Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 7
1.1 Общие задачи инструментообеспечения 7
1.2 Существующие системы инструментообеспечения станков с ЧПУ 20
1.3 Цель и задачи исследования 29
Глава 2 Формирование и оптимизация состава инструментальных комплектов 32
2.1 Структура простоев станочного оборудования в АСС, связанных с использованием инструментальных комплектов 32
2.2 Классификация системы ИО АСС по уровням автоматизации 38
2.3 Критерии выбора состава комплекта инструментов при различных вариантах и уровнях системы ИО 59
2.4 Разработка автоматизированной системы выбора оптимального комплекта инструментов 79
2.5 Выводы 94
Глава 3 Моделирование и оптимизация работы инструмента и системы формирования инструментальных комплектов 96
3.1 Определение оптимального режима эксплуатации инструментального комплекта 96
3.2 Определение исходных технико-экономических данных 111
3.3 Влияние уровней автоматизации и вариантов организации системы ИО на условия эксплуатации инструментальных комплектов 131
3.4 Использование имитационного моделирования для определения количественного состава инструментального комплекта с учетом инструментов-дублеров для станков с ЧПУ в составе АСС 164
3.5 Выводы 170
Глава 4 Состав и структура автоматизированной системы формирования инструментальных комплектов 175
4.1 Задачи решаемые АС формирования инструментальных комплектов 175
4.2 Состав блоков АС формирования инструментальных комплектов 179
4.3 Выводы 181
Общие выводы и результаты 182
Список литературы
- Общие задачи инструментообеспечения
- Структура простоев станочного оборудования в АСС, связанных с использованием инструментальных комплектов
- Определение оптимального режима эксплуатации инструментального комплекта
- Задачи решаемые АС формирования инструментальных комплектов
Введение к работе
Широкая автоматизация в машиностроении может быть осуществлена при оснащении современного оборудования высокопроизводительным режущим инструментом.
Технологически необходимые инструменты для обработки деталей одного наименования или партии деталей составляют комплект, состав которого зависит от вида заготовки, конфигурации обрабатываемой детали (деталей), системы ЧПУ и технологических возможностей станка. Например, для токарной обработки детали типа втулки в патроне из штучной заготовки на станке с контурной системой ЧПУ к технологически необходимым инстру-ментам относятся расточной резец, расточной контурный черновой резец, проходной черновой резец и т.д. При оснащении токарных станков с прямоугольной системой ЧПУ в число необходимых инструментов включают резцы для снятия фасок и прорезки канавок для выхода шлифовального круга.
Режущие инструменты закрепляются в шпинделе или на суппорте станка с помощью оправок, втулок, патронов, державок, блоков и т.п., составляющих унифицированные комплекты инструментальной оснастки. Применением унифицированных комплектов инструментальной оснастки достигается сокращением ее номенклатуры и взаимозаменяемость.
В результате применения различных конструкций унифицированных оправок, переходных державок, патронов, расточных головок и других видов вспомогательного инструмента достигается быстрая их смена и переналадка на любой размер растачиваемых отверстий в заданном диапазоне, в том числе получение отверстий точного диаметра, а также возможность использования разнообразного стандартного и специального режущего инструмента: резцов, сверл, метчиков, зенкеров, разверток, фрез, коронок и т.д.
К режущему инструменту для станков с ЧПУ, номенклатура которого практически не отличается от номенклатуры инструмента для традиционных
станков, предъявляются повышенные требования в отношении точности размеров, геометрической формы инструмента, его стабильной стойкости, качества заточки режущих кромок.
К режущему инструменту, применяемому в автоматизированных станочных системах, предъявляются следующие дополнительные требования: стабильная стойкость, обеспечение возможности предварительной (вне станка) настройки режущего инструмента на заданные размеры обработки; быстрая смена инструмента при переналадках и его замене; необходимая точность настройки и жесткость конструкции; универсальность применения и унификация присоединительных размеров; возможность автоматического крепления и смены комплекта вспомогательного и режущего инструмента.
Эффективность функционирования автоматизированных систем технологического оборудования (СТО) и участков мелкосерийного производства в значительной мере зависит от построения технологических процессов (ТП). Организационной основой ТП, реализуемых СТО, являются принципы групповой обработки. При использовании этих принципов снижаются простои станков на переналадку, повышается производительность и сокращаются текущие затраты на инструмент и приспособления.
Основу групповых потоков инструментов и деталей составляют групповые магазино-комплекты инструментов станков с ЧПУ. Групповой мага-зино-комплект - совокупность инструментов с указанием числа каждой номенклатуры, необходимая для обработки запускаемой в производство группы (партии) заготовок на планируемый интервал времени.
Магазино-комплекты выступают в качестве системообразующих (по-токообразующих) факторов.
Вопросы выбора инструментов, а таюке организации инструментального потока являются функциями так называемой АСИО (автоматизированная система инструментообеспечения). В то же время в литературе функции АСИО рассматриваются, как правило, обобщение без их четкой классифика-
ции, не выявлены факторы, являющиеся определяющими для организации рациональной АСИО СТО. На разработаны критерии оптимальности инструментальных комплектов, применительно к условиям АСИО. Необходимо изыскание новых методов, новых подходов к решению этой задачи.
Таким образом, преследуя цель повышения эффективности функционирования участков станков с ЧПУ на основе формирования инструментальных комплектов как составной части АСИО, основной задачей настоящих исследований является выяснение существа связей между видами поверхностей обрабатываемых деталей, их количеством и свойствами инструментов и составами инструментальных комплектов для станков с ЧПУ.
Областью применения предлагаемых разработок выбрано мелко- и среднесерийное производство, в частности, участки станков с ЧПУ разной степени автоматизации. Поэтому в работе используются более общие термины инструментообеспечения (ИО) и автоматизированные станочные системы (АСС) вместо, соответственно АСИО и СТО.
Результаты проведенных исследований позволяют утверждать, что решена актуальная научная задача, заключающаяся в формировании инструментального комплекта и в расчете оптимального режима работы этого комплекта.
Общие задачи инструментообеспечения
В настоящей работе ставится задача рассмотрения вопроса формирования инструментальных комплектов как составной части организации инструментообеспечения (ИО) автоматизированных станочных систем (АСС). В связи с этим, целесообразно при анализе научно-технической литературы охватить широкий круг вопросов, связанных с ИО АСС в целом, с тем, чтобы попытаться "выявить связи и влияние ИО АСС с задачей по формированию инструментальных комплектов.
Информация по организации инструментообеспечения АСС крайне ограничена как в отечественной, так и в зарубежной научно-технической литературе, и, как правило, не рассматривает комплексно вопросы организации ИО, а касается лишь отдельных аспектов этого вопроса.
Рассмотрено три основных направления: организационно-управленическое, техническая оснащенность и эффективность.
В соответствии с /18/ можно выделить следующие основные функции АСС: подготовка режущего инструмента, включающая хранение компонентов инструментов, сборку, заточку, настройку и формирование комплекта инструментов; транспортирование инструмента; установка инструмента в шпиндель станка в цикле обработки; накопление; контроль качества инструментов в процессе эксплуатации; замена при отказе в смене инструмента при переналадке.
Такое распределение функций не предполагает различий между организацией инструментообслуживания станка и использованием инструмента на станке. Это затрудняет учет особенностей организации обслуживания оборудования АСС и необходимых для этого средств ИО, что не позволяет выявить пути рациональной организации ИО АСС. Основное внимание в работах /49, 56/ уделено организации работы участка настройки инструмента, расчету количества оборудования на участке настройки инструмента в составе участка инструментальной подготовки. Предлагаются несколько методик расчета: числа работающих, площади участка подготовки и т.п.
Рекомендуется - всю подготовку инструментов к работе проводить в отделении подготовки инструментов, включающем в общем случае участок хранения, заточки, сборки и настройки инструментов. За отделением подготовки инструментов на АС С низких уровней автоматизации закрепляется также функция ручного транспортирования инструмента к оборудованию или центральному накопителю АСС. Предложены нормы для расчета плбщади отделения, расчет площади и количества необходимых приборов для настройки, а также нормы времени настройки. Рекомендованная схема обслуживания инструментом АСС приведена только для случая участка АСС с общим накопителем инструментов.
В данных работах не рассмотрены получившие подавляющее распространение АСС с приостановочными накопителями, отсутствует схема организации инструментообслуживания станков различных уровней , автоматизации.
Отдельные функции ИО и рекомендации по проектированию и расчету эффективности ИО рассмотрены в методических рекомендациях III. Приведена функциональная схема ИО. Показана связь ИО АСС с САПР ТП, АСУП и техпроцессом. Однако данные вопросы решены в работе фрагментарно. Основное внимание уделено вопросам организации в ИО учета информации и документообороту. Отсутствует увязка предложенной схемы ИО с оборудованием АСС различного уровня автоматизации. В проведенных расчетах эффективности ИО не учитывается состав и степень автоматизации средств ИО.
В работе /11/ эффективность организации инструментального хозяйства определяется снижением времени смены режущего инструмента и инструментальных магазинов на станках, времени и трудоемкости их подготовки, увеличением срока работоспособности режущего инструмента, увеличение коэффициента использования режущих инструментов, а также сокращением и полной ликвидацией простоев станков и всей АСС по вине режущего инструмента.
Представленные в работе критерии эффективности организации ИО носят частный характер, не позволяющий оценить организации ИО АСС в целом. Кроме того, большинство из перечисленных функций относится не к ИО АСС, а к функциям инструментального хозяйства.
В работах /37, 40/ при рассмотрении ИО АСС выделяются два уровня: пристановочный магазин инструмента и автоматизированный склад-накопитель участка, связанный автоматическим транспортером-манипулятором со станками участка. Сформулирован ряд общих требований к ИО АСС, однако, не учитывающих различную степень автоматизации станочного оборудования и средств ИО АСС. Требования к эффективности ИО носят не системный, а частный характер (минимальные простои станков из-за ожидания смены очередного инструмента, обеспечение заданного уровня надежности функционирования и др.), отсутствует четкая методика-определения эффективности тех или иных решений по организации ИО.
Для реализации концепции транспортно-накопительных систем, начиная с 70-х годов, разрабатываются ИО АСС с использованием сменных магазинов инструментов различной конструкции, подаваемых в автоматическом режиме к многооперационным станкам с заранее сформированным и настроенным комплектом инструментов, что позволило значительно сократить время простоев станков при переналадке /16, 72, 77, 78, 82/. Недостатками транспортно-накопительных систем со сменными магазинами являются: невысокая емкость (20-40 ед.), что не позволяет их использовать для обработки сложных деталей и устанавливать в них запасные инструменты-дублеры.; конструктивная сложность, громоздкость, высокая стоимость, значительная потеря рабочего времени станка, связанная с заменой магазинов, при обработке деталей мелкими партиями; необходимость наличия дополнительного - инструмента, повторяющегося при обработке разных деталей; увеличение производственной площади, занимаемой комплексом за счет склада сменных инструментальных магазинов.
Структура простоев станочного оборудования в АСС, связанных с использованием инструментальных комплектов
Анализ результатов обследований организации инструментообеспечения АСС в условиях их промышленной эксплуатации, проведенных на 9 машиностроительных заводах показал, что для оценки структуры и величины простоев станочного оборудования, связанных с использованием инструментальных комплектов и инструментообеспечением АСС, необходимо выделить данные простои из общих простоев станка в АСС.
Для анализа простоев необходимо уточнить совокупность действий по инструментообеспечению АСС. Комплекс действий по инструментообеспе-чению АСС необходимо разделить на функции станков по использованию инструмента и функции по подготовке инструментов к работе, выполняемые системой инструментальной подготовки и обслуживания АСС (СИПО). Предлагаемое разделение функций системы ИО на функции самих станков и системы СИПО АСС, их обслуживающей, носит принципиальный характер и позволяет четко определить задачи и способы выполнения каждой из них, наметить пути их рационализации, учитывать особенности оборудования в АСС.
К оргпростоям оборудования, связанным с инструментообеспечением О относятся простои, возникающие по следующим причинам: 1) несовмещение времени инструментообеспечения со временем обработки на станке или подготовки его к работе, что вызывает простои оборудования из-за отсутствия инструментов-дублеров, взамен отказавших, подготовленных инструментов при переналадке на обработку другого наименования деталей - Ос. Данные простои включают время на выполнение комплекса действий по подготовке и доставке инструмента к станку, в т.ч. простои, связанные с ожиданием станком очереди на обслуживание; 2) отсутствие операторов-наладчиков при переналадке инструментов и замене отказавших - Оот. Следовательно, суммарные простои станка из-за наладок в системе ИО подсчитывается как 0=Ос+Оот, (2.5) Оргпростои станка, дифференцированные по виду выполняемых функций, должны включать: Ос=01+02+03+04+05+Об, (2.6) где Oi - простои, связанные со складированием инструментальной оснастки; 2 - простои, связанные с выполнением сборки инструментов; 3 - простои, связанные с выполнением входного контроля вне станка; 04 - простои, связанные с выполнением настройки инструмента вне станка; Оз - простои, связанные с формированием комплекта инструментов; Об - простои, связанные с транспортированием инструментов. Оргпростои станка, связанные с отсутствием оператора-наладчика, целесообразно подразделить на: Uот Uom.n от.зам К/" ) где Оотм - оргпростои, связанные с отсутствием оператора-наладчика при подготовке на станке инструментов-дублеров или переналадке комплекта инструментов (например, в 1 смену); Оот.зам - то же при отказе инструмента и невозможности его замены без участия оператора-наладчика.
Простои, связанные с устранением брака по вине инструмента, включают комплекс действий по его устранению. При этом действия по устранению исправимого брака Би и неисправимого Бн различны.
Неисправимый брак возникает, как правило, при замене отказавшего инструмента по износу, при этом выполняются следующие действия по его устранению: осмотр детали, настройка или подналадка инструмента по пробным проходам, ввод коррекции, повторение программы обработки поверхности.
При неисправимом браке к данным действиям добавляется установка и снятие детали, а также время работы всех инструментов, предшествующих отказавшему.
При обследовании работы СИЛО в условиях эксплуатации были выявлены простои работоспособного оборудования из-за простоев функционально связанного с ним оборудования по вине инструментообеспечения. Такие простои в работе получили "наложенных по инструментообеспечению (Н)". Они обычно возникают из-за отказов инструмента, а также потерь времени, связанных с переналадкой, как на предшествующих, так и на последующих по техпроцессу станках, а также при собственных отказах системы СИПО АСС.
Формирование инструментальных комплектов в условиях АСС невозможно без учета особенностей технического уровня оборудования АСС и, в первую очередь, уровня его автоматизации. Эффективное функционирование станков с ЧПУ в АСС может быть обеспечено только при соответствующем уровне автоматизации инструментообеспечения АСС.
Предложенное ранее (см. раздел 2.1) разделение комплексной функции инструментообеспечения на функции станков по использованию инструмента и функции, выполняемые СИПО АСС, позволяет наметить пути рационального инструментообеспечения для станков различного уровня автоматизации и режимов эксплуатации в АСС.
В общем случае предполагается, что чем выше уровень автоматизации станков, тем более высоким должен уровень автоматизации СИПО и, следовательно, уровень автоматизации инструментообеспечения АСС. Соответствие уровня автоматизации СИПО АСС уровню автоматизации станков с ЧПУ обеспечивает наиболее полное раскрытие технических возможностей высокоавтоматизированного оборудования. И наоборот, несоответствие уровней автоматизации СИПО и оборудования АСС приводит к недоиспользованию технических возможностей и СИПО, и оборудования, что уменьшает эффект применения СИПО данного уровня автоматизации.
В зависимости от уровня автоматизации инструментообеспечения АСС может изменяться степень автоматизации, состав и способы выполнения функций по инструментообеспечению. В станках высокой степени автоматизации предусмотрена возможность выполнения части функций по инстру-ментообслуживанию непосредственно на самом станке.
Определение оптимального режима эксплуатации инструментального комплекта
Для оценки рациональности организации эксплуатации инструментов на отдельных станках АСС целесообразно использовать переменную часть себестоимости, в которую входят параметры, определяющие условия эксплуатации инструментов, организацию замены инструментов при отказе, вероятность безотказной работы комплекта инструментов, требуемое количество инструментов-дублеров и некоторые другие.
Для выявления степени влияния отдельных перечисленных параметров на критерии оптимальности были проведены исследования, результаты которых представлены ниже.
Выражения (3.21) и (3.29) определяют зависимости, связывающие скорость резания и количество требуемых инструментов-дублеров, когда вероятность безотказной работы инструментов каждого наименования принимается Рк=0,5. (При условии постоянного обслуживания инструментов оператором или при условии полностью автоматизированной диагностики и замены отказавших инструментов назначать вероятность безотказной работы инструментов Рк 0,5 нецелесообразно. При этом инструменты рассматриваются как работающие изолированно.)
Из этих выражений видно, что при заданных значениях V , /лк ,t орк ,Т орк и JV каждому значению пк соответствует свое значение Vk. Подставляя в выражение критерия пары найденных значений пк и Vk, определяем такую пару экономических значений пк и Vk, которая обеспечивает минимум 0 = 0 ЭК при остальных, постоянных значениях параметров.
Для вариантов организации замены инструментов на станках АСС, когда запасные инструменты-дублеры подготавливаются заранее и при нехватке подготовленного запаса дублеров станок простаивает до начала следующей I смены, методика определения экономической скорости резания иная.
В этом случае инструменты всех наименований и их дублеры рассматриваются как единый комплект инструментов. Расчет скорости резания, количества инструментов-дублеров производится с учетом работы с заданной надежностью всего комплекта в целом.
Из теории надежности известно, что вероятность работы нескольких последовательно работающих элементов равна произведению вероятностей безотказной работы этих элементов.
Вероятность безотказной работы комплекта инструмента / наименований: наименования. Поскольку инструмент в составе наладок загружен различно, а Р может быть получена произведением различных сочетаний сомножителей Рк, то была поставлена задача выявить взаимосвязь между величиной загрузки инструментов к-то наименования в наладке и величиной вероятности безотказной работы комплекта инструментов к-то наименования Pk. Рассмотрим следующий пример. Представлена наладка из 5-ти инструментов.
Варианты варьирования Л охватывают основные возможные сочетания и величины загрузки инструментов в реальных условиях производства. В варианте I один из инструментов (первый) загружен основную часть времени обработки - Л, =0,9. В варианте 2 - два инструмента выполняют большую часть обработки: At = Л2 = 0,45. В варианте 3 и 4 - доля резания одним из инструментов значительно меньше (0,5 и 0,35). Остальное время обработки распределялось равномерно между оставшимися инструментами.
Для каждого варианта варьирования Ак, сочетания значений Рк и заданного значения Р определялась величина 0. Для повышения достоверности величина Р изменялась в достаточно широких пределах 0,7-0,99 (в табл. 3.2. приведена только та часть полученных значений 0, которая лежит в окрестностях 0 экпо каждому варианту варьирования A4).
Результаты приведенных расчетов показывают, что для значений Р (0,7-0,99), встречающихся в реальных условиях эксплуатации АСС независимо от величины загрузки инструмента при различных сочетаниях вероятностей безотказной работы инструментов входящих в состав наладки (Р = Р: Р2 -Рк), полученные значения 0 при заданном Р не отличаются друг от друга больше, чем на 4,5 %. При этом минимальное значение 0 ЭК, как правило, соответствует комбинации Рк = Р/.
Предлагаемый алгоритм и разработанный на его основе программный продукт позволяет определять сочетание вероятности безотказной работы комплекта инструментов, количество инструментов-дублеров и скорости резания каждого инструмента наладки, обеспечивающие достижение минимума переменной части себестоимости, связанной с организацией инструментообеспечения. Алгоритм выглядит следующим образом:
С целью сопоставимости полученных результатов во всех дальнейших расчетах рассматривалась одна и та же инструментальная наладка, используемая для обработки детали № 1. В ее состав вошли все основные режущие инструменты, используемые на сверлильно-фрезерных-расточных станках с ЧПУ, при обработке типовых корпусных деталей средних массогабаритных характеристик (табл. 3.3). Параметры надежности, средней стойкости инструментов, затрат времени на инструментообеспечение, величины простоев и др. параметров, связанных с эксплуатацией инструмента и инструментообеспечением станков в АСС, соответствуют данным, полученным при обследовании АСС в условиях промышленной эксплуатации, и являются типовыми. Ряд данных получен на основании экспертных оценок. Величины затрат на инструмент, стоимости часа работы оборудования системы ИО, коэффициенты рациональности "6" и автоматизации "а" являются расчетными величинами, расчет которых приводится ниже.
Задачи решаемые АС формирования инструментальных комплектов
Научные положения и проведенные в диссертации исследования были использованы при разработке рекомендаций и основных положений структуры формирования и использования инструментальных комплектов, а также при разработке технического задания на создание системы ИО АСС в условиях АО Сафоновский электромашиностроительный завод.
Разработанные положения по организации системы АСС, учитывают методики, алгоритмы и методы расчета, критерии оптимальности, изложенные в диссертации. Предлагаемые решения обеспечивают работу станков различных уровней автоматизации в АСС завода. Основные положения и методические подходы могут быть использованы при разработке типовых систем ИО АСС.
На уровне ИО АСС решаются следующие задачи: -хранение и учет движения инструмента (100%-ный входной контроль качества; уточнение норм расхода, запаса и оборотных фондов, заказ и получение инструмента из центрального инструментального (ЦИС) и автоматического (ЦАС) складов и инструментального цеха (ИЦ); складирование и подборка со склада для подготовки к работе; ведение учетной документации и описание); -подготовка к работе (сборка; настройка и измерение; приработка, запись текущей информации; комплектование на операцию, смену и т.п.); -транспортирование на общецеховой склад или на рабочие места (комплектов для переналадки; инструментов-дублеров); -контроль эксплуатации инструмента (наблюдение; ежесуточные или ежесменные осмотры; принятие решения о подналадке или замене; подналадка или замена, корректировка режимов резания; количества инструментов-дублеров, норм расхода; контроль и анализ простоев станков, связанных с инструментом; уточнение критериев затупления); -возврат отработавшего инструмента (разборка, накопление и анализ данных о состоянии отработавшего инструмента; контроль суточного расхода по рабочим местам; сортировка, передача на восстановления). Для работы СИО, как автоматизированной системы, необходима надежная нормативная информация, полученная на стадии разработки техпроцессов и их отладки.
Все данные по отлаженному техпроцессу должны заноситься в банк данных БД САПР ТП, являющийся основной базой данных не только для САПР ТП, но и для всей системы ИО АСС.
В общем виде структура формирования и использования инструментальных комплектов в системы ИО АСС представлена на рис. 4.1.
При разработке и отладке техпроцессов изготовления деталей используются: расчет требуемого количества инструментов-дублеров, режимов резания, обеспечивающих достижение минимальной себестоимости операций по методике, изложенной в главах 2 и 3 диссертации.
При разработке техпроцессов используется ограниченная номенклатура инструмента, достаточная для обеспечения требуемой производительности при максимальной гибкости. Указанная номенклатура инструмента является "законом" при создании и функционировании САПР ТП и САПР К.
По каждому типоразмеру инструмента в банке данных должна содержаться базовая информация, включающая: -области применения и технологические особенности инструмента; -критерии затупления и связанные с ними технологические и силовые признаки; -закон и параметры распределения отказов; -перечень и отклонения контролируемых параметров для входного контроля; -среднее количество периодов стойкости; -уровень затрат времени на инструментообеспечение и выполнение функций, связанных с использованием инструмента, значение коэффициентов рациональности и автоматизации, рассчитанные в соответствие с методикой, предлагаемой в главе 3. диссертации; -отлаженные для конкретной группы типовых поверхностей" опорные режимы обработки, стойкость, количество дублеров при фиксированных партиях запуска конкретных закрепленных деталей; -для закрепленных деталей расход инструмента на годовую программу и т.п. Указанные сведения заносятся в анкету инструментов (см. рис.2.2). Блок 1. Подготовка производства конкретной детали-опереации с отлаженным в отделе главного технолога (ОГТ) техпроцессом начинается по получению месячного задания из планово-распределительного бюро (ПРБ) (АСУП) цеха.
