Содержание к диссертации
Введение
1. Введение 9
1.1. Научные основы современной технологии машиностроения 9
1.1.1. Анализ концептуальных подходов к технологическому проектированию 12
1.1.2. Анализ возможности моделирования технологических процессов
1.2. Актуальность 25
1.3. Проблема исследования 28
1.4. Цель исследования 29
1.5. Задачи исследования 30
1.6. Методы исследования 32
1.7. Научная новизна 34
1.8. Теоретическая ценность и практическая значимость 36
1.9. На защиту выносятся следующие положения 38
1.10. Апробация 39
2. Методика обработки данных 42
2.1. Статистический анализ 42
2.1.1. Оценка значения случайной величины 43
2.1.2. Оценка погрешности случайной величины 45
2.1.3. Распределение случайной величины 46
2.1.4. Критерии сходства случайных величин 54
2.2. Надежность технологического процесса и надежность технологического проектирования 62
2.2.1. Оценка надежности отдельного технологического перехода по величине коэффициента вариации 65
2.2.2. Оценка надежности плана обработки поверхности 68
2.3. Теоретико-множественный анализ 71
2.3.1. Основные понятия и определения 72
2.3.2. Методы и понятия теории нечетких множеств
2.4. Методы и понятия имитационного моделирования 77
2.5. Программное обеспечение 83
2.6. Выводы 85
3. Принципы технологического проектирования 87
3.1. Показатели качества и точности 87
3.2. Анализ надежности методов обработки по величине Ra 91
3.3. Модификация методики теоретико-множественного анализа таблиц точности 115
3.4. Проектирование последовательности обработки
3.4.1. Анализ критериев отличия технологических методов 134
3.4.2. Расчет вероятности повышения качества в результате обработки 134
3.5. Вероятностные таблицы точности механической обработки 135
3.5.1. Оценка существенности различий допусков для отдельных этапов механической обработки 135
3.5.2. Вероятностные таблицы точности обработки наружных цилиндрических поверхностей 167
3.5.3. Вероятностные таблицы точности обработки внутренних цилиндрических поверхностей 183
3.6. Структурная оптимизация плана обработки на основе имитационного моделирования 212
3.7. Заключение 214
3.8. Выводы 214
4. Алгоритмы и структуры данных 216
4.1. Построение обобщенных таблиц точности 216
4.2. Построение вероятностных таблиц точности 223
4.2.1. Применение матриц смежности для построения вероятностных таблиц 225
4.2.2. Матрица смежности графа обработки 227
4.3. Построение совокупной матрицы смежности графа обработки при контроле НЕСКОЛЬКИХ показателей точности / качества 231
4.4. Выводы 236
5. Экспериментальная проверка 237
5.1. Методика статистической обработки экспериментальных данных 237
5.2. Анализ точности обработки наружных цилиндрических поверхностей на предприятиях концерна «Европейская подшипниковая компания»
5.2.1. «Матрица высадочная Ц-1104-0704» - ВПЗ-15 240
5.2.2. «Матрица высадочная Ц-1134-0704» - ВПЗ-15 245
5.3. Анализ точности обработки наружных цилиндрических поверхностей на ОАОВТЗ 247
5.3.1. «Ось катка» 247
5.4. Выводы 251
6. Заключение и основные выводы 253
Библиографический список 256
- Анализ возможности моделирования технологических процессов
- Надежность технологического процесса и надежность технологического проектирования
- Анализ критериев отличия технологических методов
- Анализ точности обработки наружных цилиндрических поверхностей на предприятиях концерна «Европейская подшипниковая компания»
Введение к работе
Актуальность проблемы. Технологическое проектирование как комплекс инженерных задач, можно рассматривать в виде циклической итерационной последовательности дискретных, в достаточной степени самостоятельных и завершенных во времени, проектных процедур. Основная сложность автоматизации процесса технологического проектирования состоит в отдаленности по времени двух проектных процедур: принятия решения на этапе маршрутного проектирования и проверки корректности принятого решения, которая выполняется, как правило, в условиях опытного производства, т. е. на завершающем этапе цикла проектирования. От корректности инженерных решений, полученных на начальных стадиях (выбор методов и последовательности обработки поверхностей и смены баз), зависит необходимость выполнения всех последующих проектных процедур. Большинство промышленно применяемых технологических систем автоматизированного проектирования ориентированы на решение, так называемых, «формализованных», вычислительных задач. Задачи индивидуального маршрутного проектирования в таких системах не решаются.
В основе проектирования технологии механической обработки лежат проблемы формирования заданного качества изделия, которое в целом определяется размерной и геометрической точностью, микрогеометрическими и физико-механическими характеристиками отдельных обработанных поверхностей и точностью взаимного расположения поверхностей. Такие показатели качества обеспечиваются, соответственно, выбором не только методов окончательной обработки, с учетом технологической наследственности, но и выбором базовых поверхностей и последовательности обработки и смены баз. Проблемы, связанные с базированием, нашли отражение в работах А. М. Дальского, А. В. Королева, С. Н. Корчака, А. А. Кошина, А. Г. Суслова и других исследователей. Большинство изделий машиностроения характеризуется достаточно простой геометрической формой и, следовательно, качество обработки отдельных поверхностей может быть обеспечено выполнением относительно несложных методов формообразования.
Качество и точность обработанной поверхности оценивается комплексом показателей, каждый из которых можно рассматривать как параметр определенного технологического метода, формирующего заданное состояние поверхности изделия. Таким образом, одной из важнейших задач технологической подготовки производства следует считать задачу построения технологического маршрута для изделия в-целом и, на начальной стадии, для каждой элементарной поверхности. Используемые, в настоящее время, концептуальные подходы к маршрутному технологическому проектированию, предложенные А. П. Соколовским, С. П. Митрофановым, Б. М. Базровым, А. В. Королевым, базируются на концепции индивидуального маршрутного проектирования, которая реализуется в справочной информации в виде таблиц точности обработки, представляющих собой совокупность диапазонов значений технологических показателей для различных методов обработки. Основным недостатком традиционных таблиц точности, фактически определяющим невозможность формализованного решения задачи проектирования последовательности обработки, является отсутствие значений, определяющих величины изменения технологических показателей при каждом последующем переходе обработки. Кроме того, сами значения технологических показателей, приводимые в справочной литературе, также являются неоднозначными. Неоднозначность и низкая статистическая достоверность нормативно-справочной информации, применяемой в технологическом проектировании, приводит к низкой надежности результатов проектирования. Использование в САПР ТП преимущественно принципов типового технологического проектирования в сочетании с недостаточной достоверностью нормативно-справочной информации приводит к наследованию некорректных технологических решений прототипа в проектируемой технологии.
Предположения о сходстве методов решения задач технологического проектирования и задач дискретной математики, высказанные А. М. Дальским и С. Н. Корчаком, подтверждаются результатами исследований ведущих технологических научных школ и, в частности, работами В. И. Аверченкова, А. С. Васильева, А. И. Кондакова, Ю. Р. Копылова, В. Г. Старостина. Кроме того, экономический характер технологических проектных задач также определяет возможность применения положений теории графов. Методы дискретной математики, сформулированные в основных положениях теории графов, с учетом стохастической природы результатов механической обработки, должны быть дополнены положениями теории вероятностей и математической статистики. Таким образом, повышение уровня формализованности задач технологического проектирования и, в результате, повышение эффективности технологического проектирования, в особенности автоматизированного, возможно за счет использования математических методов имитационного моделирования. Для более эффективного использования предлагаемых методов необходимо разработать соответствующее информационное, математическое и программное обеспечение.
Повышение эффективности технологического проектирования (в особенности автоматизированного) возможно при использовании современных математических методов, таких как теория графов и имитационное моделирование, что в свою очередь, требует изменения логической структуры справочных данных.
Анализ состояния вопроса по материалам научных публикаций и предварительные исследования технологических возможностей машиностроительных предприятий позволили выявить ряд основных противоречий, не позволяющих в должной мере использовать существующие технологические знания для использования формальных методов проектирования маршрутных технологических процессов и построения САПР ТП, к которым можно отнести следующие:
противоречие между различными уровнями формализации задач инженерного проектирования: высоким – для конструкторских задач и низким – для технологических. Как следствие, эффект, достигнутый за счет применения САПР при разработке проекта изделия, теряется на этапе технологической подготовки производства;
противоречие между необходимостью применения САПР на всех этапах технологической подготовки производства и отсутствием формализованных проектных методик;
противоречие между заявляемыми и реальными возможностями технологических систем автоматизированного проектирования;
противоречивые данные о технологических возможностях методов механической обработки, использование которых в качестве информационной основы маршрутного проектирования не позволяет получать достоверные проектные результаты.
Выявленные противоречия определили актуальность данного исследования и позволили сформулировать научную проблему, которая состоит в необходимости совершенствования методов проектирования индивидуальных маршрутных технологических процессов механической обработки изделий заданного качества на основе уточнения представлений о стохастической природе процессов формирования качества обработанной поверхности и информационных и математических средств проектирующей подсистемы САПР ТП на основе имитационного моделирования для прогнозирования результатов многопереходной механической обработки.
Целью работы является повышение эффективности и надежности технологической подготовки многономенклатурного механообрабатывающего производства с использованием САПР ТП и применением современных математических методов для формализации процесса индивидуального маршрутного проектирования в части построения планов механической обработки поверхностей изделий заданного качества.
Объект исследования – многопереходная механическая обработка поверхностей изделий машиностроения.
Предмет исследования – процесс формирования точности и качества поверхности, получаемой в результате многопереходной механической обработки.
Задачи исследования:
-
Разработать информационное, алгоритмическое и программное обеспечение технологического проектирования, реализующее принципы проектирования «открытых» программных систем, для чего необходимо:
обосновать возможность рассмотрения задач научно обоснованного технологического проектирования с использованием имитационного моделирования;
разработать математические алгоритмы и методики проектирования последовательности обработки поверхности заданного качества и экспертизы действующих технологий;
установить и обосновать соответствие между алгебраическими структурами теории транспортных сетей и табличными моделями данных, принятыми в технологическом проектировании;
разработать систему численных критериев для оценки качества технологического проектирования и методику структурной оптимизации планов обработки;
разработать базу данных для ЭВМ по точности механической обработки на основе применяемых общемашиностроительных справочных изданий.
-
Сформировать статистически достоверные массивы справочной информации для оптимального проектирования планов обработки поверхностей, для чего необходимо:
разработать методику и критерии оценки статистической достоверности границ технологических допусков;
разработать методику учета технологических возможностей конкретного промышленного предприятия при построении таблиц точности механической обработки и базы данных для ЭВМ;
разработать методику сравнения границ технологических допусков для различных методов обработки;
разработать методику расчета величин изменения показателей качества и точности в условиях многопереходной механической обработки;
разработать методику и критерии оценки вероятности получения требуемого качества обработки.
Научная новизна: для повышения эффективности и надежности технологической подготовки механообрабатывающего производства с использованием САПР ТП на основе методов дискретной математики, теории нечетких множеств и имитационного моделирования решена актуальная научная проблема, связанная с созданием методологических основ построения планов обработки элементарных поверхностей заданного качества. Существо решения составляют следующие, наиболее крупные научные результаты:
предложен и обоснован концептуальный подход к проектированию планов механической обработки, учитывающий последовательное значимое повышение качества и точности в зависимости от состояния обрабатываемой поверхности, сформированного на предыдущих этапах технологического процесса.
разработана методология построения информационного обеспечения проектирования планов обработки элементарных поверхностей, адаптированного к технологическим возможностям конкретного производства, на основе математических методов теории нечетких множеств и математической статистики.
впервые предложена и обоснована информационная структура таблиц точности обработки, содержащих значения собственно величин и оценки достоверности изменения технологических допусков, определяемых методами теории нечетких множеств, для дискретно-событийного имитационного моделирования процессов формирования качества и точности поверхностей изделий машиностроения при многопереходной механической обработке;
созданы математические модели и алгоритмы и разработана методика формализованного индивидуального проектирования планов механической обработки на основе новой информационной структуры, определенной предложенным термином «вероятностные таблицы точности»;
впервые введено и обосновано понятие надежности плана обработки, как последовательно-параллельной технической системы и разработана методика расчета величины вероятностного показателя надежности на стадии проектирования последовательности обработки поверхности заданного качества;
разработана математическая модель структурной оптимизации планов механической обработки, базирующаяся на дискретно-событийной имитационной модели процесса формирования точности и качества элементарной поверхности изделия в ходе многопереходной механической обработки, с использованием в качестве целевой функции вероятностной оценки надежности плана обработки.
На защиту выносятся:
-
Концепция проектирования планов механической обработки поверхностей с учетом последовательного существенного повышения качества и точности в зависимости от текущего состояния поверхности изделия, сформированного на предшествующих этапах технологического процесса.
-
Методология формализованного проектирования планов обработки поверхностей заданного качества и точности на базе вероятностных таблиц точности обработки.
-
Понятие «вероятностные таблицы точности», логическая модель и содержание информационного обеспечения маршрутного технологического проектирования.
-
Методика формирования вероятностных таблиц точности обработки, учитывающих технологические возможности конкретного предприятия.
-
Понятие надежности плана механической обработки и методика вероятностной оценки показателя надежности на стадии маршрутного технологического проектирования.
-
Усовершенствованная методика статистического анализа технологических возможностей действующего механообрабатывающего производства.
-
Имитационная модель формирования качества и точности поверхности в процессе многопереходной механической обработки и формализованная методика проектирования планов обработки элементарных поверхностей, на основе вероятностных таблиц точности.
-
Система технических ограничений, целевая функция и методика структурной оптимизации планов механической обработки по критерию надежности технологического проекта.
Методы исследования. Все разделы работы выполнены с единых методологических позиций с использованием основных положений технологии машиностроения, теории резания металлов, основ математической теории эксперимента, теории систем, теории оптимизации и линейного программирования, теории графов и сетей, теории вероятностей и математической статистики, теории множеств, элементов теории алгоритмизации с использованием методов информационного поиска и обобщения результатов, методов имитационного моделирования,
Достоверность результатов исследования, научных положений и выводов подтверждается корректным применением методов математической статистики и теории вероятностей для обработки репрезентативных статистических совокупностей, использованием современных средств измерительной и вычислительной техники и прикладных программ для обработки массивов данных.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
Разработаны практические рекомендации по изменению и дополнению логической структуры нормативно-справочной информации, используемой в технологическом проектировании.
Уточнены нормативно-справочные данные, используемые в маршрутном технологическом проектировании.
Разработана база данных вероятностных таблиц точности обработки, содержащая дополненную, по сравнению с типовыми таблицами точности, информацию для формализованного проектирования маршрутных технологий.
Разработаны практические рекомендации и методические материалы для формализации и алгоритмизации задач маршрутного технологического проектирования, что позволило формировать планы механической обработки элементарных поверхностей в автоматизированном режиме.
Разработаны унифицированные алгоритмы технологического проектирования для построения технологических САПР.
Разработаны программы для ЭВМ, предназначенные для построения обобщенных и вероятностных таблиц точности, адаптированных под технологические возможности и технологические традиции конкретного механообрабатывающего производства и для оптимального проектирования индивидуальных планов механической обработки поверхностей заданного качества.
Результаты исследования внедрены:
в проектно-технологическую деятельность службы главного технолога и металлообрабатывающее производство ОАО «Производственное объединение «Баррикады», г. Волгоград.
в проектно-технологическую деятельность технологической службы и металлообрабатывающее производство ООО «Производственно-техническое предприятие «Поршень», г. Волжский, Волгоградской области.
в учебный процесс Волгоградского государственного технического университета, Камышинского технологического института (филиал ВолгГТУ), Волжского политехнического института (филиал ВолгГТУ).
Внедрение предложенных проектных и технологических решений в производство позволило обеспечить возможность проектирования оптимальных по критерию максимальной надежности технологического проекта планов механической обработки и, в результате, повышение надежности технологического проектирования и качества изделий при одновременном сокращении материальных и временных затрат на проведение проектно-технологических работ и опытного производства.
Решение научной проблемы выполнялось в рамках Генеральных Соглашений о научно-техническом сотрудничестве между Волгоградским государственным техническим университетом и машиностроительными предприятиями Волгоградской области; научно-технической программы, финансируемой Министерством образования и науки РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», раздел «Производственные технологии», бюджетная тема № 7.2706.2011 – «Повышение эффективности изготовления деталей из труднообрабатываемых материалов за счет применения информационной подсистемы индивидуального маршрутного проектирования и перспективных методов обработки» в ФБГОУ ВПО ВолгГТУ.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертации докладывались на 18 Международных и Всероссийских научных и научно-практических конференциях: «Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства» (Волгоград, 1999 г.); «Инновации в машиностроении» (Бийск, 2010 г.); «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2009, 2010, 2012 г.г.); «Интерактивные системы: проблемы человеко-компьютерного взаимодействия (ИС-2013)» (Ульяновск, 2013); «Машиностроение – основа технологического развития России (ТМ-2013)» (Курск, 2013 г.); «Методы повышения технологических возможностей металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ» (Уфа, 2010 г.); «Наукоёмкие технологии в машиностроении и авиадвигателестроении (ТМ-2012)» (Рыбинск, 2012 г.); «Новые материалы и технологии» (Москва, 2006, 2008 г.г.); «Новые технологии» (Миасс, 2011 г.); «Применение ИПИ – технологий в производстве» (Москва, 2009 г.); «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2006 г.); «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании' 2012» (Одесса, Украина, 2012 г.); «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и комплектующих изделий» (Уфа, 2011 г.); «Технические науки: современные проблемы и перспективы развития» (Йошкар-Ола, 2013 г.); «Фундаментальные и прикладные исследования производству» (Барнаул, 2001 г.).
В полном объеме диссертация заслушана и одобрена на заседаниях:
межкафедрального семинара Юго-Западного государственного университета (г. Курск), май 2013 г.;
расширенного семинара машиностроительного факультета Волгоградского государственного технического университета, сентябрь 2013 г.;
расширенного семинара кафедры «Проектирование технических и технологических комплексов» Саратовского государственного технического университета, сентябрь 2013 г.;
Ученого Совета института электронной техники и машиностроения Саратовского государственного технического университета, октябрь 2013 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 117 печатных работ, из них 30 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 2 монографии, 13 охранных документов и 12 статей в зарубежных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и основных выводов, библиографического списка из 448 наименований и 15 приложений. Материал изложен на 279 страницах, содержит 55 рисунков и 81 таблицу. Общий объем работы 373 страницы, в том числе 94 страницы приложений в отдельном томе.
Анализ возможности моделирования технологических процессов
Существует несколько путей повышения уровня формализации маршрутного технологического проектирования. В частности, для реализации [111] методов типового технологического проектирования, предложенных А. П. Соколовским [296, 297] используются алгоритмы информационного поиска. Научно-методическую базу типового подхода к разработке ТП составляет система классификации технологических процессов, в основе которой лежит классификация деталей по определенным признакам.
В качестве классификационных признаков деталей А. П. Соколовский использовал конструктивно-технологические признаки изделия: форма (конфигурация); размер, точность и качество обработанных поверхностей (шероховатость, твердость); конструкционный материал. Каждый тип деталей определяет множество конструктивных решений, их возможные сочетания, перечень параметров, а также диапазон допустимого изменения значений каждого параметра. Типовые технологические процессы [85], характерные для одного предприятия, охватывают детали, имеющие одинаковый технологи ческий маршрут обработки, однотипное оборудование и технологическую оснастку. Типовой подход к проектированию рекомендуется [257] применять при технологической подготовке малономенклатурных - массового или крупносерийного - машиностроительных производств. Типовые технологические процессы разрабатываются на основе анализа множества действующих и возможных технологических процессов на типовые изделия. Типизация технологических процессов осуществляется на уровнях предприятия или отрасли.
Типовые технологические процессы разрабатываются для каждого типа деталей и содержат технологические решения для обеспечения заданного качества. Типовой технологический процесс определяет базовый состав операций и технологических переходов в операциях для изготовления любой детали, входящей в этот тип. Поэтому в пределах одного типа допускается расхождение в структурах технологических процессов конкретных изделий. Различия возникают за счет добавления или исключения избыточных операций или технологических переходов.
Типовой подход к разработке технологических процессов использует метод «нисходящего» проектирования, который основан на изменении структуры и значений параметров технологического процесса, выбранного за базовый (типовой, общий), изготовления детали-представителя в соответствии со структурой и значениями параметров конкретной детали. В результате корректировки структуры и значений параметров типового технологического процесса изготовления деталей одного типа получается рабочий технологический процесс изготовления конкретной детали этого типа. В результате, рабочие технологические процессы изготовления деталей одного типа наследуют структуру типового технологического процесса.
Типовое проектирование достаточно эффективно в тех случаях, когда разрабатываемые технологии опираются на проверенные решения. Однако, если в качестве технологических прототипов в типовом проектировании используются недостаточно надежные или просто ошибочные технические ре шения, то результат проектировании также будет содержать эти ошибки. Ряд авторов [73, 111, 113] отмечает, что в результате «наследования» результат типового проектирования может быть «более ошибочным» по сравнению с прототипом. Индивидуальное - при отсутствии типовых технологических процессов - технологическое проектирование считается «неформализованной» [73, 375] задачей.
Групповое технологическое проектирование (С. П. Митрофанов) [204, 205, 206, 207, 208] предполагает классификацию технологических процессов по средствам технологического оснащения.
Группирование деталей осуществляется, в основном, по технологическим признакам: геометрическая форма, габаритные размеры, общность поверхностей, точность и шероховатость, однородность заготовок, серийность, экономичность процесса. Таким образом, в одну группу объединяются детали, характеризуемые при обработке общностью оборудования, технологической оснастки, наладки и технологического процесса.
При групповом технологическом проектировании наиболее ответственным этапом является объединение деталей в группу и разработка конструкции комплексной детали, содержащей в своей конструкции все основные конструктивные элементы, характерные для определенной группы деталей и определяющие конфигурацию деталей.
Разрабатывается групповой технологический процесс [85] изготовления комплексной детали. При этом, как и при разработке типовых технологий, используется метод «нисходящего» проектирования. Затем разрабатываются рабочие технологические процессы изготовления деталей группы и определяются групповые операции.
Структура рабочего технологического процесса изготовления каждой детали в группе наследует структуру технологического процесса изготовления комплексной детали. Наличие общей структуры изготовления деталей группы является информационной базой для построения группового технологического маршрута. При этом рабочие технологические процессы могут включать различные операции. Это наиболее характерно для многономенклатурного производства. В этом случае технологические процессы изготовления различных деталей, составляющих группу, характеризуются наличием общих групповых операций и разной структурой. Область применения группового технологического проектирования определяется как [257]: «... экономически целесообразное применение методов и средств крупносерийного и массового производства в условиях единичного, мелкосерийного и серийного производства».
Следует отметить, что большинство принятых в России подходов к технологическому проектированию предполагают разработку структуры технологического процесса на этапе технологической подготовки производства и «нисходящее» проектирование: маршрут (структура технологии в целом) — операции (структура отдельных этапов обработки изделия) — переходы ... [25, 28, 33, 91, 131, 165, 189, 190, 205].
В основе модульного (Б. М. Базров) подхода к технологическому проектированию лежит понятие модуля [25, 26, 27, 28] поверхности и система классификации модулей. Модульный подход к разработке технологии основывается на методе «восходящего» проектирования, при котором решаются задачи синтеза структуры элементов технологического процесса из структурных элементов предыдущего уровня.
Понятие «модуль поверхности» (МП) определяет отдельную поверхность или сочетание поверхностей изделия, предназначенные для выполнения соответствующей служебной функции детали и придания детали конструктивной формы, обусловленной, в первую очередь, эксплуатационными требованиями. Каждому модулю поверхности соответствует модульный технологический процесс (МТП), состоящий из модулей технологического процесса изготовления (МТИ), т. е. законченных фрагментов непосредственного процесса обработки заготовки по изготовлению определенного МП.
Надежность технологического процесса и надежность технологического проектирования
Имитационное моделирование [394, 436] - метод, позволяющий описывать процессы так, как они проходили бы в действительности. При этом результаты моделирования определяются не только закономерностями, но и случайным характером процессов. Актуальность [62, 125, 179, 312] применения имитационных подходов связана с высокими рисками, трудностью прогнозирования исходов сложных явлений или в тех случаях, когда невозможно или «сверхдорого» реализовать натурную модель ожидаемого явления, чтобы сформировать адекватную стратегию и тактику действий. В настоящее время имитационное моделирование охватывает широкий класс машиностроительных задач, к которым, например [62, 371], относятся задачи моделирования структуры производственных потоков и оптимизация расстановки и формирования номенклатуры средств оснащения при проектировании предприятий. Отметим, что в последнее время достаточное внимание уделяется не только вопросам организационно-экономического проектирования, но и проблемам формализации маршрутного технологического проектирования, в том числе и с применением методов имитационного моделирования [178, 179, 311].
В теории имитационного моделирования рассматриваются несколько равновозможных подходов [62, 125, 394, 436, 443] к построению моделей в зависимости от структуры и характера исследуемых процессов: агентное, дискретно-событийное и системно-динамическое моделирование. Учитывая особенности процессов формирования точности и качества [179, 250, 380] изделий машиностроения, рассматриваемых в настоящей работе, можно говорить о наиболее подходящей для построения моделей процессов механической обработки методологии дискретно-событийного имитационного моделирования. В дискретно-событийном [312, 443] моделировании функционирование системы представляется как хронологическая последовательность событий. Событие происходит в определенный момент времени и знаменует собой изменение состояния системы.
В качестве моделируемой технической системы мы рассматриваем процесс многостадийной (многоэтапной, многопереходной) механической обработки. Логически структура такого процесса представлена в виде хронологической последовательности этапов обработки: технологических операций, установов, переходов. Основные допущения, определяемые нами при построении дискретно-событийной имитационной модели, заключается в следующем: состояние системы в течение каждого этапа обработки не изменяется; изменение состояния системы происходит «мгновенно», в момент завершения этапа обработки в качестве количественных критериев изменения состояния системы рассматриваются числовые значения контролируемых показателей точности / качества изделия. для механической обработки поверхности, выполняемой на отдельно взятом технологическом переходе, в качестве условий функционирования технической системы следует рассматривать совокупность режимов обработки и физико-механических свойств инструментального и обрабатываемого материалов. В случае корректного проекта эти условия однозначно соответствуют конкретному технологическому методу; при соблюдении условий обработки следует ожидать получения результатов обработки, соответствующих технологическим допускам [250, 387]; - вариация условий обработки на отдельном технологическом переходе в допустимых пределах отображается в таблицах точности в интервалы ненулевой ширины значений каждого из показателей качества изделий. Полагаем, что процесс обработки можно считать надежным в том случае, когда погрешность результирующего значения оценивается величиной, существенно меньшей, чем собственно результирующее значение. Надежность технологического перехода и плана обработки, в-целом, определяется как вероятность обеспечения требуемых точностных параметров [376], как описано выше в разделе 2.2.
Рассмотрим проектирование последовательности механической обработки цилиндрических поверхностей. Точность обработки оцениваем по номеру квалитета точности (IT), качество обработанной поверхности - по величине среднего арифметического отклонения профиля Ra. Схема процесса формирования качества и точности обработанной поверхности может быть представлена в виде ориентированного взвешенного графа (рис. 2.12), построенного в условной системе координат Ra-IT. Стрелками показаны технологические переходы, вершинами графа - состояния поверхности в моменты времени, соответствующие окончанию очередных этапов обработки. Пунктиром условно выделена граница области значений показателей точности и качества, соответствующая технологическим допускам методов заготовительного производства. Поскольку заготовка может быть получена, в общем случае, различными технологическими методами, различные состояния заготовки заменяются одной «обобщенной заготовкой». Такая схематизация продиктована требованиями к структуре «транспортной» сети, т. е. сети с выделенными «истоком» - в нашем случае, «обобщенная заготовка», - и «стоком» - поверхность готовой детали. В более общем случае, при контроле дополнительных параметров точности и качества обработки, таких как, например, шаговые параметры микропрофиля, глубина дефектного слоя и т. п., размерность координатного пространства увеличивается, и мы рассматриваем трех- или более- мерную транспортную сеть. Rai,
Все рассуждения, приведенные далее для одного или двух параметров точности / качества, справедливы для любого количества контролируемых показателей процесса обработки. Далее мы покажем, что сложность имитационной модели может не изменяться в зависимости от количества нормируемых показателей точности / качества. Таким образом, процесс формирования точности и качества обработанной поверхности может быть представлен в виде «транспортного» процесса перемещения поверхности из состояния «обобщенная заготовка» в состояние «поверхность готовой детали».
Следует заметить, что логическая структура таблиц точности обработки не позволяет решать задачу построения плана обработки поверхности математически как транспортную [371]. Проблема заключается в том, что в таблицах точности приводятся граничные значения технологических допусков, достижимые различными методами механической обработки, но отсутствуют величины изменения параметров точности и качества по ходу технологического маршрута. Для строгой математической постановки задачи требуется задать не только общую структуру графа обработки (рис. 2.12), но и указать весовые характеристики дуг транспортной сети, т. е. расстояния между вершинами.
Необходимо также учитывать, что математические постановки транспортных задач предполагают строгую детерминированность (рис. 2.13, а) весовых характеристик сетей и графов. В то же время, известно, что все методы механической обработки обладают явно выраженным стохастическим характером, обусловленным неоднородностью (в пределах допусков) физико-механических характеристик обрабатываемых и инструментальных материалов и существенным разбросом точностных параметров металлорежущего оборудования.
Анализ критериев отличия технологических методов
Кроме того, недостаточной следует признать также полноту справочной информации. Как правило, опыт инженера-технолога позволяет дополнить таблицы точности обработки сведениями о возможностях каждого метода обработки в части повышения качества обрабатываемой поверхности или точности выполняемых размеров. В настоящее время эти показатели методов обработки определяются, в зависимости от технологических традиций предприятия, эмпирически, с учетом рекомендаций справочной [55, 89, 151, 223] литературы, либо, достаточно часто, при проектировании используется субъективный опыт технолога. И в одном и в другом случае вероятны ошибки технологии, выявление и исправление которых становится возможным на самых последних стадиях технологической подготовки производства. Рассмотрим технологическую цепочку из двух последовательно выполняемых переходов: чернового и получистового точения наружной цилиндрической поверхности. По данным табл. 27, в результате возможно получение поверхности с высотой микронеровностей (по Ra) от 12,5 мкм до 3,2 мкм.
Сравнивая (26) вероятные значения по правилам [301, 399] приближенных вычислений - т. е. так, как рекомендовано выполнять расчеты по справочным исходным данным - получим, что высота микронеровностей обработанной поверхности на последнем перехода может уменьшиться в 2...16 раз (9 ± 7). Точность обработки изменится в пределах 0...4 квалитета (2 ± 2). Очевидно, статистические данные, определенные с размахом значений, величина которого сравнима или больше среднего значения, заслуживают некоторого недоверия.
Для эффективного использования при проектировании математического аппарата необходимо дополнить справочную информацию значениями, определяющими достоверные величины изменения технологических показателей при каждом последующем переходе обработки.
Известно, что последовательность обработки проектируется таким образом [61, 368], чтобы каждая последующая технологическая операция существенно улучшала показатели [317] качества и точности изделия. В то же время, в нормативно-справочной информации отсутствуют значения величин повышения качества. Общепринятые представления о технологических возможностях методов обработки, такие как: величина показателя повышения точности на смежных операциях технологического процесса, как правило, не превышает 3 номеров квалитета точности; величина показателя улучшения качества обработанной поверхности не превосходит 3...6 крат снижения высоты микронеровностей - представляют собой экспертные [73] знания, носят только рекомендательный характер и, следовательно, не могут служить информационной базой для формализованного проектирования. Таким образом, возникает задача определения обоснованной величины повышения качества обработки на основе существующих экспертных знаний о возможностях технологических методов.
Для решения этой задачи необходимо: 1. найти и обосновать критерий, позволяющий определять существенность отличий технологических показателей методов обработки; 2. разработать методику расчета величин изменения показателей качества обработки. Будем рассматривать не всю последовательность обработки, а любую смежную пару технологических методов или этапов обработки, показателем каждого из которых является случайная величина. Методика расчета описана выше в разделе 2.1.4. По аналогичной схеме проводятся рассуждения для каждого из показателей качества / точности изделия.
Предположим, что два метода обработки существенно различаются по достижимым значениям показателя, если случайные величины, определяющие эти методы, принадлежат различным генеральным совокупностям. Если же случайные величины относятся к одной генеральной совокупности (являются сходными), то соответствующие методы обеспечивают одинаковые результаты обработки. Следовательно, использование такой пары методов обработки в одной технологической цепочке следует считать нерациональным.
При оценке технологических параметров методов обработки [376] используем справочные данные, накопленные за достаточно большой промежуток времени и представляющие собой средние значения случайных величин, рассчитанные по совокупности бесконечно большого объема, поэтому сравнение методов выполняем с помощью коэффициента вариации (ф. 15, раздел 2.1.4).
Исследования ведущих специалистов и научных школ в области технологии машиностроения и теории резания - Б. М. Базрова [25, 26, 29], Б. С. Балакшина [34]. В. Ф. Безъязычного [37], А. С. Васильева [55, 57], А. М. Дальского [90], К. С. Колева [130], А. В. Королева [147, 149], Корсакова [151], Ю. М. Соломенцева [209, 223], А. П. Соколовского [296, 297], А. Г. Суслова [120, 270, 314, 316, 320], Н. В. Талантова [323], Челябинской школы технологов [94, 152, 156, 169, 249] и многих других исследователей -подтверждают различную природу формирования погрешностей обработки. Специалисты сходятся во мнении относительно превалирующего влияния на геометрическую точность размеров и взаимного расположения поверхностей таких факторов как точность и жесткость оборудования (технологической системы) и силовых факторов процесса. Наиболее существенное влияние на качество обработанной поверхности - микропрофиль, глубину дефектного слоя и т. п. - оказывают режимы обработки, физико-механические характеристики контактной пары «инструмент-деталь», геометрические параметры режущего клина инструмента. Такой вывод подтверждается исследованиями, например, А. В. Королева, В. М. Оробинского, А. Л. Плотникова, С. Г. Редько, А. Н. Резникова, С. С. Силина, В. А. Сипайлова, Н. В. Талантова и их учеников [147, 149, 176, 229, 240, 241, 244, 245, 264, 265, 266, 289, 290,
С учетом рассуждений, приведенных в разд. 2.2, можно считать, что общая оценка надежности нормативных данных может быть определена, как произведение значений односторонней интегральной (доверительной) вероятности (6), оценивающих надежность технологических методов по каждому из показателей качества / точности обработки. В случае использования двух, наиболее часто рассматриваемых технологических показателей - квалитета точности и высотного параметра шероховатости поверхности - общая оценка надежности метода обработки определяется в соответствии со следующим выражением:
Анализ точности обработки наружных цилиндрических поверхностей на предприятиях концерна «Европейская подшипниковая компания»
При контроле нескольких показателей точности / качества, вероятностные таблицы нормируемых показателей являются основой для построения совокупной матрицы смежности графа обработки. Совокупная (результирующая) матрица смежности формируется как результат логического умножения слоев «Достоверность изменения ...» из вероятностных таблиц каждого нормируемого технологического показателя.
обработки поверхности может определяться по различным критериям: - экономического характера - энергетические, материальные, времешше затраты на осуществление обработки, производительность и т. п.; - технологического характера - количество переходов (рабочих мест, единиц основного оборудования) - здесь учитывается величины изменения контролируемых показателей качества / точности; - вероятностного характера - надежность технологического процесса. Собственно оптимум, в зависимости от выбранного критерия, может представлять собой минимум либо максимум. Результирующая матрица смежности, представлена в логической форме (значения элементов равны нулю либо единице) и описывает ориентированный граф с невзвешенными дугами (орграф). Для осуществления автоматизированного поиска планов обработки, образующих множество допустимых решений, орграф должен быть преобразован в транспортную сеть (разд. 2.4). Для этого результирующая матрица смежности преобразуется в «весовую» форму, для чего каждый логический элемент домножается на весовую характеристику соответствующей дуги графа. В качестве весовой характеристики дуги мы используем значение, соответственно экономической, технологической либо вероятностной целевой функции.
Использование, в качестве информационной основы алгоритма, именно результирующей матрицы смежности позволяет снизить зависимость вычислительной сложности алгоритма от количества контролируемых показателей качества / точности, поскольку при формировании множества допустимых решений отсутствует необходимость генерации планов обработки по каждой вероятностной таблице точности. Эффективный алгоритм (рис. 4.12) представляет собой модификацию алгоритма Дейкстры (Dijkstra s algorithm), предназначенного для поиска кратчайших путей транспортной сети и позволяет находить оптимальную последовательность технологических переходов непосредственно при формировании допустимых планов обработки, тем самым повышая эффективность формализованного решения задачи. Эффек 229 тивный алгоритм представляет собой циклически повторяемую цепочку действий в имитационной модели (рис. 4.15) процесса многопереходной механической обработки. Дискретно-событийная имитационная модель позволяет реализовать две основные стратегии построения оптимальных планов обработки:
В процессе проектирования плана обработки, при контроле нескольких показателей точности / качества, вероятностные таблицы нормируемых показателей являются основой для построения совокупной матрицы смежности графа обработки. Совокупная матрица смежности формируется как результат логического умножения слоев «Достоверность изменения ...» из вероятностных таблиц каждого нормируемого технологического показателя.
Матрица смежности для графа обработки, определяемого одним показа телем качества / точности обработки, формируется на основе вероятностной таблицы точности по контролируемому параметру. Для значимых величин изменения показателя точности в матрице смежности графа обработки отмечается наличие логической связи между соответствующими вершинами графа (значение равно 1). Элемент матрицы смежности, соответствующий несущественному или недостоверному изменению показателя, равен нулю. Пример построения матриц смежности для переходов обработки внутренних цилиндрических поверхностей приведен в алгоритма генерации оптимальных планов обработки. Алгоритм представляет собой модификацию известного алгоритма Дейкстры {Dijkstra s algorithm) [172], предназначенного для поиска кратчайших путей в графе. Поскольку оптимальность плана обработки поверхности может определяться по нескольким различным критериям (затраты, трудоемкость / производительность, надежность технологического процесса и т. д.), причем сам оптимум, в зависимости от выбранного критерия, может представлять собой минимум либо максимум, результирующая матрица смежности преобразуется из логической (значения элементов равны нулю либо единице) формы в «весовую»: каждый элемент домножается на весовую характеристику соответст
Если по условиям задачи требуется найти максимальный путь (например, по критериям производительности или надежности обработки), в качестве весовой характеристики берется величина, обратная значению целевой функции. Таким образом, в качестве оптимума всегда рассматривается именно минимум критерия оптимизации. Рабочее окно программы, реализующей дискретно-событийную модель процесса многопереходной механической обработки, показано на рис. 4.14, функциональная структура имитационной модели - фактически укрупненный алгоритм программы «Router of Process» -нарис. 4.15.
