автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Математическое моделирование процессов многошпиндельной обработки деталей на станках с ЧПУ

ъ

- в

О'А

[0 явь-

На правах рукописи

Шумнов Дмитрий Александрович МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МНОГОШПИНДЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ НА СТАНКАХ С ЧПУ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов

и производств (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВЛАДИМИР 1998

Работа выполнена на кафедре производства в машиностроении" энергетического университета.

"Технология роботизировашю: Ивановского государственно:

Научный руководитель-

кандидат технических наук, доцент Колосов В. II.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Наяшин Н.Г. кандидат технических наук, доцент Рассказчиков Н.Г.

Ведущее предприятие-

АООТ "Ижорские заводы" (г. Санкт-Петербург).

Защита состоится "28 " декабря 1998 г. в. 15 часов заседании диссертационного совета Д063.65.02 во Владимирск государственном университете по адресу: 600026, г. Владимир, ^ Горького, 87, адм. корпус, ауд. 211.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Владимире^ государственного университета.

Ваш отзыв (в двух экземплярах, заверенный печатью учрежден просим направлять по указанному адресу.

Автореферат разослан

Ученый секретарь

ДИССергаЦИОШЮГП ггтртя

к.т.н., доц.

Макаров Р.И.

Актуальность. Современное машиностроение можно охарактеризовать следующими показателями. До 80 % общего объема выпуска изделий приходится на мелко- и среднесерийное производство. До 90 % оборота составляют новые изделия. Общей тенденцией развития является увеличение номенклатуры обрабатываемых деталей и сокращение цикла замены выпускаемых изделий новыми. В этих условиях наиболее целесообразным является применение многооперационных станков с ЧПУ, роботизированных технологических комплексов, гибких производственных систем. В связи с чем доля этого оборудования, являющегося важнейшим средством автоматизации технологических процессов и производств, п общем парке металлорежущих станков постоянно растет. Но в современных условиях возможности станков с ЧПУ используются далеко не полностью (по производительности, по мощности и т. д.). Один из способов увеличения эффективности использования подобного дорогостоящего оборудования, а значит и эффективности автоматизированных технологических процессов -это обоснованное применение па нем многошпиндельной обработки (МШО).

МШО как вид известна и применяется достаточно давно, нашла свое отражение в ряде исследований. Она широко распространена в массовом и крупносерийном производстве и редко применяется в мелко- и среднесерийном (многономенклатурном), на станках с ЧПУ. Не в последнюю очередь такая ситуация - следствие отсутствия четкого математических моделей и методов оптимизации процессов МШО в условиях многономенклатурного автоматизированного производства. Со своей стороны такое положение объясняется в том числе и традиционным представлением о том, что эффективная мпогошпиндельная обработка - это прерогатива массового и крупносерийного производства, хотя на практике она встречается и в мелкосерийном, а по мнению специалистов и экспертов, имеет реальные перспективы расширения своего применения на станках с ЧПУ.

Существующие исследования и разработки, представляющие безусловный интерес, относятся, как правило, к области многошпиндельной обработки на автоматических линиях и агрегатных станках в условиях стабильного одно- и малономенклатурного производства с большими годовыми программами и партиями запуска деталей. Они имеют в целом частный характер, направлены в основном на изучение структурных вопросов, конструирование и отчасти на изучение проблем эффективности МШО и практически не ориентированы на мелко- и среднесерийное производство, обработку на станках с ЧПУ.

В этих условиях возникает обоснованный интерес к проведению соответствующих научных исследований.

Цель работы. Совершенствование автоматизированных технологических процессов обработки деталей на станках с ЧПУ и повышение на этой основе эффективности использования данного оборудования.

Методы исследования. Исследования проводились с использованием аппарата теории множеств, теории графов, методов оптимизации, математического моделирования, теоретических основ технологии машиностроения, экономики машиностроения, теории вероятности, теории полезности.

Научная новизна работы заключается в следующем.

Разработана математическая модель и метод оптимизации для описания, исследования и выбора оптимальной структуры и параметров автоматизированных процессов МШО деталей на станках с ЧПУ в условиях многономенклатурного производства.

1. Разработана функциональная модель процесса МШО деталей на станках с ЧПУ, отвечающая требованиям современной экономической ситуации.

2. Проведены исследования модели и выявлен характер влияния сё входных и внутренних параметров на выходные. Получены результаты исследований позволяющие эффективней решать задачи структурно-параметрической оптимизации процесса МШО на станках с ЧПУ.

3. Доказана потенциальная эффективность МШО в условиях многономенклатурного автоматизированного производства. Выявлены направления наиболее эффективного применения МШО иа станках с ЧПУ многономенклатурном автомагизированнм производстве.

4. Разработаны, ориентированные на применение ЭВМ, этапы и процедуры структурно-параметрической оптимизации процессов МШО на станках с ЧПУ с учетом условий многономенклатурного производства и долгосрочного планирования применения МШО. Раскрыто содержание, установлена логическая и информационная взаимосвязь этапов.

5. Разработаны регрессионные зависимости для определения технико-экономических характеристик комплекта МШГ на ранней стадии проектирования процессов МШО.

6. Разработан алгоритм и программа автоматизации процедур структурно-параметрической оптимизации процессов МШО на станках с ЧПУ е условиях многономенклатурного автоматизированного производства.

Практическая ценность. Предлагаемый математический аппарат является эффективным инструментом моделирования и оптимизации процесса МШО как элемента автоматизированного технологического процесса обработки деталей на станках с ЧПУ в условиях многономенклатурного производства. Разработанное программное обеспечение позволяет автоматизировать трудоемкие процедуры оптимизации процесс; МШО.

Реализация работы. Результаты научной работы в пиле методических рекомендаций по моделированию и оцтимизациии автоматизированных процессов МИЮ приняты к внедрению на АООТ "Ижорские заводы", на предриятиях "ВЭСТ", "1Т1ПГГ', АОЗТ "Заря" (г. Санкт-Петербург), используются в учебном процессе на кафедре "Технология роботизированного производства в машиностроении" Ивановского государственного энергетического университета (ТРПМ ИГЭУ).

Апробация работы. Результаты работы докладывались и были одобрены на заседании кафедры ТРПМ ИГЭУ и на международных научно-технических конференциях "VIII Бснардосовские чтения", "Создание и развитие информационной среды вуза" (г. Иваново).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Работа включает 184 страницы основного машинописного текста, 28 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 157 наименований, приложения на 24 страницах. Общий объем работы - 267 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, дана ее общая характеристика.

В первой главе изложены предпосылки и необходимость проведения исследований поставленной задачи, сформулированы цели, дана характеристика проблемы и определены пути ее решения.

Проведен статистический анализ объектов МШО по деталям типа корпус, основание, фланец, крышка и т. п. в количестве более 600 штук, содержащих группы отверстий, по предприятиям среднего машиностроения. Выявлена степень применяемости таких показателей, как количество отверстий, диаметр обработки, межосевое расстояние, форма и расположение отверстий, точность обработки. Цель данных исследований -анализ современного состояния объектов обработки. Представлен обзор многошпиндельных головок (МШГ), которые характеризуют структурное построение операции МШО. Проведен сравнительный качественный анализ различных типов головок. Рассмотрены МШГ для станков с 411У как предложенные в различных литературных источниках (отечественные и иностранные), так и спроектированные в рамках данной работы на кафедре ТРПМ ИГЭУ под конкретные заводские программы деталей (АО "МК Кранэкс", АО "ИвтекманГ, АО "Автокран" (г. Иваново), АООТ "Ижорские заводы" (г. Санкт-Петербург) и др.). В многономенклатурном производстве наиболее целесообразным является применение универсальных переналаживаемых МШГ.

Представлен полный спектр современного состояния и перспекти-

вы применения МШО, в том числе в условиях многономенклатурноп производства, ее перспективы в рамках концепции "завода будущего".

Установлено, что применение разрабатываемой модели и метод; оптимизации наиболее эффективно на ранней стадии технологическо* подготовки производства изделия, для изготовления которого возможш МШО. В главе представлен анализ проблемных вопросов моделирования 1 оптимизации МШО. Определен круг проблем, решению которых \ посвящены исследования.

Современная литература содержит наиболее типичные рекомендацш следующего вида: в массовом и крупносерийном производстве применяю-многошпиндельные агрегатные станки, специальные многошпиндельньн головки, автоматические линии, ГПС с многошпиндельной оснасткой, а I средне- и редко мелкосерийном многономеклатурном производстве универсальные многошпиндельные головки, многошпиндельные станки < раздвижными шпинделями. Но диапазоны среднесерийного производства, ; тем более от мелкосерийного до крупносерийного с учетом конструктивны; характеристик деталей, настолько широки, что принимать решение, опираяс: лишь на подобные рекомендации, очень сложно.

В настоящее время известен ряд разработок, посвященных вопроса!^ исследования, моделирования и оптимизации процессов МШО. Можш выделить следующих авторов, в работах которых затронута даннш проблема: Г.И.'Гемчин, Д.В.Чарнко, В.П. Шатин, А.П.Белоусов А.И.Дащенко, Н.Г.Наянзин, В.Н.Копосов, В.Т.Полуянов и др.

На основе проведенного комплексного анализа можно сделать следую щие основные выводы:

- МШО известна давно, достаточно широко используется практически, чт< может создать впечатление ее изученности, простоты и наличия очевидны: условий ее оптимального применения;

- существующие работы в данной области по большей части относятся 1 МШО на автоматических линиях в условиях одно- или малономен клатурпого стабильного производства с большими партиями деталей;

- наиболее разработанными можно считать вопросы структуры МШО состава штучно-калькуляционного времени, конструирования МШГ;

- существующие формулы и рекомендации по расчету эффективное^ многошниндельной обработки разработаны для некоторых частньг, вопросов без учета их взаимосвязи между собой и не адаптированы 1 условиям обработки на оборудовании с ЧПУ в многономенклатурноп автоматизированном производстве, которое характеризуется малым! партиями запуска и программами выпуска, частыми сменами объект; производства, а в итоге неопределенностью и нестабильностью ряд; показателей, исключительно большим числом возможных вариантов МШО;

- отсутствует методологическое обеспечение для описания, моделиро-

¡ания и оптимизации процессов МНЮ на станках с ЧПУ (отсутствуют )твечающие реальным условиям функционирования предприятия математические модели автоматизированного процесса МШО; четкий, упорядоченный "прозрачный" математический метод оптимизации фоцесса МШО, ориентированный на ЭВМ).

Общая научная задача, решаемая в работе, состоит в разработке математического модели и метода оптимизации для описания, исследования 1 выбора оптималышой структуры и параметров автоматизированных фоцессов МШО деталей на станках с ЧПУ в условиях шогономенклатурного производства. Для решения этой задачи необходимо 1ыгюлнить следующее.

1. Разработать функциональную модель процесса МШО деталей на стансах с ЧПУ, которая отвечает требованиям современной экономической си-уации. Для этого необходимо обосновать состав критериев эффективности I целевых функций, входных, внутренних и выходных параметров, разрабо-ать систему ограничений процесса МШО на станках с ЧПУ, определить синему уравнений связывающую входные, внутренние, выходные параметры.

2. Выявить направления наиболее эффективного применения МШО 1а станках с ЧПУ в условиях многономенклатурпого автоматизированного фоизводства.

3. Разработать, ориентированные на ЭВМ, этапы струкгурно-траметрической оптимизации процессов МШО на станках с ЧПУ с учетом 'словий многономенклатурного автоматизированного производства и юлгосрочного планирования применения МШО. Установить их логическую г информационную взаимосвязь.

4. Раскрыть содержание каждого этапа оптимизации. Выявить стан-(артпые процедуры. Решить задачу их формализации.

5. Определить возможность эффективного применения МШО в (сальных условиях многономенклатурного автоматизированого производ-тва па промышленных предприятиях.

6. Разработать алгоритм и про1рамму автоматизации процедур струк-урно-параметрической оптимизации процессов МШО на станках с ЧПУ в ■словиях многопоменклатурного производства.

Во второй главе содержится подробное описание функциональной ^тематической модели процесса многошпиндельной обработки на станках с ГПУ. Процесс МШО является частью автоматизированного ехнологического процесса обработки деталей и включает следующие этапы: [аладка МШГ на партию деталей, установка МШГ в инструментальный шгазин станка, автоматическая смена МШГ из магазина в шпиндель станка, >бработка группы отверстий по программе от устройства с ЧПУ, [втоматическая смена МШГ' из пптипделя в магазин станка (три последних тапа циклически повторяются для всей партии деталей), снятие МИН' и [ереналадка на другую партию деталей.

Представленный математический объект относится к классу функциональных моделей, включающих следующие элементы: целевую функцию (критерий эффективности); систему уравнений; входные, выходные, внутренние параметры; варьируемые (управляемые) параметры; систему ограничений.

В результате анализа литературных источников было выявлено более 200 показателей, характеризующих механическую обработку и в той или иной мере изменяющихся при применении МШО. Их изучение, а также анализ влияния МШО на качество технологического процесса и требований, предъявляемых к целевым функциям, позволяют предложить для оценки операции многошпинцельной обработки следующие критерии: себестоимость (детали, годовой программы), производительность, приведенную дисконтированная стоимость, многокритериальньш аддитивный показатель. Вследствие изложенного целевые функции - это минимум себестоимости, максимум производительности и дисконтированной стоимости и экстремум аддитивного показателя. Выбор критерия и целевой функции осуществляется пользователем в конкретных производственных условиях в зависимости от поставленной цели.

Для расчета производительности в условиях многономенклатурного автоматизированного производства используются классически« формулы штучно-калькуляционного времени и зависящих от неге технологической, цикловой и реальной производительности. Дл? различных случаев и схем обработки группы отверстий разработан рях подробных зависимостей, позволяющих расчитать значение элементе! штучно-калькуляционного времени. В частности, для определение

одного из таких элементов, а именно вспомогательного времени Т] (мин), предложены следующие формулы:

- при параллельной обработке, когда каждый инструмент обрабатыва-ег все отверстия, подлежащие обработке данным инструментом, затеи производится его смена на другой инструмент и цикл повторяется,

q 1 р

Тв = И ( tcM i + txx i +_2 (tlI03 ij+ tcTp ij + tBblB ij )), (1)

i=l fi j=I

где q - количество переходов, шт.; ícm i - время смены инструмент;

(МШГ) из инструментального магазина, мин; txx i - время холостых пе ремещений инструмента (МШГ) между обрабатываемыми отверстия-ми мин; р - количество отверстий, шт.; f - количество шпинделей МШГ, шт,

tno3 ij - время позиционирования инструмент, мин; tcip ij - время на вво,

и вывод инструмента из отверстия для удаления стружки, мин; tBLIB у время на вывод инструмента из обработанного отверстия, мин;

- при последовательной обработке, когда каждое отверстие обрабать: вается всеми предусмотренными согласно технологической схеме ш

:трументами, после чего производится позиционирование для обработки

шедующего отверстия, *

Ч 1 Р Ч 1 Р

ТВ = Х _ X *поз] + X _ X (4см] + *стр) + *вывр + *хх> (2)

1=1 % 1-1 $

*

где q - число переходов, различных по количеству шпинделей МШГ.

При определении технологической себестоимости используется укрупненный калькуляционный метод расчета, в полной мере отвечающий масштабу и требованиям проводимых исследований. Для расчета статей себестоимости разработан и адаптирован для операции МШО ряд подробных формул.

Значительное влияние на экономическую эффективность обработки оказывает себестоимость МШГ. Точное определение затрат на МШГ на ранней стадии проектирования невозможно, поскольку неизвестны точные параметры конструкции, технологический процесс ее изготовления, изготовление МШГ значительно удалено во времени от стадии проектирования. В этих условиях предлагается метод расчета расходов на комплект МШГ на основе регрессионного анализа. Его суть состоит в определении эмпирической зависимости себестоимости МШГ от наиболее важных характеристик ее конструкции, которые известны па момент расчета. Подобная зависимость построена на основе расчета калькуляционных статей себестоимости известных параметрических рядов головок. Окончательная формула себестоимости МШГ Цмшг (Р-) имеет вид

Цмшг = С к + Т а, (3)

где С - расходы первой группы, р. (расходы на материал, полуфабрикаты, покупные комплектующие изделия, конструирование и т. п., т. е. затраты, не зависимые непосредственно от трудоемкости изделия); к - коэффициент переоценки; Т - трудоемкость изготовления МШГ, ч; а - коэффициент, учитывающий затраты второй группы (расходы на основную и дополнительную заработную плату производственных рабочих, цеховые расходы и т. п., т. е. затраты, непосредственно зависимые от трудоемкости изделия). Значения коэффициентов к и а определяются по данным предприятия, где изготовляется МШГ. Для показателей С и Т для различного числа шпинделей эмпирическая зависимость выявляется методом множественной регрессии.

С = К 1 + К 2 Н + К з с! + К 4 О, (4)

Т = К5 + К6Н + К7а + К80, (5)

где К], ... , Т<8 - коэффициенты регрессии (для каждого из которых определены конкретные численные значения); Н - количество одинаковых МШГ, шт.; <1 - максимальный диаметр обработки, мм; О - максимальное межосевое расстояние, мм.

Представленная модель себестоимости МШГ достаточна точна, может применяться на ранних стадиях проектирования, проста и малотрудоемка в использовании. Средняя относительная погрешность расчета составляет 5 %.

Дисконтированная стоимость представляет собой приведенную к некоторому периоду времени величину вложения капитала, которая через заданный промежуток времени дает определенный доход при известной процентной ставке. Если рассмотреть случай капиталовложений в МШО и перенести ожидаемые в течение б лет прибыли в категорию стоимости в данный момент, то получим зависимость

Уо = ЛУо ± _± _± ... ± _= £_, (6)

1+1 (1 + О2 (1 + ^ и=0 (1 + ои

где Уо - дисконтированная стоимость, р.; и - произвольно выбранный год

в ряду расчетных лет; Wu - сальдо данного года (знак "+"-прибыль, знак"-"-убыток), р.; 1 - процент дисконтирования (показатель рентабельности), который может быть принят равным средней учетной ставке

банка ОУо - это величина инвестиций в МШГ; \Уи - величина снижения или увеличения себестоимости годовой программы деталей, без учета амортизационных отчислений от инвестиций, при применении МШО по отношению к одношпиндельной обработке за и - й год).

Надежность работы оборудования необходимо учитывать для объективной и адекватной оценки процесса МШО на станках с ЧПУ. С достаточной степенью достоверности определить надежность выполнения технологической операции, в том числе и при МШО, можно по надежности режущего инструмента. Расчитывать показатели надежности предлагается на основе нормального закона распределения вероятности безотказной работа станка. В качестве нормируемых показателей выбраны: вероятность безотказной работы инструмента и стойкость с заданной вероятностью.

МШГ является сложной системой, в которой элементы (режущие инструменты) соединены последовательно в смысле надежности и отказ шобого из них приводит к отказу всей системы. Т. о. вероятность безотказной работы МШГ равна произведению вероятностей безотказной работы инструментов. Эта зависимость отражает, каким образом надо изменить вероятность безотказной работы отдельного инструмента при МШО в сравнении с одношпиндельной, чтобы обеспечить од™ уровень надежность работы станка.

При прочих равных условиях сохранить вероятность безотказной работы МШГ в заданный период времени можно увеличением величины средней стойкости инструмента и, соответственно, снижением режимов резания. Это увеличение отражает коэффициент стойкости,

и

который позволяет оперативно определить требуемую степень изменения режимов резания. Значения коэффициента стойкости, рассчитанные для различных условий, представлены в работе.

Для пяти классических способов замены инструментов МШГ разработаны общие характеристики и формулы расчета затрат времени на смепу инструментов МШГ за средний период стойкости с учетом вероятности безотказной работы инструмента (МШГ), количества шпинделей, времени сметы инструмента при плановой замене и случайном его отказе. Для МШО на станках с ЧГГУ рекомендуется жесткая профилактическая или параллельная профилактическая замена инструментов.

Доработаны и адаптированы под проводимые исследования известные формулы для определения периода стойкости при экономическом, производительном и компромиссном критерии эффективности.

Операция МШО характеризуется многими критериями. При выборе оптимального варианта, когда необходимо принять во внимание всю совокупность характеристик, предложен интегральный аддитивный показатель, где критерий образуется путем сложения нормированных значений частных критериев, которые представляют собой отношение натурального частного критерия к некоторой нормирующей величине (в данном случае - показатели одношпиндельной обработки), измеряемой п тех же единицах, что и сама целевая функция.

Рассмотренные критерии являются частью выходных параметров математической модели. Система уравнений по их расчету связывает входные, внутренние, управляемые и выходные параметры, полный перечень которых представлен во второй главе.

Для корректного построения модели необходима соответствующая система ограничений, которая определяет область изменения внутренних управляемых параметров. В работе представлена система ограничений, состоящая из пяти групп: технологических ограничений; конструктивных ограничений МШГ; конструктивных ограничений оборудования; ограничений по условиям эксплуатации; экономических ограничений. Для каждой группы определен состав конкретных ограничений с приведением соответствующих, в том числе и построенных зависимостей для их расчета и примерами конкретных числовых значений.

В третьей главе представлены основные результаты проведенных исследований математической модели процесса МШО на станках с ЧПУ, выявлен характер влияния входных и внутренних параметров на эффективность многошпиндельной обработки.

Анализ математической модели, изложенной в главе 2, показывает, что первостепенное значение на эффективность МШО оказывает величина годовой программы и размер партии запуска деталей. В многономенклатурном производстве величины годовой программы и партии запуска невелики, но даже небольшое изменение данных

показателей оказывает значительное влияние на эффективность процесса МШО. В главе рассмотрены формулы для расчета критических значений годовой программы выпуска и партии запуска деталей, которые представляют такой размер программы (партии запуска) деталей, увеличение которого вызывает пропорциональный рост эффективности МШО, а уменьшите вызывает пропорциональный рост убытка от применения МШО, при разных критериях (экономические, производительные, компромиссные).

В виде графического анализа определен характер зависимости эффективности МШО (экономической, производительной) и выходных параметров (коэффициенты основного времени, использования электрической мощности станка, интенсивного использования станка и др.) от основного структурообразующего параметра - количества шпинделей в различных условиях обработки.

Определены наиболее эффективные направления применения при МШО инструментального материала, обрабатываемого материала, вида обработки, типа оборудования, схем обработки; характер влияния срока внедрения многошпиндельной оснастки в производство, изменения величины часовой тарифной ставки, программы выпуска и партии запуска деталей при долгосрочном планировании и др. на качество процесса МШО. Проведенные исследования, подтверждаемые соответствующими расчетами на примерах конкретных машиностроительных предприятий, также доказывают потенциальную эффективность применения МШО в реальном многономенклатурном автоматизированном производстве.

В четвертой главе изложены этапы структурно-параметрической оптимизации процессов МШО на станках с ЧПУ в условиях многономенклатурного автоматизированного производства, показана их взаимосвязь, раскрыто содержание каждого этапа, выявлены стандартные процедуры оптимизации, решена задача их формализации. Приведены особенности оптимизации процесса МШО для гибких производственных систем.

Здесь основная задача состоит в том, чтобы на стадии проектных расчетов способствовать выбору оптимальных параметов исследуемого объекта, исходя из оценки его эффективности в целом на весь период применения. В итоге имеется следующая постановка задачи: требуется определить вектор внутренних управляемых параметров

(технологических и структурных) X = (х1, Х2, ... , Хс1) процесса МШО, которые доставляют экстремум (максимум или минимум) вектору целевых функций (выходных параметров) У = (у1, у2,..., Ут), У1 = (х1, х2, ... , хп), 1 = [1, т] при задашюм векторе входных параметров Ъ - 22,... , /к) и при определенной системе ограничений;

предполагается, что вектор внутренних неуправляемых параметров

X = (хс1+1,... , хп) является определенным.

В работе предложены следующие этапы структурно-параметрической оптимизации процессов МШО на станках с ЧПУ.

Этап 1. "Постановка задачи оптимизации (формирование исходных данных (входных параметров), назначение требований и ограничений). Сбор, обобщение и анализ информации по деталям, многошпиндельной оснастке и технологическим процессам". Для этого этапа определен состав необходимых исходных материалов.

Этап 2. "Формирование Ь групп деталей по организационным (технологическим) признакам". Здесь детали интегрируются по соответствующим выделенным признакам в разные группы, если не могут быть обработаны одним и тем же комплектом МШГ.

Этап 3. "Формирование т подгрупп деталей рй группы по конструктивным признакам, ] = 1,Ь".

На данном этапе в подгруппы объединяются детали, идентичные по определенным признакам (обрабатываемый материал; виды применяемой обработки; количество отверстий в группе и характер их расположения; межосевое расстояние; диаметр обработки; длина обрабатываемой поверхности; размер партии запуска; металлорежущее оборудование). Для дальнейших технико-экономических расчетов по группе деталей используются условные детали-представители подгруппы.

Этап 4. "Выбор вариантов МШО 1-й подгруппы детален, 1 = 1, т".

Для каждой ¡-й подгруппы деталей определяются все возможные варианты многошпиндельной обработки. Характеристиками варианта выступают количество МШГ и число шпинделей, которые являются основными структурообразующими параметрами процесса МШО.

Этап 5. "Формирование зоны перспективных вариантов МШО 1 - й подгруппы деталей".

Для каждой [ - й подгруппы деталей определяются перспективные варианты многошпиндельных головок и схемы обработок. Эта задача решается путем исключения из всех возможных способов МШО вариантов, содержащих дефицитные элементы, практически нереализуемых, заведомо неоптимальных. Для этих целей разработаны соответствуго-щие рекомендации и процедуры, построена матрица перспективных вариантов МШО для различных групп отверстий (см. табл.1).

Этап 6. "Расчет характеристик МШГ".

На основе известных параметров детали-представителя производится расчет характеристик МШГ для каждого перспективного варианта: габаритного размера; длины; массы; определяется возможность адаптации системы подачи смазочно-охлаждающей технологической среды в зону резания и фиксации МШГ относительно корпуса станка. Для расчета габаритного размера, длины и массы МШГ применяются

разработанные регрессионные модели, а в остальных случаях - метод экспертных оценок.

Таблица 1.

Перспективные варианты МШО групп отверстий

Схема МШО Количество и расположение отверстий в группе

2 3 3 4 4 6

в линию по окружности в линию по окружности в линию по окружности

М1 1 1 1 1 1 1

М2 1 0 0 1 1 0

мз 0 1 1 0 0 0

M4 0 0 0 1 1 0

Мб 0 0 0 0 0 1

М2 М4 0 0 0 0 0 1

2М2 0 0 0 0 1 0

2МЗ 0 0 0 0 0 1

М1,..., Мб - одно-,... , шестишпиндельная обработка. 1 - перспективный вариант, 0 - неперспективный вариант.

Этап 7. "Обеспечение совместимости сопрягаемых МШГ и металлорежущего оборудования". Обеспечение совместимости МШГ и стан-ка рассматривается как совмещение соответствующих параметров (см. этап 6) в целях их нормального взаимодействия. Решается задача о целесообразности дополнительных затрат на обеспечение совместимости.

Этап 8. "Формирование зоны допустимых вариантов МШО i - й подгруппы деталей". Здесь из дальнейшего рассмотрения исключаются варианты с несовместимыми техническими средствами.

Этап 9. "Параметрическая оптимизация. Расчет технико-экономических параметров". На этом этапе осуществляется параметрическая оптимизация внутренних управляемых технологических параметров и рассчитываются значения заданных критериев по вариантам зоны допустимых способов МШО. Определяются критические значения партии запуска деталей.

Этап 10. "Формирование зоны допустимых вариантов МШО, отвечающих характеру целевых функций i - й подгруппы деталей". Здесь из дальнейшего рассмотрения исключаются варианты, которые не отвечают требованиям критической партии запуска деталей. Дальше рассматривается только не исключенные варианты.

Этап 11. "Генерация многообразия вариантов МШО j - й группы деталей". С использованием разработанной процедуры формируется

множество Uj вариантов МШО всех подгрупп (деталей) j - й группы: Uj = {Mol, Мо2,... , Moq,... , MoR}, где R - количество вариантов МШО

МШО ] - й группы (характеристики варианта: число МШГ, количество шпинделей, межосевое расстояние и диаметр обработки каждой МШГ, способ фиксации МШГ относительно станка).

Этап 12. "Формирование множества минимальных комплектов МШГ для обработки ] - й группы деталей. Определение технико-экономических характеристик комплекта МШГ для каждого варианта МШО ] - й группы деталей". Формирование минимальных комплектов МШГ осуществляется на

основе множества путем интеграции разнообразия вариантов МШО, необходимых для реализации варианта Moq, в минимальный набор, чтобы исключить повторение, дублирование, изготовление излишне дополнительных и т. п. головок. Для этих целей в работе представлена система соответствующих правил. Признаки группирования: число МШГ, количество шпинделей каждой МШГ, межосевое расстояние, диаметр обработки, способ фиксации МШГ.

Вариант МШО группы характеризуется: количеством МШГ, количеством шпинделей каждой МШГ, диапазоном межосевого расстояния и диаметра обработки, максимально допустимыми размерами и массой МШГ, вариантом фиксации.

Этап 13. "Выбор оптимального варианта процесса МШО ] - й группы деталей". Определяется значение критерия эффективности по каждому варианту МШО ] - й группы деталей с учетом стоимости комплекта МШГ. Оптимальный вариант МШО ] - й группы выбирается по максимуму (минимуму) значения критерия.

Этап 14. "Пересмотр и изменение требований (ограничений) к процессу МШО". Требования к процессу МШО пересматриваются, когда на каком-либо этапе оптимизации зона перспективных или допустимых решений вырождается до пустого множества либо при корректировке требований к многошпиндельной обработке.

Процесс оптимизации не обязательно должен быть линейным и может содержать внутренние циклы различной длины. Его результат - это получение значений следующих характеристик оптимального процесса МШО произвольной номенклатуры деталей: количество МШГ, количество шпинделей, диапазон реагирования межоссвых расстояний и диаметров обработки каждой МШГ, режимы резания, схема МШО (последовательность обработки группы отверстий).

В предлагаемой модели генерации многообразия структур процесса МШО входными параметрами являются: количество обрабатываемых отверстий, виды применяемой обработки для получения готового отверстия. 'Г. о. для групп отверстий можно записать множество

Д)к = {X]к1, Х}к2> - > х]к ь ••• > X^ г),

где = 1, х, х - количество групп отверстий;

к = 1, у, у - количество видов обработки j - й труппы отверстий;

1, г, г - количество отверстий н | - й группе.

Генерация многообразия структур процессов МШО групп отверстий основана на теории множеств и графов и включает стадии формирования

булеана множества Дцс, совокупности множества Д^ и множества вариантов МШО всех групп отверстий путем декартова произведения совокупностей.

Последовательность генерации многообразия вариантов МШО может быть представлена в виде графа (рис. 1). Количество уровней его вершин х равно количеству наименований обрабатываемых деталей. Вершины графа представляют собой варианты МШО, дуги - направления прямогс перемножения множеств, характеризующих вершины. Количество секторог у характеризует число видов обработки (центрование, сверление рассверливание, зенкование и т. д.) для анализируемых деталей. Гра({ наращивается последовательно. Построение каждого нового уровня вершш означает включение в группу следующей детали. На нижнем уровне граф; находятся все возможные варианты МШО всех деталей. В дальнейшем I число рассматриваемых деталей могут быть включены дополнительно новые или исключены снятые с производства детали.

Итог выполнения процедуры - это множество возможных варианто! МШО анализируемой номенклатуры деталей. Характеристики варианта количество шпинделей, количество МШГ и т. о. схема обработки. Модел! позволяет сформировать все возможные варианты МШО групп отверстш произвольной номенклатуры, что создает основу выбора оптимальногс варианта.

Параметрическая оптимизация МШО - это определение оптимальны: режимов резания: частоты вращения (скорости резания V) и рабочей подач] 8. Задача оптимизации сводится к нахождению экстремума критери: эффективности в допустимой области изменения режимов резания, которьи достигается при максимуме произведения 8*У.

Область допустимого изменения режимов резания формируете: ограничениями, которые можно разбить на три группы. 1. Ограничения н рабочую подачу. 2. Ограничения на скорость резания. 3. Ограничения объединяющие и рабочую подачу и скорость резания. В этом плане интере представляют ограничения третьей группы, т. к. по ограничениям первой ] второй необходимо выбирать максимально допустимые значения Б и "V

Рассмотрим влияние режимов резания на основное время То, которо необходимо минимизировать, сквозь призму ограничений третьей группы, именно по стойкости режущего инструмента Т и мощности N главног привода станка. В итоге имеются следующие известные зависимости г полученные на их основе, выводы.

Рис. 1. Граф последовательности геиеращш многообразия вариантов МШО. -количество вариантов МШО всей номеклатуры деталей, шт.;

Tqi - q - й вариант МШО номенклатуры деталей при первом виде об-

ботки; М1ц,..., MEi i - варианты МШО первой детали при первом

де обработки; MI21,... , МЕ21 - варианты МШО второй детали при рвом виде обработки.

ATm ЗУ1

BSy2

To =

(6)

T0 =

(7)

S

NS

где А, В - постоянные коэффициенты в заданных условиях обработки; у1, у2, т - степенные коэффициенты.

1. При у1 < 1, у2 < 1 для обеспечения минимума То необходимо назначать максимально допустимое значение Б и соответствующее ему V.

2. При у1 > 1, у2 > 1 для обеспечения минимума То необходимо назначать максимально допустимое значение V и соответствующее ему Б.

3. При у1 > 1, у2 < 1 или у1 < 1, у2 > 1 необходим расчет То при максимальной Б и при максимальной V и выбор режимов при минимуме То.

Под структурной оптимизацией МНЮ понимается определение оптимального значения следующих параметров: числа МШГ для обработки группы деталей, количества шпинделей каждой МШГ диапазона регулирования межосевых расстояний МШГ и диаметров обработки. Для решения этой задачи применяется алгоритм последовательного анализа, суть которого состоит в последовательном г обоснованном отсечении из всего многообразия возможных варианте! неперспективных, заведомо неоптимальных и т. п. способов МШО г последующем расчете и выборе оптимального варианта лишь и; оставшихся элементов методом перебора. Схема этого алгоритм; логически отражена в этапах оптимизации.

При проектировании под неопределенностью входных параметре)! понимается неточное знание исходных данных, что связано с конкрет ными объективными и субъективными причинами. В многономенкла турном производстве в качестве основных неопределенных входные

параметров предложены величина партии запуска деталей Ип, годоваз программа выпуска N и срок на внедрение МШО Т в производствен-ньн процесс. Сугь предлагаемой процедуры состоит в следующем.

Для каждого неопределенного показателя выбирается несколькс "расчетных" значений. Для каждого "расчетного" значения произво дится оценка вероятности его появлешм (сумма вероятностей всех "рас четных" значений одного показателя должна равняться единице). Дала формируется множество У возможных сочетаний "расчетных" значенш показателей путем декартова произведения множеств "расчетных" зна чений каждого неопределенного показателя.

Y = {(Nnl, Ni, Ti), (N„l, Ni, T2),... , (Nn i, Nj, Tk),..., (Nna, Nb, Tc) },

где Nn i - i-e "расчетное" значение партии запуска, шг.; i=l, a; Nj - j-i

"расчетное" значение годовой программы, шт.; j=l, b; Tk - k-e "рас четное" значение срока внедрения МШО в производство, г.; k = 1, с.

Вероятность наступления события определяется как произведение ¡ероятностей "расчетных" значений показателей, характеризующих это обытие. Оценка варианта МШО осуществляется на основе ожидаемой юлезности (математического ожидания), т. е. суммы попарных гроизведешш численных значений критерия, рассчитанного в условиях шшого события, и вероятности появления данного события. Подобная гроцедура, основанная на экспертных оценках, удобна для пользователя, т. к. геобходимо оценить не одно точное значение нсопредденного показателя, а олько вероятность появления того или иного значения. Такой подход чстуален именно в многономенклатурном производстве с частой сменой »бъекта производства.

Разработанный метод оптимизации позволяет целенаправленно [спользовать построеную функциональную математическую модель для >пределения оптимальных параметров автоматизированного процесса МШО га станках с ЧПУ в многономенклатурном производстве.

Для повышения производительности и качества оптимизационных шечетов разработанны алгоритм и программа автоматизации процедур »птимизации структуры и параметров МШО на станках с ЧПУ.

Пользователем программы, который выступает в роли эксперта, в [налоговом режиме осуществляется формирование состава критериев |ффективности, значений входных параметров и ограничений, степени юопределенности исходных данных, выбирается схема расчета ттимальньгх параметров процесса МШО и комплектуется состав тех [сталей, для которых далее будет производиться расчет оптимальных хараметров варианта МШО.

Итоговыми данными расчета являются: оптимальный состав деталей и рупп отверстий для МШО; вариант МШО с указанием оптимальных •ехнических характеристик комплекта МШГ (количество МШГ, количество шпинделей каждой МШГ, диапазон регулирования межосевого расстояния и шаметра обработки каждой МШГ); состав оптимальных параметров; схема vffliO для каждой группы отверстий; величина критерия эффективности гроцесса МШО.

Программное обеспечение разработано в среде Delphi 1.0 фирмы iorland International, работающей в многозадачной операционной системе iVindows 3.1 и выше фирмы Microsoft Systems. Требование к аппаратному редству: персональный компьютер IBM PC с процессором 80386 с тактовой гастотой 40 МГц и выше с сопроцессором, оперативной памятью 4 Mb и ¡ыше, видеоадаптером VGA, жестким диском 170 Mb и выше. Система 'добна, наглядна, проста в освоении, может использоваться также в качестве >азы для хранения данных о деталях с группами отверстий для МШО.

В приложениях представлен пример расчета экономической эффективности применения МШО на АООТ "Ижорские заводы" в условиях многономенклатурного автоматизированного производства с применением вышеизложенного методологического подхода к моделированию и оптимизации процессов МШО на станках с ЧПУ, а также сведения об использовании результатов научных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе решена актуальная задача разработки математической модели и метода структурно-параметрической оптимизации для описания, исследования и выбора оптимальной структуры и параметров автоматизированных процессов многошпинделыюй обработки деталей на станках с ЧПУ в условиях многономенклатурного производства.

Разработана функциональная математическая модель процесса многошпиндельной обработки на станках с ЧПУ, которая отвечает требованиям современной экономической ситуации. Разработаны и уточнены формулы для расчета элементов штучно-калькуляционного времени, периода стойкости, критических размеров программы выпуска и партии запуска деталей. Определено влияние надежности системы "станок-приспособлсние-инструмент-деталь" на эффективность МШО.

Проведены исследования модели и выявлены направления наиболее эффективного применения МШО на станках с ЧПУ в условиях многономенклатурного автоматизированного производства и доказана потенциальная эффективность многошпинделыюй оснастки в мелко- и среднесерийном производстве.

Разработаны, ориентированные на ЭВМ, этапы и стандартные процедуры структурно-параметрической оптимизации процессов МШО на станках с ЧПУ в условиях многономенклатурного производства с учетом долгосрочного планирования применения многошпиндельной оснастки. Раскрыто содержание этапов и установлена их логическая и информационная взаимосвязь. Разработан ряд формализованных процедур: группирования деталей, генерации многообразия всех возможных вариантов МШО произвольной номенклатуры деталей, формирования минимального комплекта МИД", принятия решений при неопределенности исходных данных.

Разработаны регрессионные зависимости для определения тсхнико-экономических характеристик комплекта МШГ на ранней стадии проектирования процессов МШО.

Разработан алгоритм и программа автоматизации процедур оптимизации процессов МШО на станках с ЧПУ в условиях многономенклатурного производства.

Предложенные правила и формальные процедуры позволяют объективировать процесс моделирования и оптимизации. Представленные

модель и метод оптимизации могут применяться при создании новых и оптимизации действующих автоматизированных технологических процессов ка станках с ЧПУ, в условиях широкого диапазона многономенклатурного производства.

Практическая применимость аппарата моделирования и оптимизации подтверждена рядом расчетов эффективности автоматизированных процессов МШО, проведенных с его помощью на АО "Электроконтакт" (г. Кинешма), АО "Автокран" (г. Иваново), АО "МК Кранэкс" (г. Иваново), АО "Ивтекмаш" (г. Иваново), АООТ "Ижорские заводы" (г. Санкт-Петербург) и др. Расчеты проводились на основе технико-экономических показателей конкретного завода с учетом мнения экспертов предприятий по неопределенности ряда показателей. В ходе расчета рассматривались все возможные варианты МШО, формировались зоны перспективных, допустимых конструктивных и отвечаюицгх характеру целевых функций вариантов МШО. В итоге предлагался один оптимальный вариант. В ходе работы рассчитывались варианты внедрения процесса МШО на одном, двух и более станках с ЧПУ при полной и частичной загрузке, при наличии и отсутствии МШГ-дублеров; анализировались варианты с обрабатывающими центрами, сверлильными и фрезерными станками. В частности, применение одной /двух/ МШГ для одного /двух/ сверлильного прохода при обработке конкретной заводской номенклатуры деталей на АООТ "Ижорские заводы" позволит снизить себестоимость годовой программы па 16.2 /23.6/ тыс. р., соответственно при полной загрузке станка - на 19 /30/ тыс. р. в ценах на 1.03.1998 г.

Разработанные математическая модель, рекомендации по эффективному применению автоматизированного процесса многошпипделыюй обработки, метод структурно-параметрической оптимизации повышают качество и снижают трудоемкость проектирования процессов МШО на станках с ЧПУ, способствуют повышению эффективности многономенклатурного автоматизированного производства.

Результаты проведенных научных исследований внедрены но АООТ "Ижорские заводы", предприятии "ВЭСТ", АОЗТ "Заря" (г. Санкт-Петербург), используются в учебном процессе на кафедре ТРПМ ИГЭУ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Копосов В.Н., Шумнов Д.А. Генерация многообразия вариантов многошпиндельной обработки деталей на станках с ЧПУ // Тезисы докладов международной конференции "VIII Бенардосовские чтения"/ Ивановский государственный энергетический университет. - Иваново, 1997. - С.316.

2. Копосов В.Н., Шумнов Д.А., Краснов P.A., ПьянзинА.Ю. Дисконтированная стоимость новой техники как показатель ее эффективности // СТИН. 1998. № 1.-С.19-20.

3. Копосов В.Н., Шумнов Д.А., Краснов P.A., Пьянзин А.Ю. Универсальная многошпиндельная головка: Информ. листок № 1.-Иваново: ЦНТИ, 1997.-2 с.

4. Копосов В.Н., Шумнов Д.Л., Пьянзин А.Ю. Математическое моделирование процессов многошпиндельной обработки деталей на станках с ЧПУ // Создание и развитие информационной среды вуза: Состояние и перспективы / Сборник статей к конференции.-Иваново: ИГАСА, 1997.-С. 229-230.

5. Копосов В.Н., Шумнов Д.А., Пьянзин А.Ю. Статистический анализ деталей для многошпиндельной обработки И Тезисы докладов международной конференции "VIII Бенардосовские чтения"/ Ивановский государственный энергетический университет. - Иваново, 1997.- С. 315.

6. Копосов В.Н., Шумнов Д.А. Структурная оптимизация операций многошпиндельной обработки деталей на станках с ЧПУ // Создание и развитие информационной среды вуза: Состояние и перспективы / Сборник статей к конференции.-Иваново.: ИГАСА, 1997,- С. 225-226.

ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Шум нов Дмитрий Александрович МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МНОГОШПИНДЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ

НА СТАНКАХ С ЧПУ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов

и производств (промышленность)

На правах рукописи

УДК 681,5:519.8:621.9.06

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., доцент В.Н.Колосов

ИВАНОВО 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................6

Глава!. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Статистический анализ объектов многошпиндельной обработки........................................................................................9

1.2. Описание и анализ конструкций многошпиндельных

головок............................................................................................15

1.3. Современное состояние и перспективы применения

многошпиндельной обработки в производственных процессах.27 1.4. Состояние вопроса моделирования и оптимизации процессов

многошпиндельной обработки. Постановка задачи

исследования....................................................................................39

1.5. Цель и задачи исследования...........................................................51

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА

МНОГОШПИНДЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ НА СТАНКАХ С ЧПУ.

2.1. Основные понятия и определения..................................................53

2.2. Критерии эффективности автоматизированного процесса многошпиндельной обработки деталей на станках с ЧПУ.

2.2.1. Обоснование системы показателей эффективности технологического процесса......................................................56

2.2.2. Производительность механической обработки деталей

при применении многошпиндельной обработки........................63

2.2.3. Экономические показатели эффективности механической обработки деталей при применении многошпиндельной обработки.

2.2.3.1. Технологическая себестоимость обработки деталей................72

2.2.3.2. Себестоимость многошпиндельных головок............................77

2.2.3.3. Дисконтированная стоимость получаемой прибыли от реализации проекта внедрения многошпиндельной обработки..................................................................................82

2.2.4. Надежность системы "станок - приспособление - инструмент -деталь" при многошпиндельной обработке.

2.2.4.1. Показатели надежности............................................................86

2.2.4.2. Влияние количества шпинделей многошпиндельной головки на надежность работы системы "станок -приспособление - инструмент - деталь"....................................93

2.2.5. Влияние способа смены инструментов многошпиндельной головки на эффективность механической обработки деталей....97

2.2.6. Определение оптимального периода стойкости режущего инструмента....................................................................................104

2.2.7. Комплексный многокритериальный показатель эффективности автоматизироанного процесса многошпиндельной обработки. 108

2.3. Параметры математической модели автоматизированного процесса многошпиндельной обработки.......................................113

2.4. Система ограничений автоматизированного процесса многошпиндельной обработки.......................................................120

2.5. Выводы.............................................................................................129

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ПРОЦЕССА МНОГОШПИНДЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ НА СТАНКАХ С ЧПУ.

3.1. Размер критической программы выпуска и партии запуска деталей..............................................................................................133

3.2. Влияние многошпиндельной обработки на производительность механической обработки групп отверстий.....................................137

3.3. Влияние многошпиндельной обработки на экономическую эффективность механической обработки групп отверстий............147

3.4. Выводы.............................................................................................154

Глава 4. СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСЧКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ МНОГОШПИНДЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ НА СТАНКАХ С ЧПУ В УСЛОВИЯХ МНОГОНОМЕНКЛАТУРНОГО ПРОИЗВОДСТВА. 4.1. Постановка задачи структурно-параметрической оптимизации

процессов многошпиндельной обработки.....................................156

4.2. Этапы структурно-параметрической оптимизации процессов многошпиндельной обработки

на станках с ЧПУ в условиях многономенклатурного производства....................................................................................158

4.3. Формализация процедуры генерации многообразия структур многошпиндельной обработки произвольной номенклатуры деталей..............................................................................................182

4.4. Параметрическая оптимизация процессов многошпиндельной обработки деталей...........................................................................186

4.5. Структурная оптимизация автоматизированных процессов многошпиндельной обработки деталей..........................................193

4.6. Принятие решений в условиях неопределенности входных параметров математической модели процесса

многошпиндельной обработки деталей..........................................197

4.7. Особенности оптимизации процессов многошпиндельной обработки в рамках

гибкой производственной системы.................................................206

4.8. Алгоритм и программа автоматизации процедур структурно-параметрической оптимизации процесса

многошпиндельной обработки......................................................211

4.9. Выводы............................................................................................224

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................226

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................229

ПРИЛОЖЕНИЕ 1..................................................................................245

ПРИЛОЖЕНИЕ 2..................................................................................261

ВВЕДЕНИЕ.

Современное машиностроение можно охарактеризовать следующими показателями. До 80 % общего объема выпуска изделий приходится на мелко- и среднесерийное производство. До 90% оборота составляют новые изделия. Общей тенденцией развития является увеличение номенклатуры обрабатываемых деталей и сокращение цикла заме-ны выпускаемых изделий новыми [31, 32, 89, 94, 102 и др.]. В этих условиях наиболее целесообразным является применение многоопера-ционных станков с ЧПУ, роботизированных технологических комплек-сов, гибких производственных систем. В связи с чем доля этого обору-дования в общем парке металлорежущих станков постоянно растет.

Применение подобного дорогостоящего оборудования требует тщательного технико-экономического обоснования и интенсивной эксплуатации. Но в современных условиях возможности станков с ЧПУ используются далеко не полностью (по производительности, по мощности и т. д.). Один из способов увеличения эффективности использования этого оборудования, а значит и эффективности автоматизированных технологических процессов - это обоснованное применение на нем многошпиндельной обработки (МШО), которая повышает производительность и расширяет технологические возможности станков, повышает культуру производства, способствует высвобождению рабочей силы. МШО непосредственно отвечает таким требованиям завода будущего, как высочайшая производительность, кратчайший производственный цикл изготовления изделий, высокий коэффициент использования машин, низкое энергопотребление.

МШО известна и применяется достаточно давно, нашла свое отражение в ряде исследований, широко распространена в массовом и крупносерийном производстве на автоматических линиях, агрегатных стан-

ках, автоматах и полуавтоматах и редко применяется в мелко- и среднесерийном (многономенклатурном) производстве, на станках с ЧПУ.

Подобное положение объясняется необходимостью капитальных вложений и затрат на наладку многошпиндельной оснастки, которые окупаются в массовом и крупносерийном производстве и рискованны в мелкосерийном, которое характеризуется частыми сменами объекта производства, малыми программами выпуска и партиями запуска деталей, неопределенностью этих и других показателей. Не в последнюю очередь такая ситуация с применением многошпиндельной обработки сложилась вследствие отсутствия математических моделей и метода оптимизации автоматизированных процессов МШО в условиях многономенклатурного производства. В свою очередь такое положение объясняется в том числе и традиционным представлением о том, что эффективная многошпиндельная обработка - это прерогатива массового и крупносерийного производства, хотя на практике она встречается и в мелкосерийном, а по мнению экспертов имеет перспективы расширения своего применения на станках с ЧПУ.

Существующие исследования и разработки, представляющие безусловный интерес, относятся, как правило, к области многошпиндельной обработки на автоматических линиях и агрегатных станках в условиях стабильного одно- и малономенклатурного производства с большими годовыми программами и партиями запуска деталей. Они имеют в целом частный характер, направлены в основном на изучение структурных вопросов, конструирование и отчасти на изучение проблем эффективности и практически не ориентированы на мелко- и среднесерийное производство, обработку на станках с ЧПУ.

В технической литературе указания по применению МШО носят рекомендательный характер: при массовом и крупносерийном производстве эффективны многошпиндельные агрегатные станки, специальные многошпиндельные головки (МШГ), автоматические линии

со стационарными МШГ, а в средне- и редко в мелкосерийном производстве - универсальные многошпиндельные головки. Но подобные рекомендации не позволяют уверенно судить об эффективности многошпиндельной обработки в тех или иных условиях, хотя бы по той причине, что диапазон мелко- и среднесерийного производства, в частности, по программе выпуска и партии запуска деталей в производства, исключительно широк.

В этих условиях возникает обоснованный интерес к проведению соответствующих научных исследований.

Цель данной работы - совершенствование автоматизированных технологических процессов обработки деталей на станках с ЧПУ и повышение на этой основе эффективности использования данного оборудования. Общая научная задача, решаемая в работе, состоит в разработке математического аппарата для описания, исследования и оптимизации автоматизированных процессов МШО деталей на станках с ЧПУ в условиях многономенклатурного производства.

В результате решения этой задачи разработана и исследована функциональная математическая модель процесса многошпиндельной обработки на станках с ЧПУ. Разработаны этапы структурно-параметрической оптимизации автоматизированных процессов МШО. Раскрыто содержание каждого этапа. Установлена их логическая и информационная взаимосвязь. Разработаны процедуры генерации многообразия всех возможных вариантов МШО, принятия решений в условиях неопределенности. Созданы алгоритм и программа автоматизации процедур оптимизации процессов МШО. Доказана потенциальная эффективность применения многошпиндельной обработки в реальных условиях многономенклатурного автоматизированного производства.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Статистический анализ объектов многошпиндельной обработки.

В рамках данной работы, в связи со спецификой научной темы, особый интерес представляют детали типа корпус, основание, фланец, крышка, стакан и т. д. Именно приведенные детали имеют отверстия, которые можно разделить на основные, служащие для восприятия опор и базирующих поверхностей, присоединяемых к корпусу деталей; крепежные, служащие для крепления присоединяемых деталей с помощью болтов, шпилек, штифтов; свободные, служащие для удобства обработки, базирования, монтажа, смазки, ремонта и т.д. [76]. Наибольший интерес при применении МШО представляют крепежные отверстия, которые расположены в группе отверстий. Они отличаются разнообразием форм, размеров и точностью исполнения. Именно эти группы и являются объектом статистического анализа, проведенного по изделиям в объеме более 600 штук на машиностроительных предприятиях г. Иваново и Ивановской области. Анализируемые детали относятся к среднему машиностроению.

Каждую группу отверстий характеризуют следующие параметры: количество отверстий, диаметры и форма отверстий, расположение отверстий в группе, межосевое расстояние, точностные параметры.

Анализ показывает, что у деталей, как правило, имеются группы из 2, 3, 4, 5, 6 или 8 отверстий. Повторяемость количества отверстий характеризуют следующие данные

количество отверстий в группе: 2 3 4 5 6 8 повторяемость,%: 28 9 54 2 6 1

Кроме указанных групп интерес могут представлять отверстия в количестве более 8, расположенные в линию или по сетке (подобные объекты здесь не рассмотрены ввиду отсутствия необходимого объема информации). Применяемость межосевых расстояний Э и диаметров обработки ё отверстий характеризуют показатели (см. рис. 1.1): Э (свыше-до), мм: 10-50 50-120 120-160 160-200 св.200 применяемость,%: 12 56 18 10 4

вариационный размах - 205 мм, математическое ожидание - 105 мм; 6 (свыше-до), мм: 3-6 6-10 10-16 16-20 20-25 применяемость,0/): 16 37 43 3 1

вариационный размах - 22 мм, математическое ожидание - 10.3 мм.

Наиболее типичные формы поверхностей отверстий представлены на рис. 1.2. Данные статистического анализа повторяемости форм поверхностей отверстий [76] приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Повторяемость типовых форм отверстий

Вид отверстия Повторяемость отверстий различных типов (см. рис. 1.2.), в%

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Сквозные 5.3 3.4 3.1 0.4 0.3 0.1 0.1 9.6 14.3 4

Глухие 3.7 — 4.2 0.1 0.1 0.4 4.8 1.9 21.1 7.4

Двусторонние 0.1 1.2 0.8 0.1 0.1 — 13.3 0.1 — —

Основные варианты расположения отверстий в группе представлены на рис. 1.3.

шт.

27 ■ 24 -21 18 15 12 9 6

3 ■ О -

10

шт.

▲

55 -50 -45 -40 -35

30 -25 -20 -15 -10 -5 -О

Д

40

1

70 100 130 160 190 220

а)

О,мм

гт-Пп

■т.

11 13 15 17 19 21 23 25

б)

(1, мм

Рис. 1.1. Распределение применяемости:

а) величины межосевого расстояния; б) диаметра обработки.

Типы отверстий

Сквозные

Глухие

Сквозные, обработка с двух сторон

1

ГТ

2

Я

Ж

4

ж

Ж

V

г

да

а

ЕжЗ

X

I ■■ I

I

10

т

ш

ЕЗ

ЕЖЗ

Рис. 1.2. Типичные формы поверхностей отверстий.

5

7

О О С) С) О

Рис. 1.3. Типичные варианты расположения отверстий в группе.

Точностные характеристики анализируемых объектов регламентируются следующими показателями: точность диаметров отверстий в пределах от 7 до 14 квалитета; отклонение межосевого расстояния отверстий, расположенных в один или несколько рядов, от ± 0.06 до ± 0.2 мм; позиционный допуск на расположение отверстий от ± 0.1 до ± 1.4 мм; отклонение центрального угла между осями отверстий от ± 25' до ± 1° [56].

Для получения отверстия требуемой формы и точности применяются следующие виды обработки: центрование, сверление, рассверливание, зенкование, зенкерование, развертывание (черновое и чистовое), цекование, нарезание резьбы.

Статистический анализ показывает, что на одной стороне детали, как правило, имеются две и более групп отверстий. У более сложных деталей, таких как корпус, основание и т. д., группы отверстий в количестве по две и более располагаются с разных сторон.

Анализ подобного рода возможен относительно деталей одного предприятия. Например, в раджах данной работы подобные исследования были проведены по деталям АО "Ивтекмаш" (г. Иваново), АО "Электроконтакт" (г. Кинешма), АО "Автокран" (г. Иваново), АООТ "Ижорские заводы" (г. Санкт-Петербург) и др.

При проектировании процессов МШО результаты статистического исследования можно использовать для следующих целей.

1. Определение диапазонов и границ исследуемых параметров МНЮ деталей.

2. Определение параметров проектируемых многошпиндельных головок под заданную номенклатуру деталей.

3. Нормализация, стандартизация и унификация групп отверстий будущих изделий.

4. Группирование деталей для МШО.

5. Нормализация, стандартизация и унификация МШГ.

6. Прогнозирование производственных характеристик деталей, которые будут в будущем запускаться в производство.

1.2. Описание и анализ конструкций многошпиндельных головок.

/

В литературе встречаются различные наименования многошпиндельной оснастки: многошпиндельная головка, многошпиндельная насадка, вспомогательная многошпиндельная оснастка, многоинструментная оснастка [14, 17, 63, 83, 154 и др.]. Ниже используется термин "многошпиндельная головка", как наиболее распространенный.

МШГ - приспособление для металлорежущих станков, объединяющее несколько рабочих шпинделей с механизмом для привода их от одного шпинделя станка [66]. МШГ обеспечивают одновременную работу несколькими одноименными или разноименными инструментами (сверлами, развертками, зенкерами и т.д.) и могут быть универсальными или специальными.

Специальные головки предназначаются для обработки деталей с определенным постоянным расположением отверстий, поэтому шпиндели таких головок не могут изменять своего положения, они проектируются под группу отверстий с конкретными характеристиками. В зависимости от расположения отверстий у изготавливаемых деталей данные головки можно разбить на две группы: для обработки деталей с расположением отверстий в одной плоскости и для обработки деталей с расположением отверст