Содержание к диссертации
Введение
1.1. Методологические основы и теоретические подходы к развитию существующих систем создания инструмента машиностроительных предприятий 19
1.1.1. Методология системно-целевого подхода к построению и развитию автоматизированной системы создания инструмента 28
1.1.2. Актуальные аспекты и причинно-следственные связи эволюции системы создания инструмента 31
1.1.3. Принципы построения автоматизированной системы создания инструмента в отечественном и зарубежном машиностроении 1.2. Особенности в технологических процессах создания инструмента с учетом его жизненного цикла в условиях ПАО "КАМАЗ" в преддверии Индустрии 4.0 и цифровизации разработок 40
1.3. Актуальные тенденции развития автоматизированных систем создания инструмента в современном машиностроении 52
1.4. Выводы. Цель и задачи диссертационной работы 64
2. Концепция построения новой модели автоматизированной системы создания инструмента 68
2.1. Методология построения автоматизированной систем создания инструмента с учётом его жизненного цикла 68
2.1.1. Формирование базы знаний 71
2.1.2. Создание базы прецедентов автоматизированной системы создания инструмента 76
2.2. Базовые принципы классификации и кодирования инструмента в автоматизированной системе . 77
2.2.1. Система классификации инструмента 78
2.2.2. Адаптация стандартов машиностроительных предприятий применительно к системе автоматизированного создания инструмента 86
2.3. Концепция новой модели и алгоритмизации процессов создания инструмента 89
2.3.1. Функциональная модель системы создания инструмента 104
2.4. Обобщенный алгоритм функционирования автоматизированной системы создания инструмента на примере ПАО «КАМАЗ» 111
2.5. Выводы по главе 1
4 3. Автоматизированный процесс изготовления детали в технологической системе обработки и методология его моделирования 116
3.1. Методологические закономерности и взаимосвязи в автоматизированной системе создания инструмента 116
3.2. Параметры относительного расположения компонентов в технологической системе обработки 125
3.3. Система параметров для цифровизации технологических процессов механической обработки 130
3.4. Автоматизированное моделирование формообразования с учетом точности технологической системы обработки в целях управления качеством продукта 142
3.5. Выводы по главе: 144
4. Математическое обеспечение автоматизированного моделирования инструментальной поверхности 146
4.1. Моделирование инструментальной поверхности на основе обобщенной схемы 146
4.2. Алгоритм моделирования инструмента 161
4.3. Математическая модель для автоматизированной обработки сложной инструментальной поверхности 179
4.4. Алгоритм расчета методической погрешности профиля инструмента 182
4.5. Модель обработки зубчатых колес на примере инструмента червячного типа с двумя винтовыми режущими кромками 194
4.6. Выводы по главе 198
5. Автоматизированное управление процессами повышения стойкости инструмента 200
5.1. Актуальность задач повышения стойкости инструмента 200
5.2. Алгоритм моделирования режущей кромки ломаной линией, образованной стандартными износостойкими пластинами одинаковой формы и размеров 204
5.2.1. Моделирование режущей кривой ломаной линией, образованной стандартными износостойкими пластинами различной формы и размеров 212
5.3. Автоматизированное термическое упрочнение инструмента с использованием высококонцентрированных источников энергии 222
5.3.1. Концепция и алгоритмы автоматизированной лазерной обработки режущей части инструмента 222
5.3.2. Физические процессы взаимодействия ЛИ с металлом 224
5.3.3. Анализ и синтез системы автоматизированного управления следящим приводом положения фокуса лазерного излучения на кромке зуба фрезы 226
5.3.4. Экспериментальные исследования по упрочнению инструмента
2 5.4. Алгоритм автоматизированной лазерной наплавки износостойких порошков для восстановления зубьев фрезы 248
5.5. Выводы по главе 255
6. Комплексная автоматизация системы создания инструмента с интеграцией по иерархическим уровням в корпоративную информационную систему 257
6.1. Автоматизация системы создания инструмента 257
6.1.1. Структура блока интеллектуальной поддержки моделирования и подбора инструмента
6.1.2. Структурно-иерархическая модель инструмента 274
6.1.3. Алгоритмическая структура построения автоматизированной системы создания инструмента 277
6.2. Комплексная автоматизация системы создания инструмента в целях повышения эффективности технической подготовки производства 284
6.2.1. Структурные и функциональные модели построения автоматизированной системы создания инструмента при интеграции с АСТПП, PLM и ERP системами 284
6.2.2. Применение облачных решений при комплексной автоматизации системы создания инструмента 293
6.2.3. Технические эффекты комплексной автоматизации системы создания инструмента 295
6.3. Экономическое обоснование разработки комплексной автоматизированной системы создания инструмента машиностроительного предприятия на примере ПАО КАМАЗ 297
6.3.1. Оценка потребляемых по функции кадрового и материально-технического обеспечения 297
6.3.2. Итоговый экономический эффект от внедрения концептуально новой системы создания инструмента на примере ПАО "КАМАЗ" 299
6.4. Выводы по главе 303
Заключение 304
Список сокращений и условных обозначений 308
Список литературы 310
- Актуальные аспекты и причинно-следственные связи эволюции системы создания инструмента
- Базовые принципы классификации и кодирования инструмента в автоматизированной системе
- Параметры относительного расположения компонентов в технологической системе обработки
- Математическая модель для автоматизированной обработки сложной инструментальной поверхности
Введение к работе
Актуальность работы. Современные экономические условия определили
новые задачи перед машиностроительным производством. Процессы
технической подготовки производства, которая включает в себя
конструкторскую, технологическую, организационную подготовку
производства, а также освоение серийного выпуска новых изделий, на российских машиностроительных предприятиях требует больших временных и финансовых затрат. Это во многом связано с действующей в настоящее время системой создания инструмента, базирующейся на устаревшей концепции и являющейся сдерживающим фактором в повышении эффективности предприятия.
Для поддержания конкурентоспособности изделий машиностроения необходимы инновационные решения, системный подход в разработке научных основ моделирования и методов расчета параметров инструмента, автоматизированное управление технологическими процессами создания, восстановления и модернизации инструмента, что способствует повышению эффективности производства. Одним из таких решений может стать разработка и внедрение в производство концептуально новой автоматизированной системы создания инструмента с интеллектуальной поддержкой, что позволит повысить эффективность технической подготовки производства.
Качество инструмента определяет эффективность производства,
конкурентоспособность его изделий. Одним из методов повышения качества
является упрочнение поверхности инструмента и повышение ее
износостойкости за счет использования высококонцентрированных источников энергии. При этом необходимо получать заданные показатели качества закалки, наплавки, напыления и т. п. Все это требует внедрения автоматизированных систем управления технологическими комплексами по упрочнению режущей кромки инструмента.
Для модификации поверхности инструмента применяются износостойкие сплавы, что позволяет получать повышенную износостойкость в условиях сухого трения или со смазкой, при малых и больших давлениях и удельных нагрузках, при низких и высоких скоростях перемещения, при низких и высоких температурах и т.д. Вследствие износа сила резания и температура в зоне обработки возрастают, что ведет к снижению стойкости инструмента и увеличению производственных затрат.
Существующие методы создания инструмента, методы восстановления и модернизации, решают зачастую лишь часть задач, связанных с логистикой и не решают проблемы качества и эффективности системы создания инструмента на предприятиях отрасли.
Развитие теоретических основ автоматизированной системы создания инструмента и её научно обоснованной модели, позволяющей алгоритмизацию процессов внутри системы на всех этапах жизненного цикла инструмента весьма актуально. Это объясняется постоянным обновлением продукции, а в связи с этим и необходимостью систематической перестройки производства с быстрым обновлением инструмента - такие задачи остро стоят перед предприятиями машиностроения.
С ростом уровня автоматизации в машиностроении роль инструмента
стремительно возрастает. Востребовано моделирование процессов
изготовления детали на этапе проектирования технологических операций, исследование закономерностей и взаимосвязей между параметрами детали и параметрами инструмента с учетом характеристик точности технологической системы обработки. Автоматизированная система создания инструмента становится определяющим элементом эффективности технической подготовки производства нового изделия.
Для современного машиностроительного производства, выбор критериев,
определяющих параметры автоматизированного моделирования
инструментальной поверхности сложной формы, позволяет эффективно решать геометро-кинематические задачи разработки новых моделей, методов и средств автоматизации процессов создания инструмента.
Таким образом, повышение эффективности автоматизированной системы создания инструмента на основе передовых научных разработок по улучшению физико-механических свойств режущей части инструмента, методов его моделирования, комплексной автоматизации концептуально новой системы создания инструмента, включающей в себя интеллектуальную поддержку выбора наилучших его параметров, остается актуальной, крупной научно-производственной проблемой.
Объект исследования – автоматизированная система создания
инструмента, интегрированная в единое информационное поле технической
подготовки производства машиностроительного предприятия,
автоматизированные технологические процессы механической и физико-технической обработки инструмента.
Предмет исследования – методы построения автоматизированной
системы создания инструмента, включающие: интеллектуальную поддержку
управления обеспечением лучшего выбора, изготовления, модернизации и
цифровизации инструмента для повышения эффективности технической
подготовки производства; алгоритмизацию функциональных задач,
обеспечивающих технически и экономически эффективные
автоматизированные процессы обработки сложных инструментальных
поверхностей с повышенными физико-механическими свойствами.
Цель диссертационной работы – повышение эффективности
технической подготовки производства путем развития научных положений и модели комплексной автоматизации системы создания инструмента на основе блока интеллектуальной поддержки обеспечения наилучшего выбора, изготовления и модернизации инструмента.
Для достижения поставленной цели и решения научной проблемы
сформулированы следующие основные задачи диссертационного
исследования:
1. Анализ современного состояния исследований, выявление
закономерностей внутренних связей звеньев автоматизированных систем создания инструмента и существующих методов механической и физико-технической обработки, методов восстановления и модернизации инструмента.
-
Создание концептуально новой методологии построения автоматизированной системы создания инструмента и её научное обоснование, позволяющее алгоритмизацию процессов внутри системы с учетом жизненного цикла инструмента на машиностроительных предприятиях.
-
Исследование закономерностей и взаимосвязей между параметрами детали и инструмента с учетом характеристик точности технологической системы обработки с разработкой математической модели для цифровизации процесса автоматизированного изготовления детали.
-
Исследование критериев и разработка математического обеспечения автоматизированного моделирования для цифровизации инструментальной поверхности с учетом взаимосвязей между исходной поверхностью и линией формообразования в процессе изготовления изделия в условиях гибкой производственной системы машиностроительного производства сложных инструментальных поверхностей.
-
Моделирование режущей кромки инструмента, основанное на формировании сложной кривой ломаными линиями из износостойких пластин в целях автоматизированного управления процессами повышения стойкости инструмента.
-
Разработка автоматизированного лазерного упрочнения методами поверхностной закалки и наплавки, исследование механических и физико-технических свойств режущей части упрочненного инструмента по результатам эксперимента.
-
Разработка функциональной модели автоматизированной системы создания инструмента с интеллектуальной поддержкой во взаимосвязи с системой технической подготовки производства, их последовательная увязка по иерархическим уровням и интеграция в единую информационную систему сбора и обработки данных на предприятии.
-
Разработка структурной модели комплексной автоматизированной системы в среде интегрированного информационного пространства, её экономическое обоснование с целью реализации и внедрения заданной модели на машиностроительном производстве.
-
Апробация и подтверждение адекватности разработанных моделей, методов и средств автоматизации системы создания инструмента в части повышения эффективности технической подготовки производства.
Методы исследования. При решении поставленных в работе задач использовались: методы математического и имитационного моделирования теории системного анализа, обработки экспериментальных данных; методы организации и экономики производства, исследования операций, анализа иерархий; методы решения обратных тепловых задач для управления технологическими режимами обработки.
Научная новизна диссертационной работы состоит в развитии научных положений автоматизированной системы создания инструмента и разработке методов повышения физико-механических свойств инструмента, методов модернизации его конструкции на базе выявленных закономерностей, на основе которых впервые разработана научно обоснованная концептуально
новая автоматизированная система создания инструмента. Основная ценность работы состоит в комплексном подходе к разработке автоматизированной системы создания инструмента с гибкой интеллектуальной поддержкой снижения до 10% затрат на инструмент и сокращении вдвое сроков технической подготовки производства на машиностроительных предприятиях, что решает важные научно-практические проблемы, имеющие огромное экономическое значение для России в условиях конкурентного рынка.
Новыми научными результатами, выносимыми на защиту, являются определяющие новизну решенных задач и, соответствующие пп.1, 3, 15 и 19 паспорта специальности 05.13.06, достижения:
-
Впервые предложена методология построения автоматизированной системы создания инструмента с интеллектуальной поддержкой процессов подбора и изготовления инструмента, отличающейся постоянно развиваемой базой знаний, обеспечивающей цифровизацию сложных инструментальных поверхностей для автоматизированного производства, повышающей эффективность технической подготовки производства (п.3,п.5,п.19 по 05.13.06).
-
Предложена концептуально новая модель комплексной автоматизированной системы создания инструмента в среде интегрированного информационного пространства с учетом жизненного цикла инструмента от цифровой модели для автоматизированного изготовления до утилизации по завершению ресурса (п.3 по 05.13.06).
-
Установлены закономерности и взаимосвязи между параметрами детали и параметрами инструмента с учетом точности системы обработки для формирования модели автоматизации процесса производства на этапе проектирования технологических операций (п.1 по 05.13.06).
-
Предложены метод и математическое обеспечение автоматизированного моделирования сложной инструментальной поверхности, основанные на взаимодействии исходной поверхности и линии формообразования, отличающийся применением обобщенной модели инструмента (п.3 по 05.13.06).
-
Разработаны методы и математическая модель для автоматизации процесса упрочнения режущей кромки инструмента износостойкими пластинами, отличающиеся от известных тем, что они основаны на моделировании сложной кривой ломаными линиями различной длины при обеспечении требуемой точности параметров (п.1по 05.13.06).
-
Разработан метод автоматизированного управления лазерным комплексом для упрочнения режущей части инструмента с целью повышения его стойкости, обеспечивающий высокую точность позиционирования, отличающийся введением контура управления точной настройки положения луча лазера относительно режущей кромки инструмента за счет применения пьезопривода оптической системы (п.3 по 05.13.06).
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается полнотой и обстоятельностью анализа современного состояния исследований в области разработки научно обоснованной модели системы создания инструмента; корректностью выбора исходных допущений и ограничений при
решении задач по повышению эффективности технической подготовки производства; строгостью использования современного математического аппарата при формализации исследуемой проблемы и ее решения; корректным применением, широко применяемых и апробированных практикой и экспериментом методов технологии машиностроения, системного анализа, организации и экономики производства; удовлетворительным совпадением экспериментальных и расчетных данных; публикацией и апробацией основных положений работы на международном, всероссийском и отраслевом уровнях, а также результатами частичного внедрения.
Практическую значимость работы имеют разработанные и
экспериментально проверенные:
-
Новая концепция комплексной автоматизации системы создания инструмента с его идентификацией на всех этапах жизненного цикла с возможностью цифровизации и адаптации процесса в условиях гибкой производственной системы для повышения эффективности технической подготовки машиностроительного производства.
-
Формализованные методы и алгоритмы автоматизированного формообразования инструментальной поверхности, позволяющие решить на практике проблемы эффективного проектирования и изготовления инструмента со сложной поверхностью в короткие сроки и с меньшими затратами.
-
Способ автоматизированного управления лазерным комплексом при наплавлении и закалке инструментальной поверхности для повышения её износостойкости.
-
Пакет прикладных программ, реализующих интеллектуальный автоматизированный блок подбора, цифровизации и изготовления инструмента.
-
Пакет прикладных программ по управлению технической подготовкой производства в процессе создания и модернизации инструмента на машиностроительном предприятии.
Реализация результатов работы:
Материал диссертации представляет собой теоретическое обобщение ряда
НИР и ОКР на ПАО «КАМАЗ» более чем за 38-летний период работы автора в
данном направлении. Основные положения диссертации используются в
учебном процессе Набережночелнинского института (филиал) федерального
государственного автономного образовательного учреждения высшего
образования «Казанский (Приволжский) федеральный университет» и КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева.
Внедрены пакеты прикладных программ по управлению технической
подготовкой производства в эксплуатацию на ПАО «КАМАЗ». Основные
результаты диссертационной работы использованы на предприятиях ООО
«Форд Соллерс Холдинг»,ООО «Камский завод строительных
металлоконструкций» и ОАО РЦИ «КАИ-Лазер» Республики Татарстан.
Апробация работы.
Основные положения диссертации были апробированы и доложены на следующих конференциях: всероссийской научно-технической конференции «Большая нефть двадцать первого века» (Альметьевск, 2006);научной
внутривузовской сессии ученых Альметьевского государственного нефтяного
института (Альметьевск, 2007);всероссийской научно-технической
конференции «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении» (Бийск,
2007); VII конгрессе технологов автомобилестроения (Москва, 2008);
Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные
наукоемкие технологии: теория, эксперимент и практические результаты»
(Тула 2010); международной научно-практической конференции «Образование,
наука и производство. Новые технологии как инструмент реализации стратегии
развития и модернизации – 2020»(Казань, 2012); XIII международной научно-
практической конференции «Нанотехнологии в промышленности» (Казань,
2012); международной научной конференции «Актуальные вопросы
технических наук (II)» ( Пермь, 2013); международной научно- практической
конференции «Новые технологии наукоемкого машиностроения: приоритеты
развития и подготовка кадров» (Казань2013); международной научно-
технической конференции «Инновационные машиностроительные технологии,
оборудование и материалы- 2013» (Казань, «ИМТОМ-2013»); международной
научно- практической конференции «Современные наукоемкие технологии:
приоритеты развития и подготовка кадров» (Казань, 2014); международной
научной конференции «Наука современности» (Москва, 2015); XI
международной научно- практической конференции (Екатеринбург, 2015); VІІ
международной научно-практической конференции «Естественные и
технические науки в современном мире» (Москва, 2016).
Итоги диссертационной работы были доложены и одобрены на заседаниях
кафедры «Технологии машиностроительных производств» КНИТУ КАИ, на
совместном заседании кафедр «Конструкторско-технологическое обеспечение
машиностроительных производств», «Автоматизация производственных
процессов и производств» и «Высокоэнергетические процессы и агрегаты»
Набережночелнинского института (филиал) К(П)ФУ, на расширенном
заседании кафедры «Производство машин и механизмов»
машиностроительного факультета ИжГТУ, на расширенном заседании кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» УлГТУ.
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации
опубликованы в 136 печатных работ, из которых 35 в изданиях, рекомендованных ВАК, 8 в зарубежных изданиях, цитируемых в SCOPUS и WoS, 3 монографии, 18 патентов, 2 авторских свидетельства, 7 учебных пособий.
Личный вклад автора в диссертационную работу состоит в постановке цели научной проблемы и задач исследований, в выборе и обосновании методик экспериментов; непосредственном их проведении; в непосредственном участии при анализе и обобщении полученных экспериментальных результатов; в развитии научных основ и методов построения новой концепции автоматизированной системы создания инструмента с его идентификацией на всех этапах жизненного цикла; в разработке методов и алгоритмов формообразования инструментальной поверхности с высокой эффективностью технологических процессов резания.
Структура и объем работы. Диссертационная работа включает в себя введение, шесть глав, основные выводы, список примененных источников информации и приложений, она изложена на 346 страницах текста, содержит 99 рисунков, 33 таблицы, 4 диаграммы, дополнительно 37 страниц приложений.
Актуальные аспекты и причинно-следственные связи эволюции системы создания инструмента
Начало работ и первые публикации об автоматизированной системе создания инструмента (АССИ) в мировой литературе возникли в связи с развитием автоматизации и связанной с ней необходимостью системного подхода к производству. По сложившейся терминологии объектами для АССИ являются: среда проектирования, оборудование для изготовления, инструмент, измерительные устройства и устройства для настройки, смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ), оборудование для испытания, восстановления и модернизации, утилизации.
Практикой было доказано, что инструмент, являясь важнейшим элементом технологического процесса, определяет уровень производства, следовательно, оказывает непосредственное влияние на: производительность труда, корректную себестоимость продукции, и ее качество, скорость вывода на рынок новой продукции, то есть все составляющие понятия технологическая конкурентоспособность.
Все вышеперечисленное свидетельствует о возросшей актуальности проблемы построения АССИ на отечественных промышленных предприятиях, отвечающей требованиям современного мирового машиностроения и конкурентной среды сложившейся в последнее десятилетие. Необходимо особое внимание уделить вопросам, связанным как с пониманием и определением системы создания инструмента (ССИ) предприятий машиностроения, ее зарождением и эволюцией развития, так и внешними и внутренними факторами, под влиянием которых эта сложная, многофункциональная система вынуждена изменяться для адаптации к среде. ССИ для предприятий машиностроения - это комплекс технических средств и организационных мероприятий по выполнению работ и услуг, осуществляемых для образования определенной целостности и единства между собой и потребителями инструмента в части своевременного обеспечения последних технологической оснасткой и различным инструментом, в необходимом, заранее заданном объеме и качестве, при минимально возможных затратах [5].
В данной трактовке определение ССИ встречалось в технической литературе 70-80-х годов прошлого века в работах ученых, занимающихся проблемами повышения эффективности ССИ предприятий машиностроения. Можно считать, что в такой интерпретации это был идеальный, недостижимый вариант, очень далекий от реального положения дел. Например, простои технологического оборудования на предприятиях Российской федерации в периоды до и после начала перестройки в связи со срывами срока поставок и низким качеством или несоответствием поставленного инструмента характеристикам оборудования на предприятиях доходили до 40% и более. В связи с вышесказанным на данный момент можно выделить следующие два направления проблем в части перестройки ССИ машиностроительных предприятий: - проблемы, связанные с модернизацией ССИ предприятий машиностроения в современных условиях; - проблемы, связанные с построением АССИ будущего производства, учитывающие переход на качественно другой уровень развития, который соответствует перспективной технической платформе производства.
Из этого следует, что необходимо разработать концепцию создания высокоэффективной АССИ, которая в будущем, будучи оптимизирована на массовое производство техники прогрессивного поколения, позволит успешно решить круг задач, стоящих перед ней как в данный момент времени, так и в перспективе. Принципами, на которых базируются теоретические основы АССИ, являются [42,44,47,73]: 1. Принцип единства функционально-целевых и причинно-следственных взаимосвязей, что предполагает одновременное использование функционально-целевой и формализованной причинно-следственной информации для создания системы и представлений, для эффективного решения задач декомпозиции и интеграции.
2. Принцип постепенного выявления неопределенности и избыточности, который даёт возможность установить порядок ввода необходимой функционально-целевой и причинно-следственной информации в определенном порядке.
3. Принцип однозначного представления свойств и характеристик, обеспечивающий обоснованный выбор критериев.
4. Принцип обратной связи, обусловленный наличием обратных связей в сложных системах, каковой является ССИ.
5. Принцип мультиуровневого функционально-целевого и причинно-следственного обобщения, являющийся основой создания сложной системы и адекватного представления её в виде множества подсистем, блоков, модулей, элементарных операций.
6. Принцип целенаправленного эволюционного развития технологии, структур и параметров, определяющий необходимость разбиения системы на этапы, реализуемые в определенном порядке, с оценкой и выбором на каждом этапе наилучшего направления преобразований из множества допустимых.
7. Принцип определения универсальной базы для оценки взаимодействия технологии, структур и данных на свойства, качество и характеристики системы, позволяющий на всех этапах создания системы дать оценку эффективности последующего этапа развития технологии, структур и параметров, и выбрать наиболее рациональное продолжение процесса.
Базовые принципы классификации и кодирования инструмента в автоматизированной системе
Предприятия машиностроения представляют собой, как правило, сложную организационно-технологическую систему с множеством входящих в нее связей и ограничений. Сложность данной системы состоит в охвате жизненного цикла инструмента, т.е. всей сферы вращения инструмента и оснастки (далее инструмента) на предприятии от выявления потребности в инструменте, его изготовления и до полной амортизации в процессе эксплуатации.
Существующие на предприятиях машиностроения РФ АССИ не соответствуют в полной мере требованиям, предъявляемым к современному производству. Например, на таком крупном машиностроительном предприятии как КАМАЗ, система была сформирована в 70-х годах прошлого века одновременно со строительством комплекса заводов КАМАЗ и в последние годы лишь частично модернизировалась [3, 4, 5, 8,182,183,199,201,204-208,293].
Выбор КАМАЗа в качестве примера не случаен, потому что КАМАЗ занимает лидирующее положение в российском машиностроении. Он это периодически доказывает последние 45 лет как на техническом, так и экономическом уровне. Компания имеет глобальной статус и является признанным лидером среди предприятий автомобилестроения, занимая 10-место среди автомобилестроителей и 7-место среди производителей дизельных двигателей в мире. КАМАЗ, являясь потребителем большой номенклатуры инструмента, обладает широкой гаммой успешно освоенных технологий, в том числе в создании и эксплуатации инструмента, и имеет собственную многочисленную конструкторскую службу. Технологическое оснащение предприятия, имеющее в своем составе современное оборудования и лаборатории, оснащенные на современном уровне, атак же наличие гибких производственных систем и автоматических линий позволяет проводить исследования в рамках одного машиностроительного гиганта. Таким образом, мы делаем вывод о предпочтительности проведения комплексных исследований по АССИ на базе ПАО КАМАЗ, на основании наличия у предприятия хорошо оснащенных лабораторий резания, СОЖ и масел, физико-механических исследований и проведенного комплексного анализа по всем направлениям технологических переделов с обработкой деталей типа тел вращения, зубчатых колес, корпусных деталей, большой номенклатуры деталей со сложными поверхностями.
Главными недостатками существующей на сегодняшний день АССИ машиностроительных предприятий РФ являются [1, 2, 5, 6, 7,121-123]: - недостаточная ответственность за результаты, которые поставлены основному производству; - недостаточная или отсутствие мотивации для непрерывных улучшений основного технологического процесса - основного процесса создания себестоимости; - недостаточное осуществление контроля за статьями издержек, связанных с инструментом (фактически, выполняются только функции бухгалтерского учёта, система управленческого же учёта в отношении инструмента ведется слабо или отсутствует вовсе); - организационная и техническая недостаточность выполнения всех функций создания инструмента. АССИ предусматривает наличие неких условных звеньев, определяющих их функциональное назначение. Структура сегодняшней АССИ вытекает из типа производства и имеет в составе [5, 6, 12, 21,22,34-38, 41-42,127,188,218-230,233-240,]: физические носители инструмента, логистические потоки, программы управления для станков ЧПУ, информационное обеспечение для выбора инструмента, устройства системы оперативной настройки на размер, диагностические систем контроля состояния инструмента, прогнозирующие стойкость и фиксирующие момент предельного цикла работы и оставшийся ресурс, системы учета наличия и планирования поставок инструмента. Оценка эффективности АССИ целесообразна с помощью разработанной модели технико-экономических показателей, которая могла бы входить в её общую структуру. На структуру АССИ оказывают влияние также структуры технологического процесса и технологической системы в целом, которые являются моделями внешней среды по отношению к АССИ [33, 40].
Проведенный анализ технической литературы и накопленного производственного опыта показал, что требуемой системы фактически нет ни в одном крупном машиностроительном предприятии РФ. Опыт, накопленный мировыми компаниями, говорит об эффективности, или, точнее о возможной эффективности подобной системы. Так в работах, увидевших свет за последнее время [269,273,274,277-289,293,300-304,305] появилось такое словосочетание, как «Tool Management», которое представляет систему организационно-технических мероприятий, предназначенных для создания, управления и развития инструментального хозяйства, и поддержания высокой степени технологической готовности производства. Наиболее всеобъемлющим русским переводом словосочетания «Tool Management» является «Автоматизированная система создания инструмента». На западных предприятиях используется традиционный подход, когда делегируются полномочия по организации всего комплекса перечисленных задач компетентной, ответственной организации. В этом случае Tool Manager организует функционирование всего процесса создания инструмента, и обеспечивает выпуск деталей требуемого количества и качества.
Такой подход к организации инструментального хозяйства нашел поддержку у ведущих мировых производителей инструмента. На выставке ЕМО проходившей в 2001 году в Ганновере, фирмы из первой пятерки предложили не только свое видение этого процесса, но и представили свои продукты в этом сегменте рынка. Интересным является факт, что фирмы показали практически схожие подходы и мышление в вопросах создания инструмента. Но для западных предприятий наличие в составе предприятия собственного инструментального производства не характерно, поэтому к российским условиям могут подойти только разработки учитывающие особенности организации производства на крупных машиностроительных предприятиях российского производства. Кроме того это связано с необходимостью обеспечения национальной безопасности Российской Федерации и технологической независимости отечественного производства.
Параметры относительного расположения компонентов в технологической системе обработки
АССИ обязана требовать ведения кодификатора принимаемых на любом этапе жизненного цикла инструмента решений, осуществлять хранение всей информации о принимаемых решениях, так как она представляет из себя интегрированную систему сопровождения инструмента на протяжении его жизненного цикла. Кодификация инструмента является обязательной частью АССИ.
В государственном стандарте РФ приведены главные положения регламентирующие кодирование и классификацию технико-экономической информации. Методики кодирования: параллельная, последовательная, серийно-порядковая и порядковая, а так же методики классификации: иерархический и фасетный являются главными согласно данному документу. Предпочтительным для АССИ представляется применение иерархической методики классификации, которая сочетается с параллельной методикой кодификации, так как это обеспечивает наглядность, хорошую информационную емкость, и предоставляет возможность сопряжения с другими классификаторами.
Инструмент относится к 39-ому классу согласно классификатору продукции РФ. Производственные, конструкторские, технологические, и эксплуатационные характеристики инструмента необходимы при осуществлении процедуры кодификации. На машиностроительном предприятии приведенных данных достаточно для уникальной идентификации инструмента. Но их недостаточно для сопровождения инструмента с применением PLM-технологии.
В результате анализа был сделан вывод о необходимости использования такой методики кодификации применительно к АССИ, которая учитывала бы применяющиеся на машиностроительных предприятиях стандарты и методики. Параллельная методика кодирования инструмента и иерархическая методика классификации идеально подходят под вышеописанный вывод.
Инструмент, как предмет исследования, является многономенклатурным изделием, и поэтому для идентификации и обращения в АССИ требуется его строгая и однозначная классификация, понятная и для человека, как оператора, и для машинной переработки информации.
Трудоемкость и стоимость технологической подготовки производства растет из года в год. Это во многом связано с тем, что машины и приборы становятся из года в год все сложнее. И чем крупнее предприятие, тем больше требуется разрабатывать и оснащать технологических процессов при освоении новых или модернизированных изделий. Подготовка производства нового продукта на машиностроительных предприятиях России и стран СНГ занимает недопустимо длительные сроки и требует значительных затрат. Кроме того, следует учитывать и то, что при производстве выпускаемых изделий используются сотни тысяч единиц режущего, вспомогательного и мерительного инструмента и технологической оснастки. Так на ПАО «КАМАЗ» в настоящее время используется более 139 тысяч различных типов инструмента, что характерно для крупных машиностроительных предприятий. В таких условиях затраты на проектирование, производство и приобретение инструмента и инструментальной оснастки огромны и составляют миллиарды рублей. Это ставит отечественные машиностроительные предприятия в тяжелые экономические условия, особенно после вступления России в ВТО.
Для поддержания конкурентоспособности отечественных предприятий необходимы инновационные решения, в том числе разработка и внедрение в производство классификатора режущего, вспомогательного и мерительного инструмента и технологической оснастки. Это должно позволить существенно сократить номенклатуру используемых в производстве изделий. Такая разработка является необходимым условием повышения эффективности технологической подготовки производства и собственно производства новых изделий.
В ПАО «КАМАЗ» была разработана общая структура классификатора для всех видов изделий инструментального производства и выполняемых на нем работ, представленная на рисунке 2.1.
Классификатор состоит из 12 «классов», представленных в таблице 2.3. Анализа общей структуры классификатора показывает, что каждому изделию инструментального производства присваивается код из 16 знаков. Таблица 2.3 - «Классы» режущего, вспомогательного и мерительного инструмента и технологической оснастки 80 Классификация процесс крайне трудоемкий и объемный. Рассмотрим лишь один «класс» - «Режущий инструмент», номенклатура которого наиболее многочисленна. Деление режущего инструмента на «подклассы» производилось в зависимости от формы обрабатываемых поверхностей (см. таблицу 2.4). В таблице 2.4 приведена выборка из классификации «подклассов» режущего инструмента.
В таблице 2.4 представлено 18 «подклассов» режущего инструмента. Следует отметить что количество «подклассов», как и других элементов классификации может быть для каждого конкретного предприятия либо увеличено, либо уменьшено. Это же можно сказать и по поводу количества знаков классификатора.
Математическая модель для автоматизированной обработки сложной инструментальной поверхности
Для системного анализа точности параметров установки режущего инструмента относительно заготовки рассмотрим обобщенный способ обработки фасонированной поверхности фрезерованием на станках нормальной точности. Требуется определить три системы координат: систему координат, которая привязана к оборудованию OXYZ ; систему, которая связана с заготовкой OxXxYx2x и систему, связанную с инструментом - 02X2Y2Z2 (рисунок 3.4). Необходимо отметить, что для станков с ЧПУ все может быть иначе и там возможно совмещение всех трех систем.
Нулевой точкой стандартной системы координат оборудования принято считать базовую точку на одной из его крайних позиций. Пл.XOY является плоскостью осевой подачи, плоскость XOZ перпендикулярна ей, как и формирующая радиальный размер вертикальная плоскость- ZOY . Направление осей системы координат заготовки полностью совпадает с системой координат оборудования. За начало системы координат заготовки принимается точка пересечения оси ее вращения и торцовой плоскости. Ось У2 в системе координат режущего инструмента является параллельной идентичной оси системы координат оборудования и имеет то же направление, оси Х2 и Z2 повернуты по отношению к идентичным осям системы координат заготовки и оборудования на угол, равный межосевому углу є. Нулевая точка системы координат режущего инструмента находится в опорной точке инструментального блока. Опорные точки оборудования, которые несут режущий инструмент и обрабатываемую деталь, являются связью между системами координат заготовки, оборудования и режущего инструмента.
Все составляющие точности обработки сложной поверхности изделия можно сгруппировать по следующим признакам: исходные составляющие, к которым относится точность компонентов технологической системы резания; динамические составляющие, к которым относится точность, достигаемая в процессе обработки.
Только точность компонентов технологической системы резания влияет на формирование точности параметров установки инструмента относительно заготовки которая подвергается обработке. Все составляющие точности параметров установки режущего инструмента относительно заготовки сведены в таблицы 3.2 - 3.4.
Все перечисленные в таблицах величины позволяют определить точность межосевых угла и расстояния, а так же значение К, которое определяется как расстояние между точкой где скрещиваются ось заготовки и режущего инструмента и точкой где пересекаются ось заготовки и базовая винтовая линия.
Точность межосевого угла обуславливается суммарными погрешностями, появляющимися при установе - 72, 75, 77,78 и погрешностью, появившейся при технологическом переходе- Pi;, которые необходимо пересчитать в угловые выражения из линейных величин Ає = а + р+ ; + 8 , где a, fi, у, 8 - угловые выражения пересчитанные из линейных величин, рад.
Неточность определенного расстояния между точкам скрещивания осей детали и режущего инструмента и точками пересечения оси детали с базовой винтовой линии вычисляется согласно формулы: АК = АВ ctg л, если обрабатывается деталь с малым шагом винтовой линии (например: сложная фасонная поверхность винта рулевого управления грузового автомобиля или ходовой винт металлорежущего станка) и АК = ьвщт, при обработке изделия с крупным шагом винта (например: осевой инструмент, где т - угол наклона линии по винту, рад, Л - угол подъема линии по винту, рад; AS - неточность перемещения стола горизонтально-фрезерного станка ходовым винтом продольного, мм.).
Проведенный анализ показывает, что многообразие оборудования не позволяет создавать единую методику определения составляющих точность установки инструмента. Но абсолютно необходима разработка универсального метода определения относительного расположения инструмента и детали на оборудовании и его математической модели для упрощения инженерных расчетов.
Для разработки системы параметров, определяющих относительное расположение инструмента и детали для цифровизации процессов механической обработки, вводятся в рассмотрение системы координат X1Y1Z1 и X2Y2Z2 [198](Рисунок 3.5.), жестко связанные с инструментом и деталью соответственно (оси Zi и Z2 совпадают соответственно с осями инструмента и детали); система координат XYZ, ось 7 которой совпадает с межосевым перпендикуляром, а ось Z с осью инструмента Z} [198]; система координат XPYPZP, ось 7Р которой совпадает с межосевым перпендикуляром, а ось ZP - с осью вращения детали Z2.
Относительное расположение инструмента и детали в соответствии с обобщенной схемой определяется совокупностью базовых параметров -множеством Рб i&h a, aw, Z,l2}. Элементами этого множества являются:
К приведенной обобщенной схеме сводится большинство возможных вариантов обработки деталей на металлорежущих станках. При этом внутренняя обработка характеризуется значением координаты; Г 0 наружной обработке с внешним касанием Пп и Пд соответствует О Y aw; наружной обработке с внутренним касаниемПп иЯд- Г aw.
Для решения ряда задач, связанных с анализом процесса формообразования, необходимо осуществлять переход от системы координат \ }Y}Z}, жестко связанной с инструментом, к системе координат X2Y2Z2, жестко связанной с деталью.
Этот переход совершают в следующем порядке: а) перенос начала координат Ol в О и поворот системы XiYiZi вокруг оси Zi на угол о}, тогда система \ iY}Z} займет положение XYZ; б) перенос начала координат О в Ор и поворот системы координат XYZ вокруг оси Y на угол ж-Z , при этом система XYZ перейдет в .\ PYPZP; 132 в) перенос начала координат Ор в С)2 и поворот системы XPYPZP вокруг оси Zp на угол о2, тогда система XPYPZP займет положение X2Y2Z2. Преобразование координат осуществляется с помощью следующего матричного равенства г2=М21гг, (3.9) где г2 и г} столбцевые матрицы соответствующих радиус-векторов одной и той же точки в системах X2Y2Z2 и XiY{Zi; М21 - матрица перехода от системы координат X}Y}Z} к X2Y2Z2, которая определяется из выражения: М21 =М2РМР0МО1, (3.10) где М2Р - матрица перехода от системы координат XPYPZP к X2Y2Z2; МР0 -матрица перехода от системы координат XYZ к XPYPZP; -\ 1Ш - матрица перехода от системы координат X}Y}Z} к XYZ.