Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проектирование и оптимизация единичных технологических процессов механической обработки (литературный обзор и постановка задачи научного исследования) 8
1.1. Общие сведения об оптимизации процессов механической обработки 8
1.2. Проектные задачи структурного синтеза процессов механической обработки 19
1.3. Принципы и последовательность решения проектных задач в системах формального проектирования 23
1.4. Выводы по литературному обзору. Постановка задачи научного исследования 29
Глава 2. Методика определения оптимального объема механической обработки 32
2.1. Проектирование планов обработки поверхностей 32
2.2. Определение оптимальных планов обработки по технико-экономическим критериям 39
2.3. Особенности определения объема черновой обработки 46
Выводы .51
Глава 3. Экспериментальное исследование влияния технологических факторов на трудоемкость обработки 52
3.1. Анализ априорной информации о трудоемкости выполнения технологических переходов 52
3.2. Методика проведения экспериментальных исследовании 57
3.3. Обработка и анализ результатов экспериментальных исследований 65
Выводы 74
Глава 4. Информационное и алгоритмическое обеспечение проектных задач синтеза единичных технологических процессов 75
4.1. Информационное обеспечение проектных процедур выбора технологического оборудования 75
4.2. Информационное и алгоритмическое обеспечение процедур проектирования планов обработки поверхностей 81
4.3. Об эффективности применения композитов в осложненных технологических условиях 91
4.4. Параметрическая оптимизация процессов точения прерывистых поверхностей композитом 96
Выводы 102
Глава 5. Описание программного обеспечения для практической реализации результатов исследований 103
Общие выводы и рекомендации 110
Список литературы 112
Приложения 127
- Проектные задачи структурного синтеза процессов механической обработки
- Определение оптимальных планов обработки по технико-экономическим критериям
- Обработка и анализ результатов экспериментальных исследований
- Информационное и алгоритмическое обеспечение процедур проектирования планов обработки поверхностей
Введение к работе
Возможности применения унифицированных технологических процессов, в условиях широкой и часто меняющейся номенклатуры деталей высокой сложности ограничены, вследствие значительного различия технологических признаков большинства из них.
Подробная разработка единичных технологических процессов на небольшие партии деталей трудоемка, а укрупненная проработка только маршрута изготовления для конструктивно и технологически сложных деталей, часто приводит к необходимости выполнения незапланированного объема работ, а иногда и браку, что отрицательно сказывается на технико-экономических показателях процессов.
Разработке средств для автоматизации решения проектных задач структурного синтеза единичных технологий препятствует низкий уровень их формализации, обусловленный недостаточным исследованием в этой области. Этот факт подтверждает и то, что подавляющее большинство существующих САПР ориентированы на разработку унифицированных технологий. В связи с чем актуальны теоретические исследования в области формального представления проектных задач структурного синтеза единичных технологических процессов.
Из проектных задач структурного синтеза, в большей степени влияющих на технико-экономические показатели разрабатываемых технологических процессов, можно выделить задачи, связанные с определением объема обработки -совокупности всех технологических переходов и методов их реализации. Указанные задачи определены как основные и оптимизация решений этих задач представляет практический интерес, поскольку способствует повышению эффективности производства без значительных материальных затрат. Научная новизна работы:
1. Впервые разработана методика проектирования оптимального объема механической обработки, учитывающая технологические особенности реализации возможных методов обработки поверхностей.
Разработанные модели и алгоритмы оптимального решения проектных задач полностью формализованы, что обуславливает возможность их применения в условиях автоматизированного проектирования.
Получены новые сведения о количественных закономерностях формирования планов обработки наружных цилиндрических поверхностей.
Автор защищает:
Методику, модели и алгоритмы проектирования оптимального объема механической обработки.
Результаты экспериментальных исследований количественных закономерностей формирования планов обработки цилиндрических поверхностей».
Результаты промышленного применения методики решения основных проектных задач структурного синтеза в условиях единичного и мелкосерийного производства деталей класса «Валы».
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах: Международной научной конференции «Новые идеи — новому тысячелетию» (Чита 2001); Международной научно-практической конференции «Технические науки, технологии и экономика» (Чита 2001); VI Международной научной конференции «Талант и труд молодых - родному Забайкалью»; Международной научной конференции «XXVIII Гага-ринские чтения» (Москва 2002); 2-Й Межрегиональной научно-практической конференции «Технические науки, технологии и экономика» (Чита 2002); VII Международной научной конференции «Молодежь Забайкалья: интеллект и здоровье» (Чита 2003); Всероссийской выставке - ярмарке НИР (Новочеркасск 2003).
Законченная работа обсуждена и одобрена на расширенном заседании кафедры «Технология машиностроения» ЧитГУ и научном семинаре кафедры «Технология машиностроения» ГОУВПО «КнАГТУ». Материалы работы отражены в 11 публикациях - докладах и тезисах научно-практических конференций.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в возможности применения разработанной методики оптимального решения основных проектных задач структурного синтеза в системах автоматизированного и неавтоматизированного проектирования единичных технологий изготовления деталей класса «Валы».
Суммарный экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы на машиностроительных предприятиях Забайкальского региона, за счет повышения технико-экономических показателей проектируемых технологий изготовления деталей составил более 45 тысяч рублей в ценах 2003 - 2004 гг.
Диссертационная работа выполнена в рамках региональной программы восстановления промышленного потенциала Забайкалья. Она является составной частью научного направления «Комплексное обеспечение качества продукции машиностроительного назначения Забайкальского региона».
Проектные задачи структурного синтеза процессов механической обработки
В процессе проектирования выделяют задачи структурного и параметрического синтеза. В сфере структурного синтеза решаются проектные задачи, в результате которых создается структура технологического процесса. К таким задачам относятся: определение методов обработки поверхностей; проектирование планов обработки поверхностей; деление процесса на стадии; формирование вариантов схем базирования; определение последовательности обработки поверхностей; формирование технологических операций; определение порядка выполнения операций.
В сфере параметрического синтеза проводится анализ свойств технологической системы и режимы ее работы. То есть, такое сочетание управляемых и неуправляемых факторов, при котором будут надежно обеспечиваться параметры целей (функциональных задач) технологических процессов [57, 58].
При неавтоматизированном проектировании постановка и решение задач структурного синтеза базируется на достаточно развитой содержательной части теории технологии машиностроения [18, 53, 55, 59, 78, 79, ПО], интуиции и опыте проектировщика. Оптимизация проектного решения, в данном случае, сводится к выбору предпочтительного варианта из нескольких, на основе сравнения. В этой связи, корректнее говорить о рациональном решении, удовлетворяющем лишь не экстремальным ограничениям.
Появление средств автоматизированного проектирования технологий создало предпосылки к интенсивным исследованиям в области формального представления содержательной части теории проектирования, так как формализация является основой математического обеспечения САПР [84, 85, 101]. Эти исследования в большей степени актуальны для проектирования единичных технологических процессов, так как разработка унифицированных технологий больше связана с выбором и адаптацией типовых технологических процессов или его элементов по заданным признакам, а не с проектированием [115].
Рассмотрим некоторые подходы к решению проектных задач структурного синтеза единичных технологических процессов и уровень их формализации в системах автоматизированного проектирования технологии [4, 42, 51, 60, 89, 117, 118, 123, 124].
Определение методов обработки поверхностей принципиальных трудностей не вызывает. По способу формообразования поверхности и точности, ей сопоставляют возможные методы обработки. Однако, стоит учесть, что приемлемые методы обработки могут быть реализованы на различном технологическом оборудовании и в общем виде задача состоит в том, чтобы из множества существующих станков выделить подмножество, отвечающее требованиям конструкции детали и производственным условиям. Выделение такого подмножества трудно формализуемая процедура и сводится она обычно к перечислению элементов исходного множества и сопоставлению с условиями формирования подмножеств. А эти условия представить в формальном виде, как правило, не удается. Поэтому в системах автоматизированного проектирования, прослеживается тенденция — сформированные множества станков для деталей определенных классов хранить и использовать как условно-постоянные информационные массивы.
К задаче проектирования планов обработки поверхностей детали существует два подхода. Первый предполагает использование типовых планов обработки, реализуемых в конкретных производственных условиях. В основу второго подхода положен формальный математический аппарат для проектирования возможных планов обработки [60, 115, 117, 118]. Применяя его можно получать надежные технические решения поставленной задачи.
Возможность получения оптимальных планов обработки по заданным критериям существует, для этого создана аналитическая сетевая модель обработки поверхности [60]. На основе созданной модели, можно получить оптимальный план обработки поверхностей заданными методами, но заметим, что разные методы могут реализовываться и на разных моделях технологического оборудования, с применением различных инструментальных материалов и т.д. Будут ли полученные планы обработки оптимальными в этих случаях, или же опять придется ограничиться только рациональным решением поставленной задачи? В любом случае, этот подход к проектированию оптимальных планов обработки представляется более перспективным для дальнейших исследований.
Стадия, как структурный элемент процесса обработки, не стандартизована, хотя как термин, используется в справочной и научно-технической литературе [53, 112]. Стадия обработки, являясь элементом декомпозиции процесса, представляет законченную его часть и позволяет вести процесс проектирования в ее пределах, акцентируясь на факторах, обусловивших ее выделение.
Деление процесса обработки на стадии в настоящее время практически не формализовано. Отсутствие количественных связей не позволяет сформировать комплекс ограничений и критериев. Поэтому данная задача решается в «ручном» режиме без применения какого либо математического аппарата. Формирование вариантов схем базирования и определение последовательности обработки поверхностей, относятся к наиболее трудно формализуемым и сильно связанным задачам структурного синтеза. Поэтому в большинстве существующих систем автоматизированного проектирования предполагается непосредственное участие технолога для решения таких задач. Это утвержде ниє в большей степени относится к процессам проектирования технологий изготовления конструктивно сложных корпусных деталей и им подобных.
Основной трудностью при формировании вариантов технологических схем базирования является проблема обеспечения заданной точности взаимного расположения поверхностей (ВРП). Поэтому многие исследователи и разработчики САПР ТП предлагают применить автоматизированный выбор вариантов типовых схем базирования по заявленному классу детали, из которых технолог оставит приемлемые. Стоит заметить, что проблема обеспечения заданной точности взаимного расположения поверхностей для деталей классов «Валы» и «Втулки» актуальна в меньшей степени, что связано с ограниченностью приемлемых схем базирования.
Основой формального синтеза последовательностей обработки поверхностей являются планы обработки и граф технологических размерных связей. А это значит, что исход решения данной задачи зависит еще и от отработки конструкции детали на технологичность [78]. В частности, от изменения простановки размеров заданных конструктором, руководствуясь возможным совмещением конструкторских, технологических и измерительных баз. Предположим, что конструкция отработана, тогда представление возможных последовательностей обработки поверхностей на основе графа технологических размерных связей, позволит применить математический аппарат для генерации множества рациональных решений по критерию обеспечения точности ВРП. Заметим, что не все полученные равнозначные решения будут экономически приемлемы и окончательный выбор останется за технологом.
Исследования вопроса о постановке и решении данных задач структурного синтеза в автоматизированных системах, в большей степени направлены на рациональное распределение функций технолога и ЭВМ, чем на формализацию проектирования. Исключением является работа [115], в которой создана методика, математический аппарат и алгоритмическое обеспечение формального синтеза множества вариантов базирования и проектирования последовательности обработки.
Определение оптимальных планов обработки по технико-экономическим критериям
Задача проектирования оптимальных планов обработки поверхности по технико-экономическим критериям всегда представляла практический интерес, поскольку от эффективности ее решения напрямую зависят технико-экономические показатели спроектированного процесса изготовления детали. Особую актуальность задача приобретает в условиях единичного и мелкосерийного производства, поскольку является приоритетной среди других задач структурного синтеза для малых партий деталей.
Рассмотрим процесс проектирования оптимального плана обработки поверхности по критерию себестоимости. На основе сформированного неполного ориентированного графа возможных планов, рис. 2.2, в матрицу смежности (сводную матрицу методов обработки, табл. 2.3), занесем значения стоимостей изменения состояний, в результате получим сводную матрицу стоимостей, табл. 2.4. С появлением таких количественных (весовых) характеристик, задача нахождения оптимального плана обработки сводится к задаче поиска кратчайшего пути на графе, где критерий оптимизации представляет собой функцию характеристики дуг.
Алгоритм решения оптимизационной задачи, предложенный Р. Прим ом [135] содержит в своей основе теорему экстремального свойства кратчайшего пути [29]. Суть алгоритма заключается в присвоении вершинам пометок, признаком окончания работы является остановка процесса изменения пометок: 1. Присвоить вершине х пометку nix = 0, остальным вершинам - пометку ту = + оо. Занести вершину д: в массив L; Для нахождения последовательности вершин кратчайшего пути из х в у, если известны длины дуг графа и итоговая расстановка меток от вершины JC, вводится понятие предка вершины. Предок вершины х - такая вершина , через которую по правилу (2.2) была пересчитана окончательная метка вершины х: Последовательность вершин кратчайшего пути из х ву определяется рекурсивно в направлении оту к х по правилу: Приведенный алгоритм оптимизации рассчитан на простой граф, то есть на граф не содержащий кратных дуг. Поэтому для оптимизации пути на графе, рис. 2.2, следует оставить только кратчайшие дуги. Для этого в каждой ячейке матрицы, табл. 2.4, следует выбрать один метод обработки с минимальной стоимостью, а остальные исключить. Предположим, что остались только значения, соответствующие второму и третьему методу обработки, тогда табл. 2.4, преобразуется в табл. 2.5. На основе разработанной модели и представленного алгоритма, можно получить оптимальный план обработки поверхности заданными методами, но заметим, что разные методы могут реализовываться и на разных моделях технологического оборудования, детали могут сильно различаться технологическими признаками и т.д. Следовательно для корректного решения поставленной задачи необходимо иметь соответствующие количество различных матриц стоимостей. Формирование матриц, учитывающих различные технологические условия, представляет серьезные трудности, в силу отсутствия надежных математических зависимостей, описывающих влияние стоимости обработки от факторов, значениями которых можно располагать на начальном этапе проектирования. Это обстоятельство обуславливает необходимость проведения исследований в этой области. Рассмотрим формулу для определения технологической себестоимости обработки [88], используемую в экономических расчетах: где Етех - стоимость минуты эксплуатации оборудования, приспособлений и инструмента, руб; Тш — штучное время обработки, мин. Величина Етех представляет собой сумму элементов затрат, которые могут быть определены по справочно-нормативным данным [113], либо получены расчетным путем [78] по элементному методу. Штучное время обработки зависит от большого количества факторов и структура его для процессов механической обработки, может быть представлена известным соотношением [111]: где tyCT — время на установку (переустановку) и снятие детали; t0 — основное время обработки на переходе; tB - вспомогательное время, связанное с выполнением технологического перехода; а 0дс, а т.п — время на организационно техническое обслуживание и личные надобности исполнителя работы, % от оперативного времени; i, j - соответственно порядковый номер перехода и установки (і = 1.. .n;j = 1.. ,m). При формировании матриц стоимостей, нет смысла учитывать время установки и снятия детали, так как количество данных процедур будет известно только после определения плана обработки. Поэтому, зависимость (2.6) преобразуется в неполное штучное время обработки, широко используемое при нормировании технологических переходов: Существует масса справочных данных для укрупненных расчетов неполного штучного времени технологических переходов [41, 80, 87, 113]. Эти данные представлены в зависимости от массы, формы, размеров деталей и условий производства. В силу универсальности сведений и трудности сопоставления результатов, полученных разными авторами, ошибки в расчетах могут достигать 40 %. Учитывая данное обстоятельство, рекомендуется [111], в случае необходимости, экспериментально получать математические зависимости значений неполного штучного времени от влияющих на них факторов. Кроме того, несмотря на значительный объем статистического и экспериментального материала, зависимостей подробно описывающих влияние точности исходного и получаемого квалитетов на время обработки нет, Это объясняется практической бесполезностью данной информации при нормировании уже спроектированного технологического перехода, что характерно для традиционного, нисходящего стиля проектирования технологии.
Обработка и анализ результатов экспериментальных исследований
Индивидуальный технологический код рассматриваемой детали имеет вид - 9Б011421404449. Размерной характеристике поз. 1, присвоен код - 9Б0 (091х 695 мм). Группа материала, поз. 2-11 (сталь 45Х). Технологический метод изготовления, поз.З — 4 (обработка резанием). Вид исходной заготовки, поз. 4 — 21 (ковка на молоте). Квалитет, поз. 5—40 (наружный Ы, отверстия нет). Параметр шероховатости, поз. 6-4 (параметр шероховатости самой точной поверхности Ra 1,25 мкм). Степень точности на допуски формы и расположения поверхностей, поз. 7-4 (допуск торцового биения 30 мкм - степень точности 8). Вид дополнительной термообработки, поз. 8-4 (термообработка между операциями, твердость НЯСЭ 45, покрытия нет). Характеристика массы, поз. 9 -Е (22 кг).
В процессе традиционного «ручного» проектирования технологии, выбор методов обработки поверхностей и металлорежущих станков для их реализации не представляет каких либо затруднений. Залогом успешного решения данной задачи при автоматизированном проектировании, является формальное описание и надежное информационное обеспечение проектных процедур выбора технологического оборудования. Следует отметить, что поставленная задача, рассматриваемая для одного класса деталей и типа производства, носит частный характер, поэтому значительно упрощается.
Для деталей класса «Валы», изготавливаемых в условиях единичного и мелкосерийного производства в основу алгоритма выполнения проектных процедур выбора металлорежущего оборудования положен принцип последовательного выделения подмножеств из исходного множества, по мере конкретизации информации о требуемых параметрах, рис. 4.3.
На первом этапе, выделяется подмножество станков по размерным характеристикам детали. Габаритные размеры валов сопоставляются с параметрами рабочих зон оборудования. Для токарных и круглошлифовальных станков, рассматриваемых в данной работе, это высота центров и межцентровое расстояние.
Для автоматизированного проектирования разработана база данных, содержащая такую информацию по всем моделям станков указанных групп, образующих станочный парк предприятия.
Задание информации о размерах вала, при автоматизированном проектировании по предлагаемой методике, может быть осуществлено в диалоговом режиме, либо с помощью индивидуального технологического кода детали.
На втором этапе выделяется оборудование, на котором могут быть обработаны отдельные поверхности. Информационной основой для такого выделения служит таблица соответствия, имеющая вид табл. 4.1, (формируется для конкретного производственного объекта).
Заключительной процедурой выделения оборудования для проектирования планов обработки поверхности, является исключение из полученного подмножества, оборудования с неиспользуемыми возможностями обеспечения точности. Например, исключение станков класса точности «В» при параметре точности поверхности - 12 квалитет.
Полученное подмножество является основой для проектирования планов обработки поверхности. Разработанный алгоритм выбора технологического оборудования представлен на рис. 4.4. Процесс проектирования оптимального плана обработки состоит из трех последовательно осуществляемых процедур: 1. Формирование весовых матриц; 2. Формирование матрицы смежности простого графа для выбранного критерия оптимизации; 3. Поиск кратчайшего пути на графе. Основой для получения весовых матриц являются технологические матрицы, табл. 2.3, сформированные для каждой модели станочного парка предприятия и хранящиеся в разработанной базе данных. Эти матрицы представляются только на подмножество оборудования, выделенное для проектирования по характеристикам детали рис. 4.4. В основу информационного обеспечения процедуры заполнения матриц численными значениями себестоимости и трудоемкости выполнения технологических переходов, положены экспериментально полученные зависимости трудоемкости обработки цилиндрических поверхностей от влияющих технологических факторов (3.21 — 3.25). Рассмотрим порядок определения данных показателей при формировании весовых матриц. 1. Расчет трудоемкости выполнения технологических переходов. Подставив в выражение (2.7) экспериментально полученные дескриптивные модели трудоемкости обработки, запишем общий вид итоговой расчетной зависимости неполного штучного времени: Коэффициенты регрессии моделей, описывающих основное время обработки точением композитом и шлифованием, были определены для условий прерывистого резания при твердости поверхности HRCa 45...50. Для использования указанных выражений в расчетах основного времени обработки гладких и незакаленных поверхностей с HRC3 28, введены поправочные коэффициенты, табл. 4.2.
Информационное и алгоритмическое обеспечение процедур проектирования планов обработки поверхностей
Процесс проектирования оптимального плана обработки состоит из трех последовательно осуществляемых процедур: 1. Формирование весовых матриц; 2. Формирование матрицы смежности простого графа для выбранного критерия оптимизации; 3. Поиск кратчайшего пути на графе. Основой для получения весовых матриц являются технологические матрицы, табл. 2.3, сформированные для каждой модели станочного парка предприятия и хранящиеся в разработанной базе данных. Эти матрицы представляются только на подмножество оборудования, выделенное для проектирования по характеристикам детали рис. 4.4. В основу информационного обеспечения процедуры заполнения матриц численными значениями себестоимости и трудоемкости выполнения технологических переходов, положены экспериментально полученные зависимости трудоемкости обработки цилиндрических поверхностей от влияющих технологических факторов (3.21 — 3.25). Рассмотрим порядок определения данных показателей при формировании весовых матриц. Подставив в выражение (2.7) экспериментально полученные дескриптивные модели трудоемкости обработки, запишем общий вид итоговой расчетной зависимости неполного штучного времени:
Коэффициенты регрессии моделей, описывающих основное время обработки точением композитом и шлифованием, были определены для условий прерывистого резания при твердости поверхности HRCa 45...50. Для использования указанных выражений в расчетах основного времени обработки гладких и незакаленных поверхностей с HRC3 28, введены поправочные коэффициенты, табл. 4.2. Данные коэффициенты получены расчетно-аналитическим методом, путем внесения поправок на режимы резания При использовании композитов, доля затрат на инструмент в общей себестоимости обработки значительна. Поэтому, для корректного расчета, выражение (2.5) перепишем, выделяя стоимость эксплуатации инструмента: где Ет - стоимость минуты эксплуатации оборудования и приспособлений; Еи -стоимость минуты эксплуатации инструмента.
Подставив в выражение (4.2) экспериментально полученные дескриптивные модели трудоемкости обработки, запишем общий вид итоговой расчетной зависимости технологической себестоимости - (4.3). Содержание указанной матрицы постоянно для каждой модели оборудования и технологических особенностей обработки. Общее количество различных технологических матриц, представляемых для проектирования, можно описать выражением: где Q — количество моделей станков выделенных для проектирования; w — количество различных технологических условий применения станка.
