автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированная компоновка технологических систем серийного производства с целью повышения эффективности процесса проектирования

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

З л'/.ї 2012

Москва - 2012 г.

005018999

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

Научный руководитель: 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 металлорежущие системы автомобилестроения» Султан-Заде Назим Музаффарович

кандидат технических наук, федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт машиноведения им. A.A. 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, Вад-ковский переулок, д. За.

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 дня удовлетворения требований потребителя, например, переход автомобильной промышленности на экологически «чистые» конструкции двигателей Евро 3, Евро 4 и Ев-ро5, 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 конструктор-ско-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 - ООО «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 «Технолога», оборудование и автоматизация машиностроительных производств», 151002 «Металлорежущие станки и комплексы».

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертации докладывались па Международной научной конференции «Студент и научно-технический 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 3 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: 1-я деталь - известная на стадии

проектирования ТС, }-я деталь - прогнозируемая конструкция на стадии проектирования ТС.

ТС - система автоматического оборудования, которое может перестраиваться (с минимальной переналадкой) в процессе эксплуатации на обработку новой _)-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. Жганенный 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.

Рис.I 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.ГТ.Владзиевского,

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 программного 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), "Huiler Hille" (Германия), "Grob" (Германия), "Emag" (Германия), "Honsberg" (Германия), "Cornau" (Италия), "Ex-cell-О" (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 про-ектпровании 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, ко-

торый включает в себя: описание качественной зависимости между производительностью, гибкостью и стоимостью; описание принципов построения прогнозно-рисковых 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 мас-согабаритные характеристики) - Г,;

2) технологическая гибкость - возможность выполнения ряда переходов и операций над ¡-й и ^й деталями, предельные точностные и массогабаритные характеристики, которых были предусмотрены на стадии проектирования ТС, с заданной точностью на определенных позициях линии - Гп,а„\

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

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

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(х)=/( ц.Г (х),//.Г (?),//,Г , (Й/Л-Г (х) (1)

\ / 1 г 2 теХ11\ з стр\ / '4 оо.вк > 5 опк ' 4 '

где X - совокупность технико-экономических параметров ТС, используемых при проектировании, коэффициенты весомости видов гибкости, опреде-

ляемые 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 ^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,..., 1 и прогнозируемых 3+1^+2, ..., ] 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 необходим!,111 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)

- ь

3 3

3 5}

3

в!

Программа выпуска і-Гі детали

Типовой технологический процесс обработки детали.

1. Базы обработки.

2. Поверхности трапспортироваиля Д,^,,; Ц1Ч,т?.

3. Маршрутная карта обработки.

1. Лпалш динамики изменений точностных параметров обрабатываемых поверхностен.

2. Прогнозирование па перспективу точности изготовления деталей

в X о д

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТС

ЕМКО" Д

1. Разработка технологического процесса для новой конструкции детали.

2. Структура п состав оборудования ТС.

3. Рекомендуемый процесс эксплуатации.

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

*- перечень конструктивных элементов изделия н связи между ними.

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 Л': 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 (X 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

создании ТС, т.е. определяет область возможных решений X. В дальнейшем эффективность будем характеризовать показателем эффективности.

В общем случае показатель эффективности Ц' зависит от обеих групп факторов: ¡V = ж (х,а ). При рассмотрении этой формулы надо помнить, что как

X, так и (X 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 ком*

плексе условий ОС найти такое решение Х=Х , при котором показатель эффективности IV 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:

1¥=Ж(а,х,^.) (2),

В процессе эксплуатации производят переналадку работы ТС, связанную с переходом на обработку ]-й детали. С одной стороны, необходимо обеспечить максимальную производительность Qj, с другой, желательно сократить затраты 3 и иметь необходимую гибкость Г для возможности перехода на .¡-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 6 Г.* lm/"

I! п

X т (x-j , х 2 ,... хп )е

МО

с [ rao.v п

,(3)

МО

О (X max;

т '

3 [X " )-> min;

к + э 4 т '

Г (х max.

^ т '

где хп - технико-экономические параметры ТС, п— общее число параметров, используемых при выборе характеристик ТС, например, скорость резания на одной из рабочих позиций, скорость быстрых перемещений стового узла подачи, надежность системы управления станком и т.п.; И, — массога-баритные характеристики обрабатываемых детачей, заданные при проектировании оборудования; tni — средняя длительность переналадок при обработке l,2,...,i деталей, заданных при проектировании оборудования; Т{ — обобщенные характеристики точности обработки i-ой детали, требования к которым известны на стадии проектирования оборудования; у, - программное обеспечение системы; ß- методическое обеспечение системы; [х™"4;х™" J

- диапазон изменения п- ого параметра; Xm(xi;x2;...x„)-совокупности параметров, где т - возможное число из области допустимых значений D, которые определяют экстремум (max или min) некоторой целевой функцииi D -область допустимых значений совокупности параметров Х„, которая задается некоторой системой ограничений.

Производительность ТС при обработке каждой i-й или j-й деталей равна: ß(x~) = 0 (auf,)-»шах > (4)

где О " производительность оборудования в целом.

Стоимостные показатели при обработке каждого из j-x типов деталей, 3(х„,а,{,)= зэ(х))-> min , (5)

где з ^ j"~х j - капитальные затраты, '] ^ ^х j - эксплуатационные затраты на

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:

Г(Х) = Г( а, х. 4 j ) шах , (6)

Учитывая сказанное, получим следующую математическую модель многокритериальной оптимизационной задачи для выбора наилучшего варианта проектирования ТС:

Q(~X )=Q (x.a4f) -» шах

—• (7)

. 3KJX )=3(x„.a4j)-> min ,

Г (~X )=Г( Xn,a 4 j ) —> max

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 значениями (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

~0(У)= М

3 ( X ) = к ,э

3(а,.х£.)

Г(X )= М\ Г(а,х

'■М

—> тах —> гшп —> тах

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 определетшя динамики изменения основных технологических характеристик головок блоков цшнтдров 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:

Рьс.З. Блок-схема алгоритма анализа изменений технологических характеристик основных поверхностен головки блока цилиндров.

Линейные

У=а-ї+Ь. (9)

1. ЛоглинеГшые (экспоненциальные)

у=ехр(аЧ+й). (10)

2. Экспоненциальные с квадратичным показателем

у = ехр (аЛг +ьл + с). (11)

В моделях (9) - (11) приняты следующие обозначения

у = [>;1 >У2>--->УтТ - вектор результатов аппроксимации, соответствующего параметра головки блока цилиндров

* = '■•■^тТ ~~ вектор дискретных значений времени (год) (контролируемых переменных) соответствующего параметра головки блока цилиндра,

2 12 2 ? г

* =|/і ,'2 \ - вектор квадратов дискретных значений времени соответствующего параметра головки блока цилиндров, а, Ь, с - постоянные величины, коэффициенты математических моделей прогноза, Т - обозначает операцию транспонирования.

Обзор коэффициентов а. Ь, 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 создания 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 а м :

/ (л ) - плотность вероятности распределения задаваемых требований X к точностным характеристикам параметров головки блока цилиндров: х * — неизвестное прогнозируемое значение требований к точностным характеристикам параметров головки блока цилиндров; а м — СКО модели, используемой для прогнозирования требуемых значений точностных характеристик параметров головки блока цилиндров; хтр — прогнозируемые требования к

точностным характеристикам параметров головки блока цилиндров на 2020 год на основе модели с точностью к ■ <7\/ (то есть: Хтр + к ■ сг„); к - коэффициент 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 Л',,,, не отклоняются от своих номинальных значений X на величину, большую к ■ а м .

Учитывая изложенное, математическое выражение для риска Л/ задания требований ХШр к техническим характеристикам основных поверхностей головок блоков цилиндров может быть записано следующим образом:

(13)

— оценка вероятности отклонения прогнозируемых на 2020 год требований к точностным характеристикам параметров головки блока цилиндров Хтр

вправо (в сторону занижения) от своего неизвестного номинального значения

Таким образом, в общем случае значение риска Я] соответствует площади под кривой плотности распределения /(Х) задаваемых требований Хк точностным характеристикам параметров головки блока цилиндров на интервале

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.

Компчексная 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 ¡-ой детали. Такой подход предполагает, что если разработчик установил среднюю действительную производительность (¿„иГ^ОлН). то это обеспечит выполнение производственных заданий заказчика. Однако, вследствие того, что значения и О/П имеют определенное рассеяние, существует конечная, неравная нулю вероятность того, что достигнутая при выполнении конкретного задания произво-

дительность Ом (I) окажется меньше требуемой для выполнения задания 0/(1). 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 Р(1) «вероятность выполнения задания» ТС при обработке соответствующей ¡-й или ]'-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 решении 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 ¡-го и го изделия; производительность; точность обработки изделия; надёжность и долговечность основного и вспомогательного оборудования и приспособлешгость 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 1

Обобщенные технические характеристики и требования к проектированию технологических систем_

Комплексная техническая характеристика ТС Требования к проектированию ТС

Габариты обрабатываемого изделия (мм) Производительность (шт/год) Точность обработки изделия Надежность и долговечность основного и вспомогательного оборудования Уровень приспособленности ТС для работы в безлюдном режиме

1.Наибольшие размеры заготовок ¡-ой детали н зависящих размеров базовых поверхностей для их закрепления 1. Мощность главного привода 1. Точность и стабильность позиционирования и траекторий перемещения рабочих органов 1. Надежность и долговечность механических узлов, определяющих рациональность конструкции станков, соответствие выбранных материалов и упрочняющей обработки характеру нагруже-иия деталей и стыков 1. Наличие устройств в станке и функциональных возможностей системы управления 1. Единство базовых и зажимных элементов для установки заготовок, спутников или приспособлений-спутников

2. Наибольшие размеры обрабатываемых поверхностей ¡-ых деталей, зависящие от величин перемещения рабочих органов станка 2. Диапазон частот вращения шпинделя 2.Статистические, динамические и температурные деформации несущей системы и других важнейших элементов (шпиндельный узел, силовой стол и т.п.) 2. Надежность и долговечность систем управления и транспорта, гидро- и пневмо-оборудования 2,Емкость инструментальных магазинов и накопителей заготовок 2. Единство базовых и зажимных элементов отдельных инструментов и многошпнндельных головок для ¡-ой и^ой деталей

3. Наибольшая масса заготовок 1-ой детали 3. Скорости быстрых перемещений 3. Гарантированная и оптимальная по качеству и периодичности смазка в совокупности с надежной защитой их от загрязнения 3. Функционирование систем отвода стружки, шлама, СОЖ 3. Унификация каналов и элементов связи в управляющих устройствах станков

4.Количество управляемых (в том числе одновременно от ЧПУ) перемещений рабочих органов и организация связи между этими перемещениями 4. Наибольшие усилия пода'пг по управляемым осям координат 4. Применение экологически-безопасной СОЖ

5. Автоматизация вспомогательных перемещений узлов (смена инструмента, заготовок и т.п.) и быстродействие соответствующих узлов и механизмов. 6. Жесткость системы станок-инструмент-деталь и ее динамическое качество 5. Рациональный ре-жим эксплуатации

и мировой практике; 3) экспертно оценивает требования к точностным характеристикам 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 гаменения этой детали во времени эксплуатации линии, т.е. прогнозируемое семейство деталей (¡-е и]-е конструкции).

В работе разработаны базы данных технических характеристик и совместимости основных узлов позиций ТС. В работе также разработана база данных визуального представления унифицироватгных 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 однокоординатно-силовым столом с ЧПУ с шарико-винтовой парой и бабкой револьверной с ЧПУ с параллельным расположением шпинделей. Позиция СЗ состоит из станка с ЧПУ со сменой многошпиндельных коробок, что позволяет быстро переходить на >ю конструкцию головки блока цилиндров (из семейства прогнозируемых) для обработки деталей практически без остановки системы. На станках С4 и С5 выполняются финишные операции. Сб-контрольно-измерительная позиция ТС. Пози-ция-С7 предназначена для снятия обработанных деталей с приспособлений-спутников.

Таблица 2

Таблица принятия решений (соответствий) по выбору унифицированных агрегатных узлов в структуре технологической системы

Решения Условия

Плоскостность (мм) на длине 300 мм Шероховатость плоскости (мкм) Шероховатость отверстий под клапан (мкм) Цилиид-ричность расточного отверстия (мм) Перпендикулярность осей к базе (ммО Материал

х„ Хг Л/. Х21 Л'., Х,< X,, х,.. х„ Хл Хг д-„ Хч X,- X., х„ Хч

Силовой узел подачи р, 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1

р. 0 I 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1

р3 0 0 0 1 0 1

1 1 0 1 0

р„ 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0

р, 1 1 0 I і 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0

Бабка фрезерная Ря 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

РV 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

р,< 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0

Р,4 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0

Бабка расточная Р„ 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Р,Л 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1

0 0 0 0 0 0 0 1

Р„, 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0

Р2, 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0

л а ^ изо ю Р: а а а : и й 03 о Р?, 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1

Р:< 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1

Р?7 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0

где Х„!с значения требований обрабатываемых деталей на ТС; Р„,- модель унифицированного

узла.

Во время эксплуатации ТС появляется )-я конструкция головки блока цилиндров. Подается заявка на >10 деталь. В это время происходит процесс проектирования ТС. Разрабатывается рабочая документация ТС для обработки ]-п конструкции головки головок блоков цилиндров, например, разработка конструкции

шпиндельных коробок. Далее, с минимальными потерями во времени ТС переходит на обработку ] „-Й конструкции головки. Проектирование ТС во время эксплуатации дает возможность перехода на изготовление ]„-й головки блока цилиндров с минимальными потерями. Для обеспечения гибкости оборудования пред-

Рис. 4. Пример танировки технологической системы лагается специальная гамма нормализованных унифицированных узлов, в том числе с управлением от СЧПУ, предполагается включение следующего оборудования: столы однокоординатно-силовые семи габаритов с шарико-винтовой парой и высокомоментным электродвигателем; столы однокоординатно-снловые с гидроприводом двух габаритов; столы крестовые трех габаритов; столы продольно-поворотные с гидроприводом -двух габаритов; комплект унифицированных узлов с программируемым перемещением от СПЧУ по трем координатным осям и инструментальным магазином; бабки револьверные (с веерным расположением шпинделей, с поворотной шпиндельной коробкой и с параллельным расположением шпинделей); бабка расточная с плансуппортом с ЧПУ одного габарита; бабки фрезерные, работающие с инструментом из сверхтвердого материала (СТМ) двух габаритов.

Наличие таких узлов позволит на одной ТС обрабатывать несколько модификаций однотипных деталей с минимальным количеством встраиваемых узлов и в отдельных случаях обеспечит возможность перестройки линии при смене объектов производства. На примере (рис.4) такая система обладает всеми пятью видами гибкости: конструкционной гибкостью, т.к. ТС состоит из унифицированных агрегатных узлов; технологической гибкостью, т.к. на позициях С1, С2 и СЗ возможно выполнение ряда переходов и операций, которые были предусмотрены на стадии проектирования; структурной гибкостью - существует резервная позиция (СР) ТС. Представленная система обладает гибкостью по объему выпуска продукции, т.е. возможностью обработки деталей с различной программой выпуска.

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 С++ 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 обору-

дование, а также в учебном процессе для направлений 150401,150900,151002.

СПИСОК РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ:

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

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

3. Феофанов O.A., Капитанов A.B., Салдадзе А.Д., Определение взаимного положения осей деталей при сборке. Вестник МГТУ "СТАНКИН" №1(9), 2010, стр. 145-150.

В других изданиях:

4. Феофанов O.A., Юннн 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 O.A. Компоновка технологической системы для обработки корпусных деталей// Труды Международной научно-технической конференции "Автоматизация технологических процессов и контроль" — Тамбов, 2010, с.95-97.

6. Феофанов O.A. Методика проектирования автоматического технологического оборудования // Труды Международной научно-технической конференции "Проблемы автоматизации и управления в технологических системах" -Пенза, 2011, с.56-57.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Феофанов Олег Александрович

Автоматизированная компоновка технологических систем серийного производства с целью повышения эффективности процесса проектирования

Подписано в печать 09.04.2012. Формат 60* 90 1/16. Бумага 80 г. Усл. печ. п. 1,75. Тираж 100 экз. Заказ 72.

Отпечатано в Издательском центре ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» 127055, Москва, Вадковский пер., За Тел.: 8(499) 973-31-93

61 12-5/2375

ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет

«станкин»

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)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки рф,

д.т.н., профессор Митрофанов в.г.

Москва-2012 г.

....................................5

Введение.................................................................

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования......................7

................7

Ы.Основные термины и определения.............................

1 2 Обзор научных работ, посвященных исследованию автоматических

линий для групповой обработки деталей крупносерийного «Р™«" ........................................................................

...17

1.3. Состояние развития автоматических лини..............................

1 4. Унифицированные узлы агрегатных станков, встраиваемые в автоматические линии для обработки корпусных деталей на примере головок блоков цилиндров............................................................

42

1.5. CASE - технологии в задачах проектирования.............................

1.5.1. CASE - технология создания и сопровождения информационных систем..............................................................

1.5.2. О методологии проектирования информационных систем...........46

1.6. Цель и основные задачи исследования...........................................61

t .....................................62

1.7. Выводы по главе 1.................................

Глава 2. Исследование основ проектирования технологических систем

....................63

механической обработки..........................................

2.1. Классификация свойств гибкости технологических систем..............63

2.2. Методика выбора инновационного проекта создания технологических

.............................65

систем..............................................................

2.3. Теоретические основы методики построения технологических систем из унифицированных агрегатных узлов...............................................

2.4 . О методах многокритериальной оптимизации в связи с их применением к задаче проектирования автоматизированных технологических

.........................85

систем...........................................................

2.5. Выводы по главе 2................................................................

ГлаваЗ. Обоснование выбора технических характеристик технологиче-

......................................101

ских систем.....................................................................................

3.1. Анализ требований, предъявляемых к точности изготовления основ-

1П1

ных поверхностей головок блоков цилиндров...............................................1U1

3 2 Статистический анализ точности обработки деталей на технологиче-

...................................113

ских системах.......................................................................

3 3 Анализ рисков на этапе проектирования технологических сис-

...........................125

тем...............................................................

3 4 Комплексная техническая характеристика технологических сис-

...........................129

тем..................................................................

3.5. Комплексная техническая характеристика технологических систем (по массогабаритным и технологическим характеристикам)..............134

139

3.6. Выводы по главе 3................................................................

Глава 4. Пример разработки технических решений по созданию технологических систем на базе унифицированных агрегатных уз..........................139

лов..............................................................

4 1 Описание основных унифицированных агрегатных узлов техноло-

...........................139

гических систем.........................................................

411 Совместимость узлов главного движения с силовыми узлами подачи

...................146

агрегатного станка......................................................

4.1.2. Обзор средств разработки, используемых в процессе создания базы

данных и систем визуального моделирования узлов позиции технологиче-

.....................................149

ских систем...............................................................................

4.1.3. Разработка базы данных узлов главного движения позиции технологической системы, на примере шпиндельных бабок....................................*61

4.1.4. Совместимость базы данных и визуального образа узлов главного движения, на примере шпиндельных бабок, с базой данных и визуальной моделью узлов подачи, на примере силовых столов............................164

4.2. Разработка технических решений по созданию автоматизированных

технологических систем на базе унифицированных агрегатных

.........................172

улов................................................................

. ......................181

4.3. Выводы по главе 4.............................................

182

Общие выводы и результаты........................................................

183

Библиографический список.........................................................

Введение

Учитывая потребности промышленности, особенно в таких традиционно крупносерийных производствах машиностроения, как автомобилестроение, тракторостроение и сельскохозяйственное машиностроение, можно предполагать, что, несмотря на уменьшение срока действия потребительского состояния этих машин, программа выпуска составляющих их деталей сохраняется на достаточно высоком уровне. Иными словами, стадия производства этих машин и входящих в них деталей будет продолжать характеризоваться крупносерийным выпуском, а сами обрабатываемые детали могут видоизменяться в пределах своих функциональных значений в течение «жизненного» срока службы обрабатывающего оборудования. Новые требования, предъявляемые к обрабатывающему автоматическому оборудованию крупносерийного производства не могут быть обеспечены гибкими производственными системами (ГПС), состоящими, главным образом, из многооперационных станков типа «обрабатывающий центр» (ОЦ), а могут быть обеспечены только путем компоновки производственной системы из автоматических линий (АЛ) с различным гибким оборудованием, характеризуемым высокой степенью концентрации операций.

В соответствии с постановкой темы диссертационной работы проведение теоретических исследований направлено на разрешение научной задачи: разработка теоретических основ построения автоматизированной технологической системы (ТС) из унифицированных агрегатных узлов для обработки корпусных деталей на примере головок блоков цилиндров.

Постановка научной задачи рассматривается как необходимость решения технико-эксплуатационных проблем развития производства: применение ТС для изменяющегося типа производства, объединяющее признаки преимущественно среднесерийного производства, но допускающее функционирование в условиях крупносерийного. При этом разработка и исследования направлены на: 1) повышение гибкости, производительности, эксплуатаци-

онной надежности; 2) увеличение номенклатуры обрабатываемых изделий; 3) повышение точности и жесткости оборудования; 4) уменьшение стоимости, производственных площадей; 5) улучшение условий труда и решение экологических проблем.

Решение проблемы развития систем машин сводится к поиску путей и преодолению комплекса противоречий по универсальной схеме «гибкость -производительность - надежность - точность - жесткость — стоимость». Но наиболее конфликтующим является противоречие - увеличение гибкости при одновременном увеличении производительности. Анализ развития систем машин показывает, что пути разрешения противоречий по указанной схеме прямым образом зависят от проведения научных исследований в данной области.

Актуальность. В условиях изготовления деталей для поддержания конкурентоспособности фирмам-изготовителям необходимо иметь высокопроизводительные автоматизированные технологические системы (ТС) способные оперативно и полностью отвечать требованиям изменения рынка.

Такие изменения рынка вызваны:

-быстрой обновляемостью продукции и сокращением жизненного цикла (ЖЦ) изделий, а также уменьшением затрат, связанных с эксплуатацией;

-расширением номенклатуры изготовляемых изделий дня удовлетворения требований потребителя, например, переход автомобильной промышленности на экологические «чистые» конструкции двигателей Евро 3, Евро 4 и Евро5, что потребовало ужесточить ряд технических требований к обрабатываемым поверхностям деталей;

-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.).

ЖЦ продукции, изготовляемой на ТС намного меньше, чем ЖЦ обрабатывающего оборудования. Так, например, в России ЖЦ оборудования по обработке деталей двигателя внутреннего сгорания (ДВС) составляет 15-18 лет, а ЖЦ самих конструкций ДВС - примерно 7-8 лет. Таким образом, назначение научно обоснованных технических 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).

Индивидуализация требований заказчика обострила комплекс производственных противоречий. Заказчик ориентирует производителя на выпуск изделий различными партиями. Разнообразие изделий, изготавливаемых с применением ТС, частота смены заказа, конструкции изделия становятся случайными факторами для производителя. В этой связи разработка, проведение теоретических исследований основывается на развитии новых концепций создания более совершенных средств и систем автоматизации. К числу неизученных относится направление: исследования и проектирование ТС. Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

Ы.Основные термины и определения.

Эффективное использование традиционных автоматических линий (АЛ) требует прогнозирования возможных изменений конструкции выпускаемой продукции и потребительского спроса.

К ним относятся в массовом производстве: АЛ, агрегатные станки (АС), в крупносерийном и серийном производствах: переналаживаемые автоматические линии (ПАЛ), гибкие производственные системы (ГПС) роботизиро-

ванные технические (робототехнические) комплексы (РТК) и другие системы машин [13,18, 21, 22, 26, 36, 44, 45, 62, 82, 95].

Создание гибких производственных систем основывается на применении обрабатывающих центров (ОЦ), многооперационных станков с программным управлением (МС с ПУ), гибких производственных модулей (ГПМ), оснащенных средствами автоматизации загрузки заготовки и /или инструмента [8, 26, 41, 44], транспортирования и складирования заготовок, деталей; автоматизации смены инструмента и оснастки, совершенными системами управления и строящейся на этой базе организации гибкого автоматизированного производства (ГАП) [36, 41, 43, 44, 54,].

Неблагоприятная конъюнктура на машиностроительном рынке является следствием спада в экономике большинства развитых стран и, прежде всего, в США. Достаточно назвать сокращение многих десятков тысяч рабочих мест на ведущих корпорациях этой страны. В результате происходит усиление известных требований рынка, и появляются новые:

1.Быстрая обновляемость продукции и сокращение жизненного цикла (ЖЦ) изделий, а также затрат, связанных с обеспечением их службы.

2.Расширение номенклатурного ряда изделий для удовлетворения требований потребителя.

3. Повышение качества и конкурентоспособности изделий по критерию качество/цена.

4.Усиливается давление социального фактора (дефицит и дороговизна квалифицированного труда) и фактора охраны окружающей среды (утилизация отходов т.д.)

Согласно оценке на ближайшие 20-30 лет прогнозируется дальнейший рост автоматизации производства, что является основным средством удовлетворения вышеперечисленных требований, притом, что пик привлечения рабочей силы (численности) в промышленности давно пройден еще в 50-х годах.

Ситуация в металлообработке не может не отражать обострение конкуренции в отраслях промышленности, выпускающих конечную продукцию: автомобилестроение, авиастроение и другие.

Так, например, в автомобилестроении имеет место реструктуризация предприятий (Форд) или слияние фирм (Даймлер-Крайслер). Изменение конструкций массовых автомобилей, например, переход на передний привод.

Мировой энергетический кризис "заставил" автомобильную промышленность всех стран перейти от двигателей внутреннего сгорания большого объема (У-8; У-12) к двигателям меньшего объема (У-2; У-4). Следовательно, капиталовложения, затраченные на проектирование и изготовление АЛ, сильно ударили по карману фирм, эксплуатирующих эти линии. Таким образом, фирмы, изготавливающие продукцию крупносерийного производства, должны приспособиться к рыночным условиям, "приблизиться" к требованиям потребителя их продукции. Практика показывает, что при эксплуатации, непереналаживаемой традиционной АЛ, обрабатывающей определенную корпусную деталь (КД), фактически происходит изменения конструкции этой детали, что приводит к значительным потерям времени на перестройку и модернизацию оборудования. По опыту работы Мое СКБ АЛ и АС в год производится до ста изменений в конструкции сложной обрабатываемой детали, например, головки блока цилиндров двигателя автомобиля. Следующая причина появления требований гибкости автоматического оборудования крупносерийного производства - индивидуализация спроса, что ведет к увеличению количества наименований аналогичных по конструкции, но различных по конструктивным размерам, деталей машин, которые необходимо изготавливать одновременно или последовательно (партиями) на АЛ, например, автомобильных двигателей, их узлов и деталей; тяжелых тракторов, узлов компрессоров, строительных и дорожных машин [7, 26, 62].

В настоящее время в России сложилась неблагоприятная ситуация по проектированию и изготовлению дорогостоящего оборудования крупносе-

рийного производства такого как АЛ, которая должна измениться, т.к. наблюдается тенденции роста выпуска конкурентоспособной продукции.

Особенностью современного производства является значительный рост номенклатуры выпускаемой продукции и, следовательно, сокращение длительности производственного цикла. Эффективность применения машиностроительной продукции обеспечивается за счет удовлетворения конкретных требований потребителей, запросы которых в условиях рыночных отношений значительно возрастают. Индивидуальные потребительские требования и короткий срок выпуска определенной продукции диктуют необходимость развития высокопроизводительного крупносерийного производства. Средний срок службы машин в настоящее время без модернизации не превышает 8-10 лет, а срок внедрения в производство изобретений составляет один, два года [7]. Для успешного решения задачи удовлетворения требований потребителей необходимо, чтобы оборудование, которое, будучи высокопроизводительным, допускало бы переналадку при смене объектов производства.

АЛ - совокупность агрегатных и специальных станков (АЛ и СС), установленных в порядке следования технологического процесса, имеющих общее управление, или несколько взаимосвязанных систем управления, где межоперационное перемещение заготовок от станка к станку осуществляется автоматической транспортной системой. АЛ, проектируется и эксплуатируется на определенную обрабатываемую деталь. Эту деталь мы обозначим как ью, а конструкцию перспективной (прогнозируемой) головки блока цилиндров обозначим как ]-ю.

Переналаживаемая АЛ (ПАЛ) - линия, аналогичная по построению с АЛ, предназначенная для обработки заданной заранее известной при проектировании номенклатуры КД. Число типоразмеров таких деталей может достигать 10 [26].

Автоматизированная технологическая система (ТС) - технологическая система, которая может обрабатывать в соответствие со своими техническими характеристиками новую номенклатуру деталей, неизвестную на стадии

10

создания (проектировании), но аналогичную по технологическим возможностям и точностям обработки, принятой при проектировании. Конструкции этих деталей должны быть из одного семейства, что обеспечивает их технологическую преемственность.

Необходимо учесть, что производство на АЛ проходит три стадии развития: а) освоение с неполной загрузкой АЛ; б) с полной загрузкой оборудования, в) выпуск запчастей к снятому с производства изделию. В условиях ТС все три стадии состояния производства могут быть объединены с учетом необходимого изменения объема производства путем наращивания количества использованного оборудования [26, 35]. При эксплуатации ТС возникает необходимость в ее дополнительном проектировании. Жизненный