Содержание к диссертации
Введение
1, Проблема АСТПП и размерно-точностное проектирование технологических процессов . 9
2, Исследование моделей системы "Технологический процесс" 34
2.1, Исследование и разработка информационной модели системы " Технологический процесс" 34
2.2. Исследование функциональной взаимосвязи систем ТП, разработка структурной и организационной моделей технологического процесса 68
3, Исследование методов проектирования системы "Технологический процесс" деталей класса "Тела вращения" 76
4, Исследование технологических процессов, разработка и формализация правил назначения операционных линейных размеров 117
4.1. Обоснование методики проведения исследований и выбор критериев рациональности
4.2. Исследование размерных схем технологических процессов и разработка правил назначения операционных размеров 124
4.2.1. Исследование технологического процесса изготовления детали "Полумуфта 103" 128
4.2.2. Исследование технологического процесса изготовления детали "Втулка 449" 141
4.2.3. Исследование технологического процесса изготовления детали "Барабан 075" 147
4.3 Систематизация правил и разработка алгоритма назначения операционных размеров
4.4 Исследование взаимосвязи точности конструкторских и технологических размеров и разработка алгоритма анализа технологических размерных цепей. 181
4.4.1.Исследование трехзвенных технологических размерных цепей 183
4.4.2.Разработка алгоритма анализа четырехзвенной размерной цепи 235
Основные выводы и результаты работы 242
Литература 245
Приложения 258
- Проблема АСТПП и размерно-точностное проектирование технологических процессов
- Исследование функциональной взаимосвязи систем ТП, разработка структурной и организационной моделей технологического процесса
- Исследование методов проектирования системы "Технологический процесс" деталей класса "Тела вращения"
- Исследование размерных схем технологических процессов и разработка правил назначения операционных размеров
Введение к работе
"Главная задача одиннадцатой пятилетки состоит в обеспечении дальнейшего роста благосостояния советских людей на основе устойчивого, поступательного развития народного хозяйства, ускорения научно-технического прогресса и перевода экономики на интенсивный путь развития, более рационального использования про изводственного потенциала страны, всемерной экономии всех видов ресурсов и улучшения качества работы.
ЦК КПСС отмечает, что этот курс будет определять всю деятельность нашего государства не только в настоящее время, но и общую ориентацию хозяйственного развития на будущее.
"Ответственным этапом в реализации долгосрочных задач станет одиннадцатая пятилетка» Она призвана воплотить приемственность курса социально-экономического развития страны и стратегические установки партии на восьмидесятые годы с учетом специфики ближайшего пятилетия".
Особое значение приобретает при этом ускорение научно-технического прогресса путем своевременного использования передовых достижений науки, техники и производственного опыта, обусловленных научно-технической революцией.
Ведущее место в дальнейшем росте экономики страны принадлежит отраслям машиностроения и приборостроения, которые обеспечивают материальную основу технического прогресса всех отраслей народного хозяйства.
Намеченные ХХЯ съездом КПСС основные направления экономического и социального развития СССР на 1981 • 1985 гг. и на период до 1990 г. предусматривают "повысить эффективность машинострои тельного производства за счет совершенствования его технологии и улучшения организации, обеспечить глубокую внутриотраслевую и межотраслевую унификацию деталей, узлов и технологических процессов , в том числе "расширять автоматизацию проектно-конструк торских и научно-исследовательских работ с применением электрон «2 но-вычислительной техники"
Современное машиностроение характеризуется частой сменой объектов производства, повышением их технического уровня и качества, увеличение единичной мощности и производительности машин, снижением их металлоемкости интенсификацией технологических про цессов и режимов работы оборудования, внедрением принципиально новых технологических процессов, их автоматизацией с широким применением ЭВМ.
В производстве накоплен большой опыт по разработке и использованию прогрессивных технологических процессов и оборудования. Успешно применяются станки с числовым программным управлением» переналаживаемые автоматические и полуавтоматические линии, что открывает пути развития автоматизации машиностроения в направлении создания гибких автоматизированных производств В речи на июньском 1983 года Пленуме ЦК КПСС Генеральный секретарь ЦК КПСС Ю.В.Андропов подчеркнул: "Предстоит осуществить автоматизацию производства, обеспечить широчайшее применение компьютеров и ро ботов, внедрение гибкой технологии, позволяющей быстро и эффек тивно перестраивать производство на изготовление новой продукции".
Успешное решение поставленных задач возможно только при ус ловии автоматизации технологической подготовки производства (ТШІ), которая охватывает весь комплекс работ по проектированию технологии, изготовлению необходимой оснастки и инструмента, установке и освоению нового оборудования, отладке отдельных операций и всего процесса изготовления нового изделия.
Одним из основных объектов автоматизации в технологической подготовке производства, согласно ГОСТ 14,401-73, является проектирование технологических процессов и программ для оборудования с программным управлением [40].
Наиболее приемлемым методом, обеспечивающим автоматизацию проектирования с возможностью использования в качестве средств автоматизации современных ЭВМ, служит метод алгоритмизации проектирования, основанный на системном подходе к исследованию объек » тов проектирования, использовании современных методов и средств, преемственности в решении однотипных задач [40].
Наряду с очевидными достоинствами (повышение качества и со кращение сроков проектирования, устранения разнообразия в решении однотипных задач и др.) метод алгоритмизации предполагает проведение сложных работ по формализации процесса проектирования и созданию языка описания всех встречающихся в проблеме объектов.
В последние годы исследования в этом направлениях проводятся как в СССР, так и за рубежом.
Работы Г.К.Горанского, А.М.Гильмана, С.П.Митрофанова, Вій.Комиссарова, Э.Х.Тыугу, Н.М.Капустина, В.Д.Цветкова, Й.А.Ива-щенко, В«В.Матвеева и многих других советских ученых показали не только принципиальную возможность алгоритмизации проектирования технологии, но и подчеркнули необходимость создания моделей процессов с учетом всего комплекса определяющих факторов и многообразия связей между ними [22,27,33,45,50,54,105 и др.].
При проектировании технологических процессов изготовления деталей в условиях гибких автоматизированных производств значительное место во всем комплексе работ занимает размерный анализ основных выходных параметров технологического процесса (операционных размеров, припусков, размеров заготовки и т.п.), а также оценка точности технологического процесса в целом.
Особо важное значение в этих условиях приобретает создание формализованных моделей размерного анализа и синтеза, позволяющих проводить прогнозирование точностных характеристик параметров технологического процесса на стадии проектирования. Разработка на базе таких моделей систем автоматизированного проектирования тех нологических процессов позволит перенести решение многих вопро сов из стадии освоения технологического процесса на стадию проектирования, где поиск рациональных и оптимальных решений не связан с огромными материальными затратами.
В предлагаемой работе на основе исследования моделей и методов проектирования системы "Технологический процесс" и анализа количественных связей между параметрами точности детали, опреде ляющими их технологическими факторами и Единой системой допусков и посадок СЭВ, решаются следующие задачи:
- разработки математических моделей всех технических материальных систем, участвующих в процессе проектирования технологии изготовления деталей класса "Тела вращения";
- создания формализованного языка описания исходной информа-ции о детали класса "Тела вращения", обеспечивающего автоматизацию распознавания размерных связей и автоматизацию создания необходимых в ходе проектирования математических моделей;
« разработки математических моделей каждого уровня проектирования маршрута технологического процесса изготовления деталей класса "Тела вращения";
- разработки принципиальной схемы автоматизированной системы проектирования технологических процессов изготовления деталей класса иТела вращения", обеспечивающей широкое использование методов размерного анализа и синтеза при проектировании маршрута изготовления детали и прогнозирование точностных параметров технологического процесса на стадии проектирования;
- разработки математических моделей и алгоритмов назначения и анализа операционных линейных размеров, обеспечивающих их получение автоматически на настроенном оборудовании.
Проблема АСТПП и размерно-точностное проектирование технологических процессов
Автоматизация технологической подготовки производства (АСТПП) в наотоящее время является одним из основных направлений совершенствования технологической подготовки производства (ТПП). АСТПП это обширная проблема, которая включает вопросы: анализа производства; организации производства; технологического проектирования; выбора технических средств для решения задач проектирования технологии; организации взаимодействия технолога с техни » чеекими средствами; алгоритмизации и программирования технологических задач; организации процесса проектирования АСТПП и управ » ления ТПП; организации взаимодействия АСТПП с другими подсистемами АСУП; организации автоматизации и механизации производства; организации всей ТПП при условии применения вычислительной техники»
Разнохарактерность задач, охватываемых АСТПП, предопределяет необходимость их реализации с помощью автономных автоматизированных оистем различных классов: автоматизации проектирования технологических процессов (АПТП), автоматизации управления технологическими процессами (АСУТП), автоматизации проектирования технологической оснастки (АСПТО) и другие, которые, взаимно дополняя друг друга, образуют законченную комплексную автоматизированную систему технологической подготовки производства.
Так как большой объем и разнохарактерность задач, решаемых АСТПП, не позволяют рассмотреть их все в рамках одной работы, то выделим проблему автоматизации проектирования технологических процессов (АПТП) и остановимся на ней более подробно.
В настоящее время советскими учеными Г.К.Гораноким. Н.М.Ка пустиным, В.И.Комиссаровым, С.П.Митрофановым, В.Д.Цветковым и мно - 10 гими другими созданы основы теории автоматизации технологическое го проектирования, разработан ряд локальных систем проектирования технологических процессов, которые нашли практическое применение на промышленных предприятиях.
Задача выбора технологического маршрута при проектировании индивидуальных технологических процессов является весьма сложной задачей, учитывающей множество различных факторов: технологические возможности применяемого оборудования и оснастки, форму и размеры детали, систему простановки конструкторских связей, величину партии запуска и многие другие. Попытки формализации этого этапа проектирования, как отмечается в [34], на первом этапе создания АПТП даже не предпринимались.
- II В то же время наличие на предприятиях большого числа деталей типовых конструкций, на которые были разработаны типовые технолог гические процессы, привело к тому, что первыми объектами автома-тизации явились различные классификаторы, типовые технологические процессы и решения, многочисленные паспортные и нормативные дан ные о станках, режимах резания, припусках, нормах времени и дру гие справочные данные, которыми располагали создатели АПТП и ко« торые легли в основу информационно-поисковых подсистем. В ходе создания информационно-поисковых подсистем (ИПС) проводились значительные исследования при разработке методов поиска решений по справочно-нормативным таблицам, которые показали возможность формализовать справочные и нормативные материалы в виде таблиц соот» ветствий, представлявших связи между множествами возможных реше ний и множествами условий их применения [29,34,77,105]. Процесс технологического проектирования в этом случае сводится к разработке, анализу, корректировке и минимизации таблиц соответствия и поиску решения по этим таблицам [26,27,29,34,77,105].
Все разработки по созданию ИПС, по построению таблиц соответствий и алгоритмов поиска решений по этим таблицам реализова лись прежде всего при проектировании типовых и групповых технологических процессов и операций с использованием нормативных и справочных данных [14,16,17,20,28,29,49,66,77,87,90,105].
Однако первые успехи в разработке АПТП одновременно показа ли, что автоматизация технологического проектирования на основе типовых и справочно-нормативных рекомендаций, механизируя некоторые трудоемкие разделы работы технолога, по сути не решает задачи выбора оптимального технологического решения. Это происходит потому, что нормативно-справочные данные, используемые в технологичес ком проектировании, не устанавливают явных количественных связей между параметрами точности, производительности обработки и факто -12-рами, влияющими на их величины. Эти данные носят усредненный ха-рактер и часто недостаточно надежны и достоверны. Их постоянно дорабатывают применительно к условиям конкретного предприятия методом проб и ошибок. Поэтому уровень оптимизации технологических задач ограничивается достижениями лучших решений из уже известных в практике машиностроения или конкретного предприятия, т.е. метод ориентирован на прошлый опыт производства, а не на создание новых прогрессивных технологических процессов. Таким образом, достаточно совершенная система автоматизированного проектирования оказалась работающей на устаревшем технологическом ма« териале. Основой ее является прошлый опыт машиностроения, а фор мой - таблицы и справочные данные, исключающие отыскание оптиналь » ных решений и требующие большого объема памяти ЭВМ для хранения этой информации [57,77,34].
Размерно-точностное проектирование, разработанное еще основоположниками технологии машиностроения А.П.Соколовоким, В.М.Кованом, В.СКорсаковым и Б.С.Балакшиным [3,35,60,61,62,93] еще недостаточно применяются при АПТП. Однако изучение работ, в которых применены положения размерно-точностного анализа при автоматизации технологического проектирования, убедительно показало значительные возможности этого метода в отыскании оптимальных технологических решений [5,6,7,23,29,43,44,45,50,52,71,83 и др.].
Исследование функциональной взаимосвязи систем ТП, разработка структурной и организационной моделей технологического процесса
Выявленные и описанные технические материальные системы тех» нологического процесса необходимо рассматривать не только обособленно, как это было сделано выше, но и в функциональном взаимо действии друг с другом.
0 единстве рассмотренных ТМ«#систем говорит тот факт, что они объединены единой проблемой, имеют функциональную общность. Действительно, все рассмотренные ТМ системы описывают предмет производства в разные этапы его существования, которые в сумме еос тавляют единую непрерывную жизнь предмета. Так, система "Деталь" характеризует предмет производства в конце технологического про цесса; система "Заготовка" - в конце каждого шага технологичвсякого процесса, а система "Обработка" охватывает время этих шагов.
Из сказанного вытекает, что в структуре технологического процесса этапы непосредственного преобразования (динамические этапы) чередуются с этапами относительной стабильности (статичес » кие этапы). Во время каждого динамического этапа соответствующие элементы системы "Заготовка" вступают во взаимодействие с представителями средств труда, образуя частную систему "Обработка", цель которой перевести эти элементы в следующее состояние, обеспечив требуемое положение в топологическом пространстве. Во время статических этапов элементы системы "Заготовка" функционируют обособленно.
Таким образом, прослеживается единство общей цели этих ТМ«» систем. Так, система "Деталь" является функцией, т.е. составляет цель функционирования, оистемы "Заготовка", а последняя в свою очередь - цель функционирования соответствующих систем "Обработка".
Но, наряду с указанной общностью, рассмотренные ТМ системы обладают обособленностью, замкнутостью, которые выражаются в наличии у каждой из них своей цели, структуры, своих свойств элементов. Из проявления этих двух свойств систем: общности и обособленности, вытекает наличие иерархической соподчиненности между ними [105,109].
Как видим, каждая слева стоящая система представляет собой функциональное (целевое) описание соответствующей смежной системы. Особое внимание для рассмотрения ТМ систем технологического процесса приобретает временной фактор, который служит для оценки продолжительности функционирования каждой системы, т.е. определяв ет время ее существования. Так, система "Деталь" начинает свое существование с момента окончания технологического процесса изготовления и контроля детали. По другому обстоит дело в системе "Заготовка". По окончании изготовления заготовки любым способом (литье, штамповка, прокат и т.п.) можно говорить о наличии систе« мы "Заготовка", находящейся по отношению к механической обработке в исходном состоянии. В ходе механической, термической, гальванической и других видов обработки элементы системы изменяют свое состояние и положение в пространстве.
Учитывая вышесказанное, разработаем структурную модель системы "Технологический процесс", которую изобразим на рис. 7.
Предотавленная модель наглядно показывает многоуровневость системы ТП, низшим звеном (элементом) которой является ТМ система "Обработка", а также наличие в структуре системы динамических и статических этапов. В каждом динамическом этапе, как видно из рис. 7, могут участвовать несколько систем "Обработка", объединение которых проводится по-разному: одновременная работа ТМС-0 (TMC-Oj и TMOOg на модели рис. 7), последовательная работа ТМС«»0 (ТМС 0о и TMC-Oj на модели рис. 7) и т.д.
На структурной модели ясно видна взаимосвязь систем, показывающая, что каждая следующая за ТМОО система "Заготовка" является функцией этой системы "Обработка" Система "Деталь", как видно из структурной модели, является целью функционирования всей системы "Технологический процесс". Время функционирования каждо го вида систем на рис. 7 показано в виде прямых линий, отражающих в определенном масштабе величину этого времени.
Временной фактор в сочетании с частичной характеристикой системы "Обработка" (станок, приспособление, инструмент и т.д.) служит основой для разработки организационно-плановой структуры системы "Технологический процесс".
Исследование методов проектирования системы "Технологический процесс" деталей класса "Тела вращения"
Проведя анализ структуры и взаимосвязи ТМ-систем технологического процесса, выявив многоуровневую структуру организации его и определив последовательность синтеза ТМ-систем - необходимых компонент системы ТП, перейдем к исследованию многоуровневого итерационного процесса проектирования, на основе которого разработаем принципиальную схему автоматизированной системы проектирования технологических процессов изготовления деталей класса "Тела вращения".
Анализ литературных источников, проведенный в главе I, показывает, что проектирование представляет собой итерационный, многоуровневый процесс, основные положения которого наиболее полно изложены В,Д,Цветковым [Ю5].
На основе этих положений проведем разработку и исследование методики автоматизированного проектирования технологических процессов изготовления деталей класса "Тела вращения".
На первом уровне проводим проектирование принципиальной схемы технологического процесса, связанное с разделением его на отдельные части, получившие в технологии название этапов [93,97, 105 и др ]»
В качестве этапа технологического процесса примем однородную по виду обработку отдельных элементов или заготовки в целом. Разделение технологического процесса по виду обработки связано с решением двух задач: 1, Выделение и распределение между собой этапов механической, термической, гальванической и других видов обработки. 2. Выделение и распределение между собой этапов механичес кой обработки, например, этапы токарный, фрезерный, шлифовальный и т.д. Таким образом, общую задачу первого уровня проектирования необходимо решать в две стадии»
На первой стадии определяются состояния элементов заготовки, в которых они поступают на этапы немеханической обработки, т.е. на этой стадии проектирования механическая обработка раздел ляется на части, выполняющиеся до или после этапов, изменяющих физико-механические свойства элементов или заготовки в целом. При этом назначается квалитет точности и класс шероховатости поверхностей каждого элемента, поступающего на указанные этапы немеха-ничеокой обработки в предварительном состоянии и требующего для получения окончательного состояния дальнейшей механической обработки.
На этой же стадии определяется состояние элементов заготовки по выходе с каждого этапа немеханической обработки и оборудование, необходимое для проведения этапов немеханической обработки.
На второй стадии первого уровня проектирования каждая выделенная часть механической обработки разделяется на этапы по ее виду (этап токарный, этап фрезерный, этап шлифовальный и т.п.). При этом на основе анализа исходного состояния элементов в системе "Заготовка", конечного их состояния в системе "Деталь" и окружающей производственной обстановки выявляется соответствие между элементами ТМС-Д и средствами труда, с помощью которых эти элементы могут быть переведены из исходного в конечное состояние. Здесь определяется: группа оборудования, на котором выполняется каждый этап механической обработки; состав элементов заготовки, обработка которых проводится на выбранной группе оборудования; состояние этих элементов после обработки на каждом этапе. Для эле ментов, выходящих с этапа в предварительном состоянии, исходя из технических возможностей выбранного оборудования, назначаются квалитет точности и класс шероховатости.
Все вышесказанное позволяет сделать вывод: каждому этапу технологического процесса соответствует множество элементов, принадлежащих технической материальной системе "Заготовка", на«» ходящихся после выполнения этапа в определенном состоянии и требующих для достижения этого состояния станков, принадлежащих оп ределенной группе оборудования, т.е. можно записать:
Исследование размерных схем технологических процессов и разработка правил назначения операционных размеров
Исследования действующих технологических процессов изготовления деталей класса "Тела вращения", учитывая принятые методы, проводим в следующей последовательности: - составляем модели операций и размерные схемы действующего технологического процесса; - выделяем группы элементов, обладающих общими характеристиками, и проводим анализ размерной схемы, выявляя закономерности простановки операционных линейных размеров, удовлетворяющих принятым критериям; - если система простановки операционных линейных размеров не удовлетворяет принятым критериям, изменяем ее, составляя и исследуя частные размерные схемы; - если изменение простановки операционных линейных размеров не приводит к желаемому результату, изменяем систему базирования или последовательность выполнения операций и проводим все исследования заново; - проведя все изменения, составляем новую размерную схему и все расчеты выполняем на ЭВМ по программе ZEP1 анализируя их результаты»
Исследованию подвергалось большое количество технологических процессов изготовления деталей класса "Тела вращения", действующих на предприятиях Ленинграда, Свердловска, Москвы, Владивостока и других городов. Представить исследуемые варианты всех размерных схем в работе практически невозможно. Поэтому для пояснения рассуждений при разработке правил назначения операционных линейных размеров даны несколько характерных случаев.
Прежде всего введем следующие наименования: рассматриваемый элемент - плоскостной элемент, для которого необходимо назначить технологическую базу и проставить опера ционный размер, координирующий этот элемент на проектируемой операции; - показатель связности - количество конструкторских размеров, связывающих рассматриваемый элемент с плоскостными элемен-тами, ограничивающими элементы вращения первого уровня; - конструкторская база - плоскостной элемент, определяющий положение элемента, имеющего показатель связности, равный единице, в технической материальной системе "Деталь"; - конструктивно связанный элемент - плоскостной элемент, имеющий в технической материальной системе "Деталь" конструкторскую связь с элементом, показатель связности которого больше единицы; - технологическая база - плоскостной элемент, от которого задан операционный размер, координирующий рассматриваемый элемент на проектируемой операции; - установочная (опорная) база « плоскостной элемент, вступающий в контакт с установочными элементами приспособления и лишающий заготовку трех (одной) степеней свободы»
Анализ действующих технологических процессов позволяет все обрабатываемые элементы разделить на двенадцать групп, обладающих следующими характеристиками: - характеристика XI: элемент получает предварительное сос тояние на проектируемой операции не механической обработки; - характеристика Х2: элемент получает предварительное состояние на проектируемой операции механической обработки; - характеристика ХЗ: элемент получает на проектируемой операции окончательное состояние; имеет показатель связности, рав ный единице; конструкторская база к рассматриваемому моменту времени имеет предварительное состояние; рассматриваемый элемент не служит установочной (опорной) базой проектируемой операции и операции окончательной обработки конструкторской базы (нельзя использовать правило совмещения конструкторской и технологической баз и получить размерную цепь вида К)-Те ); - характеристика Х4; элемент получает окончательное состоя ние на проектируемой операции; имеет показатель связности, рав ный единице; конструкторская база поступает на проектируемую опе рацию в окончательном состоянии и не служит на ней установочной (опорной) базой (нельзя использовать правило совмещения конструк торской и технологической баз и получить размерную цепь вида К -Те ); « характеристика Х5: элемент получает окончательное состояние на проектируемой операции; имеет показатель связности, равный единице; не имеет предварительного состояния (предварительное состояние не явно выражено, т.е. нет номера на единицу меньше рассматриваемого); конструкторская база получает окончательное состояние на проектируемой операции (возможно совмещение конструкторской и технологической баз и получение размерной цепи вида К? Те. ) ; « характеристика Хб; элемент получает окончательное состояние на проектируемой операции; имеет показатель связности, равный единице; имеет предварительное состояние, полученное на предыдущих операциях; конструкторская база получает окончательное состояние на проектируемой операции (возможно совмещение конструкторской и технологической баз и получение размерной цепи вида К)-Те ); - характеристика Х7; элемент получает окончательное состоя ние на проектируемой операции; имеет показатель связности больше единицы; есть конструктивно связанные элементы, получающие окончательное состояние на предыдущих и проектируемой операциях (или только на предыдущих), но нет конструктивно связанных элементов, получающих окончательное состояние на последующих операциях; « характеристика Х8; элемент получает окончательное состояние на проектируемой операции; имеет показатель связности больше единицы; есть конструктивно связанные элементы, получающие окончательное состояние на предыдущих, проектируемой и последующих операциях; « характеристика Х9: элемент получает окончательное состоя " ние на проектируемой операции; имеет показатель связности, равный единице; служит установочной (опорной) базой на операции окончательной обработки конструкторской базы (возможно совмещение конструкторской и технологической баз и получение размерной цепи вида К -Те ); характеристика ДО; элемент получает окончательное состоя ние на проектируемой операции; имеет показатель связности, равный единице; конструкторская база поступает на проектируемую операцию в окончательном состоянии и служит на ней установочной (опорной) базой (возможно совмещение конструкторской и технологической баз и получение размерной цепи вида /fy = Те ); - характеристика XII: элемент получает окончательное состоя- ние на проектируемой операции; имеет показатель связности больше единицы; нет конструктивно связанных элементов, получающих окон » чательное состояние на предшествующих операциях, но есть конструктивно связанные элементы, получающие окончательное состояние на проектируемой и последующих операциях (или только на последующих).
