Введение к работе
Актуальность темы. Одним из эффективных решений автоматизации мелкосерийного производства является создание гибких производственных систем из станков с ЧПУ, которое предусматривает изменение характера труда и повышение производительности.
ГПС появились сравнительно недавно и требуют решения ряда задач по повышению эффективности их эксплуатации, в частности связанных с использованием инструмента. Поскольку время безотказной работы режущего инструмента (РИ) составляет несколько минут и отказы инструментов существенно сказываются на эффективности ГПС, совершенствование автоматизированной системы инструментального обеспечения (ЛСИО) является актуальной задачей.
В работе рассматриваются ГПС из многоинструментных станков для производства корпусных деталей широкой номенклатуры.
Целью работы является повышение эффективности ГПС путем автоматизации технологической подготовки производства на основе информационного обеспечения АСИО.
Научная новизна. Сформулированы основные эксплуатационные критерии и разработана методика проектирования комплекта режущего инструмента, а также информационное обеспечение, необходимое для эксплуатации АСИО, включающее зависимости параметров распределения стойкости РИ от скорости резания, модель влияния качества РИ и условий эксплуатации на стабильность процесса резания, систему кодирования РИ и базу инструментальных данных для использования в автоматизированной системе подготовки управляющих программ.
Практическая ценность. Автоматизированная разработка комплекта РИ позволяет установить его оптимальный состав и значительно сократить сроки производства. Полученный набор РИ, стабильно применяемых в обработке корпусных деталей средних размеров из серого чугуна, служит основой для формирования комплектов поставки РИ со станками соответствующей группы.
Полученные зависимости параметров распределения времени безотказной работы от скорости резания позволяют назначать режимы резания для основных типоразмеров РИ с учетом вероятностного характера их стойкости.
Использование влияния точности РИ на их надежность устанав-
ливает необходимость организации входного контроля и область его приненения.
Созданные система кодирования и база инструментальных данных
необходимы для функционирования автоматизированной системы подго
товки УП. .
Реализация результатов работы. Методика проектирования комплекта РИ, система кодирования и база инструментальных данных использованы при создании АСК-10 и ГПС "Жальгирис" на станкоинстру-ментальном заводе ''Жальгирис" в г. Вильнюс и ЛЭМЗ в г. Москва.
Апробация работы и публикации.Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференции молодых ученых и специалистов в ЭНИМСе (198а и 1982 гг), на X научно-технической конференции инструментальщиков. Урала "Механизация ручных работ и трудоемких технологических процессов в инструментальном производстве" в г.Перми (1985 г.), на сенинаре "Системы автоматизированного проектирования ГАП" в г. Киеве (1985 г.) и на Всесоюзной научно-технической конференции "Разработка и промышленная реализация новых механических и физико-технических методов обработки" в МВТУ им.Н.Э.Баумана (1988 г).
По материалам диссертации опубликовано 8 работ и получено 2 авторских свидетельства.
Объем работы. Диссертация содержит введение . и 5 разделов (82 страницы машинописного текста), 61 рисунок, 31 таблицу, список литературы из 127 наикенований и 5 приложений на 60 страницах.
' СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении обоснована актуальность темы, перечислены задачи эффективной эксплуатации инструмента в условиях ГПС, изложены основные положения, которые выносятся на защиту, и результаты работы.
В первом разделе дается анализ особенностей эксплуатации инструмента на "ГПС, рассматривается роль инструментального обеспечения в системе подготовки прои-зводства. отмечается, что раэли- чия в структуре ГПС не вызывают качественных изменений в структуре инструментального обеспечения, что с усложнением ГПС значение всех его звеньев возрастает. Описываются пути повышения эффективности использования инструмента, определяются задачи исследования.
Основными направлениями повышения производительности и эффективности является применение инструментов прогрессивных коне-
трукций, повышение их надежности, достигаемое рациональным сочетанием нагрузочного, временного и структурного резервирования, а также стабилизацией режущих свойств инструмента. Использование универсальной инструментальной системы обеспечивает быструв адаптацию к изменяющимся условиям резания в условиях многономенклатурного производства.
Вопросы эксплуатации инструмента на станках с ЧПУ и ГПС решаются в работах П.Н.Белянина, В.Н.Васильева, В.С.Васильева, А.Р.Маслова, Н.Г.Наянзина, В.И.Островского, Н.И.Пасько, М.А.Эс-терзона и в других работах. Здесь рассматриваются вопросы формирования многоинструментных наладок, оптимального размещения инструментов в магазине станка, контроль РИ; приводятся результаты исследования и унификации элементов вспомогательного инструмента (ВИ), формулируются предложения по эксплуатации инструмента и организаций инструментального хозяйства.
Анализ выполненных теоретических и исследовательских работ и. путей повышения эффективности обработки на ГПС позволил сформулировать задачи, решение которых необходимо для реализации поставленной цели работы:
-
Разработка рекомендаций по обеспечению адаптации РИ к изменяющимся условиям производства и принципов проектирования комплекта инструмента как инструментальной системы.
-
Разработка и реализация методики автоматизированного проектирования комплекта РИ (номенклатуры и количества инструментов) .
-
Повышение надежности многоинструментных наладок путем назначения режимов резания с учетом вероятностного характера стойкости РИ на основе информации о законе ее распределения.
-
Повышение надежности РИ на примере сверл путем повышения их точности.
-
Создание системы информационного обеспечения АСИО, включая базу инструментальных данных и систему кодирования инструмента.
Во втором разделе описана система технологической подготовки производства (АСТПП), основанная на применении универсальных конструктивно-технологических циклов и системы подготовки УП, используемых для решения задач в данной работе, и определена информация для функционирования АСТПП и АСИО. Представлена разработан-
пая и реализованная в условиях АСК-10 система кодирования инструмента и база инструментальных данных.
В России и за рубежом создано большое количество АСТПП: SAP, ЕСПС-ТАУ, ХАРТ, AUTOPROG и др., различающихся степень» автоматизации, принципом подготовки техпроцесса, гибкостью и стоимостью разработки. В условиях рассматриваемого производства для обработки корпусных деталей применяется достаточно универсальная и высокоавтоматизированная система подготовки управляющих программ СПУП-АСК, разработанная в ЭНИМСе (программное обеспечение - Ada-bas, язык программирования - PL).
В основу системы положен поэлементный принцип разработки техпроцессов. В связи с отим подготовлены конструктивно-технологическая классификация деталей и унифицированные циклы обработки (УКТЦ). Простой УКТЦ разбит на четыре подцикла: I - Быбор инструмента, G - выбор траектории перемещения, R - определение режимов резания, Т - назначение технологических и вспомогательных команд.
Техпроцесс обработки 95% деталей может быть составлен из структурных элементов классификации.
Для преобразования, выдачи и хранения информации в АСТПП, в АСИО необходимы коды инструмента. Кодированием общей информации и разработкой технологических средств для ее адресования и идентификации объектов занимается ряд отечественных организаций и зарубежных фирм. Разработка смыслового кодирования возлагается, как правило, на потребителя, и потому для данного производства имеется необходимость создания соответствующей системы.
Принципы построения универсальной системы кодирования должны обеспечивать кодирование широкой номенклатуры инструмента, требуемую информативность и возможность расширения разрядности кодов.
Кодированию подлежат конструктивные признаки, размерные и геометрические параметры, отличающие данный инструмент. Анализ применяющихся в ГПС инструментальных блоков показал, что число входящих в каждую компоновку элементов не более четырех. Анализ номенклатуры инструментов показал, что для обозначения типоразмера РИ, обрабатывающего одну группу материалов, достаточно трех разрядов кода, его геометрии - двух разрядов, для обозначения ВИ -двух и.конуса шпинделя - одного разряда. Тогда полный код инструмента насчитывает 12 разрядов, из которых пять приходится на РИ и семь - на сборку ВИ. Первый знак кода РИ устанавливается анало-
гично типажному обозначению станков. При отсутствии какой-либо составляющей компоновки на ее месте в коде ставятся нули.
Пример кода сверла спирального d=10 ми средней серии из быстрорежущей стали в цанговом патроне - 23110600015, при этом код сверла - 23110600000, цангового патрона - 00000600015.
Отличительным признаком специального инструмента является наличие буквенного символа в коде: А701110000000.
Для функционирования АСТПП разработана база инструментальных данных, состоящая из анкет, представленных для групп однотипного инструмента. Они содержат информацию об инструменте в собранном виде и элементах сборки, по которой производится его выбор п под-цикле I: схему сборки, настроечные и размерные параметры, нормативные режимы резания и др. Данная АСТПП обеспечивает выбор заранее скомпонованного инструмента.
Для выдачи задания на подготовку инструмента разработаны операционные карты инструмента, заполняемые вручную или ЭВМ.
Разработанные система кодирования и база инструментальных данных имеют возможность расширения. Системы внедрены їм АСК-10 завода "Жальгирис" и использованы при проектировании ГПС "Жальги-рис". Состав документации признан минимальным и достаточным для эксплуатации.
Третий раздел посвящен разработке методики автоматизированного проектирования комплекта РИ на основе рекомендаций по адаптации РИ к изменяющимся условиям производства.
Опыт разработки и эксплуатации комплекта РИ на ряде автоматизированных производств показал, что разработка комплекта требует больших затрат времени и что его состав, определяемый путем суммирования наборов РИ, предназначенных для обработки деталей-представителей или конкретных деталей, не является оптимальным. Необходимая методика проектирования комплекта РИ для ГПС отсутствует.
В результате проведенных исследований установлено, что при разработке комплекта РИ с целью обеспечения автоматизации технологической подготовки, его адаптации к изменяющимся условиям производства и снижения затрат на инструмент необходимо соблюдение принципов, обеспечивающих однозначность выбора РИ из комплектов в наладки, универсальность входящих РИ и минимизацию состава комплекта .
Средства достижения однозначности выбора РИ рассмотрены в разделе 2. Универсальность и минимизация состава достигаются соз-
данием универсальной инструментальной системы (УИС).
Выделяются три основных этапа разработки УИС: получение исходных данных, определение управляющих параметров и возможных путей адаптации, выбор оптимального варианта адаптации. В качестве управляющих параметров принимаются размерные и геометрические параметры и элементы РИ, их точность, материал режущей части. В связи с этйн можно выделить три направления унификации: размерная, типовая и модификационная. В каждом из этих направлений задача адаптации РИ может быть решена как регулированием и изменением некоторых параметров (параметрическая адаптация), так и заменой элементов (структурная адаптация). Выбор наилучшего варианта адаптации заключается в оптимизации управляющих параметров РИ. В данной работе решаются вопросы получения оптимального размерного ряда с целью параметрической адаптации РИ.
Анализ эксплуатации РИ в обработке 97 деталей-представителей на шести станкостроительных заводах показал, что частость применения соответствующих типоразмеров не подчиняется известным законам распределения. В связи с этим в работе обосновано разделение комплекта на две части: постоянную - со стабильно используемым РИ, и переменную - с реже используемым РИ.
В соответствии с разработанной методикой номенклатура постоянной части устанавливается на основе статистических данных. Здесь используется зависимость:'
и . С"д - n rain
Р = 1 - ,
где Р *-. вероятность наличия РИ в комплекте: М - количество деталей, определяющих серийность производства; пд - объем выборки деталей-представителей; nmln- минимальная частость применения РИ.
Суть расчета заключается в определении nmln. Например, для
иелко-серийного производства со средним значением М=15 и вероятностью Р = 0,9, nmin = 13. Постоянная часть комплекта (для указанных условий) включает в себя следующие инструменты:
сверла 00 5,0; 6,0; 6,7; 7,8; 8,0; 8,5; 9,0; 9,8; 10,0; 10,2; 11,0; 12,0; 13,0; 14,0; 17,0; 18,0; 20,0; 22,0; 30,0 мм;
развертки 00 10,0; 12,0; 20,0; 30,0 мм;
цековки 00 14,0; 17,0 им;
торцовые фрезы 00 100; 125; 160 им; концевые фрезы 00 32,0; 40,0; 50,0 мм; метчики: Мб; Н8; М10; Ml 2; Ml б мл;
резцы расточные державочные 8x8; 10x10; 12x12; 16x16; 20x20мм. Длины режущей части и конструктивные исполнения инструментов приняты в соответствии с УКТЦ.
На основе статистических данных определено количество перечисленных инструментов.
В состав переменной части комплекта входят РИ, в том числе и специальные, количество типоразмеров которых необходимо минимизировать. Минимизация возможна путем замены "мерного" РИ "немерным", фасонного - простым с усложнением рабочих движений и т.д. В связи с этим разработаны таблицы заменяющих переходов и РИ для случая обработки отверстий.
Целесообразность замени оценивается сравнением суммы затрат на приобретение и эксплуатацию РИ для рассматриваемых вариантов. .
Количество РИ переменной части определяется традиционным путем. Для практической реализации методики разработан алгоритм автоматизированного формирования переменной части комплекта.
Методика дает возможность определения годовой потребности РИ на стадии проектирования ГПС на основе статистических- данных о загрузке и составе иногоинструнентных наладок. Теоретические положения проверены при работе АСК-10. Расчеты показали, что в этих условиях для шести иногоинструнентных станков на год эксплуатации необходимо иметь 1050 сверл, 320 разверток, 50 торцовых и 400 концевых фрез, 800 метчиков и 1000 резцов.
Анализ инструментальных систем показал, что быстросменные режущие части инструментов в большой степени способствуют гибкости комплекта. Существенным резервом повышения способности инструмента к адаптации в изменяющихся условиях производства является подсистема корпусных и присоединительных частей сборных инструментов, в качестве которых можно рассматривать систему ВИ. На основе проведенного анализа ножно сделать вывод о том, что требованиям обеспечения.гибкости, универсальности и унификации инструмента в большей степени удовлетворяет модульная инструментальная система, создание которой является перспективной задачей.
В четвертой разделе представлены материалы по разработке информационного обеспечения для расчета скоростей резания на основе
вероятностного представления стойкости, включающего зависимости параметров распределения стойкости от скорости резания для основных типоразмеров РИ; теоретическому обоснованию влияния точности размерных и геометрических параметров РИ на его надежность и производительность обработки.
Рекомендации по установлению режимов резания (РР) и способа замены инструмента в случае многоинструментной обработки в различных условиях производства имеются в работах А.П.Владзиевского, Ю.В.Барановского, Л.А.Брахмана, А.М.Гильмана, Б.И.Гордиенко, М.И.Клушина, М.А.Краплина, А.Д.Макарова, Н.И.Пасько, Г.И.Текчина, Ю.Б.Эрпшера, М.А.Эстерзона, А.О.Этин и в других работах. В большинстве их них учитывается стохастичность процесса резания. В данной работе устанавливаются зависимости параметров распределения от скорости резания с целью учета этого влияния при расчете скорости резания, обеспечивающей требуемую надежность РИ.
Анализ структуры наладок показал, что они отличаются по назначению и количеству входящих в них инструментов и что основными факторами, влияющими на их надежность, являются загруженность инструментов и наличие лимитирующих инструментов.
Для списания распределения стойкости выбирается закон Вей-булла-Гнеденко как наиболее универсальный. В соответствии с этим законом вероятность безотказной работы РИ определяется по формуле
Р = е -<1 'р>
где a, f> параметры распределения стойкости РИ, учитывающие совокупное влияние на нее различных факторов.
Для оценки надежности РИ используется комплексный показатель - коэффициент готовности Кг, среднее значение которого равно
кг = to / (Ц + ^вос)'
где t0 и tBOC - время участия РИ в резании и время восстановления при отказе.
Для расчета режимов резания по известным фсрмулаи в соответствии с имеющимися методиками необходимо наличие информации о надежности РИ. Определение параметров распределения стойкости (i, Р в данной работе производится на основе результатов наблюдений, проведенных в реальных производственных условиях, с использовани-
-li-
en метода оценки их по цснзурированным выборкам. Установлены зависимости параметров распределения от скорости резания для основных типоразмеров инструментов: сверл, торцовых и концевых фрез (рис.1).
4 0 V.H/МИН
20 40 V,M/MHH
Рис 1. Зависимость параметров распределения стойкости 0. , (І от скорости для сверла спирального (Р6М5) d=5 мм (1): ев рла спирального (Р6М5) 3=10,2 мм (2); сверла спирального (PGM5) d"25 мм (3); фрезы концевой <ВК6) d=40 мм (4); фрезы торцовой (ВК6) d=100 мм (5).
Оценка надежности РИ во времени производится по величине Kr. Приняв процесс эксплуатации РИ альтернирующим процессом восстановления, где распределение времени работоспособного состояния подчиняется закону Вейбулла-Гнеденко, а распределение времени восстановления - экспоненциальному, Kr(t) определится с помощью интегрального уравнения:
t Kr(t) = 1 - F(t) + /[l-P(x)] F(x) [l-F(t-x)] dx ,
0 где F(t) и P(t) - функция распределения времени безотказной
работы и вероятность безотказной работы РИ;
х - момент времени наступления отказа и восстановления РИ.
Для решения приведенного уравнения используется разложение в ряд Маклорена. Kr(t) рассчитан при значениях параметра распределения времени безотказной работы РИ О. - 1; 2; 3; 4 к времени его восстановления ЗЄ = 0,24. На рис. 2 представлена зависимость Кг от t при |5 = 10. . .50.
0,9
0,в
t,. мин
в процессе обработки при:
1)- а = 1, р = 10;
2)- а = 1, Р = 25;
3)- ОС = 1, р = 50;
. 4)- а = 2, Р = 10;
5)- С = 2, р = 25;
б)- (X = 2, Р = 50;
7)- й = 3, Р = 25;
8)- Й = 4, Р = 25.
В качестве выводов проведенных исследований следует заключение, что начальное время резания (до 3-х минут) РИ со значениями О > 1 и р > 25 отрабатывают с высокой вероятностью Кг > 0,97. В интервале t = 3...15 мин изменения Кг явно выражены и вызываются совокупным влиянием Ct, р. По наступлению стационарного состояния возможности РИ оцениваются средним значением Кг, которое изменяется от. 0,96 до 0,68 при рассмотренных значениях СС и (5 .'
Одним из путей повышения показателя надежности является повышение точности РИ.
Точность размерных и геометрических параметров PJ-I, достигаемая при изготовлении и последующих заточках, обеспечивает стабильность положения режущих кромок относительно детали, выравнивание их загрузки и стабилизацию стоГжрсти, что особо важно в условиях автоматизированной обработки. Фактические значения точностных параметров РИ, которые могут быть получены при входном контроле РИ, и оценка их влияния на РР дают дополнительную возможность управления надежностью РИ и производительностью обработки.
Однако введение входного контроля связано с дополнительными трудностями и затратами и целесообразно лишь для лимитирующих РИ. Таковыми часто являются сверла. Справедливость теоретических положений и целесообразность введения входного контроля рассматривается на примере спиральных сверл, наиболее представленных в наладке.
В работах Е.Д.Баклунова, Г.В.Бечина, Л.А.Брахмана, Г.И.Грановского, Н.М.Ереминой, П.Г.Кацева, А.Л.Котликовой и других авторов анализируется влияние различных параметров на стойкость сверл. Исходя, из этого анализа в данной работе влияние точности РИ на его надежность определяется с использованием показателя осевого биения режущих кромок сверла d--10,2 мм, на стойкость которого отклонения других параметров оказывают незначительное .влияние .
Проведенный расчет показал, что при V = 25 м/мин использование сверл с Діос до 0,1 мм позволит увеличить К,, на 10 % по сравнению с неконтролируемыми сверлами.
В пятом разделе установлена техническая эффективность разработки, проведен расчет экономической эффективности от использования методики проектирования комплекта РИ.
Для автоматизированного производства типа АСК-10 из шести многоинструментных станков экономическая эффективность составляет 131 тыс.руб.
От совместного использования описанной методики и системы информационного обеспечения экономическая эффективность составляет 167 тыс.руб., что подтверждается актом внедрения, полученным от завода "Жальгирис" и НПО ЭНИМС.