность станков регламентируется соответствующими государственными стандартами, согласно которым для каждого типа станка разработано определённое количество инструментальных проверок геометрической точности, проводимых в статическом состоянии. Допустимые значения зависят от класса точности станка. Станки со сложными формообразующими движениями, помимо геометрической точности, должны обладать кинематической точностью. Это точность сохранения заданных отношений скоростей движения исполнительных звеньев станка, участвую-

щих в создании какого-либо сложного формообразования.

Динамические качества

Работа станка сопровождается тепловыделением, вызываемым процессом резания и трением в механизмах. В результате теплового воздействия возникают тепловые деформации, отрицательно влияющие на работоспособность станка. Так, понижается защитная способность масляного слоя в трущихся поверхностях и, следовательно, увеличивается их износ или происходит заедание; изменяются зазоры в подвижных соединениях; нарушается точность обработки (например, в результате нагрева передней опоры шпинделя его ось может отклониться, что приведёт к снижению точности).

Виброустойчивость - способность конструкций работать в заданном диапазоне режимов обработки без недопустимых колебаний отдельных узлов и станка в целом. В связи с увеличением скоростей резания и быстрых ходов колебания становятся всё более опасными. В металлорежущем станке вибрации ухудшают качество обрабатываемой поверхности, уменьшают долговечность оборудования, ограничивают его технологические возможности.

Надёжность и долговечность

Проблема надёжности оборудования является одной из основных проблем в машиностроении. Свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение заданного промежутка времени, обусловленное безотказностью и долговечностью изделий, называется надёжностью.

Работоспособность - это состояние изделия, при котором оно способно выполнять свои функции, сохраняя значения заданных выходных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией.

Из-за недостаточной надёжности оборудования промышленность несёт огромные потери. Так, за весь период эксплуатации затраты на ремонт и техническое обслуживание станка в 8 раз превышают его первоначальную стоимость. Надёжность закладывается при проектировании станка и обеспечивается при его изготовлении. Надёжность зависит от качества изготовленных деталей, качества сборки узлов и станка в целом, методов контроля и испытания готовой продукции. Показатели безотказности и долговечности проявляются только при эксплуатации станка, зависят от качества его изготовления, условий эксплуатации, системы его ремонта и технического обслуживания, квалификации обслуживающего персонала.

Безотказность - это свойство изделия непрерывно сохранять свою работоспособность в течение заданного периода времени. Долговечность - свойство изделия сохранять свою работоспособность в течение гарантированного периода эксплуатации. При оценке надёжности изделия очень важны экономические показатели. Повышение безотказности и долговечности станков при их создании связано с дополнительными материальными затратами.

Показатели технологичности

Конструкция машины должна быть технологичной. Технологичность конструкции - совокупность свойств

конструкции изделия, обеспечивающих оптимальность затрат труда, средств, материалов и времени при технической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации. Различают производственную и эксплуатационную технологичность конструкции. К показателям технологичности относятся: трудоёмкость, материалоёмкость, энергоёмкость, степень стандартизации и унификации, блочность.

Экономичность

В число характеристик экономичности машины входят: показатели экономного использования эксплуатационных материалов (масел, рабочих и специальных жидкостей) и запасных частей; показатели экономической эффективности эксплуатации и затрат на эксплуатацию строительной машины.

Эксплуатационные показатели

Производительность - основной критерий количественной оценки станочного оборудования. Производительность станка характеризуется числом деталей, изготовленных на нём в единицу времени. Экологические показатели характеризуют уровень вредных воздействий работающей строительной машины на окружающую среду.

Эргономические показатели характеризуют качество системы «человек - машина -среда» и учитывают комплекс гигиенических, антропометрических, физиологических, психофизиологических и психологических свойств человека, проявляющихся в производственных механизированных процессах. Эти показатели охватывают всю область факторов, влияющих на работающего человека и эксплуатируемую машину.

Предлагаемая иерархия скорее всего нуждается в уточнении и не может считаться окончательной.

Онтология и используемое программное средство. Онтология - целостная структурная спецификация некоторой предметной области, её формализованное представление, которое включает словарь терминов предметной области и логические выражения, описывающие, как они соотносятся друг с другом. Современные онтологии строятся, по большей части, одинаково, независимо от языка написания. Обычно они состоят из понятий, атрибутов, экземпляров и отношений.

Понятия - это абстрактные группы, коллекции или

наборы объектов. Они могут включать другие понятия. Объекты в онтологии могут иметь атрибуты. Каждый атрибут имеет, по крайней мере, имя и значение и используется для хранения информации, которая специфична для объекта и привязана к нему. Экземпляры - это основные компоненты онтологии нижнего уровня. Экземпляры представляют собой конкретных представителей понятий. Отношения между понятиями - это зависимости одних понятий от других

Онтологические системы строятся на основе следующих принципов:

• формализации, т. е. описания объективных элементов действительности в единых, строго определённых терминах;

• использования ограниченного количества базовых терминов, на основе которых конструируются все остальные понятия;

• внутренней полноты и логической непротиворечивости.

В настоящее время разработано много программных систем для описания онтологий. В данной работе использован программный комплекс OntoStudio [1].

OntoStudio был разработан фирмой Ontoprise GmbH в 2007 году как профессиональная среда для решений, базирующихся на онтологиях. Она объединяет уникальный набор средств моделирования описания онтологий и правил с компонентами для интеграции гетерогенных источников данных. Благодаря модульной структуре OntoStudio может быть настроен на нужды конкретного пользователя. В качестве языка онтологий OntoStudio поддерживает F-Logic для разработки правил и запросов. Впрочем, запросы в обновлённой версии системы можно разрабатывать визуально.

В разработанную онтологию включены: базовые понятия, описывающие различные типы станков; группы показателей; показатели, по которым будет оцениваться уровень качества станка; оценки, характеризующие количественную оценку показателей станков; проверки, определяющие характеристики проведённых испытаний, и эксперты, проводившие диагностику качества станка (рис. 1).

>mywoffc

Ц

• _j Concepts

фГрупгъгтозатета ф Сцену «^Проверки фСтаим ф Эксперты

л; IiiK.iui i c.iи оценки качества станка

Рис. 1. Понятия модели

Рис. 2. Атрибуты и отношения объекта «Проверка»

Созданные понятия наполняются атрибутами, отражающими их внутреннюю структуру. Каждый атрибут имеет имя и значение, уникальное для каждого экземпляра. Например, понятие «Оценка» имеет числовые атрибуты «Верхняя граница» и «Нижняя граница», понятие «Проверка» имеет атрибут «Факт, оценка» для указания значения признака, оценённого экспертом, а понятие «Показатели оценки качества станка» имеет атрибут «Средняя оценка», который будет вычисляться в ходе выполнения запросов или правил онтологии.

Для установления связей между понятиями вводятся отношения. Отношением является атрибут, значением которого является другое понятие. Например, понятие «Проверка» связано с понятием «Показатели

оценки качества станка», с понятием «Эксперты» и с понятием «Станок» (рис. 2).

Это означает, что экземпляры понятия «Проверка» будут содержать информацию о том, какой показатель оценивается, каким экспертом и для какого станка. Аналогично объект «Показатели оценки качества станка» имеет отношение «Группа показателей».

Понятия «Группы показателей» и «Показатели оценки качества станка» имеют экземпляры, соответствующие вышеприведенной иерархии.

Для проверки построенной онтологии на компетентность было создано несколько запросов, которые логически следуют из структуры предложенной онтологии.

Приведём примеры запросов:

Concept: Туре:

V 1

"http : //www, NewOnto 1, org #"# 'Проверки '

Show Attribute факт.оценка

Restriction

Restriction

и v

Relation Range

Оцениваемый показатель Оцениваемый станок Оценщик

Related concepts

показатели оценки качества станка

'Станки'

'Эксперты'

Рис. 3. Запрос 1

Проверка Ивановым виброустамвость Оми' ' ТпНр .№нО|К:о 1 .огд #" ^Т/Ьа-юв"

Т)мве(Жй Иванова пфпегдо^ л.^ стола1 гТ1йр 1 .огд #" #

Проверка Петровым гф^тмного срои службы1 «ОгЛо 1 .огд #" ^Петроб1

Проверка Сидоровым бгсчюти очи' Проверка Поповьнрадтного Едамя конического отверстия шпмделя'

Рис. 4. Результаты запроса 1

1. Какие проверки выполняли определённые эксперты (рис. 3, 4)?

2. Какие показатели превышают норму (у определённого станка)?

3. По каким показателям годен определённый станок?

Построенная онтология обладает способностью к расширению как за счёт изменения иерархии понятий, так и за счёт включения в неё кроме экземпляров, играющих роль фактов, правил на языке, формируемых визуально и пополняющих базу знаний, которой является онтология. В частности, с помощью правила можно получить усреднённые значения показателей, измеренные разными способами, и итоговую оценку качества станка.

Квалиметрия: метод и используемое программное средство

Квалиметрия представляет собой науку о количественной оценке качества объекта, описываемого набором признаков, которые образуют иерархию, строящуюся снизу вверх. Подобная иерархия образует расчётную модель объекта. Построение расчётной модели - сложный неформальный процесс, требующий работы группы исследователей в конкретной предметной области [2].

Решение квалиметрических задач для каждого исследуемого объекта силами квалифицированных экспертов сводится к тому, что качество объекта в целом оценивают одним-единственным числом. При этом

Станки

существенно упрощаются выводы и заключения о качестве исследуемого объекта.

Существуют морфологические и функциональные расчётные модели оценок.

Морфологическая модель - это расчётная модель оценки объекта, представленная в виде графа структурных элементов объекта. Функциональной является расчётная модель оценки объекта, представленная в виде графа функциональных показателей объекта в целом. Были построены морфологическая и функциональная модели для металлорежущих станков.

Привод станка включает 9 групп показателей, которые, в свою очередь, подразделя-ются на более мелкие составляющие. Эти группы оцениваются своими интегральными оценками качества, но являются менее сложными техническими системами, состоящими из элементов второго, более детального уровня обобщений, и т.д.

Построение квалиметрической расчётной модели проводилось с помощью программы «Квалиметриче-ская экспертиза» [3]. Эта программа является оболочкой, которая настраивается на определённую систему показателей любой предметной области. Она позволяет формировать базу данных расчётных схем, информации об экспертах и результатах квалиметриче-ской экспертизы и рассчитывать интегральные оценки как по уровням, так и по всей системе показателей.

На рис. 5 представлена часть морфологической

- О Коробки скоростей На основе множительных передал С составной структурой

С многоскоростными электроДБНгагтелями _ С бесступенчатым регулированием

- О Шпиндельные узлы

8 Подшипники скольжения Подшипнике кйчйшя Корпусов детали

Корпуса коробок сгоростей и подач Поддерживающие корпусные детали Планшайбы н поворотные ¿годы Столы

Суппорты и ползуто

- С^) Направляющие Качения Скольжения

8Елй кр^оеог-олеижетя Л ля прямолинейного движения

- О Механизмы перемещения рабочих органов

- В оэвратно-поступательнык перемещений Обеспечиблощие постоянней скорость Обвсгигмвачшие определений закон движения Для мэпых перемещений

- Круговых н к.риволмнейньн< перемещений Механизмы периодического поворота Червячные пары де лит е льны:-: цепей Копировальные и пактограФические

- О Механизмы управления и блокировки Механизмы управления Механизмы блокировки

I ) гчаи ¿8

8

Рис. 5. Морфологическая расчётная модель оценки качества станка

Ставки

- Геометрическая к кинематическая точность Угол поворота шпиндельной голоеки Расстояние от торца шпинделя до поьерхчости Перпендикулярность вертикального перемещения Перпендикулярность продольного перемещения Радиальное быежне Радиальное бнете у торца Частота вращения шпинделя

- О Статические качества Прорость

Статическая жесткость

- ф Динамические качества ВиброустоАчивость Погрешность обработки

СТОЙКОСТЬ К ТеПЛОБЫМ ЕОЗДеЙСТЕИ»1

- ф Надежность и долговечность Гарент^ный еро* слушйы Коэффициент готовности Средняя безотказная наработка Средняя наработка до гереого отказа

^ (3 Показатели технологичности Материалоемкость Бледность Трудоемкость Сокраняемость Термостойкость Износоустойчивость Сопротивляемость коррозии Стабильность рабочих процессов

- Экономичность

ф Удельная масса металла

Рис. 6. Функциональная расчётная модель оценки качества станка

системы показателей, построенной с помощью названной программы.

Функциональная модель построена в соответствии с той же системой показателей качества, которые были выбраны для онтологии. Часть иерархии этих показателей представлена на рис. 6.

Области практического применения предлагаемых методов. Оценка качества металлорежущих станков может найти применение при покупке новых станков и выборе наиболее подходящего станка из группы подобных по наивысшей оценке критерия качества, который определён методом квалиметриче-ской экспертизы, и может быть перенесён в метод онтологии при выполнении соответствующего запроса. Предлагаемые методы также могут найти применение при оценке качества уже существующих на предприятии станков и при решении вопроса о замене устаревшего оборудования по результатам оценки его технического состояния.

Пример использования предлагаемых методов. При описании онтологии рассматривался экземпляр объекта «Станки» - станок 6Р13. В экспертизе принимали участие шесть специалистов в области эксплуатации металлорежущих станков - представители вузов, эксплуатационных и ремонтных предпри-

ятий Иркутского авиационного завода, использовавшие как собственный опыт, так и последние мировые достижения в данном вопросе.

Коэффициенты весомости свойств первого уровня детализации приведены в таблице.

Коэффициенты весомости функциональных

Наименование свойства Коэффициент весомости мости

Стандартизированность 0,01

Унифицированность 0,01

Эстетичность 0,02

Эргономичность 0,04

Технологичность 0,05

Экологичность 0,11

Экономичность 0,14

Надёжность и долговечность 0,14

Безопасность 0,15

Геометрическая и кинематическая точность 0,33

Итого: 1,00

Затем экспертами оценивалось качество станка по указанным свойствам, вычислялась интегральная оценка качества станка по формуле:

Q = П Q

где - оценка ]-го свойства, во - вес ¡-го признака.

Таким образом, оба метода использовались для решения одной задачи - оценка качества станка, описываемого набором признаков. Однако для применения одного из методов необходимо как можно более точно и детально классифицировать и структурировать признаки, влияющие на качество станка. Квали-метрия - это математический метод, дающий итоговую оценку качества станка через оценки различных признаков. Этим метод квалиметрии и исчерпывается. Онтология - это логический подход к описанию структуры признаков, представляющийся более универсальным: дополняя построенную онтологию различными правилами, можно получить новые знания, например, другие оценки качества или логические закономерности .

Но интерфейс программы «Квалиметрическая экспертиза» более понятен обычному пользователю, в то время как онтология и, в частности, программа Оп-ЬБШСю рассчитаны на специалиста, владеющего логическим подходом к описанию структуры.

Описание отдельных свойств имеется в различных литературных источниках. Но построение иерархической структуры признаков металлорежущего станка выполнено нами впервые. Это описание, возможно, будет впоследствии дополнено и переработано. Также впервые рассмотрены в сопоставлении онтологический и квалиметрический подходы применительно к металлорежущим станкам. Совместное применение этих методологий позволит наиболее глубоко оценить роль различных признаков в определении качества станков и, в конечном итоге, послужит решению глобальной задачи - повысить эффективность эксплуатации оборудования при изготовлении деталей и всего изделия.

Библиографический список

1. OntoStudio 2.0 Update 2. User_Manual © Copyright - 2007 ontoprise GmbH

2. Владимирцев А.В., Маругин В.М. Курс лекций, практических занятий, контрольных и лабораторных работ по квали-метрической экспертизе вариантов: учебник для участников курсовых семинаров, проводимых Учебно-методическим центром «Регистр-Консалтинг». СПб: Ассоциация по сертификации «Русский Регистр», 2005. 294 с.

3. Власов В.Я., Маругин В.М., Сосинская С.С., Франк-Каменецкая О. В. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2007611712 «Программная система автоматизации квалиметрической экспертизы» в Санкт-Петербургском государственном университете, 2007.

4. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: справочник-учебник / под общ. ред. А.С. Проникова. в 3 т. М.: Изд-во МГТУ им. И.Э. Баумана, 1994. 444 с.