автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка подсистемы САПР для оценки объема механической обработки корпусных деталей на основе теории сложности

На правах рукописи

КУГАНВСКИЙ Сергеи Семёнович

РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ САПР ДЛЯ ОЦЕНКИ ОБЪЕМА МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ СЛОЖНОСТИ

Специальность: 05.13.07 - «Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1998

Работа выполнена на кафедре «Электронное машиностроение» Уральского государственного технического университета,

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Ю.С.Шарин

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Е.А.Якимович; доцент, кандидат технических наук В.В. Кувшинский

Ведущее предприятие - АО «Турбомоторный завод»

г. Екатеринбург

Защита состоится 7 декабря 1998 г. в 14 ч 30 мин на заседании диссертационного совета К 064.14.12 в Уральском государственном техническом университете, ауд. М-323

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ.

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим выслать по адресу; 620002, г.Екатеринбург, ул.Мира 19, УГТУ, ученому секретарю совета университета, тел. (3432)75*45*74.

Автореферат разослан -«" »,

1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Некрасов И.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работм. Одной, из основных задач производства в современных условиях рыночных отношений является обеспе'юике необходимого уровня эффективности. Все это происходит на фоне быстрой смены объекта производства, изменения формы и размеров конструкции, непрерывного совершенствования внешнего вида изделий. Без этого невозможно поддерживать устойчивый спрос на выпускаемую продукцию. Необходимо уже на этапе конструкторской проработки нового изделия прогнозировать трудоемкость изготовления деталей и изделия в целом. Сдерживающим фактором для отечественного производства является то, что при наличии обширной нормативной базы для определения трудоемкости обработки методы применения этих нормативов предусматривают использование заранее разработанного операционного технологического процесса, который на ранних стадиях подготовки производства отсутствует. Имеющиеся исследования в области прогнозирования трудоемкости механообработки по данным чертежа, основанные на применении метода оценки слояшости, охватывают лишь небольшую часть деталей, относящихся к телам вращения. Поэтому развитие указанных исследований в области обработки корпусных деталей существенно расширяет диапазон применения этого метода и создает нормативную базу для разработки систем автоматизированного проектирования.

С другой стороны, использование результатов такого исследования создает условия для критического анализа действующих технологических процессов и поиска эффективных технологических решений.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является развитие теории сложности для определения прогнозируемой трудоемкости изготовления корпусных деталей в машиностроении; разработка методики разделения чертежа корпусной детали в целом как объекта анализа на отдельные конструктивные элементы (КЭ); создание нормативной базы и методики расчета весовых коэффициентов сложности различных КЭ относительно базового; разработка на этой базе подсистемы нормирования прогнозируемой трудоемкости обработки КЭ и детали в целом.

Методы исследования. Решете поставленных задач базируется на теории слояшости и методе оценки сложности, разработанных в УГТУ-УПИ д.т.н., профес-

сором Шариным Ю.С. Создание нормативной базы для расширения метода применительно к обработке корпусных деталей производится путем анализа технологических приемов и закономерностей. Для создания подсистемы САПР использован стандартный программный пакет Excel 97, относящийся к категории электронных таблиц.

Научная новизна. Основные научные результаты работы сводятся к следующему;

Ш в отличне от предыдущих работ в области теории сложности впервые проведено исследование технологических закономерностей, влияющих на трудоемкосп обработки. Это позволило теоретически обосновать выбор входных конструктивны* параметров, составляющих базу данных чертежа детали;

и на основе алгоритма принятия решения получена математическая модеш для расчета весовых коэффициентов сложности для базового конструктивного эле мента;

■ разработана методика суммарной количественной оценки сложности конст руктнвных элементов различной конфигурации.

Практическая ценность. Применение результатов работы позволяет:

■ расширить применение теории сложности дая оценки трудоемкости такой важного класса детален, как корпусные. Разработанная методика применима и дли других деталей, имеющих внутренние обрабатываемые контуры. Методика может < успехом применяться также для определения трудоемкости черновой обработки фор мообразующнх элементов пуансонов и матриц объемных штампов и литьевых форм;

в предложенная методика сохраняет для пользователя все преимущества тео рил сложности по возможности адаптации математической модели в условиях ре ального производства;

■ разработанная подсистема проста и удобна в обращении. Применение элек тронных таблиц делает ее доступной для самых мелких производственных ячеек. ] то же время, крупные производственные предприятия могут использовать получен ную базу данных для интеграции с более мощными САПР ТП и АСУП;

■ экономическая эффективность предлагаемых методических и технологичс ских решений подтверждена результатами промышленного внедрения.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Международной конференции «Автоматизированные технологические и мехатронные системы в машиностроении» (г.Уфа, 1997 г.).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 6 публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Содержит 182 страницы печатного текста и 16 страниц приложений, 33 рисунков, 40 таблиц, списка литературы из 120 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы.

В первой главе произведен анализ существующих методов нормирования , позволяющих определить трудоемкость обработки деталей в машиностроении. Рассмотрена структура интегрированной автоматизированной системы управления (ИАСУ) предприятием и место разрабатываемой подсистемы в обшей иерархии ПАСУ.

1. Весомый вклад в развитое теоретических основ организации и нормирования труда внесли такие ученые, как Горанский Г.К., Генкин Б.М.. Радукин В.П., Смирнов Е.Л., Шарин Ю.С., Якимович Б.А. и др. Обзор литературы позволяет сделать вывод, что при всем многообразии применяемых методов нормирования их можно свести к четырем основным классам: метод непосредственного наблюдения, метод аналогий, расчетно-аналитнческий метод и метод оценки сложности. Показано, что если сравнивать эти методы по таким критериям, как точность нормы, трудоемкость нормирования, возможность использования ЭВМ, возможность широкого применения метода, динамичность метода, оперативность разработки нормы, наилучшие показатели имеет метод оценки сложности, разработанный профессором Шариным Ю.С.

Первоначально этот метод ограничивался лишь оценкой сложности деталей гипа тел вращения. В последние два года в трудах Ижевского государственного уни-зерситета появились работы, расширяющие диапазон применения метода на такие эбласти производства, как обработка деталей корпусного типа. Эти работы проводятся под руководством д.т.н., профессора Якимовича Б.А.. Особенностью данных исследований является то, что для оценки влияния на трудоемкость обработки факте-

с

ров, плохо поддающихся формализация, применяется метод экспертного оценива кия.

Важной особенностью корпусных деталей является большое многообрази конструктивных элементов, определяющих их конфигурацию. Классификация конст руктивных элементов приведена в работах С.П.Митрофанова, В.Д.Цветкова А.А.Маталина, Н.М. Капустина, Р.Е.Сафрагана. На этой базе в диссертации произве дена классификация всех поверхностей, составляющих корйусную деталь, и сформу лированы определения основных КЭ (карман, уступ, паз, окно, основное и вспомога тельное отверстия). Такая классификация служит основой для изучения технологи ческих закономерностей, влияющих на трудоемкость обработки.

Одной из трудностей для нормирования трудоемкости корпусной детали я в ля егся то, что для данного класса деталей невозможна разработка типового технологического процесса. Каждый КЭ корпусной детали сугубо индивидуален и проблем: оценки трудоемкости его изготовления может быть решена только на основе синтезе технологических приемов обработки. Поэтому в первой главе достаточно подробно проанализированы положения, определяющие правила назначения технологических параметров, начиная от выбора диаметра инструмента до применяемых режимов резания. Большую помощь автору в этой работе принесли труды Г.Б.Евгенева, Е.И. За-зерского, Р.Э.Сафрагана и математические модели для расчета режимов резания, разработанные в Челябинском политехническом институте и рекомендованные ЦБ нормативов по труду ГК СССР по труду и социальным вопросам.

Во второй главе представлены результаты теоретических исследований, выполненных в следующих направлениях:

1. Анализ основных положений теории сложности, разработанных для тел ^р^щ^ии с целью изучения возможности их использования для оценки трудоемкости обработки корпусных деталей.----•

2. Анализ и обобщение данных о последовательности принятия решений при технологической подготовке производства корпусных деталей на станках с ЧПУ. На этой основе - синтез технологических решений и разработка математической модели зависимости трудоемкости обработки от таких параметров КЭ, как площадь, периметр, глубина, минимальный радиус в углу контура и число углов контура.

3. Разработка методики определения суммарной прогнозируемой трудоемкости обработки корпуса и оценки соответствия единиц измерения сложности для корпусных деталей и для тел вращения.

В результате проведенных работ сформирована математическая модель определения сложности обработки корпусной детали. Как известно, сложность детали в теории сложности - это мера трудоемкости детали при механообработке. Величина сложности определяется по формуле

С=Ск*Кр*Км*Кзаг*Кт*Кстр, (1)

где С - технологическая сложность детали при механообработке;

Ск - конструктивная сложность; Кр,Км,Кзаг,Кт - безразмерные коэффициенты, учитывающие соответственно размеры детали, материал, объем снимаемого припуска и технологичность конструкции; Кстр. - структурный коэффициент, учитывающий форму КЭ и форму детали, расположите КЭ относительно базовых поверхностей и жесткость КЭ. Показано, что коэффициенты Ск, Кзаг, Км применяются аналогично тому, как это сделано для тел вращения. Учитывая большое разнообразие конструктивных элементов, размерный коэффициент Кр предложено относить только ко всей корпусной детали, как характеризующий неудобства, связанные с установкой детали на станке. Размеры и конструктивные характеристики отдельных КЭ учитываются при определении коэффициента технологичности Кт.

В соответствии с разработанными ранее зависимостями, Кт = Кт * Кт ', (2)

где Кт - коэффициент технологичности, Кт ' - коэффициент влияния точностных требований к конструкции детали.

Одним из базовых положений теории сложности является определение коэффициента технологичности конструкции, как средневзвешенного для данной детали отношения сложности входящих в него элементов к сложности базового КЭ. При этом величина Кт' определяется по формуле гл 1

г = —;— , (з)

где величина Д называется весовым коэффициентом сложности данного КЭ и вычисляется как отношение трудоемкости изготовления 1 - го КЭ к трудоемкости известного базового конструктивного элемента, т.е.

г

_ _!_

Т

Qt

где Tj - трудоемкость обработки рассматриваемого КЭ;

Toi - трудоемкость обработки некоторого базового элемента.

Выполненные ранее исследования не позволяли объективно количественн оценить значения весовых коэффициентов. Соответствующие значения вычислялис по таблицам, разработанным эмпирически, или на интуитивном уровне. В лучше случае, как это сделано в работах ИжГТУ, для сравнительной оценки влияния форм] КЭ на трудоемкость применены методы экспертного оценивания. При этом не став! лась задача изучения влияния на трудоемкость обработки отдельных размерных хг рактсристик КЭ, например, глубины, периметра и внутреннего радиуса контура.

Корпусные детали, как правило, имеют трехмерную объемную форму, и и чертеж представляет собой комплект проекций (видов), на которых представлен) конструктивные размеры, увязывающие расположение и конфигурацию более мелки элементов. На рис. 1 показана структурная схема последовательности расчленени чертежа детали на КЭ.

чертеж детали

сторон» №!

fr-яп А>

сторона №2

сторона №3

сторона № п

3SH2

.обработки

ырмлн паз уйуп окно стенка основное вспомогат

отв. ...ОТ.

простои fflpfflfr

X

Рис. I. Структурная схема конструктивных элементов детали типа "корпус" Наиболее распространенным КЭ корпусной детали является карман. Карман это комплексный элемент корпусной детали, который представляет из себя закрытук область обработки и предполагает в качестве основного метода обработки обработку концевой фрезой. Исследования технологических закономерностей проводилиа

р

именно для Этого, наиболее общего КЭ. Частным случаем кармана можно считать такие элементы, как «окно», «уступ», «паз» . На рис.2 показаны примеры КЭ.

бобьппка

г

г)

б)

Рис.2. Конструктивные элементы корпусной детали:

а-карман; б-паз; в-окно; г-уступ.

Бобьппка - выступающий конструктивный элемент второго порядка, расположенный на дне кармана.

На основании выполненных исследований (глава 2) и личного опыта автора, накопленного за время работы по проектированию технологических процессов и управляющих программ для станков с ЧПУ и МС, сформулированы основные условия, определяющие специфику обработки типовых конструктивных элементов - карманов. Эти условия названы «соглашениями».

1. Принимается соглашение о том, что в общем случае обработка конструктивных элементов типа «карман» ведется несколькими инструментами. Комплект инструментов представляет из себя набор концевых фрез, параметры которых зависят от конструктивных характеристик кармана.

2. Соглашение о том, что черновая обработка кармана ведется «послойно». Толщина каждого слоя выбирается в зависимости от диаметра черновой фрезы, а затем корректируется в зависимости от расположения внутренних элементов кармана, если карман имеет ступенчатую конструкцию.

я. Соглашение о том, что внутри каждого слоя расчет трудоемкости черновой обработки можно вести по принципу «равной производительности». Абсолютное зна-

чение производительности зависит от конструктивных параметров фрезы и материал; фрезы и обрабатываемой детали. Это значение определяется статистическими мето дами для каждого конкретного производства. В то же время показано, что производи тельность фрезерования нельзя принимать формально как произведение Бмин* Офр т.к. расстояние между проходами фрезы должно приниматься несколько меньшим Чем диаметр фрезы во избежание образования необработанных участков в местах из менения траектории фрезы.

4. Трудоемкость обработки карманов одинакового объема, но разной глубины различна. Поэтому делается соглашение о том, что сложность кармана зависит от па раметров жесткости применяемой чистовой фрезы, т.е. отношения Эфр. к глуби» кармана. При этом принимается, что обработка чистовой фрезой ведется сразу в всю высоту стенки кармана, а в местах сопряжения ступеней кармана чистовой рабо чий ход делается повторно.

з. Одним из наиболее сложных является вопрос о влиянии на трудоемкость об работки степени заполнения кармана конструктивными элементами низшего поряди (бобышками, уступами, выборками и т.д.). Принимается соглашение, что общая тру доемкость изготовления кармана является суммой трудоемкостей обработки слоев образуемых: внутренним и^лемешами-кармана. При этом для всех слоев комплект ин струмента остается неизменным. Получен алгоритм, определяющий зависимость тру доемкости обработки каждого слоя от соотношения площади внутреннего контура I суммарного периметра всех обрабатываемых поверхностей.

Эти соглашения могут быть рекомендованы для различных производств, гд( механическая обработка ведется на станках с ЧПУ. В то же время они составляют ба зу для формирования первоначальной математической модели определения трудоем кости фрезерования кармана, на основании которой создаются множественные вы бор ¡си. Полученные выборки затем обрабатываются статистическими методами да формирования весовых технологических коэффициентов, используемых в теорш сложности.

Проведенные исследования не охватывают следующие факторы, влияющие нз трудоемкость обработки кармана:

■ исследования проведены применительно к конструкционной стали с СГвр =750 МПа. Относительные коэффициенты обрабатываемости для других конст-зукционных материалов считаются известными;

■ не учитываются техническое состояние (качество заточки, величина допустимого износа и др.) и особенности конструкции применяемых инструментов. Эти факторы зависят от уровня организации инструментальной службы и культуры производства на каждом рабочем месте. Влияние их может быть оценено в ходе адапта-щи предлагаемой системы к конкретным производственным условиям;

о исследования проведены для случаев, когда обработка кармана производится ! сплошном материале. Сверление отверстий для захода фрезы в состав трудоемкости ге включается. В случае применения прогрессивных заготовок (отливки, штамповки [ пр.) предполагается применение дополнительных коэффициентов.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования позволили 1азработать алгоритм принятия технологических решений, представленный на рис.3.

В результате теоретических исследований предложена математическая модель пределения сложности обработки конструктивных элементов корпусных деталей, Модель имеет вид:

Т=О.ОО343*Р*11(0Лё)*Кгл + 0.007(Р-г2Ы*11)*Кгл.т7) мин, (5)

где Р(мм2)- площадь кармана;

II (мм)- расчетный внутренний радиус, вычисляемый из условий (Ь- «ши-ина коридора» - наименьшее расстояние между любыми двумя точками контура):

Если 2Яшт < Ь, то 11=1>чист./2 =Игтп.

Если2Ятт >Ъ> 11тт, то 11= Ь/2 .

Если Ь < Япип , то Я=1>шст./2 = Клип, но необходимо рас-

иатривать указанную зону «коридора» отдельно (например, как КЭ «паз») и соответ-гвешю ее пронормировать;

Р (мм) - периметр контура кармана;

N - число элементарных поверхностей, составляющих контур кармана;

Кгл. = — ■ коэффициент, учитывающий глубину кармана.

Рис.3. Алгоритм принятия технологических решений

^КОНЕЦ )

Рис.3, Продолжение Все данные для расчета берутся га чертежа детали. Как уже было сказано ра-ее, весовой коэффициент технологичности для каждого КЭ корпусной детали опре-гляется соотношением (4).

Возвращаясь к вопросу о совместимости применения теории сложности для зрпусных деталей и для «тел вращения», отметим, что для тел вращения в качестве нового элемента принята сложность ступенчатого вала, изготовленного из углеро-

диетой стали, контур которого имеет 50 элементов и габаритные размерь Ьо = 1000 мм и Бо = 200 мм. При этом объем снимаемого припуска составляет 30%, точность изготовления находится в пределах 8 квалитета. Известно, что при обследо вании девяти крупных предприятий Свердловской области для такой детали получи обобщенный норматив, соответствующий 139 мин.

В формуле (5) величины выражены в минутах. В то же время, пршшма 1ЕС = 139 мин, получим значение Тбаз = 2.8 мин. Тогда можно получить соответст вуюпцш весовой коэффициент в единицах сложности:

Д « 1.2* 10"3 [ Р*^-0 78)*Кгл. + (2Р + 2Ж ) Кгл ФЬ ] ЕС . (6)

В третьей главе приведены результаты экспериментов, подтверждающих най денные закономерности, и показана реализация разработанного алгоритма определе ния прогнозируемой трудоемкости автоматизированного изготовления корпусных де талей.

Исследования производились в лаборатории станков с ЧПУ кафедры Э1\ УГТУ-УПИ. Для экспериментов был использован фрезерный станок с ЧПУ мо; КФГ1Э-250Н2-1. Моделирование обработки осуществлялось в САП АОЕМ, обработ ка результатов производилась с помощью пакета БТАТОКАРН.

Выявление зависимостей производилось методами регрессионного анализа п опытным данным, полученным в результате моделирования фрезерной обрабопа Программа обработки данных с помощью методов регрессионного анализ БТАТОЯАРП позволяет автоматически вычислять зависимости между параметрам! оценивать точность и адекватность полученной зависимости, выявлять факторы, наибольшей степеки влияющие на отклик.

На первом этапе производилось исследование влияния выбранных в главе параметров конструкции на трудоемкость для условий одноинструмеигальной обрг ботки. Результаты компьютерного расчета подтверждены экспериментально фрезере ванием типовых деталей на станке. Определено, что на трудоемкость черновой обрг ботки доминирующее влияние оказывает площадь Р кармана, а на трудоемкость чж товой обработки - периметр Р.

Получена модель:

Т = 2.6881054 + 0.144931*Р + 0.389548*Р . (7)

Модель дает достаточно высокую точность расчетов. Значение R = 0.9646. ледователыю, модель адекватна.

С достаточной достоверностью можно сказать, что эта зависимость имеет ли-ейный характер.

Далее рассматривалась обработка набором инструментов (чернового и чисто-эго), выбор которых производился на основании приведенного выше алгоритма ринятия решения. Характерной особенностью процесса много инструментальной об-юотки кармана является то, что трудоемкость в этом случае складывается из трех 1стей: черновой обработки фрезой большего диаметра, обхода контура кармана чис-)вой фрезой и дополнительной трудоемкости, связанной с выборкой дополнительно» припуска, образовавшегося в углах кармана после черновой обработки. Сравнение :зультатов, полученных экспериментальным путем с результатами, полученными ггем расчета по математической модели, дает хорошую сходимость результатов и >дтверждает адекватность модели.

Представленное в работе программное обеспечение базируется на стандартном шплекте Excel 97.

При запуске программы Excel в распоряжение пользователя предлагается рабо-:я книга, состоящая из рабочих листов. Для решаемой задачи использованы 9 рабо-гх листов.

1 лист - титульный лист;

2 лист - анкета общих данных о конструкции детали (Адет);

3 лист - анкета данных о параметрах конструктивного элемента (Аэлем);

4 лист - таблица коэффициентов материала Км.;

5 лист - таблица коэффициентов весовой точности Квт и коэффициентов заго-вки Кзаг;

6 лист - таблица размерных коэффициентов Кр;

7 лист - таблица технологических коэффициентов точности обработки Кт";

8 лист - таблица технологических коэффициентов сложности обработки и весо-[х коэффициентов конструктивных элементов Кт\

9 лист - накопленная база данных производственного участка о трудоемкости и ожности деталей (БАЗА).

На рис.4 представлена структура алгоритма программною обеспечения САН.

Заголовок программы

анкета общих данных о детали

расчет размерного коэффициента Кр

расчет коэффициента материала Км

расчет коэффициента зпготовкн Кзяг

расчет коэффициента технологической точности Кт'

2.

определение состава КЭ

X

БД Кр

БД Км

БДКзаг.

БД Кт'

Анкета данных о конструктивных параметрах КЭ

(вводдаш1Ы^-Е,РтН5КД,мим,<351г)—

определение сложности базового КЭ детали:

СЕ=0,02КрКмКзКт"

определение сложности: С - Сп*Кт'_

Рис. 4. Алгоритм расчета сложности корпусной детали

Принятая организация решения задачи позволяет провести нормирование как дельно для конструктивных элементов, так и для корпуса в целом, но для этого не-ходимо расширение исследований в области обработки основных и вспомогатель-к отверстий и базовых плоскостей корпусной детали. При этом для доработки под-стемы САПР достаточно будет вставить лист, содержащий анкету конструктивных раметров обрабатываемых основных и вспомогательных отверстий, расположен-[X на гранях корпусной детали. Аналогичным образом можно учесть структурный эффициенг Кстр.

В четвертой главе приведены результаты внедрения предложенной методики в омышленносгь. Для проверки модели и внедрения результатов исследования были эизведены выборки из Генеральной совокупности трудоемкостей деталей, обраба-ваемых на станках с ЧПУ. Всего было выбрано 3 объекта исследовайия (участка шков с ЧПУ). Для проведения анализа была разработана специальная анкета.

Для отработки модели в производственных условиях выбран участок станков с ГУ механического цеха Государственного предприятия Уральский электромехани-;кий завод. Участок специализируется на изготовлении изделий приборостроения. >сновном - это обработка сложных алюминиевых корпусных деталей из литых заявок Для анализа выбрана номенклатура деталей, выполняемых на станках с ЧПУ гзерной группы мод. 6520ФЗ.

Результаты анализа позволили определить коэффициенты уравнения регрессии остроить график зависимости Т=^с) для условий участка №1. Исходя из получен-х результатов рекомендуемая для данного производства зависимость выглядит :дующим образом:

Т = 0.671+ 1.195 С мин, (8)

С - рассчитанное по математической модели значение сложности обработки клруктивных элементов корпусных деталей.

Аналогичные результаты получены для двух других производственных участ-где производится обработка корпусных деталей на станках с ЧПУ.

Разработанная в ходе исследовагам подсистема автоматизированной) нормиро-ия САН «Корпус» внедрена в производство на Государственном предприятии

Уральский электромеханический завод» и на Совместном Российско-Британск предприятии «Делкам - Урал», г. Екатеринбург.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Расчетный метод нормирования и определения трудоемкости механическ обработки не всегда удовлетворяет потребности машиностроительных предприят в силу того, что норма времени может быть рассчитана лишь на стадии технологи1 ской подготовки производства, включая проектирование технологических операций

2. Использование метода оценки сложности позволяет получить норму вре\ ни на стадии конструирования деталей машин, однако до настоящего времени теор сложности использовалась только применительно к телам вращения.

3. Автором развита теория сложности применительно к области механическ обработки корпусных деталей машин.

4. Предложена математическая модель определения сложности наиболее хара тертого типового элемента - кармана, разработана методика определения сложност* зависимости от параметров кармана и стратегии обработки.

5. Показано, что целесообразно положить в основу расчетов базовый карман формировать сложность при помощи системы весовых коэффициентов, учигыва! щих размеры кармана, объем снимаемого припуска, точность, конструкцию кармана технологические факторы обработки.

6. Автором впервые разработана система весовых коэффициентов и метода их определения для условий фрезерования карманов концевыми фрезами на станках ЧПУ.

7. Разработана автоматизированная система определения сложности кармана

8. Показано значение результатов исследований для формирования АСУ но; мирования как подсистемы АСУП.

9. Промышленное внедрение подсистемы проведено на Государственно предприятии «Уральский электромеханический завод» , ожидаемый экономически эффект от внедрения подсистемы оценивается в 25 тыс. руб. в год в ценах 1998 года.

10. Методика определения трудоемкости изготовления КЭ типа «карман» разработанная САН использованы для определения прогнозируемой трудоемкое!

черновой обрзботки формообразующих элементов штампов о&ьемной штамповки и литьевых форм фирмой СП «Делкам-Урал» с ожидаемым экономическим эффектом 8 тыс. руб. в год й ценах 1998 года.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В РАБОТАХ:

1. Кугаевский С.С. Требования к технологичности корпусных деталей, обрабатываемых на фрезерных и многоцелевых станках с ЧПУ: Методические указания. Екатеринбург: Изд-во УГТУ - УПИ, 1995. 17 с.

2. Кугаевский С.С., Малец С.А., Чечнев В.Г. Нарезание резьбы гребенчатыми фрезами на многоцелевых станках // Прогрессивная технология .1984. N6. С. 27-29.

3. Кугаевский С.С., Малин B.JI. Оптимизация режимов резания при контурной многоинструментальной обработке на фрезерных станках с ЧПУ // Ресурсосберегакн щие технологии в машиностроении: Сборник научных трудов. Екатеринбург.: Изд-во УГТУ, 1997. С. 94-98.

4. Колчин И.В. Кугаевский С.С. Расчет расстояния между соседними проходами концевой фрезы при изготовлении конструктивных элементов типа «карман» и «плоскость» // Ресурсосберегающие технологии в машиностроении: Сб. научи, трудов. Екатеринбург УГТУ, 1997. С.99-104.

5. Кугаевский С.С., Шарин Ю.С. Определение весовых коэффициентов теории сложности применительно к конструктивным элементам типа "карман" для оценки трудоемкости корпусных деталей // Автоматизированные технологические и меха--гронные системы в машиностроении: Сб. научн. трудов / Под. ред. д.т.н. Зориктуе-ва В.Ц. Уфа : Изд-во УГАТУ, 1997. Часть 2. С.11-13.

6. Шарик Ю.С., Кугаевский С.С., Поморцева Т.Ю. АСУ нормирования в машиностроении на основе теории сложности // Автоматизированные технологические и мехатроииые системы в машиностроении: Сб. научн. трудов / Под. ред. д.т.н. Зо-риктуева В.Ц. Уфа : Изд-во УГАТУ, 1997. Часть 2. С.8-Л0.

Подписано в печать 02.11.98 Формат 60X84 1/16 Бумага писчая Офсетиая печать Усл.п.л. 1,16 Уч.- изд-л. 1,06 Тираж 100 Заказ 265 Бесплатно

Издательство УГТУ 620002, Екатеринбург, Мира, 19

и

Уральский Государствешшй Технический Университет

На правах рукописи

Кугаевский Сергей Семенович

РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ САПР ДЛЯ ОЦЕНКИ ОБЪЕМА МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ СЛОЖНОСТИ .

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

ДИССЕРТАДИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических паук

Научный руководитель: доктор технических, наук Заслуженный машиностроитель РФ профессор Шарин Ю.С.

Екатеринбург 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ..........................................5

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

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ НОРМИРОВАНИЯ ТРУДОЕМКОСТИ ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ..............13

1.1. Подсистема прогнозирования трудоемкости изготовления деталей и ее место в интегрированной автоматизированной системе управления пред приятия. ...................................................................................... 13

1.2. Обзор исследований в области нормирования трудоемкости обработки корпусных деталей в машиностроении................................................ 17

1.2.1. Метод непосредственного наблюдения.........................................18

].2.2. Метод аналогий..............................................................................19

1.2.3. Расчетный метод.............................................................................22

1.2.4. Метод оценки сложности...............................................................23

1.2.5. Сравнение методов нормирования................................................24

1.2.6. Применение метода оценки сложности.........................................30

,1.3. Технологические особенное! и обработки корпусных деталей......34

1.3.1. Корпусные детали в машиностроении ........................................34

1.3.2. Классификация конструктивных элементов (КЭ)..........................36

1.3.3. Особенности обработки корпусов на станках с ЧПУ...................38

1.3.4. Особенности технологического оснащения..................................40

1.3.5. Карман - базовый конструктивный элемен т для нормирования обработки корпусной детали............................................................................41

1.3.6. Технологические особеш^ ти обработки карманов....................42

1.3.7. Черновая обработка......................................................................43

1.3.8. Чистовая обработка.........................................................................46

1.4. Цели и задачи исследования............................................................56

ГЛАВА II. РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ НОРМИРОВАНИЯ

КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ НА БАЗЕ ТЕОРИИ СЛОЖНОСТИ.....................58

2.1. Разработка метода оценки сложности для элемента корпусной детали типа "карман"........................................................................................58

2.2. Разработка методики определения весовых коэффициентов при оценке сложности...........................................................................................77

2/2,1. Взаимодействие элементов технологической системы...........:....77

2.2.2. Формирование последовательности работ при проектировании программной операции, исходя из выявленных задач....................................82

2.2.3. Анализ чертежа кармана................................................................87

2.2.4

2.2.5

2.2.6

2.2.7

2.2.8 2.2.9

Определение зон обработки...........................................................88

Определение параметров чернового инструмента.......................89

Распределение на слои по глубине................................................91

Выбор стратегии черновой обработки..........................................93

Расчет расстояния между проходами черновой фрезы................95

Определение режимов резания для черновой обработки...........98

2.2. Ю. Определение количества зубьев концевой фрезы....................101

2.2.11. Определение скорости резания................................................i 03

2.2.12. Определение производительности черновой обработки..........1.04

2.2.13. Определение трудоемкости черновой обработки.....................105

2.2.14. Чистовая обработка кармана......................................................105

2.2.15. Стратегия чистовой обработки..................................................106

2.2.16. Расчет скорости резания для условий чистовой обработки контура кармана...................................................................................................107

2.2.17. Определение подачи на зуб для условий чистовой обработки......................................................................................................................108

2.2. ! 8. Расчет трудоемкости чистовой обработки................................114

2.2.19. Расчет трудоемкости обработки участков с неравномерным

припуском........................................ ...............................................................115

2.3. Определение ограничений и вывод итоговой математической модели расчета весовых коэффициентов..........................................................116

2.4. Выводы...........................................................................................121

ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ

ПОЛОЖЕНИЙ.................................................................................................123

3.1. Исследование о л поим стру мен тал i » и о й обработки.........................125

3.2. Исследование зависимости трудоемкости обработки от величины радиуса в углу кармана....................................................................................132

3.2.1. Исследование черновой стадии обработки................................132

3.2.2. Исследование чистовой обработки..............................................136

3.2.3. Исследование трудоемкости этапа доработки углов кармана... 140

3.2.4. Суммарная трудоемкость.............................................................141

3.3. Исследование зависимости T=C(.F) для многоинструментальной обработки.........................................................................................................146

3.4. Комплексная оценка сложности кармана......................................149

3.5. Сопоставление результатов компьютерного эксперимента и реальной обработки на станке с ЧИУ.......................................................................150

3.6. Программное обеспечение для функционирования подсистемы нормирования трудоемкости обработки корпусных деталей.......................151

3.7. Вызод-л.............................................................................................158

ГЛАВА IV. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ..........................................................159

4.1. Применение полученной математической модели для условий Участка № 1......................................................................................................163

4.2. Применение полученной математической модели для условий Участка №2......................................................................................................165

4.3. Применение полученной математической модели для условий Участка №3......................................................................................................168

4.4. Выводы по главе 4...........................................................................170

ВЫВОДЫ................................................................................................171

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................172

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...............................174

ПРИЛОЖЕНИЯ

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

ИАСУ- интегрированная автоматизированная система управления

КЭ - коне труктивный элемент

ФСА - функционально-стоимостной анализ

УП - управляющая программа

Сокращенные обозначения конструктивных параметров КЭ:

н Б (площадь) - площадь фигуры, ограниченной внешним контуром кармана за вычетом площади локальных необрабатываемых участков (островков, окон, внутренних карманов);

в Р (периметр ) - длина в плане всех наружных и внутренних грани.' кармана;

и Н (глубина) - максимальный размер от верхней плоскости кармана до дна;

я В (ширина коридора) - минимальный линейный размер между выступающими элементами контура кармана или контура островов относящихся к карману;

■ Кгат (радиус в углу кармана) - минимальный внутренний радиус контура кармана или острова, относящегося к карману;

■ N - количество элементарных поверхностей, составляющих карман;

н^БТК - количество замкнутых необрабатываемых участков,

находящихся внутри кармана;

■ Н1 (глубина залегания кармана) - максимальный размер по высоте от верхней точки корпуса до дна кармана.

ВВЕДЕНИЕ

Современное производство характеризуется повышенными требе-пани л ми к конкурентоспособности продукции, что приводит к необходимости чо то изменять форму и состав изделий. В результате все большее распространение получает мелкосерийный характер производства, все выше требования к гибкости оборудования и все более жесткими становятся сроки подготовки производства.

На первое место выходит проблема обеспечения рентабельности производства, оперативного анализа затрат на освоение и изготовление продукции, причем жесткие сроки не позволяют воспользоваться для определения себестоимости детали технологическим процессом ее изготовления - его просто нет! В особенности эта проблема важна для небольших предприятий, у которых от правильной оценки будущих затрат при запуске нового из/.о-лия могут зависеть результаты финансовой дея тельности всего предприятия. Все это дало мощный толчок к р<1звитию различных САПР конструкторского и технологического назначения, появлению интегрированных CAD/CAM систем ,широкому применению АСУП и АСТШ1.

САПР конструирования изделий, которые на Западе принято называть CAD ( Computer Aided Design ), выполняют объемное и плоское геометрическое моделирование, инженерный анализ, оценку проектных решений, получение чертежей. При этом исследовательский этап САПР иногда выделяется в самостоятельную автоматизированную систему научных исследований ( АСНИ ) или, используя западную терминологию, инжиниринга - CAE ( Computer Aided Ingineering ). САПР технологии изготовления, которые в России принято называть Автоматизированной системой технологической подготовки производства (АСТПП), а на Западе - САРР ( Computer

с,

Automated Process Planning), выполняют разработку технологических процессов, технологической оснастки, управляющих программ (УГ1) для станков с ЧПУ. Задачей САПР технологических процессов (САПР ТП) является разработка технологической документации (маршрутной или операционной). Более конкретное описание обработки для оборудования с ЧПУ в виде кадров УП является задачей Системы автоматизированного управления производственным оборудованием (АСУПР), которую на Западе принято называть САМ (Computer Aided Manufacturing).

Помимо этих видов САПР различают Систему производственного планирования и управления PPS ( Productionsplaungs System ), что соответствует отечественному термину АСУП, и Систему управления качеством CAQ ( Computer Aided Quality Control).

Эффективность современного производства достигается за счет интеграции перечисленных САПР. Примером такой интеграции САПР является объединение .САПР конструирования изделий с оргализационно-технической системой АСУП в единый комплекс, называемый также CAD/PPS. В настоящее время основной тенденцией в достижении высокой конкурентоспособности западных предприятий является переход от отдельных замкнутых САПР и их частичного объединения к полной интеграции технической и организационной сфер производства. Такая интеграция связывается с внедрением компьютерно-интегрированного производства (КИП), или по-английски CIM (Computer Integrated Manufacturing). Практический опыт создания и эксплуатации CIM показывает, что стратегическая концепция создания CJVÍ должна охватывать процессы проектирования, изготовления и сбыта продукции. Проектирование должно начинаться с изучения конъюнктуры рынка и оканчиваться вопросами поста;;ки продукции потребителю.

Основой для создания компьютерно-интегрированного производства является наличие единой нормативной базы. Вопрос состоит в том, какой показатель для выражения объема продукции можно использовать для предварительной оценки экономической целесообразности запуска изделия в производство.

В машиностроении используются три группы показателе?'?.

Первая рруг.ла - натуральные показатели ( штуки, тонны, метры и др.). Их можно использовать лишь в некоторых частных случаях.

Вторая группа показателей - стоимостные, объем продукции - в рубля;-. На перзг ш взгляд, стоимостная оценка обладает требуемой у ни вер сальностью: корпусная деталь, ступсл :атый вал, гайка и др. имеют одну и туже единицу измерения - рубль. Но на самом деле и для этого показателя характерны соответствующие недостатки. В основе стоимостной оценки лежит определение себестоимости продукции ( материальные затраты; затраты на оплату труда; отчисления на социальные нужды; амортизация ос-ноеных фондов и др.). Себестоимость продукции принадлежит к числу важнейших интегрированных показателей работы предприятия , но как показатель объема механообработки на уровне участков и цехов она имеет небольшую цену. Например, отдельные участки или цехи могут иметь более вы окие показатели только потому, что имеют дело с обработкой более дорогих материалов, в составе продукции велика доля покупных изделий, имеют более высокие накладные расходы и т.д. Использование стоимостных показателей вызывает неопределенность конечных результатов в связи с многовариантностью исходных данных. Различают плановую и фактическую себестоимость; цеховую, заводскую и полную себестоимость ( последняя включает в себя внепроизводственные расходы: по реализации продукции, по подготовке кадров и др.) ; различают производительность труда, рассчитанную по затратам живого или совокупного ( живого и обществен-

ного) труда; по товарной, валовой, нормативной и нормативно - чистой продукции и т.д. Следует также отметить, что непрерывно меняются цены на материалы и полуфабрикаты. Объем продукции, рассчитанный с использованием стоимостных оценок, является инертным показателем. Себестоимость продукции рассчитывается для изделия в целом или для сборочных единиц. Она не рассчитывается для деталей и, тем более, для отдельных операций. Фактическая себестоимость определяется на завершающих этапах изготовления изделия, в конце года, является отчетным показателем. Таким образом, стоимостные показатели также не годятся.

Третья группа показателей использует в качестве оценки затрат па производство продукции нормочасы. Этот показатель применяется на отдельных рабочих местах, в бригадах, га участках при выпуске разнородш й незавершен! ой продукции, которую нельзя измерить ни в натуральном, ни п стоимостного выражении. Источником информации для определения нормо-часов является либо т.н. "фотография рабочего времени" , либо норматив рабочего времени, соответствующий определенной операции или переходу, заложенный в заранее разработанный технологический процесс. Являясь по сути наиболее точной оценкой трудоемкости на данном рабочем месте, этот показатель , в то же время требует значитель ных затрат времени и средств в условиях прогнозирования эффективности запускаемой вновь продукции. Если рассматривать норму выработки, как Нв = П / Т ,где П - величин; произведенной продукции, а Т - время на ее производство, то при выражении объема продукции в нормочасах в числителе и знаменателе формулы фигурирует время. Таким образом, фиксируется сам факт затрат времени б 1е зависимости от результатов трудовой деятельности. По определению норма выработки - это величина продукции, произведенной за единицу времени. Если величину продукции выражать в нормочасах, то получается, что норма

выработки - это количество нормочасов за один час. Такое определение лишено здравого смысла.

Как уже было сказано ранее, информационная база длл современного интегрированиого производства должна обладать большой гибкостью на этапе принятия решения о запуске продукции и назначении цены, и ,в то же время, обладать достаточной достоверностью для заданных производственных условий. Поэтому все три перечисленные показателя имеют ограни-

(

ченное применение и не могут явиться основой для создания объединенной нормативной базы.

В УГТУ-УГШ разработана теория сложности и показателе -"сложность", измеряемый в Единицах сложности (ЕС). Этот норматив не имеет недостатков ранее перечисленных показателен и может явиться основой для создания единой нормативной базы для технологических, экономических и организационных расчетов. На основе теории сложности разработан новый метод нормирования, названный методом оценки сложности. В работе [105] показано его преимущество перед традиционными методами но[ ми[ ования в машиностроении.

Р настоящей работе метод оценки сложности использован для разработки подсистемы нормирования, функционирующего в рамках САПР ТП. Может быть поставлена задача разработки АСУ нормирования (АСУН) ,как подсистемы КИП.

Теория сложности разработана для деталей типа " тела вращения", однако, заложенные в ней принципы , закономерности, модели и нормативный материал могут быть использованы для других процессов и видов работ в машиностроении: обработка корпусных деталей, производство сварочных работ, операций шлифования и т.д. Наибольший интерес представляет развитие теории сложности для корпусных деталей. В работе [15] приведена гсласспфикация групп сложности деталей, в которой корпуса отнесе-

ю

гы к наиболее сложным и трудоемким классам. Обработка корпусной детс-ул, как правило, включает в себя практически все виды работ, связанных со снятием стружки. Это и фрезерование, и сверление , и растачивание, и нарс зание резьбы и т.д. С одной стороны, здесь могут быть использованы основные теоретические постулаты теории сложности. С другой стороны , техно логические процессы, оборудование и инструмент, применяемые при обра ботке корпусов, настолько разнообразны, что требую�