автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Повышение эффективности использования станков с ЧПУ при автоматизированной подготовке инструментального производства

УРАЛЬСКИЙ ГССУ ДАРСТВЕННЬЯ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ - УШ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТАНКОВ С ЧПУ ПРИ АЕГГСМАТИЗИРОЕАНКОЯ ПОДГОТОВКЕ ИКСТРУМЕНТ АЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических

процессов 'и производств (промьшенность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технически наук

РГб од

з

На правах рукописи

Т11ШШ Евгений ¡Срьевич

Екатеринбург 1994

Работа выполнена в Уральском государственном техническом университете - УПИ на кафедре "Электронное машиностроение".

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор ЕС.Шрин.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор С. Г. Селиванов ; кандидат технических наук, доцент Е Б. Зедоров.

Бедячая организация - АО "Уральский электромеханический завод".

Защита состоится ¿иоНЛ 1084 г. в ^ часов

на заседании Диссертационного совета К 063.14.12 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Уральском государственном техническом университете - УПИ .

Ваз отзыв на авторе^рат, заверенный гербовой печать» учреждения, просим направлять по адресу: 620002, г. Екатеринбург К-2, УГТУ-УШ, ученому секретарю университета; тел. 44-85-74

С диссертацией коз:« ознакомиться • з библиотеке УГГУ-УЕК.

Автореферат разослав "_"_1994 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета К 05а 14.12 „

доцент, канд. техк. наук ЕЕ Костров

ОБИЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Необходимость повеления производительности труда и одновременного расширения номенклатуры выпускаемых изделий а машиностроении - отрасли, характеризуются преобладанием мелко- и среднесерийного типа производства, обуславливает применение з качестве основных средств автоматизации так навиваемых "средств гибкой автоматизации". основой которых являются станки с ЧПУ.

Практика показывает, что эффективное применение подобного оборудования возможно лись при »максимальном использовании его технологических возможностей. Несмотря на гярское внедрение станков с ЧПУ в машиностроение, до сих пор не проводился научно сбос-нозан>:ыЯ анализ эффективности использования их технологических возможностей по сравнению с оборудованием других групп, например, с ручным управлением. Существующие показатели не отражают степень использования оборудования с точки зрения количественной и качественной концентрации обработки. При ориентации на автоматизированную подготовку производства возникает потребность а разработке количественных критериев, характеризующих объект обработки для определения степени использования технологических возможностей определенного вида оборудования. Бее эти вопросы актуальны и для инструментального производства.

Сель работы

Разработка количественных критериев оценки объекта обработки и метода определения технологических- возможностей металлорежущего оборудования для заданной номенклатуры деталей в автоматизированном инструментальном производстве.

Методы исследования

Поставленные в работе задачи решались на основе теоретичес-

3

киз и экспериментальных исследований. При этом использовалась из годы математического ьадеднрования, элементы алгебры логики. коы бинаторики, регрессионного и дисперсионного анализа, методы статистического исследования зависимостей и проверки достоверности статистических гипотез. Обработка экспериментальных данных провс лилась с использованием IBBM типа IBM PC. Автоматизированная сис тема, использущая разработанные алгоритмы, реализована на ГВЕМ IBM PC AT.

Научная новизна

Разработаны математические модели сложности обработки при;.«: нительно к инструментальному производству и модели определения показателей производительности и гибкости на базе показателя сложности обработки.

Созданы методики автоматизированного анализа и Bifiopa варит тов обработки, позволяющие обеспечить наиболее полное иепользовг ние технологических возможностей применяемого при обработке оборудования с ЧПУ. а такжз оценку эффективности использования данного оборудования в существующих техпроцессах в реальных производственных условиях.

Практическая ценность

Использование предложенных в работе показателей и методов позволяет осуществить новый подход к решению ряда задач технологической подготовки производства, расширяет возможности автомат! зированной подготовки производства. При этом повышается эффекти ность использования оборудования с ЧПУ за счет рационального выбора объектов обработки. Разработанные методики и алгоритмы мог; использоваться в инструментальных подразделениях машиностроител: них предприятия и на инструментальных предприятиях с преобладай] ем мелко- и среднесерийного типа производства.

4

Реализация работы

Основные результаты работы были использованы при создании «¡темы автоматизированного нормирования и анализа инструментально производства, разработанной для Уфимского инструментального *вода (УИЗ), входящего в состав Уфимского шгоростроительного 1 Енедрение системы позволило сократить время технологической элготовки производства концевого рехуиэго инструмента, повысить эчнос'ть получаемых норм времени.

Экономический эффект от внедрения системы составил в 1991 г. олее 60 тыс. руб.

Апробация работы . Основные результаты работы докладывались и обсуядались на аседаниях кафедры "Электронное дагиностро^нке" УГТУ-УПИ, на на-чно-технической конференции ияструш1таль®ков (г. Пермь, 1991 т.),

на Уфимском моторостроительном ГО.

Публикации - -

По материалам диссертации опубликовано б печатных работ, от-«гащих ее основное содержание.

Обгем работы

диссертация состоит га введения, четырех глав, обзих выводов I приложения. Работа содержит 116 страниц кашпюписиого текста. 18 рисунков, 17 таблиц, список литературы из 200 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи, решаемые в диссертации, йзлогбны основные научные результата

В первой главе представлен обзор литературы по вопросам

5

технологических возможностей металлорежущего оборудования с ЧПУ. Авторами раОот предлагается множество различных подходов к выражению технологических возмоиюстей: через технические характеристики станка; с позиций назначения и универсальности; по принципу организации процесса обработки. Авторы одной из теорий организационных принципов гибких производств предлагают следующие принципы оценки технологических возможностей: гибкость, специализации, ритмичность, автоматичность.

На основе обзора делается вывод о тоы, что отсутствует единая объективная количественная оценка показателей технологических возможностей оборудования. Это, в свою очередь, не позволяет решать вопросы эффективного использования различных типов оборудования с точки зрения соотношения производительности и гибкости (универсального. с ЧПУ, в составе ГШ) применительно к заданному объекту обработки. Таким образок:, существует необходимость в разработке критерия, в котором бы учитывались коыплексно, во взаньмой связи показатели производительности и гибкости оборудования.

Показано, что особая необходимость в подобной критерии существует при автоматизированной подготовке производства, проектировании техпроцессов обработки.

Отмечены особенности инструментального производства и рассмотрены автоматизированные системы для подготовки инструментального производства, существующие в настокаее время. Анализ ьвтодов автоматизированного проектирования техпроцессов изготовления ревущего инструмента поаволяет отметить, что в них не предусмотрена оценка эффективности обработки по каздому из возможных вариантов; отсутствуют достоверные критерии, на основании которых можно было бы принимать решение о целесообразности использования оборудования с ЧПУ.

б

Рассмотрены показатели оценки эффективности спроектированных или суаествуших техпроцессов обработки. В основе их лелат три основных критерия : трудоемкость (и связанная с ней обратная величина - производительность), стоимость, качество. Каадый их них имеет свои недостатки, ограничивающее область его применения (например, стоимостные показатели включают в себя значительную долю расходов, не связанных непосредственно с процессом обработка). Поэтому для количественного выражения объема механообработки детали предложено использовать показатель сложности обработки, разработанный ранее и имеющий вид:

С = Ск-Кр:К„-Кв-Кт, <»

где Ск - конструктивная сложность детали (учитывает количество обрабатываемых поверхностей); Кр - размерный коэффициент, учитывают влияние размеров детали; К^ - коэффициент материала, учитывающий обрабатываемость резанием материала детали; й^ - коэффициент заготовки, страдающий влияние величины припуска на механообработку; Кт - коэффициент технологичности, учитывающий технологичность обработки поверхностей детали в зависимости от их вида, относительного расположения и качественной концентрации обработки (наличия сложных поверхностей типа конических, сферических, криволинейных и т.п.. при обработке которых оборудование с ЧПУ имеет преимущества перед другими типами оборудования).

Дана характеристика теории сложности, отмечены ее преимущества, такие как простота математической модели, универсальность применения, использование лишь конструктиЕно-технолопгческих пара!,гетрсв детали для определения сложности ее обработки. Пэказано принципиальное отличие метода оценки сложности от метода аналогий,

7

широко пршаенягщэгося в иаэшостроеиш для укрупненных расчетов при технологической подготовка производства.

Предложено использовать теорию сложности для разработки кри териев оценки эффективности использования оборудования в инструментальном производстве.

Вторая глава посвящена обоснованию выбора критериев оценки эффективности использования оборудования с ЧПУ в инструментально производстве. Проведен анализ критерия трудоемкости как наиболе широко используемого в настоящее время с точки зрения точности достоверности его определения. Показано, что при существующей пр< цедуре определения нормы времени и трудоемкости обработки, в том числе и в автоматизированных системах,, на каждом этапе присутствует погрешности, обусловленные как объективными (погрешности но мативных материалов и методик), так и субъективными причинами. П характеру проявления источники погрешностей могут быть разделены на случайные и систематические.

Все это позволяет утверждать, что норма времени может быть рассмотрена как случайная величина, единичная реализация которой обладает малой достоверность». Возникает проблема оценки точност нормирования, которая должна найти конкретное выражение в опреде лении допуска нормы.

Показано, что рассеивание нормы подчиняется закону нормального распределения. Тогда оценкой кормы можно считать среднее значение ряда расчетных норм при вариации исходных факторов :

_ а

II _ 22 Иы1 /

пвр /а р (2)

где а - число расчетных норм.

Допуск нормы будет определяться через оценку средяеквадратическо

8

склонения Зк. полученную на основании ряда а расчетных вначе-

1ри увеличении числа наблюдений п уменьшается погрешность определения норыы времени Н^ и трудоемкости Т (рис. 1. рис.2).

Делается вывод, что использование статистического подхода 1ри определении нормы времени и трудоемкости обработки повышает 'очность и достоверность технкко-экономических показателей, опре-геляемых на основе этих величин. Подтверждается необходимость в Шее универсальной, достаточно точной и достоверной показателе, галее ориентированном на применение его в автоматизированных сис-•е(,«ах подготовки производства

Данныы требованиям удовлетворяет показатель сложности дета-ш. Проведен анализ влияния различных факторов процесса обработка !а погресность определен!« коэффициентов, зходяшх з модель слоя-юети. Проектирование техпроцессов в шииностроенки строится на >бщэй научной и методической основэ, типовых решениях, которые яв-шются факторами стабильности. Егияние реальных условий производ-:тва, отличавшихся от идеальных, приводит к возникновению факто- * юв изменчивости.

Анализ модели сложности показывает, '»то сходность обработки ;етали по сравнению с трудоемкостью имеет значительно меньшую ветчину рассеяния при варь;:ров£Нки условий обработки, поскольку [акторы, влияние которых учитывается в ¡»одели слошзстн при помада технологических коэффициентов, являются {акторами стабильности гроцесса обработки.

Таким образом, сложность является более точны» и объективные

шй кормы:

СЗ)

показателем объема механообработки, чем трудоемкость. При этом влияние факторов изменчивости на последнюю может быть учтено уравнением регрессии трудоемкости Т на сложность С , имеющим вид:

Т = а• С •+• Ь7 (4)

где a,b - коэффициенты регрессии.

Для проверки статистической значимости и практической ценности уравнений регрессии трудоемкости (нормы времени) по сложности обработки предлагается использовать критерий fm . который был предложен Box а, Wetz J. Данный критерий позволяет оценить, превосходит ли размах предсказываемых уравнением регрессии откликов стандартную ошибку отклика настолько, чтобы уравнение можно было считать приемлемым для практического испольвования. При этом задается критическая величина отношения размеров вариации результирующего показателя (трудоемкости), обусловленных регрессионным уравнением, к вариации, обусловленной ошибками оценивания по регрессии:

и = -Agfti-TJ«." ,„

У» ,

где т" - среднее значение трудоемкости по выборочной совокупности; Т ^ - значение трудоемкости обработки для 1-й детали (операции) выборки; - дисперсия ошибок оценивания откликов Т по уравнегпво регрессии; п - объем выборки ; число степеней свободы для дисперсии бГЧ - n»- 1).

Далее во второй главе рассматривается применение показателя сложности для оценки технологических возможностей оборудования. В основе теории сложности лежит штеыатическая шдель, связываэ-кая трудоемкость обработки со сложностью С и технологическим*

10

Рис.1. Представление нормы времени на обработку Нвр к фактической трудоемкости обработки Т^ как сяучаяких величин

1

\

\

£ -

5 / л 1 *

Г- -1 —е-

/

/ / 0.9? •

/ -

1 / ■

П.

Рис.2. Зависимость погреоноеги "опрзаеявнкя корма времени Н^ от объема виборгя п, II

возможностями В оборудования:

^ С-

г ^ — (б)

Ь '

Из уравнений регрессии полного времени обработки партии деталей Тп (Тп - Т * п + Т0.3 , где Т^- птучное время обработки одной детали партии; п - размер партии; Тп_,- подготовительно-заключительное время на партию) по сложности обработки партии деталей Сп - С^ * п (где С;_ - сложность одной детали) получаем выражение для технологических возможностей, характеризую©« наряду с производительностью также и гибкость работы оборудования:

В = = —1— (7)

Рассмотрены различные группы оборудования, на которых может выполняться обработка одной, й той же партии деталей. На основании анализа взаимного расположения прямых регрессии, связываниях полное время обработки партии деталей (включая и подготовительно-заключительное время X. ) со сложностью партии, можно делать вывод о соответствии возможностей (производительности и гибкости) оборудования сложности партии деталей. Наилучшим вариантом выбора оборудования для обработки партии деталей обпей сложностью будет тот, для которого при этом значении С г будет минимальным время на обработку партии Тп (рис.4).

Третья глава посвяиена разработке поглзателя слогаости применительно к концевому рекукему. инструменту. За основу взята ранее предложенная модель. Конструктивно-технологические особенности инструмента как объекта обработки предлагается учитывать в коэффициентах, входящих в модель сложности.

12

Рис.3. Оценка точности нормы, получаемой по уравнении

линейной регрессии трудоемкости Т на сложность С

Рис.*». Области значений сложности партии Сп обрабатыч; заемых деталей, при югорых э^екгиана обработка на оборудовании с ручным управлении (ЕУ) - от О до С(; на оборудовании с числовым программным управлением (ЧПУ) -от С^ до Са ; на нечисловом автоматическом оборудовании (ОТ)-от С, и выше

ГЗ

Тек, иаприьгзр, при определения конструктивней сложности многолезвийных инструментов во множестве поверхностей инструмента ыожно выделить а однотипных групп поверхностей (где г - число лезвий инструмента). Тогда конструктивная сложность определяется как

+ ' <8>

где о( - коэффициент пропорциональности;

(V,- число поверхностей, образующих одно режукее лезвие и одну стружечную канавку;

п - число поверхностей, образующих крепежную часть. Показано, что в соответствии с предложенной ранее классификацией деталей по классам конструктивной сложности инструмент относится к высоким классам конструктивной сложности.

При 'определении вида размерного коэффициента для инструмента проведены исследования, показавшие, что наибольшую достоверность так же, как и для деталей оОаэго ыаагиностроения, имеет размерный параштр вида 1 + 0 (сумма габаритных.размеров обработки).

Коэффициент материала для инструмента должен учитывать изменение характеристик обрабатываемости в процессе изготовления инструмента после операций термообработки. Лдя этого предложено определять Км как средневзвешенное по трудоемкости значение коэффициентов, харакгеризукпих обрабатываемость до и после термообработки :

У - + " "Пип

К«--Т. * т.. , ™

СЭо шл

eîg К , К „ - значения коэффициентов материала до и после тер-

ГЦ Н2

^обработки;

î . Т „ - трудоемкость формообразующих и илифовально-заточ-

^а щп

¡х операция.

работе приселены графики для определения Ки для различных ма-ж инструментальных материалов в эависн.чосги от доли формообра-r'VGW и пллфовально-заточных операций.

Исследовано влияние величины припуска на черновую обработку ï трудоемкость обработки инструмента. Основной припуск снимается а Формообразующих операциях, и его величина влияет на трудое м-эсть этих операций. С учетом этого коэффициент заготовки К? /дет иметь вид:

' К10 (10)

;

at-Т

де К* , К,,..- базовый коэффициент использования материала я

ШД ^

оэффкциент использования для данного инструмента или операции;

- доля формообразующих операций в трудоеисости иегаяообра-отки инструмента, ¡водятся полученные кодограммы определения Я. в зависимости т К„ .и К .

иСЛ ь

При определении коэффициента технологичности К 7 предложено сковываться на типовых технологических схеках обработки, приня-ых в мелко- и среднесерийном производстве, Весовой коэффициент 1-й поверхности ^>1 определяется как сунма весовых козффкци-нтов по к операциям типовой схемы обработки;

п. л К

Хт-.Щ к й , ■<«>

» 1 с.) ' й К

где к - число операций, которые включает технологическая схема обработки 1-й поверхности.

Коэффициент технологичности детали, у которой обрабатывается п поверхностей, равен сумме весовых коэффициентов этих поверхностей. На основании ряда отраслевых и заводских нормативов на изготовление режущего инструмента определены значения весовых коэффициентов для различных типов поверхностей.

В четвертой главе формулируются задачи технологической подготовки производства, при решении которых может быть использован резработанный для инструментального производства показатель сложности обработки:

1) предварительное определение нормы времени на изготовление заданной номенклатуры изделий для конкретного производственного подразделения. Оценка.точности и погрешности норм;

2) оценка технологических возможностей оборудования;

3) анализ эффективности использования оборудования различных групп, в том числе с ЧПУ. в подразделениях инструментального производства

Задачи оценки технологических возможностей и эффективности использования оборудования связаны между собой. При решении первой из них выбирается тип (модель) оборудования, которая при обработке партии деталей заданной величины п и сложности Сп имеет наиболее приемлемое соотношение гибкости и производительности; при решении второй определяются такие границы величины партии п деталей сложностью С^ (или границы суммарной сложности партии), в пределах которых данное оборудование имеет наибольшие по отношению к другим типам или моделям возможности.

Разработаны алгоритмы для автоматизированного решения перечисленных выше задач. Сбш&я последовательность вдаодашйЯ Шего-

/и

а-ло)

¿=4

= ^/7 г;

—I

V-*»

\ Формирования —} 4ы!>оро1С/ аоог/аг.

I ¿-му

1. и ¿а/шан/поп

точел леугесем-

О ■ -*ЛлГ С Т

С*"

Ъ&ннего сигга нж -

'•С

Г Ё>"<Г<>/ Ярллы? С

Рис.5. Укрупненный алгоритм спрддеяекия эффектив-

ных границ сложности партии деталей С и СЛ

. 17 - п п

1. 4£одзднроЕаяид объекта,. применительно к которому рекзетс задача (путей формирования условий включения элементов генерал! кой совокупности (деталей, операций) а выборку) ,

2. Создание выборки, соответствующей выбранной модели ,

3. Решение задачи применительно к выбранному объекту.

Укрупненный алгоритм решения задачи определения границ су*

маркой сложности партии инструментов, при которой эффективна вь полнение обработки на заданном оборудовании, приведен ка рис.5.

Проведен анализ использования оборудования по технологичес ким возможностям на операциях токарной обработки концевого реж5 ш.его инструмента для инструментальных подразделений ряда мазинс строительных предприятий. Обработка статистического материала г предприятиям подтвердила достоверность и применимость разработе ных положений. Показано, что применение метода оценки слоиност! при выборе оборудования позволяет повысить производительность I ряде операций в 1.1-1.4 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Принятие технологических решений при автоматизировано! технологической подготовке средне- и мелкосерийного машиностро! тельного производства, в том числе инструментального, требует оценки как производительности, так и гибкости работы выбираемо! металлорежущего оборудования. Для решения этих задач предлагаем использовать показатель, определяемый на основе теории сложное'

2. Впервые на основе теории сложности для инструментально! производства разработан показатель сложности обработки концево! режуцего инструмента

3. Разработаны модели определения технологических коэффици-нтов, учитывающие основные особенности производства инструмен-ов указанного типа.

4. Предложен новьй истод определения показателей производи-ельноети и гибкости работы металлорежущего оборудования, отличи-ельной особенностью которого является использование показателя ложности для выражения объема обработки.

5. Предложи ккгтод укрупненного нормирования трудоемкости зготовления впервые осваиваемой номенклатуры изделий на основе ценки сложности изделий.

6. Выполнена экспериментальная проверка предложенных моделей

1 использованием регрессионного анализа и ряда статистических кри-ериев, подтверждался достоверность и практическую значимость мо-¡елей.

7. На основе использования показателя сложности инструмента ¡редлагается новый подход к рееенко ряда задач технологической годготовка в автатткзирзвгмпом производстве, таких кшй

- оценка технологических возможностей производственных под->азделенка с целью зффеетивного распределения номенклатуры изготавливаемого инструмента:

- оценка различных вариантов технологических процессов обрз-к>?кн инструмента с целью вы&ера рационального .

8. Разработаны алгоритмы для автоматизированного реаэния теречксленкнх задач технологической подготовки производства

9. Проведено обследование номенклатуры наготавливаемого инструмента по ряду инструментальных подразделений ьгаеиностроитель-аых предприятий. Анализ показал, что использование предложенных методик позволяет позысить эффективность операций токарной обра-5отки заготовок концевых инструментов.

19

10. Результаты данной работы внедрена на трех маданострои-тельных предприятиях в ряде инструментальных цехов в виде автоматизированной системы нормирования и анализа технологических процессов обработки инструмента Годовой экономический эффект с внедрения систеш в одном из инструментальных цехов Уфимского моторостроительного ПО составил в ценах 1991 г. более 60 тысяч рублей. . _

Основные положения диссертации опубликованы в работах;

1. Шарин ПС., Ведмидь НА., Тишенин Е. О. Диагностика токарного редудего инструмента // Проблемы и опыт комплексной автоматизации в машиностроении; Теаисы докл. VII научно-технич. конф. УТМ. Свердловск, 1988. С. 38.

2. Шарин а С. . Тишенин Е. Ю. Определение технологических возможностей оборудования на основе показателя сложности. Ека-

. теринбург: 11НГИ. 1990. 18 с.

3. Информационный листок N 81-92. Система автоматизированного нормирования для инструментального производства / Бессонов Л Б. . Харлампозич А. Г. . Тишенин Е. И Екатеринбург: ЦНТИ, 1992. 4 с.

4. Типекин Е. ¡0. Применение модели сложности обработки в инструментальном производстве. Екатеринбург: ЦНТИ, 1992. 10 с.

5. Бессонов Л. Е ,' Тишенин Е. П , Харлампович А. Г. Система автоматизированного нормирования инструмента // Тезисы докл. научно-технической конференции инструментальщиков. Пермь, 1991. С. 49-50.

6. Тксенин Е. К1 Определение сложности изделий инструментального производства: Методическое руководство. Екатеринбург: ИНГИ, 1993. 22 с.

Подписано в печать 26.04.94 Формат £0x84 I/I6

Еуиага - Плоская печать Усл.п.л. 1,16

7ч.-азд.л. 0,91 Tapas 100 Заказ 274 Бесплатно

Редакщюнно-издатегьскай отдел УПУ-УШ1 620002, Екатеринбург, 7ГТУ-УШ, 6-й учебный корпус Ротапринт УГТУ-УШ. 620002, Екатеринбург, ГОУ-7Ш, 6-й уч.корпу