Синтез технологических операций со сложной структурой в многономенклатурных системах механообработки Митин Сергей Геннадьевич

Введение к работе

Актуальность работы. Перспективы развития современного маши
ностроения лежат в области создания гибких компьютерно-
интегрированных производств, которые имеют возможность адаптироваться
к постоянным изменениям номенклатуры изготавливаемых изделий. В мно
гономенклатурных механообрабатывающих системах 50-70 % от всего объ
ёма работ технической подготовки производства занимают мероприятия
технологической подготовки производства (ТПП). Ключевым и основопола
гающим этапом ТПП является проектирование технологических процессов
(ТП) и операций механообработки. Расширение возможностей механообра-
батывающего оборудования ставит задачу разработки инновационных под
ходов к проектированию технологических операций, которые бы обеспечи
вали максимальное использование технологических возможностей конкрет
ной производственной системы и минимальное время проектирования.
Кроме того, для повышения конкурентоспособности продукции на первый
план выходит задача сокращения длительности производственного цикла.

Решение этих задач видится в разработке методологии проектирования ТП на уровне технологических операций, обеспечивающей полную автоматизацию проектирования, однако в настоящий момент не существует программных продуктов, способных полностью автоматизировать все проектные процедуры, связанные с разработкой ТП, особенно на уровне технологических операций.

Анализ возможностей современных автоматизированных систем ТПП показал, что за последнее десятилетие удалось существенно упростить и ускорить разработку технологической документации за счёт введения электронного документооборота и обеспечения взаимодействия между конструкторской и технологической системами автоматизированного проектирования (САПР). Однако на данный момент автоматизированы лишь те этапы, которые легко поддаются формализации, например, расчёт режимов обработки, трудовое и материальное нормирование, формирование технологической документации. Вместе с тем остаются нерешенными задачи создания моделей, методик и алгоритмов, формализующих проектные процедуры творческого характера, такие как выбор оборудования, обрабатывающего инструмента и другой технологической оснастки, разработка рациональной структуры технологической операции и другие.

Современные САПР ТП предоставляют лишь удобную среду для работы с базой данных аналогов ТП, типовых или групповых ТП и справочной информацией об оборудовании и технологической оснастке, а проектные процедуры выполняет технолог, который принимает решения, основываясь на субъективном опыте, что не позволяет существенно сократить время и повысить качество проектирования ТП. Кроме того, существующие САПР ТП не имеют возможности учитывать особенности конкретной производственной системы и не позволяют оперативно реагировать на из-3

менение условий производства, например, таких как выход из строя оборудования, изменение номенклатуры или размеров партии изготавливаемых деталей и т. д.

Проблемой создания методологии и совершенствования подходов к
проектированию ТП занимались как отечественные учёные

В. И. Аверченков, Б. М. Базров, Б. С. Балакшин, В. Ф. Безъязычный,

П. Ю. Бочкарёв, Б. М. Бржозовский, А. С. Васильев, Л. И. Волчкевич,
Г. К. Горанский, В. И. Гузеев, В. А. Долгов, Г. Б. Евгенев, Н. М. Капустин,
А. И. Кондаков, А. В. Королёв, А. А. Кутин, С. П. Митрофанов,

И. П. Норенков, А. П. Соколовский, Ю. М. Соломенцев, А. Г. Суслов, А. Г. Схиртладзе, В. Д. Цветков и др., так и зарубежные Alting L., Cay F., Chassapis C., Eversheim W., Ghosh B.K., Gouda S., Grieve R.J., Gunasekaran A., Gupta T., Hall F.R., Ham I., Handelman J., Hao Q., Kamrani A.K., Leung H.C., Lister P.M., Lu S.C.-Y., Marri H.B., Newman S. T., Peng Q., Schulz J., Sferro P., Shah J.J., Shen W., Steudel H.J., Taraman K., Wang L., Xie S.Q., Xun Xu, Yue Y., Zhang H., Zhang W.J. и др.

Решению указанных проблем посвящены работы по созданию системы автоматизированного планирования технологических процессов (САПлТП), которые ведутся в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю. А. На настоящий момент разработаны подходы к проектированию ТП на уровне маршрутной технологии, а также модели и методики, формализующие отдельные процедуры проектирования технологических операций для фрезерной, сверлильной, токарной и шлифовальной групп. Однако недостаточно развита методология проектирования технологических операций со сложной структурой, которые выполняются на современном высокопроизводительном, многофункциональном оборудовании, обеспечивающем параллельную, многоинструментальную, многоместную обработку.

Исходя из этого, в настоящее время существует серьёзная научная проблема создания и развития методологии синтеза технологических операций со сложной структурой, решение которой позволит полностью автоматизировать разработку ТП на уровне технологических операций и обеспечить эффективное использование технологических возможностей производственной системы. А применение этой методологии в рамках САПлТП откроет возможность в кратчайшие сроки адаптировать разрабатываемые ТП к изменениям производственной ситуации.

Объектом исследования является процесс технологической подготовки многономенклатурных механообрабатывающих производств.

Предмет ом исследования является проектирование технологических операций со сложной структурой в процессе технологической подготовки многономенклатурных механообрабатывающих производств.

Цель работы – повышение эффективности технологической подготовки многономенклатурных механообрабатывающих производств на основе разработки научно обоснованных положений и методов синтеза технологических операций со сложной структурой.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. анализ существующих методов проектирования технологических операций и их реализации в современных САПР ТП с точки зрения уровня автоматизации и эффективности использования в многономенклатурных механообрабатывающих системах;

2. разработка концептуального подхода к проектированию технологических операций со сложной структурой в САПлТП;

3. формализация проектных процедур по определению рациональных комплектов технологической оснастки по группам оборудования;

4. формализация проектных процедур по формированию структур технологических операций по группам оборудования;

5. разработка метода для формирования состава и последовательности проектных процедур, обеспечивающего рациональное построение системы автоматизированного синтеза технологических операций со сложной структурой;

6. разработка информационного, алгоритмического и программного обеспечения системы проектирования технологических операций со сложной структурой и проведение оценки эффективности её работы в условиях многономенклатурных производственных систем.

Научная новизна заключается в решении актуальной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение для совершенствования технологической подготовки многономенклатурных механообрабатываю-щих производств, и характеризуется следующими наиболее крупными достижениями.

1. Предложен и обоснован концептуальный подход к проектированию технологических операций со сложной структурой на основе метода синтеза, впервые позволяющий полностью автоматизировать процесс проектирования и обеспечивающий учёт технологических возможностей и текущего состояния конкретной производственной системы.

2. Разработаны модели, обеспечивающие формализованное описание проектных процедур генерации возможных вариантов технологической оснастки при проектировании операций со сложной структурой на основе модифицированных для данной задачи сетей Петри.

3. Разработаны модели проектных процедур формирования порядков выполнения переходов в технологических операциях со сложной структурой, позволившие на основе математического аппарата формализовать процесс проектирования и обеспечить рациональное построение структур технологических операций.

4. Впервые предложена и обоснована модель структурной оптимизации с применением динамического программирования для формирования рационального комплекта технологической оснастки при проектировании операций со сложной структурой, обеспечивающая минимальное время реализации всей совокупности технологических операций, необходимых для обработки заданной номенклатуры деталей.

5. Научно обоснован и реализован метод формирования состава и последовательности проектных процедур для проектирования операций со сложной структурой, заключающийся в проведении автоматической классификации проектных процедур с помощью математического аппарата кластерного анализа, обеспечивающий рациональное построение системы автоматизированного синтеза технологических операций со сложной структурой для конкретных многономенклатурных производственных систем.

Теоретическая значимость работы состоит в развитии научного направления технологии машиностроения в сторону создания научно обоснованных положений, моделей, методик и алгоритмов, обеспечивающих формализацию процессов проектирования технологических операций со сложной структурой в условиях многономенклатурных механообрабатывающих систем.

Практическая значимость заключается в следующем.

5. Разработаны научные положения для синтеза технологических операций со сложной структурой, позволяющие использовать их при создании автоматизированных систем для повышения эффективности технологической подготовки производства.

6. Разработано информационное обеспечение системы проектирования технологических операций со сложной структурой, включающее структуру данных, обеспечивающее проектирование технологических операций и взаимодействия с системами конструкторского проектирования и управления производством, структуру базы данных по возможностям технологической оснастки, позволяющую генерировать варианты оснастки с учётом возможностей конкретной производственной системы.

7. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение, реализующие модели и формализованные методики проектных процедур проектирования операций со сложной структурой.

8. Обоснованы критерии и проведена оценка эффективности работы системы проектирования технологических операций со сложной структурой в условиях многономенклатурных производственных систем. Подтверждена работоспособность разработанной системы в рамках действующего многономенклатурного производства.

9. Полученные результаты нашли применение в учебном процессе ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.» в виде учебных пособий и методических указаний для направлений бакалаврской и магистерской подготовки и специалитета.

При выполнении работы использовалась методология научных исследований, опирающаяся на основы технологии машиностроения, системный подход, математический аппарат теории множеств, теории графов, сетей Петри, кластерного анализа, динамического программирования. Использовались методы структурной оптимизации, методы информационного поиска и объектно-ориентированного программирования.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются на машиностроительных предприятиях АО «Саратовский агрегатный за-6

вод», ООО «СЭПО-ЗЭМ», в учебном процессе Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Результаты работы стали основой выполнения НИР по гранту Президента РФ МК-1835.2013.8 «Разработка методов автоматизированного проектирования технологических операций механической обработки в условиях многономенклатурного производства в транспортной и авиационной промышленности».

Апробация результатов работы проводилась на ряде международных и всероссийских научных мероприятий: «Прогрессивные технологии в современном машиностроении» (Пенза, 2007), «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 2007), «XV Тупо-левские чтения» (Казань, 2007), «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2008; Пенза, 2011; Ангарск, 2013), «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2008, 2011), «Проблемы управления, передачи и обработки информации» (Саратов, 2009, 2013), «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2010), «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2011), «Стратегии качества в промышленности и образовании» (Варна, Болгария, 2011), «Современные материалы, техника и технология» (Курск, 2011), «Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы в наноинженерии» (Саратов, 2011), «Наукоемкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении» (Рыбинск, 2012), «Информационные технологии в промышленности» (Минск, Беларусь, 2012), «Машины. Технологии. Материалы» (Варна, Болгария, 2013, 2014), «Фундаментальные и прикладные науки сегодня» (North Charleston, США, 2013), «Инновации. Технологии. Производство» (Рыбинск, 2014, 2015), «Инновации в профессиональном образовании и научных исследованиях вуза» (Брянск, 2014), «Инновации в машиностроении – основа технологического развития России» (Алтай, 2014), «Технические науки и индустриальный менеджмент» (Варна, Болгария, 2014), «Инновации. Технологии. Производство» (Рыбинск, 2015), «Производительность и надежность технологических систем в машиностроении» (Москва, МГТУ имени Н. Э. Баумана, 2015), «Теплофизические и технические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства» (Тольятти, 2015), «Проблемы обеспечения и повышения качества и конкурентоспособности изделий машиностроения и авиадвигате-лестроения (ТМ-2015)» (Брянск, 2015), «Математическое моделирование и информатика» (Москва, МГТУ «СТАНКИН», 2015), «Высокие технологии в машиностроении» (Самара, 2015), «Современные проблемы машиностроения» (Томск, Томский политехнический университет, 2015), «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта» (Москва, ИПУ РАН, 2012, 2016).

В полном объёме диссертация заслушана и одобрена на заседаниях:

кафедры «Проектирование технических и технологических комплексов» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., май 2016 г.;

межкафедрального семинара института электронной техники и машиностроения Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., июнь 2016 г.

Материалы диссертации опубликованы в 76 работах, из них 19 в изданиях из перечня ВАК РФ и одна в издании, индексируемом в международной базе Scopus, две монографии, 16 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ и баз данных. Результаты исследований внедрены в учебный процесс Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. по направлению подготовки бакалавров и магистров «Технологические машины и оборудование» и специалистов «Проектирование технологических машин и комплексов» в виде двух учебных пособий и методических указаний.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка из 251 наименования, основная часть содержит рисунки, формулы и таблицы.

Работа соответствует паспорту специальности 05.02.08 - Технология машиностроения по следующим пунктам: п. 2 «Технологические процессы, операции, установы, позиции, технологические переходы и рабочие хода, обеспечивающие повышение качества изделий и снижение их себестоимости»; п. 3 «Математическое моделирование технологических процессов и методов изготовления деталей и сборки изделий машиностроения»; п. 5 «Методы проектирования и оптимизации технологических процессов»; п. 8 «Проблемы управления технологическими процессами в машиностроении».

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. концепция синтеза технологических операций со сложной структурой на основе метода синтеза с учётом технологических возможностей и текущего состояния конкретной производственной системы;

2. модели проектных процедур генерации возможных вариантов технологической оснастки при проектировании операций со сложной структурой с использованием сетей Петри;

3. метод синтеза рациональных комплектов технологической оснастки при проектировании операций со сложной структурой на основе модели структурной оптимизации с использованием динамического программирования;

4. модели проектных процедур по формированию порядков выполнения переходов в технологических операциях со сложной структурой с применением теории графов и сетей Петри;

5. метод формирования состава и последовательности проектных процедур для проектирования операций со сложной структурой с использованием кластерного анализа.