Формализация структурного синтеза процессов обработки резанием

Темпы научно-технического прогресса в машиностроении и приборостроении, повышение качества и сокращение сроков разработки и освоения производства новых изделий, обеспечение высокой точности и стабильности их изготовления, находятся в прямой зависимости от уровня технической подготовки производства, совершенства системы технологического проектирования.

Технологическое проектирование является основным звеном технической подготовки производства и составляет 30−60% ее общей трудоемкости. Меньшее значение соответствует условиям мелкосерийного производства, большее — массового. Как показывает практика, трудоемкость технологического проектирования обычно в 2−3 раза превышает трудоемкость конструирования.

В соответствии с экономическими принципами обработка детали должна исполнятся с наименьшими затратами труда, минимальной себестоимостью, при условии изготовления изделий в количествах и в сроки, установленные производственной программой. Таким образом, надежное обеспечение заданных параметров точности изделия, качества поверхностей и уровня экономических показателей производства являются в совокупности основной комплексной задачей проектирования технологических процессов. 6.

Технико-экономические принципы проектирования технологических процессов служат методической основой его оптимизации. Они позволяют разрабатывать и принимать к исполнению наиболее рациональные из группы рассматриваемых вариантов технологических процессов. Многовариантность решений является характерным и, в то же время, вынужденным признаком большинства технологических задач. Она предопределяется широкими возможностями и разнообразием методов, приемов и средств изготовления одного и того же изделия. Например, оптимизационными являются задачи по выбору системы базирования и назначению баз, по выбору видов обработки поверхностей и структур операций, по выбору вида и метода размерной наладки и др.

В традиционном, неавтоматизированном проектировании задачи поиска оптимального решения в явном виде не ставились. Число детально анализируемых вариантов невелико, оценка вариантов и отбор рационального производится на основе интуиции и опыта проектанта и лишь в отдельных случаях — сравнением наиболее простых количественных критериев экономического характера.

Технологический процесс является продуктом деятельности трех категорий работников: тех, кто создает описание технологического процесса (иначе говоря, проект технологического процесса), тех, кто готовит и обеспечивает производство и тех, кто реализует проект — непосредственно участвует в изготовлении деталей. В зависимости от условий производства, меняется распределение объема работ по созданию технологических процессов. Это, в конечном итоге, отражается на информационной полноте описания процесса обработки, на уровне его оснащенности, на требуемой квалификации исполнителей и пр. Чем больше информационная полнота описания технологического процесса, обоснованность и аргументация принятых решений, тем более надежным и эффективным является 7 процесс, проще его реализация. Поэтому особое значение приобретает первый этап создания процесса обработки — подготовка его описания.

Развитие и широкое распространение вычислительной техники создали благоприятные условия для автоматизации технической подготовки производства, в том числе, для автоматизации проектирования процессов обработки. Открылись широкие возможности для направленного поиска эффективных технологических решений в области структурного и параметрического проектирования.

Теория технологии машиностроения, особенно ее часть, связанная с проектированием технологических процессов, является наукой с хорошо развитой содержательной частыми недостаточным формальным представлением этой содержательной части. Автоматизация проектирования процессов обработки потребовала пересмотра методов решения многих задач проектирования, разработки способов их формализации, количественного описания и выбора критериев оптимальности. Являясь хорошим стимулом для разработки формальных методов поиска технологических решений, автоматизация проектирования во многом способствует применяю этих методов и в неавтоматизированном проектировании.

Недостаточность формального представления теоретических положений технологии машиностроения ясно обозначилась в семидесятые-восьмидесятые годы в ходе создания систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП). Преимущественное развитие получили системы, где проектирование осуществлялось на основе унифицированных (типовых или групповых) технологических процессов или их фрагментов. Методы проектирования были построены на стратегиях поиска именно таких процессов или их фрагментов и соответствующей их доработки. Информация, хранящаяся в «электронных архивах», лишенная общих законов построения и представленная в различной форме, должна была подвергаться частичной настройке (адаптации) при пере8 ходе от одной производственной ситуации к другой. Попытки создать системы проектирования, инвариантные в отношении классов деталей, технологических комплексов и производственных условий практически не достигали успеха.

В настоящее время научная и методологическая база таких научно-технических дисциплин, как системотехника, системный анализ и системный подход, основы теории проектирования САПР и др., позволила создать общую теорию проектирования сложных технических объектов. Эта теория, получающая все более широкое распространение в связи с развитием вычислительной техники и стремлении использовать ее при решении проектных задач, позволяет, при наличии математического и информационного обеспечения в конкретной области знаний, создать в этой области теорию, базирующуюся на формализации и алгоритмизации решения проектных задач.

В технологии машиностроения, в области проектирования процессов обработки, перспективным представляется создание такой теории проектирования, которая построена на прочном фундаменте предметной области, базируется на законы и эмпирический опыт. Теории, развивающейся на основе надежной стратегии проектирования и представленной в математическом виде, на основе общесистемных положений и законов создания сложных технических систем.

В научных технологических школах, в учебных, в научно-исследовательских отраслевых и академических институтах, на заводах велись работы по проектированию и внедрением САПР ТП.

Автоматизация технологического проектирования ознаменовала, по существу, начало нового этапа в решении проектных задач разработки технологических процессов, явилась в то же самое время значительным стимулом в развитии самой технологии машиностроения как науки, в определении и решении ее актуальных задач. 9.

Представленная работа посвящена проблемам развития теории технологического проектирования. В ней приведены результаты исследований по формализации структурного синтеза процессов механической обработки. Основу разработанной теории составляет информационно-логический принцип проектирования. Согласно этому принципу, декомпозиция процесса проектирования и последовательность решения технологических задач осуществляются таким образом, чтобы увеличивающийся в процессе проектирования информационный поток обеспечил условия для решения каждой очередной задачи. В работе приведены модели и алгоритмы решения задач структурного проектирования процессов обработки резанием.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНЕСЕННЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Теория структурного синтеза единичных технологических процессов обработки резанием, построенная на основе декомпозиции процесса проектирования на логически завершенные функциональные технологические блоки, информационно связанные между собой и обеспечивающие систематическое увеличение общего информационного поля процесса проектирования.

2. Структурные модели геометрического и технологического образа детали — теоретическая основа формализации и алгоритмизации проектирования системы базирования и последовательности обработки поверхностей.

3. Методика, модели и алгоритмы проектирования объема обработки.

4. Методика, модели и алгоритмы распределения объема обработки детали по структурным элементам технологического процесса.

5. Методиа, модели и алгоритмы проектирования последовательности обработки поверхностей детали.

6. Методика и алгоритмы формализованного проектирования состава операций.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. В результате проведенных исследований разработаны концептуальные положения теории формального структурного синтеза технологических процессов обработки резанием, позволившие предложить новую методологию процесса проектирования.

2. Подтверждена гипотеза о возможности проектирования структуры единичных технологических процессов без использования прототипов и аналогов, ориентируясь только на положения фундаментальной теории технологии машиностроения и ее информационное обеспечение. Это является предпосылками создания систем автоматизированного проектирования инвариантных в отношении обрабатываемых деталей и условий производства.

3. Технологический процесс и процесс его проектирования классифицированы как сложные технические системы, для которых справедливы общие законы проектирования сложных систем.

4. Создана теория структурного синтеза технологических процессов обработки резанием, в основе которой лежит принцип достаточной информационной обеспеченности каждого этапа проектирования. Процесс проектирования исследован как совокупность задач создания технических систем, в которых в тесной взаимосвязи переплетаются процедуры синтеза, моделирования и оптимизации.

Система представлена совокупностью логически завершенных (с позиций технологической логики) функциональных блоков проектирования, информационно связанных между собой. Каждый предыдущий блок проектирования, начиная с первого, является своеобразным «информационным вложением» в последующий блок. Это приводит к систематическому увеличению общего информационного поля, достигающего к концу проектирования «размеров», достаточных для решения всех технологических задач проекта.

183 |.

Процесс проектирования имеет характер восходящего процесса: ¡-ачинается с нижних ступеней иерархической структуры и «движется» в ] Правлении высших ступеней.

5. Разработан принцип избирательного (модульного) преде] шения ин.

I | формации о детали в соответствии с требованиями этапа про* гирования.

При проектировании планов обработки-это сведения об отдель ах поверхностях, при формировании комплектов баз — информация о стр>| уре детали.

I и пространственной взаимосвязи поверхностей и т. д. Такой под] рпозволил избежать сложного процесса полного описания или кодирован геометриI ческой и параметрической информации о детали. ! учетом ин.

6. Декомпозиция процесса проектирования произведена формационных связей проектных задач. Выделены два осш йых блока. i ;

Первый — проектирование объема обработки (совокупности вс.

7. Решение каждой задачи начинается с «генерировани альтернативных вариантов решений с последующей его тр сначала — во множество возможных и далее — во множество решений. В работе разработаны модели, позволяющие при фо] ектировании получить множества решений: i.

• при формировании планов обработки отдельных поверхност.

• при объединении поверхностей в СТОК-группы — групп пое рабатываемых на одном станке с одного координатного нап| s тенияj.

• при создании комплектов СТОК-групп для полной обработк деталиi.

• при формировании комплектов баз для обработки каждой С Ж-группыj.

• при разработке вариантов последовательности обработки щ рхностей. уножества формациейвнозначных i[льном прошостей, об.

8. Предложена сетевая модель проектирования планов обработки поверхностей, позволяющая получить множество вариантов и реализовать любую стратегию поиска эффективных решений.

9. Создана модель геометрического образа детали, основанная на параметрическом представлении положения поверхности в системе координат. Модель позволяет формально оценить степень взаимной связи между поверхностями и, вследствие этого, представляет собой теоретическую основу формализации и алгоритмизации проект ирования системы базирования для обработки детали.

10. Разработана методика анализа и оценки базирующих свойств поверхностей. Методика обеспечивает возможность создания модели технологического образа детали. На базе технологической модели построен математический аппарат проектирования комплектов баз и последовательности обработки поверхностей детали.

11. Предложена модель представления объема обработки детали в виде станочных групп однокоординатной обработки — СТОК-групп. Модель является информационной базой для формирования вариантов последовательности обработки детали.

12. Для проектирования последовательности обработки поверхностей детали применена динамическая схема изменения технологических свойств заготовки (пошаговое изменение состава потенциальных баз и состава поверхностей, доступных для обработки). Схема является основой алгоритма проектирования последовательности обработки поверхностей детали.

13. Разработана методика и алгоритм проектирования последовательности обработки поверхностей детали. Проектирование осуществляется на основе преобразования таблиц применимости комплектов баз для различных СТОК-групп или для поверхностей. Табличное представление решения за.

185 i дачи позволяет применить ЭВМ для ее решения. Приведен j задачи на области формального и эвристического проектироЕ.

14. Разработаны прикладные компоненты процесса прое.

Существующие схемы обеспечения взаимного располо) стей детали представлены в виде пяти классификационных характеристика каждой группы по параметрам точности вза i жения поверхностей. Полученные зависимости позволяют i тирования оценить ожидаемую точность и выбрать вариан ности обработки поверхностей.

Дано математическое обоснование эффективности разл ления больших припусков с гладких и ступенчатых пове формы. !

Исследовано влияние структур операций механическ| точность размеров обрабатываемых поверхностей. Получен!, позволили обосновать пути повышения точности размеров ных преобразований при проектировании операций. {.

1риант деления кия. гирования. ния поверхно-?упп. Получена кного располоI стадии проек-[юследовательшых схем уда-шостей любой обработки на ке зависимости I пути структур

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

К ШЕСТОЙ ГЛАВЕ.

Информационной основой для проектирования структур операций являются варианты комплектов СТОК-групп, их состав, виды обработки поверхностей и выбранные станки, а также варианты последовательности обработки СТОК-групп или/и отдельных поверхностей.

Выявлено влияние структур операций на точность размеров обрабатываемых поверхностей. Представлены зависимости, позволяющие на стадии проектирования прогнозировать ожидаемую точность. Указаны пути повышения точности размеров путем структурных преобразований операций, вплоть до выделения точных переходов из СТОК-групп и превращения их в отдельные операции.

Показаны пути трансформации СТОК-групп. Объединение поверхностей в группы по признакам «станок — направление обработки», достаточное для проектирования общей последовательности обработки, становится информационно недостаточным при проектировании операций. Поэтому здесь анализируются характерные особенности выбранных видов обработки, и по результатам анализа происходит перераспределение поверхностей между.

181 операциями, установами и позициями. СТОК-группы после выполнения своих функций перестают существовать.

Получено решение оптимизационной задачи по выбору схем удаления больших припусков со ступенчатых поверхностей деталей.

Показана необходимость и возможность итерационного проектирования структуры процесса обработки. При невозможности обеспечения требуемой точности размеров в процессе формирования разных структур операций, осуществляется организованный переход.

• к другому варианту последовательности обработки,.

• к другому комплекту СТОК-групп,.

• к другому набору видов обработки поверхностей детали.

В результате будет получен маршрут обработки, удовлетворяющий требованиям производства.