автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Повышение эффективности установочно-зажимных приспособлений уникального агрегатированного оборудования при унификации проектных и технологических решений

ХАРЬКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИй ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Рацшбазафи Циталалаина !!арсэль

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УСТАНОВОЧЕСЬ ЗАЖИМНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ УНИКАЛЬНОГО АГРЕГАТ ИРОВЛННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ УНИФИКАЦИИ ПРОЕКТНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЯ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Харьков - 1993

Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения и ме-таллореяущие станки" Харьковского политехнического института.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Тимофеев Юрий Викторович

Научный консультант: доктор технических наук, с.н. с.

Захаров Николай Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Мовеович Александр Яковлевич

кандидат технических наук Васерман Михаил Соломонович

Ведущая организация: Харьковский завод агрегатных станков.

Защита состоится "_" _ 1994 г. в_часов на заседании Специализированного Совета Д 02.09.01 Харьковского политехнического института по адресу:

310002, г.Харьков, ул.«рунзе, 21

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харьковского политехнического института.

Автореферат разослан "_" _ 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета

Увунян М.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы исследования. Ускорение развития современного машиностроения на базе комплексной автоматизации производственных процессов и внедрения ' прогрессивных технологий во многом связано с уровнем технологической оснащенности и сокращением сроков подготовки производства. Затраты на изготовление технологической оснастки приблизились к стоимости производства металлорежущего оборудования, что в первую очередь относится к агрегатным станкам, на которых изготавливаются наиболее трудоемкие детали в массовом и крупносерийном производстве.

Повышение эффективности и качества технологической оснастки стало одной из важнейших народнохозяйственных проблем, что относится и к установочно-зажимным приспособлениям (УЗП) агрегатных станков (АС), так как этот узел является элементом, определяющим во многом точность механической обработки и производительность станков. Поэтому УЗП АС должно отвечать требованиям наивысшей эффективности и, следовательно, иметь оптимальные технологические характеристики с повышением уровня унификации, используемой при создании агрегатированного оборудования. Необходимость постоянного сокращения сроков изготовления больших объемов технологической оснастки в общем цикле подготовки производства новых изделий ставит задачу поиска путей решения рассматриваемых проблем. Одним из таких путей является автоматизация проектирования приспособлений, значительно сокращающая сроки конструкторско-технологической подготовки производства. Это взаимосвязано с разработкой систем автоматизации проектирования установочно-зажимных приспособлений (САПР УЗП) и информационно-поисковых систем (ИПС УЗП) для агрегатных станков различных классов. Разработке общих подходов к решению этих актуальных задач посвящена данная диссертация.

Автор защищает:

- принципы и методику построения классификаторов конструктивных элементов УЗП АС, вытекающие из особенностей конкретных конструкций и технологии производства приспособлений;

- принципы управления процессом формирования компоновочных решений УЗП АС при разработке математических моделей основных компоновок приспособлений, отражающие связи между элементами УЗП

и заготовками;

- методику сравнительной оценки вариантов решений, позволяющую соизмерять качественные стороны конструкции УЗП АС.

Целью исследования является повышение эффективности УЗП агрегатных станков среднего размера за счет обеспечения возможности быстрого получения достоъерной информации при использовании ИБС, сокращения времени на проектирование и изготовление, повышение уровня унификации структур и элементов УЗП и качества разработанных конструкций, совершенствования технологии изготовления наиболее трудоемких элементов - корпусов приспособлений.

Методы исследования включают в себя:

- статистический анализ структуры и параметров конструкций УЗП, процессов проектирования и изготовления УЗП АС и уровня унификации элементов и конструкторских решений;

- математическое моделирование структуры и параметров УЗП АС среднего размера;

- системный подход при проектировании и изготовлении технологического оснащения специального агрегатированного оборудования;

- принципы декомпозиции, теорию графов, множеств и формальной логики;

- экономический анализ принимаемых конструкторских и технологических решений.

Объект исследования. В качестве объекта исследования выбраны УЗП АС, которые, с одной стороны, во многом определяют технологические и эксплуатационные параметры этого оборудования, а с другой - трудоемкость его проектирования и изготовления, а значит, и экономичность, так как представляют собой группу оригинальных и наиболее трудоемких в создании узлов агрегатных станков.

Научная новизна. Разработаны общие принципы управления структурой и параметрами оригинальных установочно-зажимных приспособлений специальных агрегатных станков, способствующие повышению их надежности, снижению трудоемкости проектирования и изготовления. На основе теоретического и экспериментального обобщения в работе разработаны и установлены:

- математические модели формирования основных [компоновок приспособления, базирующиеся на результатах анализа процесса создания УЗП и повышающие уровень их структурно-параметрической унификации;

- новые подходы к синтезу компоновок и оригинальных элемен-

тов УЗГ1, позволяющие максимально автоматизировать процесс проектирования приспособлений на осноЕе информационно поисковой системы.

Практическая ценность. По результатам выполненных исследований разработаны:

- методика анализа основных характеристик конструкторских элементов УЗП АС;

- методика выбора основных элементов для расширения унификации компоновочных решений УЗП АС;

- методика математического моделирования УЗП АС среднего размера, которую можно использовать для решения аналогичных задач в других отраслях машиностроения;

- структура системы автоматизированного проектирования приспособления АС, включающей в себя ИПО УЗП;

- пакет прикладных программ, с помощью которых организована работа ИПС УЗП АС для выбора на первом этапе проектирования прис пособления-аналога;

- модернизированный технологический процесс изготовления сварных корпусов приспособлений, позволяющий значительно снизить трудоемкость производства.

Реализация результатов работы.

1. Основные положения работы используются на практике в процессе проектирования и производства АС Харьковским производственным объединением по выпуску агрегатных станков (ХПО АС).

2. Созданная на основе разработанной математической модели САПР УЗП АС эксплуатируется в Харьковском специальном конструкторском бюро агрегатных станков при проектировании агрегатных станков среднего размера.

3. .Еабораторная работа "Проектирование технологического оснащения специального агрегатировакного металлорежущего оборудования" используется в учебном процессе кафедры технологии машиностроении и металлорежущих станков Харьковского политехнического института.

4. Общий экономический эффект от внедрения результатов исследования, подтвержденный актами, составляет 660 ООО рублей в ценах 1992 г.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссерта-циовной работы догладывались и одобрены на ежегодных научно-технических семинарах и конференциях кафедры технологии мазшюстрое-

ния и металлорежущих станков ХГМ в 1989-1993 г. г.; на технических советах СКВ АС и Харьковского завода агрегатных станков; на республиканской научно-практической конференции "САПР конструкторской и технологической подготовки автоматизированного производства", г.Харьков, 1990 г.; на республиканской научно-технической конференции "Технологические методы повышения эффективности и качества механосборочного производства", г.Ставрополь, 1992 г.; на международной научно-технической конференции "Компьютер: наука, техника, технология,здоровье", г.Харьков, 1993 г.; на научно-технической конференции преподавателей, сотрудников и студентов СГУ, г. Суш, 1993 г.

Публикации. По теме диссертации имеются технические отчеты и методики, опубликованы 4 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет /05 страниц основного машинописного текста, ЦЯ рисунка, таблиц, наименований

использованных источников и приложения на страницах. Общий объем работы - Ок. страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности работы и ее общие характеристики, позволяюще судить о научной новизне, практической ценности исследования, достоверности результатов и апробации материалов.

В первом разделе рассматриваются УЗП АС малого и среднего размера, их функциональное назначение, взаимосвязь структурно-параметрических характеристик УЗП АС с геометрией и параметрами заготовки- детали, а также анализируются особенности проектирования и изготовления этого оригинального узла агрегатированного оборудования.

Проведенный анализ технологических особенностей создания АС показал, что наиболее критическим! по времени проектирования и изготовления являются оригинальные узлы, к которым относится УЗП. Разнообразие структурных схем и конструкторских исполнений УЗП обусловлено большим числом влияющих факторов, имеющих широкие пределы варьирования: параметров заготовок, обрабатываемых по-

верхностей и др. К тому же к «©унифицированным элементам относятся наиболее сложные при проектировании и изготовлении детали. Таким образом, одним из перспективных направлений при повышении эффективности АС, снижении трудоемкости проектирования и изготовлении, решении некоторых других проблем технологических систем является дальнейшая унификация УЗП, разработка унифицированных заготовок для корпусов и других деталей, а в дальнейшем переход на создание ИПС установочно-зажимных приспособлений АС, полностью собираемых из унифицированных узлоз с частичной их доработкой в случае необходимости.

Вопросам проектирования станков из унифицированных узлов посвящены работы: Е Ы. Вороничева, А. П. Владзиевского, X. Гебе ля, А. И. Дащенко, Е К Бойцова, Г. К Горанского и других. Работы Г. К. Го-ранского, А. Г. Рачовича послужили основой для разработки концепции автоматизации проектирования приспособлений, предусматривающей комплексное решение на ЭВМ задач автоматизированного проектирования. Однако вопросам комплексного подхода к проектированию и изготовлению УЗП АС малого и среднего размеров уделялось недостаточно внимания, и поэтому во многих случаях эффект от эксплуатации такого оборудования был неполным.

Для достижения поставленной цели необходимо:

- установить признаки, определяющие взаимосвязь конструк-торско-технологических элементов УЗП АС и технологического процесса обработки заготовки на станке, особенностей ее конструкции;

- решить задачу классификации УЗП АС, систематизации и кодирования, максимально унифицировать и нормализовать элементы возможных структурных схем и конструкций для сокращения сроков проектирования;

- разработать принципы управления процессом формирования компоновочных решений УЗП АС;

- разработать алгоритм решения задач направленного синтеза компоновок УЗП АС;

- разработать метод сравнительной оценки вариантов решений, позволяющий соизмерять качественные стороны конструкции УЗП АС.

Во втором разделе проводится структурно-параметрический анализ установочно-зажимных приспособлений.

На основе анализа вырабатываются требования к классификации деталей и УЗП, выявляются все возможные нерациональные конструкции. Выделяются основные классификационные признаки. При этом оп-

ределяются общие положения позьейния уровня унификации основных конструктивных элементов установочно-загамных приспособлений АС. Разработанная классификация доляка использоваться для поиска необходимой конструкции приспособления, подбора компоновочной схемы из множества альтернативных вариантов. При этом реоается задача типизации и повшения уровня унификации компоновочных схем УЗП. Проведенный статистический анализ повторяемости различных кемгга-нозочных схем и элементов УЗП позволил установить уровень их унификации. Наиболее унифицированным узлом является привод (96% унификации) , наименее унифицированными - элементы базирования (62%). Наряду с этим был проведен анализ трудоемкости проектирования (Тп) и изготовления (Ти) в зависимости от урозня унификации ГСП для наиболее распространенных компоновочных схем (рис.1). Очевидно, что с ростом уровня унификации трудоемкость падает. С целью автоматизации проведения анализа применяемости различных конструкторских вариантов приспособлений одновременно с кодирования элементов конструкции, компоновочных схем приспособлений деталей, обрабатываемых на АС (рис.2).

Зормирование кода осуществляется поэтапно, процесс кодирования управляется основной программой. Закодированные конструктивные элемента или детали записываются в соответствующую базу данных. После установления принадлежности конструктивных элементов иди детали к определенной группе можно вызвать из архкза разработанные ранее приспособления и использовать как основу для формирования УЗП конкретной детали.

60

Г,

час

40

л ?о-ко К-.70-80 /

/ ^ К-.50-\ 60 т — ш

/ Та

0.7

0.8

0.9

1.0

Рис. 1. Трудоемкость проектирования и изготовления одного УЗП в зависимости от урозня его унификации.

классификацией разрабатывается система

Рис.2. Структурная схема УЗП АС н основные классификационные признаки

В третьем разделе рассматриваются вопросы формализации и постановки в общем виде задачи повышения эффективности УЗП. Математическая модель управления структурой и параметрами приспособлений АС основана на оценке интегральной функции общей трудоемкости проектирования и изготовления:

ПРОЕКТ IV CS

Тпр - f(Tnp , Тпр , Тпр , Е, К) -> min при с < ¿доп,

ПРОЕМ ни-

где Тпр - трудоемкость проектирования; Тпр - трудоемкость изго-

CS с

товления; Тпр - трудоемкость сборки приспособлений; fc - погрешность установки заготовки в приспособлении; £ доп - допустимая погрешность обработки заготовки, зависящая от погрешности установки ее в приспособлении.

При рассмотрении трудоемкости изготовления приспособления было установлено, что существует условно-постоянная и условно-переменная части трудоемкости:

мех произ trti'h

Т - f(U, Мавт, Мавт ), ДТ - f(£flon, Snp, Sct),

МЕХ nraui

U - система ограничений; Мавт, Мавт - уровень механизации и авто-

1ЛШ

матизации приспособлений;^доп - требование к точности обрабатываемой на АС детали; Snp - структура приспособлений; Sct - структура технологических и конструкторских компоновок УЗП АС.

Модель управления структурой и параметрами приспособлений можно представить в виде графа, где выделены пять точек принятия решений (рис.3):

Q - <q-t}; i-TTö.

Т - Ш, t2, t3, t4, t5, t6>,

где tl - обрабатываемая деталь УЗП АС; Ь2 - элементы базирования; t3 - элементы зажима; t4 - привод; t5 - силовые механизмы; t6 -корпус приспособления; ql-q5 - выбор базовых элементов, типа ва-жима, привода, силового механизма и корпуса.

Процесс проектирования в каждой точке принятия решения представляет собой многовариантную процедуру. В результате образуется дерево допустимых вариантов (рис. 4), отвечающих заданным техническим ограничениям:

- и -

1. Vti 3 Fi j / i-гТп , Pij e pi,

2. V Ii a Pi j / vi je I, Pij, L) » 1.

Рис. 3. Гра£-структура Рис. 4. Ыулътиграф возможных структур

УЗП АС проектируемого УЗП АС

В результате многоуровневой декомпозиции задача проектирования сводится к определению наиболее рациональных системных характеристик:

б' - igi, .., en>.

Такая постановка задачи позволяет оптимизировать структуру и параметры приспособлений на каждом саге проектирования, используя при этом возможность автоматизированного поиска рационального варианта из существующего банка ранее созданных аналогов. С помощью операции "поиск аналогов" на любой точке принятия решений отыскиваются соответствующие аналоги схем конструкции, элементов, технологии изготовления. Детали или элементы В1 и В2 считаются технологически подобными В10ОВ2, если их различия в размерах (F), структуре (S) и свойствах (Z) не превьосают некоторых допустимых величин, при которых искомый техпроцесс или его элементы могут быть получены путем преобразования структуры и характеристик процессов-аналогов:

% "> \ 4 F .

S1(X, и) - S2(X, U) ^ S(X, U),

2вд " ^ AZ.

Диапазон изменения величин ЛР, ЛБСХ.и) и Д Ъ устанавливается заранее.

Для выявления технологического подобия функции двух структурных элементов процесса П ог> г 2 необходимо, чтобы в выражениях

Ч: СМ -> С1 И ^ : СМ -> С}

выполнялись следующие условия: виды преобразования (типы операций) должны быть одинаковыми Ч*; ; характеристики, описывающие состояние деталей на предшествующей и выполняемых операциях, долины отличаться на величину, не более некоторой наперед заданной, т. е.

С1-1 - СМ ^ Л С И С1 - С} ^ЛС2.

Таким образом, при поиске деталей, элементов-прототипов по описаниям их системных характеристик Р, 1 необходимо указывать их допустимые отклонения. В результате выполнения этих условий может быть найдено решение, удовлетворяющее запросу.

Предложенная математическая модель послужила основой для разработки компоновок УЗП АС с максимальным использованием принципов унифжсации компоновочных схем и элементной базы корпусов.

В четвертом разделе рассматриваются принципы разработки САПР установочно-зажимных приспособлений АС. Укрупненная схема автоматизированного проектирования приспособлений АС представлена на рис. 5. Для выполнения функции накопления, хранения и выдачи информации об имеющихся разработках в соответствии с запросами, возникающими при проектировании и изготовлении приспособления, предложена информационно-поисковая система.

В поисковый образ (ГО) УЗП включены параметры заготовки (форма, способ получения, размеры и т.д.), характер ее базирования в процессе обработки (схема, форма и размеры базовых поверхностей), а также описание обрабатываемых поверхностей (тип, предельные размеры, требования точности, шероховатости и др.). Для описания ГО создана система классификации и кодирования качественных характеристик. Все количественные параметры записываются в натуральном виде.

Аналоги определяются последовательным просмотром базы данных и сравнением качественных и количественных параметров поискового предписания (1Щ) и ПО. Алгоритм поиска можно представить в виде

изготовления и сборки Рис.5. Укрупненная схема

функционирования САПР У311 АС

- 14 -

ПП - {X', У\ П>; ПО! - {К, X, У>, V 1 € I;

а- - ПО! 6 А, У з € ]

где Х»{х«г>, X' , V щё М - ююхество качественных характеристик ПО и Ш соответственно; У-{у„>, У'-<у;>, УпбМ - мног-ество количественных параметров ПО и Ш соответственно; 0=-(с!„> - мкояеетг.о лоптеявак отклонений соответствующие количественных параметров; О - пустое ><но:?гст20; .".--Са.;).}/;)«! - множество апологов; I - число сСргсов УЗП в базе даншк; К - архивные координаты ПО ГОД.

Рачтерованиэ аналогов производится по критерий близости ПО к запросу, в качестве которого используется относительное евкгидсЕо расстояние в пространстве количественных параметров г

В пятом разделе рассматривается унификация проецирования я изготовления корпусов установочко-еагсй«ых приспособлений агрегатных станков. Еа основе результатов теоретических и экспериментальных исследований выделены наиболее характерные элементы корпусов УЗП и разработаны рекомендация по создании оптимальных параметрических рядов этих элементов. Сгатистичэский анализ функционального назначения основных поверхностей корпусов УЗП и их элементен показал, что ногио выделить два основных класса корпусов по рззпояядностям Фср?-:ы. Это позволило разработать классификацию элементов корпусов для создания универсально- металлических .моделей ссбкроодых из отих уня£япд»Баняис элементов. На основании этой кяассиЗэдэдии такяэ били разработали рекомендации по вчедре-аяэ вместо базового технологического процесса изготовления корпусных деталей более прогрессивного, в котором ссусрзтвляется сварка корвуенст деталей из унифгшровзшшх базопл: гя51»нтов. Г&бзяагогьйй варила? обеспечивает годовой зконоккчеегся '-ффеит у гзгетовйт&дя с'гслга бсО (XX) рублей в ценах 1992 г.

- 15 -

ОСЮВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Выявлены и классифицированы основные функциональные элементы УЗП АС, их количественные и качественные характеристики. Установлены признаки, определяющие взаимосвязь конструк-торско-технологических элементов УЗП АС с технологическим процессом обработки заготовки на станке и позволяющие решить задачи классификации элементов УЗП, их систематизации и кодирования, которые являются основой дальнейшего решения при создании ИПО и САПР УЗЕ

2. Установлены уровни унификации различных компоновочных схем УЗП и выявлено влияние уровня унификации на трудоемкость проектирования и изготовления приспособлений агрегатных станков.

3. Разработана математическая модель структуры УЗП АС, отражающая объективные взаимосвязи между установочно-зажимными приспособлениями и обрабатываемыми заготовками. Основываясь на полученных результатах, разработаны принципы управления процессом формирования компоновочных решений УЗП АС при обеспечении максимально возможного уровня унификации.

4. Разработан метод сравнительной оценки вариантов компоновочных решений УЗП, позволяющий соизмерять качественные стороны конструкции и выбрать требуемый вариант из альтернативных.

5. Разработан комплекс информационного, алгоритмического и программного обеспечения ИПС УЗП АС, что позволяет снизить трудоемкость проектирования технологического оснащения на 40%.

6. При изготовлении корпусов установочно-зажимных приспособлений агрегатных станков среднего размера внедрен технологический процесс производства литых корпусов по металлическим моделям, состоящим из универсально-сборочных элементов, а также технологический процесс получения сварных корпусов из унифицированных элементов, что существенно снижает трудоемкость изготовления УЗП АС и дает экономический эффект 660 ООО рублей в ценах 1992 г.

ПУБЛИКАЦИИ ГО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Тимофеев К1Е , Рацимбазафи Ц.М. Направления повышения эффективности проектирования и производства специальных приспособ-

лений уникальных агрегатных станков //Тезисы докладов республиканской НТК "Технологические методы повышения эффективности и качества механосборочного производства", г.Ставрополь, 1992 г.

2. Акинсейе А., Заплавский О. С., Рацимбазафи Ц. М. , Яковенко И.Э. Управление точностью формообразования в интегрированной системе автоматизированного проектирования и производства агрегатных станков //Материалы международной НТК "Micro CAD -SYSTEM", г. Харьков, 1993 г.

3. Тимофеев Ю. Е , Захаров а Е , Акинсейе А., Рацимбазафи Ц. М. Управление структурой и параметрами сборочных технологических систем //Оборудование и технология машиностроения, автоматизация производственных процессов. Детали машин., г. Суш, 1993 г.

4. Захаров Е Е , Акинсейе А., Рацимбазафи Ц. М. Выбор рациональных организационных форм сборки специального металлорежущего оборудования //Оборудование и технология машиностроения, автоматизация производственных процессов. Детали машин., г. Сумы, 1993 г.