WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Феофанов Олег Александрович

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ КОМПОНОВКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Специальность 05.13.06 – «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2012 г.

Диссертационная работа выполнена в ФБГОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Научный консультант: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Митрофанов Владимир Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет», профессор кафедры «Технология и металло- режущие системы автомобилестроения» Султан-Заде Назим Музаффарович кандидат технических наук, федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН)», старший научный сотрудник Шитов Аркадий Михайлович Ведущее предприятие: ФБГОУ ВПО «Московский государственный технический университет «МАМИ»

Защита состоится «14 » мая 2012 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.03 при ФБГОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН» по адресу: 127055, Москва, Вадковский переулок, д. 3а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБГОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН».

Автореферат разослан « 13 » апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доц. Семячкова Е.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность работы. Комплексная автоматизация машиностроительного производства основана на применении высокоэффективных технологических процессов и высокопроизводительных автоматизированных технологических систем (ТС) способных оперативно и полностью отвечать требованиям изменения рынка.

Такие изменения рынка вызваны: быстрой обновляемостью продукции и сокращением жизненного цикла изделий, а также уменьшением затрат, связанных с эксплуатацией; расширением номенклатуры изготовляемых изделий для удовлетворения требований потребителя, например, переход автомобильной промышленности на экологически «чистые» конструкции двигателей Евро 3, Евро 4 и Евро5, что потребовало ужесточить ряд технологических требований к обрабатываемым поверхностям; повышением конкурентоспособности оборудования по критерию цена/качество; усилением влияния социального фактора (дефицит и дороговизна квалифицированного труда, особенно во вторую и третью смены) и требования охраны окружающей среды (утилизация отходов и т.д.).

Жизненный цикл (ЖЦ) продукции, изготовляемой на ТС намного меньше, чем ЖЦ обрабатывающего оборудования. Таким образом, назначение научно обоснованных технологических характеристик ТС, опережающих характеристики обрабатываемых деталей, является актуальной задачей. В области автоматизации расчетов при проектировании ТС накоплен большой опыт. Сюда входят работы по автоматизированному выбору технологического процесса обработки, проектированию станков и устройств.

В связи со сказанным, на новом этапе развития машиностроения актуальным является вопрос, охватывающий все стороны проектирования ТС при создании металлообрабатывающего оборудования (его основных положений и форм их реализации), а разработка методов оптимизации технологических систем является весьма актуальной задачей.

Цель работы. Повышение эффективности проектирования ТС (на начальных этапах) в условиях неопределенности требований рынка к изготавливае мым деталям на основе прогнозно-рисковых моделей принятия конструкторско-технологических решений.

Задачи диссертационной работы.

1. Построение математической модели ТС на основе множества элементов системы, множества взаимосвязей между элементами и множеством информационных потоков.

2. Создание алгоритма построения ТС, обладающих возможностью адаптироваться к изменению характеристик и программы выпуска обрабатываемого изделия заданного семейства.

3. Создание прогнозно-рисковой модели изменения во времени параметров обрабатываемых деталей.

4. Формирование методики построения ТС, в сравнении с опытом создания традиционного оборудования для обработки деталей сложной пространственной формы (головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания).

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений технологии машиностроения, теории вероятностей, теории принятия решений, методов: дискретной математики, компьютерного моделирования, нечетких множеств, математической статистики.

Научная новизна диссертационной работы заключается в:

- установлении связей и зависимостей между конструктивными элементами изделия, данными об используемых материалах, планируемой производительностью и последовательностью технологических операций (переходов), требуемых для изготовления изделия и данными о необходимых технологических ресурсах;

данными, определяющими компоновку и состав оборудования;

- построении математической модели технологической системы на основе взаимосвязей между её элементами и функциями, описывающими поведение системы;

- разработке модели (прогнозно-рисковой) и алгоритмов расчета изменения во времени параметров обрабатываемых деталей, которые позволят учитывать уровень избыточности технологических характеристик систем;

- разработке методики расчета комплексной технической характеристики ТС, учитывающей производительность, габариты и технологичность изделия.

Практическая ценность работы заключается в: создании методического обеспечения обоснования технических характеристик ТС; разработке принципов выбора инновационных проектов при проектировании ТС для групповой обработки деталей, разработке методики определения комплексной технической характеристики ТС.

Реализация результатов работы. Результаты работы представлены в виде методического обеспечения, практических рекомендаций по проектированию ТС и приняты к использованию в проектной организации - ОOО «Автоматические Линии и Агрегатные Станки Центр Инвестпроект», полученные в диссертационной работе результаты используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», а именно, в программах специальностей 150401 «Проектирование технологических и технологических комплексов», 150900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», 151002 «Металлорежущие станки и комплексы».

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертации докладывались на Международной научной конференции «Студент и научнотехнический прогресс» (МНСК-2010); на научных конференциях МГТУ «СТАНКИН»; на Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технологических системах» (г. Пенза, 2010г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, из них в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и результатов и библиографического списка (97 наименований).

Работа содержит 192 страницы, рисунков 54, таблиц 17.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение Диссертационная работа посвящена ТС для групповой обработки деталей типа- - головки блока цилиндров. В работе принято: i-я деталь - известная на стадии проектирования ТС, j-я деталь - прогнозируемая конструкция на стадии проектирования ТС.

ТС - система автоматического оборудования, которое может перестраиваться (с минимальной переналадкой) в процессе эксплуатации на обработку новой j-й номенклатуры деталей в соответствии со своими техническими характеристиками.

Новая номенклатура деталей, неизвестная на стадии проектирования системы, но аналогичная по конструкции и точности обработки, принятой при ее создании.

Жизненный цикл ТС показан на рис. 1. В данной работе рассмотрены только 1-й, 2-й и 4-й этапы.

Возможные варианты построения ТС - из обрабатывающих центров (ОЦ), из перекомпонуемых металлорежущих станков и из унифицированных агрегатных узлов, обладающих свойствами гибкости. В каждом случае есть свои плюсы и минусы.

1.Маркетинг, исследование динамики изменений технических параметров поверхностей деталей 2.Проектирование АТС и разработка технологии 3.Производство, (изготовление), продажа, поставка 4.Эксплуатация (переналадка) 5. Сопровождение Рис.1 Жизненный цикл ТС Глава 1. Состояние вопроса, цели и задачи исследования Исследованиям вопросов автоматизации обработки деталей в условиях крупносерийного производств на традиционных автоматических линий посвящено большое количество научно-исследовательских работ и диссертаций. Разработка основных направлений комплексной автоматизации осуществляется на базе трудов отечественных ученых О.И.Аверьянова, А.П.Владзиевского, 6.

У Т И Л З А Ц И Я Л.И.Волчкевича, Н.М.Вороничева, А.И.Дащенко, В.В.Калинина, Калянова Г.Н., И.А.Клусова, В.С.Кулешова, В.Г.Митрофанова, Павлова В.В., А.С.Проникова, В.Э.Пуша, Ю.М.Соломенцева, Н.М.Султан-Заде, А.М.Царева, Б.И.Черпакова, Г.А.Шаумяна, Ю.Б.Эрпшера и др.

Термин CASE (Computer Aided Software Engineering) используется в настоящее время в весьма широком смысле. Первоначальное значение термина CASE, ограниченное вопросами автоматизации разработки только лишь про- граммного обеспечения (ПО), в настоящее время приобрело новый смысл, охватывающий процесс разработки сложных информационных систем (ИС) в целом, под ним понимаются программные средства, поддерживающие процессы создания и сопровождения ИС, включая анализ и формулировку требо ваний, проектирование прикладного ПО (приложений) и баз данных, тестирование, документирование, обеспечение качества, конфигурационное управление и управление проектом, а также другие процессы. CASE – средства вместе с системным ПО и техническими средствами образуют полную среду разработки ИС. CASE – технология представляет собой методологию проектирования ИС, а также набор инструментальных средств, позволяющих в наглядной форме моделировать предметную область, анализировать эту модель на всех этапах разработки в соответствии с информационными потребностями пользователей. Большинство существующих CASE – средств основано на методологиях структурного (в основном) или объектно-ориентированного анализа и проектирования, использующих спецификации в виде диаграмм или тестов для описания внешних требований, связей между моделями системы, динамики поведения системы и архитектуры программных средств.

Ключом к успешному внедрению CASE – средств является готовность организации, которая включает следующие аспекты: технология – понимание ограниченности существующих возможностей и способность принять новую технологию; культура – способность воспринять новые процессы и взаимоотношения между разработчиками и пользователями; управление – четкое руко водство и организованность по отношению к наиболее важным этапам и процессам внедрения.

Зарубежные фирмы “Heller” (Германия), “Huller Hille” (Германия), ”Grob” (Германия), “Emag” (Германия), “Honsberg” (Германия), “Comau” (Италия), “Ex-cellO” (Германия), “Alfing” (Германия), Videman (Германия), Ingersoll (США) и другие изготовили большое количество переналаживаемых автоматических линий, в том числе для обработки деталей двигателей внутреннего сгорания, как из унифицированных агрегатных узлов, так и из обрабатывающих центров. Однако, эти работы посвящены описаниям конструкций, а публикации, связанные с научными исследованиями создания методики создания ТС, практически не известны.





Отсюда целью настоящего исследования является повышение эффективности проектирования ТС (на начальных этапах) в условиях неопределенности требований рынка к изготавливаемым деталям на основе прогнозно-рисковых моделей принятия конструкторско-технологических решений.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие взаимосвязанные задачи.

1. Установить связи и зависимости между входными и выходными информационными потоками (начальными, граничными и конечными условиями) при проектировании ТС.

2. Разработать общую математическую модель проектирования ТС, позволяющую определить ее технические характеристики на начальных этапах.

3. Построить модель ( прогнозно-рисковую) изменения во времени параметров обрабатываемых деталей, которая позволит учитывать необходимый уровень избыточности технических характеристик ТС;

4. Определить комплексную техническую характеристику ТС, позволяющую учитывать прогнозируемые требования заказчика на предпроектной стадии проектирования.

Глава 2. Исследование основ проектирования технологических систем механической обработки Особенностью при создании ТС является развитый предпроектный период, который включает в себя: описание качественной зависимости между производительностью, гибкостью и стоимостью; описание принципов построения прогнознорисковых моделей анализа технических характеристик ТС; научные основы назначения комплексной технической характеристики «производственный потенциал» ТС; разработку основ выбора инновационного проекта создания ТС.

Проведенный анализ видов гибкости механообрабатывающего оборудования механической обработки позволил составить их классификатор:

1) конструкционная гибкость - свойство реконфигурации оборудования для обработки различных деталей одного семейства (предельные точностные и массогабаритные характеристики) - Гк.;

2) технологическая гибкость - возможность выполнения ряда переходов и операций над i-й и j-й деталями, предельные точностные и массогабаритные характеристики, которых были предусмотрены на стадии проектирования ТС, с заданной точностью на определенных позициях линии - Гтехн.;

3) структурная гибкость - возможность обработки новых изделий на ТС за счет введения технологических или гибких модулей- Гстр.;

4) гибкость по объему выпуска продукции - способность ТС эффективно функционировать при изменении программы выпуска продукции, принятой при ее проектировании - Гоб. в.;

5) операционная гибкость - возможность наладки ряда рабочих позиций (или всех позиций) на индивидуальное управление режимами функционирования и длительностью операционных циклов - Гоп..

Предлагается использовать результирующую целевую функцию гибкость (Г), взвешенно учитывающую каждый из перечисленных видов, например:

Г(X)= f ( µ (X),µ (X),µ (X),µ (X),µ (X) (1) 1Гк 2Гтехн 3Гстр 4Гоб.в 5Гоп где X - совокупность технико-экономических параметров ТС, используемых µ1- при проектировании, - коэффициенты весомости видов гибкости, определяемые на стадии разработки ТС.

Каждый вид гибкости может быть оценен своей мерой. Например, мера конст рукционной гибкости - количество позиций ТС, имеющих возможность реконфигурации оборудования для обработки различных конструкций головок блоков цилиндров. Мера технологической гибкости - количество обрабатывающих позиций ТС, на которых возможно выполнить ряд новых переходов. Мера структурной гибкости - количество свободных (резервных) позиций в компоновке ТС для введения (по необходимости) новых технологических модулей. Мера гибкости по объему выпуска - обеспечение необходимой производительности ТС по выпуску j-й конструкции головки блока цилиндров. Мера операционной гибкости - количество позиций ТС, имеющих возможность наладки на индивидуальное управление режимами функционирования и изменения длительности операционных циклов.

Основы методики проектирования ТС из узлов модульного типа. Основная задача теории проектирования ТС состоит в создании методологии и математического аппарата для осуществления многоэтапного поиска оптимального проектного решения. За исходную информацию для проектирования принимают уточненное техническое задание заказчика. В нем приводят сведения об обязательной номенклатуре обрабатываемых 1,2,..., i и прогнозируемых j+l, j+2,..., j деталей, потребность в реализации которых может возникнуть в процессе эксплуатации ТС.

Рассматриваемая методика проектирования ТС универсальна. Применение методики и терминологии системного подхода позволяет унифицировать задачи проектирования ТС, для чего необходимо четко сформулировать вход моделируемой системы и процесс преобразования входа в необходимый выход (рис.2).

Задача выявления входа системы проектирования ТС состоит в определении набора исходной информации, являющейся необходимой для выбора оптимального варианта. Вся однократно вводимая в процессе проектирования информация распадается на две составляющие:

1) к первой составляющей входа относятся сведения о конструкции и материале обрабатываемой детали, программе выпуска, действующих и прогнозируемых изменениях показателях точности, массогабаритных показателях и условиях эксплуатации;

Информация об обрабатываемой детали (головки блока цилиндров) Типовой технологический процесс обработки детали.

Программа выпуска 1. Базы обработки.

i-й детали 2. Поверхности транспортирования Птранс.; Ц транс.

3. Маршрутная карта обработки.

1. Анализ динамики изменений точностных параметров обрабатываемых поверхностей.

2. Прогнозирование на перспективу точности изготовления деталей В Х О Д МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТС В Ы Х О Д 1. Разработка технологического процесса для новой конструкции детали.

2. Структура и состав оборудования ТС.

3. Рекомендуемый процесс эксплуатации.

Рис.2. Информационные потоки при проектировании ТС *- геометрические и математические модели контуров поверхностей и тел (формы);

**- перечень конструктивных элементов изделия и связи между ними.

к i к i к i к a z к i пр.

к i пр.

к i к i к i H ( высота ).* поверхности ).** Припуск П ;

Ц Шероховатость R ;

R.

Материал детали ( МД ).

Твердость поверхности HB.

к i Ограничивающие поверхности П ( плоскости ), Ц ( цилиндрические Точностные характеристики П ;

Ц.

Конфигурация L ( длина ) ;

B ( ширина ) ;

2 вторая составляющая - материально-технические средства, обеспечивающие достижение поставленной цели; к ним относятся исходные сведения о технологическом, транспортном и другом оборудовании, которое полностью или частично может быть использовано при проектировании ТС, степень гибкости, а также характеристики вновь проектируемого оборудования.

Выход должен обеспечить получение оптимального варианта ТС в виде набора начальных, граничных и конечных условий. Начальные условия проектирования задаются еще на входе системы и используются как базовые. Граничные условия - это ограничения, наложенные на значения параметров ТС в целом (например, площадь, занимаемая оборудованием не должна превышать некоторой заданной величины), а также на параметры отдельных единиц оборудования. К ним относятся: возможности технологического процесса, различия в компоновках и составе оборудования, рекомендуемая система эксплуатации линии. Все факторы, от которых зависит эффективность проектирования ТС, можно разбить на две группы.

Первая группа - элементы решения, зависящие от выбора проектирования ТС и образующие в совокупности единое решение x: габариты; производительность; число составляющих узлов, определяющих единицу оборудования;

точностные характеристики деталей, узлов и станка в целом; характеристики надежности отдельных элементов, узлов и единицы оборудования в целом;

стоимость элементов, узлов и единицы оборудования в целом.

Вторая группа – заранее заданные условия выполнения операций: монтажа и наладки оборудования; эксплуатационных расходов; гибкости оборудования; прочих количественных параметров. Отметим, что вторая группа факторов содержит, в частности, и ограничения, налагаемые на решение о r создании ТС, т.е. определяет область возможных решений X. В дальнейшем эффективность будем характеризовать показателем эффективности.

В общем случае показатель эффективности W зависит от обеих групп факторов: W = W,. При рассмотрении этой формулы надо помнить, что как (x ) x, так и в общем случае – не отдельные числа, а совокупности чисел (векторы, функции и т.п.). Среди заданных условий обычно присутствуют ограничения, налагаемые на элементы решения и имеющие вид равенств или неравенств.

Обратная задача формулируется следующим образом. При заданном комплексе условий найти такое решение x=x*, при котором показатель эффективности W становится максимальным.

Реальная задача проектирования ТС содержит еще одну группу параметров - неизвестные факторы, например, точностные показатели перспективных головок блоков цилиндров, неизвестные материалы, из которых их будут изготовлять и т.п. Совокупность неизвестных (случайных) факторов обозначим . Показатель эффективности зависит от всех трех групп факторов:

j (2), W = W ( ,x, ) j В процессе эксплуатации производят переналадку работы ТС, связанную с переходом на обработку j-й детали. С одной стороны, необходимо обеспечить максимальную производительность Qj, с другой, желательно сократить затраты З и иметь необходимую гибкость Г для возможности перехода на j-ю деталь.

Система уравнений для выбора конструктивного решения ТС представлена выражением 3.

Частные параметры, характеризующие отдельные узлы и элементы ТС, можно задавать в виде экспертных оценок. В этом случае, критериями оптимальности выбора проектного решения являются целевые функции. В качестве основных целевых функций будем рассматривать следующие.

x = f (И ; t ; Т ; Q ; ; ) i пi i i i i n min max x x ; x ;

n n n X (x1, x,... x ) D ;

m 2 n (X ) 1 m (X ) 2 m, (3) D................ ;

.................

(X ) k m Q (X ) max;

m З (X ) min;

к + э m Г (X ) max.

m где xn - технико-экономические параметры ТС, n – общее число параметров, используемых при выборе характеристик ТС, например, скорость резания на одной из рабочих позиций, скорость быстрых перемещений силового узла подачи, надежность системы управления станком и т.п.; Иi – массогабаритные характеристики обрабатываемых деталей, заданные при проектировании оборудования; tпi – средняя длительность переналадок при обработке 1,2,…,i деталей, заданных при проектировании оборудования; Тi – обобщенные характеристики точности обработки i-ой детали, требования к которым известны на стадии проектирования оборудования; i – программ(min) max ное обеспечение системы; i – методическое обеспечение системы; [xn ; xn ] - диапазон изменения n - ого параметра; Xm(x1; x2;...xn)-совокупности параметров, где m - возможное число из области допустимых значений D, которые определяют экстремум (max или min) некоторой целевой функции; D – область допустимых значений совокупности параметров X, которая задаm ется некоторой системой ограничений.

Производительность ТС при обработке каждой i-й или j-й деталей равна:

, (4) Q X = Q (,x max ) j где Q X - производительность оборудования в целом.

Стоимостные показатели при обработке каждого из j-х типов деталей, З ( x,, ) = З (З (X )+ З (X )) min, ( 5 ) n j K Э r где - капитальные затраты, - эксплуатационные затраты на З X З X Э к каждый составляющий элемент ТС.

Целевая функция, описывающая свойство гибкости ТС, тоже может быть задана как некая результирующая функция, аппроксимирующая экспертные оценки гибкости (Г) отдельных элементов, представленных в виде:

r Г( X ) = Г(,, ) max, (6) j Учитывая сказанное, получим следующую математическую модель многокритериальной оптимизационной задачи для выбора наилучшего варианта проектирования ТС:

Q ( X )= Q ( x,, ) max i (7) З ( X )= З( xn,, ) min, к,э j Г ( X )= Г ( xn,, ) max j Перед проектированием ТС исследуют изменения технологических характеристик определяющих основные обрабатываемые поверхности деталей и составляют прогнозы изменения этих характеристик во времени. Следовательно, в этой задаче случайные факторы можно заменить их средними значенияj ми (математическими ожиданиями). Теперь многокритериальная оптимизационная задача становится определенной и может быть решена обычными методами. В качестве показателей эффективности приняты средние значения случайных величин производительности, стоимости и гибкости и выбрано такое решение X, при котором эти усредненные показатели обратятся в макси мум или в минимум Q ( X ) = M Q ( ,x, ) max j (8).

З ( X )= З ( ,.x, ) min к,э j Г ( X ) = M Г ( ,x, ) max j Решение этой задачи приводится в диссертации.

Глава 3. Обоснование выбора характеристик технологических систем От правильной ориентации одной из основных деталей двигателя внутреннего сгорания – головки блока цилиндров и точностных характеристик основных ее поверхностей зависит долговечность и работа двигателя, экономия топлива и экологичность.

На рис. 3 приведена блок-схема алгоритма анализа изменений технологических характеристик основных поверхностей головок блоков цилиндров.

Были исследованы изменения точностных требований к основным поверхностям головки блока цилиндров. Всего рассмотрено 12 параметров. Из общего числа массогабаритных и точностных характеристик головки блока цилиндров, были выбраны: габариты, материал, шероховатость привалочной плоскости, параллельность обрабатываемой плоскости по отношению к базовой, мм (на длине 300 мм), межосевое расстояние от базового отверстия до отверстий под клапана, шероховатость рабочей поверхности отверстия под клапан и цилиндричность растачиваемых отверстий под клапан, перпендикулярность осей растачиваемых отверстий под клапана и др. Для определения динамики изменения основных технологических характеристик головок блоков цилиндров во времени были использованы три математические модели - линейная, логлинейная (экспоненциальная) и экспоненциальная модель с квадратичным показателем.

Анализ статистических данных об изменениях точностных показателей основных поверхностей головок блоков цилиндров позволяет выделить предполагаемые модели процессов прогноза:

1. Исследование изменений требований, предъявляемых к точности изготовления и шероховатости основных поверхностей головки блока цилиндров Определение основных поверхностей головки блока цилиндров Анализ требований, предъявляемых к точности изготовления и шероховатости основных поверхностей головки блока цилиндров Анализ изменения требований, предъявляемых к точности изготовления основных поверхностей головки блока цилиндров во времени Прогнозирование изменения требований к точностным параметрам ТС 2.. Исследование точностных характеристик аналогичных по назначению ТС по выявленным параметрам головки блока цилиндров 3. Сравнительный анализ полученных результатов (точностных характеристик) при исследовании i-й и j-й головки блока цилиндров 4. Разработка мероприятий по обеспечению точности ТС по техническим требованиям j-го головки блока цилиндров Рис.3. Блок-схема алгоритма анализа изменений технологических характеристик основных поверхностей головки блока цилиндров.

Линейные y=at+b. (9) 1. Логлинейные (экспоненциальные) y=exp(at+b). (10) 2. Экспоненциальные с квадратичным показателем. (11) y = exp (a t + b t + c) В моделях (9) – (11) приняты следующие обозначения y = [y1, y2,..., ym]T – вектор результатов аппроксимации, соответствующего параметра головки блока цилиндров t = [t1,t2,...,tm]T – вектор дискретных значений времени (год) (контролируемых переменных) соответствующего параметра головки блока цилиндра, T 2 2 t2 =[t1,t2,...,tm] - вектор квадратов дискретных значений времени соответствующего параметра головки блока цилиндров, a, b, c - постоянные величины, коэффициенты математических моделей прогноза, Т - обозначает операцию транспонирования.

Обзор коэффициентов а, b, с моделей (9) - (11) осуществляется методом наименьших квадратов.

Обработав полученные результаты, установили, что прогнозируемые изменения технологических характеристик основных поверхностей головок блоков цилиндров могут быть отнесены на период до 2020 г. Полученные значения определены с принятым для расчетов риском. В работе введено понятие риска при проектировании ТС, так как необходимы большие материальные затраты, которые должны быть установлены.

После установления, на этапе прогнозирования, эффективности вложения средств, затрачиваемых на проектируемую ТС, проводится анализ риска.

Определение риска основано на том, что последствия занижения требований к техническим характеристикам ТС вследствие ошибки модели, по которой осуществляется их прогнозирование, являются более неблагоприятными, чем их завышение, хотя оно стоит дополнительных материальных средств на стадии созда- ния ТС.

Заниженные характеристики ТС могут повлечь в эксплуатации большие потери, чем неиспользование завышенных технологических характеристик оборудования. Риск на этапе проектирования ТС - вероятность занижения требований к точности и массогабаритным характеристикам выпускаемых деталей. Значение риска может быть оценено как вероятность отклонения прогнозируемых технологических характеристик от своих номинальных значений на величину, пропорциональную среднеквадратической ошибке (СКО) модели :

M (X-X*) 2M f(X)= e, (12) 2 M - плотность вероятности распределения задаваемых требований X к f (X ) * точностным характеристикам параметров головки блока цилиндров: - X неизвестное прогнозируемое значение требований к точностным характеристикам параметров головки блока цилиндров; - СКО модели, используе M мой для прогнозирования требуемых значений точностных характеристик параметров головки блока цилиндров; - прогнозируемые требования к X тр точностным характеристикам параметров головки блока цилиндров на 20год на основе модели с точностью k (то есть: X ± k ); k - коэффитр M M циент пропорциональности, равный квантили нормального распределения требований X. Нормальный закон распределения принят на основании статистических данных приведенных в работах Вороничева Н.М. и Черпакова Б.И.

Под доверительной вероятностью, в данном случае, понимается вероятность того, что прогнозируемые на 2020 год требования к техническим характеристикам основных поверхностей головки блока цилиндров Хтр.. не отклоняются от своих номинальных значений X на величину, большую.

k M Учитывая изложенное, математическое выражение для риска R1 задания требований X к техническим характеристикам основных поверхностей готр ловок блоков цилиндров может быть записано следующим образом:

*, (13) R1 = P({X - X } k ) тр M (X - X ) тр X +k тр M * 2 M где:

P({X - X } k )= e dX тр M 2 M X тр - оценка вероятности отклонения прогнозируемых на 2020 год требований к точностным характеристикам параметров головки блока цилиндров X тр вправо (в сторону занижения) от своего неизвестного номинального значения * X.

Таким образом, в общем случае значение риска R1 соответствует площади под кривой плотности распределения f (X ) задаваемых требований X к точностным характеристикам параметров головки блока цилиндров на интервале *.

[X ; X ] тр Основы обоснования комплексной технической характеристики ТС.

Под комплексной технической характеристикой ТС будем понимать потенциальные возможности её производственной структуры, т.е. средства, знания, материальные запасы, источники, имеющие непосредственное отношение к производству, которые могут быть приведены в действие для достижения определенной цели, например, возможности обработки при изменениях объекта производства в процессе эксплуатации ТС, которые закладываются при проектировании.

Комплексная техническая характеристика ТС по производительности.

Устойчивое обеспечение с помощью ТС потребностей конкретного производства закладывается на стадии проектирования и определяется требованиями технического задания на проектирование. В настоящее время получил распространение детерминистский подход, при котором требуемая (с учетом коэффициента использования оборудования) производительность проектируемой ТС задастся заказчиком как среднее суммарное время работы основного технологического оборудования (средняя суммарная станкоемкость продукции) при обработке i-ой детали. Такой подход предполагает, что если разработчик установил среднюю действительную производительность Qд(t)>Qi(t), то это обеспечит выполнение производственных заданий заказчика. Однако, вследствие того, что значения Qд(t) и Qi(t\ имеют определенное рассеяние, существует конечная, неравная нулю вероятность того, что достигнутая при выполнении конкретного задания производительность Qдi (t) окажется меньше требуемой для выполнения задания Qj(t). Таким образом, существует возможность невыполнения отдельного задания ТС, что обусловлено стохастической природой процессов формирования и выполнения заданий.

Для того, чтобы оценить влияние невыполнения задания на показатели эффективности ТС, целесообразно ввести меру, которая бы отражала стохастическую связь между величиной задания (заданной производительностью) и степенью его выполнения (достигнутой производительностью).

В качестве такой меры выбран показатель P(t) «вероятность выполнения задания» ТС при обработке соответствующей i-й или j-й детали. Для отдельного задания этот показатель может служить мерой эффективности его выполнения, а анализируя выборку заданий, можно получить его численную оценку, характеризующую надежность процесса функционирования ТС в течение планируемого промежутка времени.

Глава 4. Пример разработки технологических решений по созданию технологических систем на базе унифицированных агрегатных узлов Все обобщенные технические характеристики ТС классифицированы по группам и сведены в табл.1. Такие характеристики как: габариты обрабатываемого i-го и j- го изделия; производительность; точность обработки изделия; надёжность и долговечность основного и вспомогательного оборудования и приспособленность ТС для работы в безлюдном режиме формируют производственный потенциал. В таблице также приведены требования к проектированию ТС.

Особенностью проектирования ТС является необходимость существования более глубокого развитого предпроектного периода, заключающегося в следующем:

1) заказчик проводит по разработанной в работе методике анализ конструкций и технологических требований к обрабатываемым деталям; 2) анализирует тенденции изменения требований к точности изготовления деталей в Российской Таблица Обобщенные технические характеристики и требования к проектированию технологических систем Комплексная техническая характеристика ТС Требования к проектироваГабариты об- Производитель- Точность обработки Надежность и долговеч- Уровень приспособ- нию ТС рабатываемого ность (шт/год) изделия ность основного и вспомо- ленности ТС для работы в изделия (мм) гательного оборудования безлюдном режиме 1.Наибольшие раз- 1. Мощность главного 1. Точность и стабильность 1. Надежность и долговеч- 1. Наличие устройств в 1. Единство базовых и зажимных меры заготовок i-ой привода позиционирования и траек- ность механических узлов, станке и функциональных элементов для установки заготодетали и зависящих торий перемещения рабо- определяющих рациональ- возможностей системы вок, спутников или приспособлеразмеров базовых чих органов ность конструкции станков, управления ний-спутников поверхностей для соответствие выбранных маих закрепления териалов и упрочняющей обработки характеру нагружения деталей и стыков 2. Наибольшие раз- 2. Диапазон частот вра- 2.Статистические, динами- 2. Надежность и долговеч- 2.Емкость инструменталь- 2. Единство базовых и зажимных меры обрабатывае- щения шпинделя ческие и температурные ность систем управления и ных магазинов и накопите- элементов отдельных инструменмых поверхностей деформации несущей сис- транспорта, гидро- и пневмо- лей заготовок тов и многошпиндельных головок i-ых деталей, зави- темы и других важнейших оборудования для i-ой и j-ой деталей сящие от величин элементов (шпиндельный перемещения рабо- узел, силовой стол и т.п.) чих органов станка 3. Наибольшая мас- 3. Скорости быстрых пе- 3. Гарантированная и опти- 3. Функционирование сис- 3. Унификация каналов и элеменса заготовок i-ой ремещений мальная по качеству и перио- тем отвода стружки, шлама, тов связи в управляющих устройдетали дичности смазка в совокуп- СОЖ ствах станков ности с надежной защитой их от загрязнения 4.Количество 4. Наибольшие усилия 4. Применение экологически- управляемых (в том подачи по управляемым безопасной СОЖ числе одновремен- осям координат но от ЧПУ) пере- 5. Автоматизация вспо- 5. Рациональный режим эксмещений рабочих могательных перемеще- плуатации органов и органи- ний узлов (смена инстзация связи между румента, заготовок и этими перемеще- т.п.) и быстродействие ниями соответствующих узлов и механизмов.

6. Жесткость системы станок-инструментдеталь и ее динамическое качество и мировой практике; 3) экспертно оценивает требования к точностным характе- ристикам деталей на пять-десять лет вперед. Для решения алгоритма этой задачи предложена системная методика построения прогнозно-рисковых моделей изменения технологических требований к обрабатываемым деталям.

Заявка на ТС является основным исходным документом для ее проектирования.

Заявку разрабатывает заказчик с учетом специфики групповой обработки семейства деталей, для которых предназначена ТС, а также с учетом конкретных эксплуатационных условий производства. Специфика составления заявки состоит в том, что заказчик должен не только представить чертеж обрабатываемой детали, но и предполагаемые изменения этой детали во времени эксплуатации линии, т.е.

прогнозируемое семейство деталей (i-е и j-e конструкции).

В работе разработаны базы данных технических характеристик и совместимости основных узлов позиций ТС. В работе также разработана база данных визуального представления унифицированных узлов. По требуемым точностным характеристикам обрабатываемых деталей из базы данных основных узлов, используя разработанную таблицу соответствий (табл.2), выбираются необходимые решения. Далее из выбранных унифицированных узлов, согласно технологическому процессу обработки деталей разрабатывается структура технической системы.

На рис.4, в качестве примера, представлена планировка ТС для обработки головки 4-цилиндрового блока цилиндров. На фрезерном станке С1 обрабатывается привалочная плоскость головки. На расточном станке С2 производится расточка отверстий под клапана. Этот станок комплектуется однокоординатносиловым столом с ЧПУ с шарико-винтовой парой и бабкой револьверной с ЧПУ с параллельным расположением шпинделей. Позиция С3 состоит из станка с ЧПУ со сменой многошпиндельных коробок, что позволяет быстро переходить на j-ю конструкцию головки блока цилиндров (из семейства прогнозируемых) для обработки деталей практически без остановки системы. На станках С4 и С5 выпол- няются финишные операции. С6-контрольно-измерительная позиция ТС. Пози- ция-С7 предназначена для снятия обработанных деталей с приспособленийспутников.

Таблица Таблица принятия решений (соответствий) по выбору унифицированных агрегатных узлов в структуре технологической системы Условия Решения Плоскост- Шерохова- Шерохова- Цилинд- Перпенди- Матеность (мм) тость тость ричность кулярность риал на длине плоскости отверстий под расточного осей к базе 300 мм (мкм) клапан (мкм) отверстия (мм(мм) Х11 Х12 Х13 Х21 Х22 Х23 Х31 Х32 Х33 Х41 Х42 Х43 Х51 Х52 Х53 Х61 ХР1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 Р2 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 Р3 0 0 0 1 0 1 1 0 1 Р6 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 Р7 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 Р8 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Р9 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Р13 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 Р14 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 Р15 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 Р16 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 Р20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 Р21 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 Р22 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 Р23 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 Р27 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 Р28 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 где Xnk- значения требований обрабатываемых деталей на ТС; Рm- модель унифицированного узла.

Во время эксплуатации ТС появляется j-я конструкция головки блока цилиндров. Подается заявка на j-ю деталь. В это время происходит процесс проектирования ТС. Разрабатывается рабочая документация ТС для обработки j-й конструкции головки головок блоков цилиндров, например, разработка конструкции шпиндельных коробок. Далее, с минимальными потерями во времени ТС переходит на обработку j n-й конструкции головки. Проектирование ТС во время экс- плуатации дает возможность перехода на изготовление jn-й головки блока цилиндров с минимальными потерями. Для обеспечения гибкости оборудования пред- подачи зерная ная Бабка Бабка рас Бабка фре Силовой узел сверлиль точная Рис. 4. Пример планировки системы Пример планировки технологической системы лагается специальная гамма нормализованных унифицированных узлов гамма нормализованных унифицированных узлов, в том чис- ле с управлением от СЧПУ включение следующего оборудо- У, предполагается включение следующего вания: столы однокоординатно-силовые семи габаритов с шарико однокоординатно габаритов с шарико-винтовой парой и высокомоментным электродвигателем; столы однокоординатно-силовые с гидвысокомоментным электродвигателем однокоординат роприводом двух габаритов столы крестовые трех габаритов; столы продольнодвух габаритов; тов; ст поворотные с гидроприводом -двух габаритов; комплект унифицированных узлов гидроприводом лект унифицированных с программируемым перемещением координатным осям и инстпрограммируемым перемещением от СПЧУ по трем координатным рументальным магазином; бабки револьверные (с веерным расположением магазином веерным шпинделей, с поворотной шп с параллельным расположеповоротной шпиндельной коробкой и с параллельным нием шпинделей); бабка расточная ЧПУ одного габарита; баббабка расточная с плансуппортом с ЧПУ одного ки фрезерные, работающие с инструментом из сверхтвердого материала (СТМ) ботающие с сверхтвердого материала двух габаритов.

Наличие таких узлов позволит батывать несколько модификаузлов позволит на одной ТС обрабатывать несколько ций однотипных деталей с минимальным количеством встраиваемых узлов и в отдеталей с минимальным встраивае дельных случаях обеспечит возможность перестройки линии при смене объектов обеспечит возможность нии при производства. На примере (рис.4) такая система обладает всеми пятью видами На примере рис ладает всеми гибкости: конструкционной гибкостью, т.к. ТС состоит из унифицированных агконструкционной состоит из унифицированных регатных узлов; технологической гибкостью, т.к. на позициях С1, С2 и С3 возтехнологической позициях можно выполнение ряда переходов и операций, которые были предусмотрены на выполнение ряда переходов которые были предусмотрены стадии проектирования; cтруктур вует резервная труктурной гибкостью - существует резервная позиция (СР) ТС. Представленная система обладает гибкостью по объему выпуска продукПредставленная система по объему выпуска ции, т.е. возможностью обработки деталей с различной программой выпуска.

возможностью обработки различной програм Операционная гибкость проявляется в том, что на станках возможна наладка на индивидуальное управление режимами его функционирования и длительностью операционных циклов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ 1. В диссертации решена задача, имеющая существенное значение для машиностроения и заключающаяся в повышении эффективности технологической подготовки производства на основе моделирования и автоматизации проектирования технологического оборудования.

2. Установлены связи и зависимости между входной информацией: планируемая производительность, гибкость, точностные требования обрабатываемых деталей, прогноз изменения точностных требований деталей, условия эксплуатации - коэффициент использования фондов времени технологической системы (ТС), сведения о характеристиках технологического, транспортного и другого оборудования и выходной информацией: технологический процесс, компоновка и состав оборудования, рекомендуемый процесс эксплуатации при разработке и построении общей математической модели проектирования ТС, позволяющей определить её технические характеристики на начальных этапах.

3. Построена математическая модель ТС на основе взаимосвязей между её элементами и функциями, описывающими поведение системы.

4. Предложена модель (прогнозно-рисковая) и алгоритм расчета изменения во времени параметров обрабатываемых деталей, которые позволяют учитывать уровень избыточности технологических характеристик систем 5. Разработана методика расчета комплексной технической характеристики ТС по параметрам - производительность, габариты и технологичность изделия.

6. Описана предложенная структура данных и организация системы, дано обоснование выбора программных продуктов Microsoft Access, Borland Builder C++ и оболочки OpenGL, используемых для создания, поддержки базы данных и формирования 3D модели компоновки позиции ТС.

7. Результаты работы могут быть рекомендованы для машиностроительных предприятий и конструкторских бюро, проектирующих автоматизированное оборудование, а также в учебном процессе для направлений 150401, 150900,151002.

CПИСОК РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Феофанов О.А. Методика назначения технологических характеристик технологических систем. Приводная техника №2, 2012, стр. 17-22.

2. Феофанов О.А., Салдадзе А.Д. База данных технологических характеристик многофункциональных станков с ЧПУ. Технология машиностроения №3, 2010, стр. 29-32.

3. Феофанов О.А., Капитанов А.В., Салдадзе А.Д., Определение взаимного положения осей деталей при сборке. Вестник МГТУ “CТАНКИН” №1(9), 2010, стр. 145-150.

В других изданиях:

4. Феофанов О.А., Юнин И.Ю. Анализ повышения производительности систем при создании предприятия. Семинар “Современные технологии в горном машиностроении” 24-28 января. Издательство ММГУ г. Москва, 2011, стр.

36-39.

5. Феофанов О.А. Компоновка технологической системы для обработки корпусных деталей// Труды Международной научно-технической конференции “Автоматизация технологических процессов и контроль” – Тамбов, 2010, с.9597.

6. Феофанов О.А. Методика проектирования автоматического технологического оборудования // Труды Международной научно-технической конференции “Проблемы автоматизации и управления в технологических системах” – Пенза, 2011, c.56-57.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.