автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Использование информационных технологий для повышения эффективности сборки высокоточных узлов

ОАО «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ»

-ЭНИМС-

На правах рукописи УДК 681.518:62-52

ОЗАДОВСКИЙ Яков Александрович

Использование информационных технологий для повышения эффективности сборки

высокоточных узлов (на примере сборки шпиндельного узла токарного станка)

Специальность - 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - член-корреспондент Академии Технологических наук РФ,

доктор технических наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР Черпаков Б.И. Научный консультант - кандидат технических наук Судов Е.В.

Москва - 1998

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДОСТИЖЕНИЯ ТОЧНОСТИ СБОРОЧНЫХ ПРОЦЕССОВ В СТАНКОСТРОЕНИИ...................................................................8

1.1. Общая характеристика автоматизированного завода «Красный Пролетарий». Место сборки шпиндельных узлов в производстве.....................................................................8

1.2. Анализ конструкций шпиндельных узлов металлорежущих станков

(на примере токарных станков)......................................................................................................13

1.3. Общие положения о сборке машин..........................................................................20

1.4. Методы полной и неполной взаимозаменяемости..............................................24

1.5. Метод групповой взаимозаменяемости (селективная сборка).........................28

1.6 Метод пригонки.............................................................................................................32

1.7. Метод регулирования..................................................................................................34

1.8. Применение метода регулирования для достижения точности (на примере сборки шпиндельного узла станка). Точность и производительность - факторы оценки качества сборки шпиндельного узла............................................................................................36

1.9. Выводы по главе 1.......................................................................................................40

1.10. Цели и задачи диссертационной работы...............................................................41

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СБОРКИ ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ С ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКОЙ......................................................................................42

2.1 Моделирование известных методов выполнения работ по сборке шпиндельных узлов и их анализ....................................................................................................42

2.2. Метод выполнения сборки с информационной поддержкой..............................49

2.3. Математическая модель процесса сборки узла с неполной взаимозаменяемостью при наличии информационной поддержки.......................................56

2.4. Алгоритм формирования сборочного комплекта и определение размера компенсационной детали для сборки с информационной поддержкой................................58

2.5. выводы по главе 2.......................................................................................................62

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОВМЕСТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ И ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ СБОРКЕ ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ ТОКАРНЫХ СТАНКОВ............64

3.1. Описание исходных данных для моделирования................................................65

3.2. Моделирующие алгоритмы........................................................................................67

3.3. Описание результатов моделирования...................................................................74

3.4. Методика оценки экономического эффекта от введения информационной поддержки...........................................................................................................................................79

3.5. Выводы по главе 3.......................................................................................................82

ГЛАВА 4. ПРЕДЛАГАЕМАЯ СИСТЕМА СОВМЕСТНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ И ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ТЕХНОЛОГИЙ В ПРОЦЕССЕ СБОРКИ ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЗАВОДА «КРАСНЫЙ ПРОЛЕТАРИЙ»....................................83

4.1. Описание объекта внедрения, его состав и материальные потоки..................83

4.2. Информационная поддержка технологического процесса сборки шпиндельных узлов..........................................................................................................................92

4.3 Особенности технологического процесса сборки шпиндельных узлов...........99

4.4. Состав технологического оборудования гибкого автоматизированного участка сборки шпиндельных узлов автоматизированного завода «Красный Пролетарий», реализующего совместное использование информационной

и производственной технологий.................................................................................................107

4.5. Выводы по главе 4.....................................................................................................112

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ...........................................................113

ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................................115

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ЧЕРПАКОВ Б.И., ОЗАДОВСКИЙ Я.А. СПОСОБ СБОРКИ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА. ПАТЕНТ РФ № 2103142....................................................................123

Введение

Организация производства высокоточных изделий и управление им нуждаются в изменениях, адекватных сегодняшним экономическим условиям. Сегодня рынок характеризуется ликвидацией технологического монополизма внутренних производителей, открытостью для зарубежных конкурентов и ужесточением требований к качеству. Последние выражаются в законодательных положениях о сертификации выпускаемой продукции, разработке и принятии международных стандартов, регламентирующих качество изделий. Это делает неотложным повышение гибкости производства, обеспечение возможности быстрого реагирования на меняющуюся рыночную конъюнктуру. Крупносерийное станкостроительное производство вытесняется средне- и мелкосерийным с позаказной системой выпуска продукции, допускающей одновременное изготовление изделий нескольких базовых моделей и их модификаций. Одно из стратегических направлений повышения гибкости производства - автоматизация управления всем жизненным циклом производства изделий, т. е. создание компьютеризированного интегрированного производства (КИП), включающего в себя автоматизированные системы поддержки маркетинговой деятельности, конструкторско-технологической подготовки производства, планирования и управления процессом производства, обеспечения качества. Обеспечение качества и надежности станков является важной задачей, решаемой на этом направлении. Решение этой задачи первостепенно важно для повышения эффективности производства.

Проф. A.B. Пуш указывает [43], что проблема качества и надежности металлорежущего станка сводится, в основном, к обеспечению первоначальной

точности станка и ее сохранению во времени, т.е. к обеспечению точностной (или параметрической) надежности станка и его формообразующих узлов.

Шпиндельный узел является одним из наиболее ответственных узлов станка с точки зрения влияния точности его работы на качество обработанных на станке деталей, поскольку шпиндельный узел участвует в движении формообразования.

Основными характеристиками шпиндельного узла, определяющими его качество и технологические возможности, являются нагрузочная способность, точность, быстроходность и надежность. В качестве дополнительных характеристик шпиндельного узла следует указать жесткость, а также динамические и тепловые характеристики.

Известно, что на долю шпиндельного узла приходится от 50% до 80% погрешностей станка [43]. Однако до настоящего времени выполнено недостаточное количество работ, посвященных прогнозированию качества шпиндельных узлов на стадии проектирования. Следствием этого является необходимость доработки в процессе сборки и отладки шпиндельного узла, что удлиняет сроки его создания и увеличивает стоимость. Также является открытой проблема интегрированного контроля качества шпиндельных узлов в течение полного производственного цикла с учетом обратной связи с технологией сборки узла и его эксплуатации.

Важнейшей составной частью любой системы управления является обратная связь, обеспечивающая коррекцию управляющего воздействия в зависимости от поведения системы. Применительно к шпиндельному узлу это означает необходимость сбора, обработки и учета в процессе проектирования и

производства информации о функционировании изготовленных узлов в станках, а также о влиянии погрешностей деталей и подузлов шпиндельного узла на погрешности работы узла в целом.

Одним из основных направлений повышения конкурентоспособности выпускаемых изделий на ведущих машиностроительных предприятиях является разработка и внедрение комплексов организационных и технологических мероприятий, направленных на снижение затрат в течение жизненного цикла изделия. Это приводит, с одной стороны, к повышению прибыльности выпускаемой продукции, а, с другой стороны, к повышению оборачиваемости средств, что означает повышение доходности предприятия.

Сборочные процессы являются, как будет показано ниже (гл. 1, параграф 1.3) одними из наиболее трудоемких процессов в машиностроительном производстве. В сборочном цехе сходятся технологические маршруты всех составляющих компонентов выпускаемой продукции, и от качества сборки решающим образом зависит качество изделия.

Заметим еще, что под качеством сборки следует понимать не только точность выполнения тех или иных технологических операций, но и качество организации технологического процесса сборки, например, минимизацию неоправданных простоев и т.п. Нетрудно предположить, что снижение затрат на сборку приводит к существенному снижению общих затрат на производство изделия, т.е. себестоимости, что, как указано выше, приводит к росту конкурентоспособности.

В условиях автоматизированного производства, характеризующегося широким использованием информационных систем, открываются новые

возможности для снижения затрат, в том числе и на сборку. Это связано с возможностью сохранения информации о параметрах совершившихся производственных процессов и использования ее для последующего формирования управляющих воздействий на процессы, т.е. их корректировки с целью повышения эффективности производства. На основании этого утверждения можно сформулировать задачу внедрения информационных технологий в производственный процесс с целью повышения его эффективности.

В настоящей работе решается задача построения информационной системы для повышения эффективности сборки шпиндельных узлов на основе анализа процесса изготовления шпиндельных узлов прецизионных токарных станков на гибком автоматизированном участке сборки шпиндельных узлов (ГАУ ШУ) Московского ОАО «Станкостроительный завод «Красный пролетарий» в условиях компьютеризированного интегрированного производства (КИП).

Глава 1. Обзор технологических методов достижения точности сборочных процессов в станкостроении

1.1. Общая характеристика автоматизированного завода «Красный Пролетарий». Место сборки шпиндельных узлов в производстве

В настоящее время мировая станкостроительная промышленность находится на подъеме. С середины 80-х годов в ведущих странах-производителях наблюдается устойчивый рост выпуска металлорежущих станков (как в количественном, так и в стоимостном выражении) [8, 30, 47]. Эта тенденция сохранилась и до середины 90-х г.г., что иллюстрируется таблицей [40]:

Табл. 1.1. Рост выпуска металлорежущих станков в ведущих странах-

производителях.

Страна 1994 г., млн. долл. 1995 г., млн. долл.

Япония 5421, 0 7544,8

Германия 3487,8 5164,5

США 2463,0 3125,0

Италия 1418,1 1897,0

Швейцария 1308,0 1695,5

Одной из мировых тенденций машиностроительного производства является переход от отдельных ГПС к комплексно-автоматизированным интегрированным производствам [18] на автоматизированных заводах (АЗ), являющихся формой реализации КИП.

Автоматизированный завод - это организационно оформленное, системно интегрированное компьютеризированное производство, обеспечивающее выпуск

товарной продукции в условиях изменяющегося рыночного спроса и функционирующее при ограниченном числе работающих [18, 57].

В качестве исходного материала для анализа особенностей АЗ в настоящей работе принят проект, разрабатывавшийся в ОАО «ЭНИМС» совместно с рядом предприятий, для Московского ОАО «Станкостроительный завод «Красный Пролетарий» (АЗ КП).

Целями создания АЗ являются [18]:

1. Формирование высокоорганизованного серийного производства сложной машиностроительной продукции, обеспечивающего качественный рост основных технико-экономических показателей: производительности труда, конкурентоспособности продукции, а также сокращение объема незавершенного производства.

2. Разработка новых конкурентоспособных на мировом рынке изделий машиностроения, материалов, технологий, оборудования, программного обеспечения, организационно-технических структур, технологий организации и управления производством.

3. Разработка научно-технического задела для существенного повышения уровня отечественного машиностроения.

4. Формирование отечественного опыта крупномасштабных гражданских машиностроительных проектов с циклом «наука - фундаментальный промышленный эксперимент - тиражирование».

5. Гуманизация труда.

Основным свойством АЗ является глубокая интеграция процессов экономической, организационной, конструкторско-технологической подготовки производства и изготовления изделий. Это свойство реализуется в технических решениях, обеспечивающих автоматизацию разнообразных технологических процессов.

Связи между производственными процессами должны поддерживаться интегрированной автоматизированной системой управления (ИАСУ) АЗ.

Говоря о принципиальных решениях проекта АЗ по производству станков в области организации сборочных процессов [18], отметим, что:

1. В основу организационной структуры сборочного производства кладется принцип создания отделений и участков для сборки конкретных узлов и станков в целом на стационарных сборочных позициях [18,19].

2. Производится комплектация, хранение и подача деталей на сборку узлов в комплектах.

3. Отдельные сборочные единицы, в том числе шпиндельные узлы, поставляются на общую сборку станка полностью смонтированными, обкатанными и испытанными;

4. На участках сборки высокоточных узлов применяются индивидуальные сборочные стенды.

Все сборочные участки строятся по принципу предметной специализации для выпуска готовых узлов и станков.

По проекту, участки АЗ состоят из высокомеханизированных рабочих мест, включающих полуавтоматические поворотные сборочные стенды,

оснащенные автоматизированным и специализированным сборочным и слесарным инструментом. Степень механизации и автоматизации рабочих мест -85 - 90%.

Основные принципы построения технологии сборки станков в АЗ [18, 19] таковы:

1. Автоматизированная доставка на рабочие места сборочных единиц и комплектующих, необходимых для сборки узлов в соответствии с заданной программой.

2. Выполнение сборки узлов по традиционной технологии.

3. Проведение после сборки узла (сборочной единицы) его обкатки и контроля.

4. Управление процессом сборки осуществляется с помощью специализированной АСУ, входящей в состав ИАСУ АЗ.

По проекту, все детали, кроме станин, поступают на сборку через склад готовых деталей. При этом до поступления на сборку они должны быть расконсервированы, промыты и окончательно окрашены.

Общая сборка станка, как уже отмечалось [19], проводится из полностью готовых и испытанных узлов.

Принятым до настоящего времени формам организации сборочных работ свойственны определенные недостатки (подробно они рассмотрены в гл. 2, параграф 2.1), влияющие на объем незавершенного производства и на продолжительность процесса сборки (в сторону их увеличения).

Объем производственной программы АЗ КП составляет, по проекту, 1200 станков в год.

Подлежащие автоматизированной сборке комплекты деталей являются элементами узлов станков и, как сборочные единицы, подаваемые на общую сборку узлов в виде комплектующих изделий.

1.2. Анализ конструкций шпиндельных узлов металлорежущих станков (на

примере токарных станков)

Работоспособность металлорежущих станков в значительной степени определяется конструкцией шпиндельных узлов, качеством изготовления деталей и узлов станка и монтажа [43]. Конструктивное оформление шпинделей, как указано в [44], отличается разнообразием, однако в отечественной практике наиболее распространено применение двухрядных роликоподшипников с коническим отверстием и конических однорядных роликоподшипников. В быстроходных легконагруженных шпинделях в передней опоре для уменьшения потерь на трение применяют радиально-упорные шарикоподшипники. На рис. 1.1, 1.2 и 1.3. приведены несколько типичных конструкций шпинделей токарных станков на опорах качения.

Рис. 1.1. Конструкция шпиндельного узла тяжелого токарного станка.

Рис. 1.2. Конструкция шпиндельного узла токарного автомата.

Рис. 1.3. Конструкция шпиндельного узла токарно-винторезного станка.

Сборка шпиндельных узлов, проходяща�