Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ 16
1.1 Анализ методик разработки PC ТП МО 17
Традиционная методика и САПР ТП «Геркулес» 17
Табличная методика размерного анализа и программа
расчёта размерных цепей RA 6.2 19
1.1.3 Методика размерного синтеза. Системы GRAKON7 и ГАСПОТ-
ЭКСПРЕСС 22
Выводы 27
Постановка целей и задач исследования 29
2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОПТИМИЗАЦИИ РАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР
ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХПРОЦЕССОВ
МЕХОБРАБОТКИ 31
2.1 Факторный анализ процесса проектирования PC ТП МО 32
Анализ эффективности и выбор метода проектирования ТП 32
Анализ чертежей типовых деталей и типовых
исходных заготовок деталей авиастроения 38
2.1.3 Анализ алгоритма проектирования технологии
на основе типового ТП 40
2.1.4 Классификация выявленных факторов эффективных ТП МО
по видам и управляемости 43
Классификация факторов по способу их определения 46
Взаимодействие выявленных факторов, введение комплексных, выбор способа формализации 47
2.2 Постановка задачи оптимизации PC ТП МО 49
2.2.1 Переход от графического к матичному представлению размерных
структур. Учёт факторов эффективности ТП в модели PC ТП МО . 49
Выбор целевой функции оптимизации PC ТП МО 51
Исследование составляющих целевой функции оптимизации 53
Описание ограничений модели PC ТП МО 59
Постановка задачи оптимизации PC ТП МО 60
Выбор методов решения 61
Выводы 62
3 РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
PC ТП МО 63
3.1 Создание математической модели PC ТП МО 63
Параметры оптимизации и ограничения математической модели . . 64
Матрица размерной структуры 67
Матрица типовой размерной структуры 70
Анализ модели PC ТП МО на адекватность. Матрица
размерных цепей 72
3.1.5 Матрица точности и свойств поверхностей 80
3.2 Оптимизация математической модели PC ТП МО 82
Расчёт минимально возможного количества составляющих звеньев во всех размерных цепях с помощью модели PC ТП МО 82
Разработка критерия оптимальности модели PC ТП МО 84
Уточнение задачи оптимизации модели PC ТП МО 86
Составление алгоритма оптимизации модели PC ТП МО 87
3.3 Выводы 90
4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
(ПМК) ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ РАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР
ПРОЕКТИРУЕМЫХ ТП МО 91
4.1 Описание программно-методического комплекса 91
Исходные данные для синтеза PC ТП МО 92
Создание модели типовой PC ТП МО в ПМК 97
Синтез оптимальной размерной структуры техпроцесса 103
4.2 Выводы и рекомендации по использованию ПМК 105
5 ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ С ПОМОЩЬЮ ПМК 107
5.1 Примеры созданных ТП МО с оптимальной размерной структурой и
сравнение их с существующими 107
Оптимизация ТП детали «Шлицевой вал» 108
Оптимизация ТП детали «Вал стяжной» 121
5.2 Результаты внедрения ПМК 133
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 136
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 138
ПРИЛОЖЕНИЕ А Основные виды деталей по конструкторско-
технологической классификации 147
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Экономическое обоснование использования предложенного комплексного критерия оптимальности модели PC ТП МО для
оценки эффективности проектируемых технологических процессов 149
ПРИЛОЖЕНИЕ В Ксерокопия Свидетельства об официальной
регистрации программы для ЭВМ №2004612032 156
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Ксерокопии Актов внедрения «Программно-
методического комплекса...» 157
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Ксерокопия выписки из протокола №8 заседания
Научно-технического Совета ОАО «ПМЗ» 159
Введение к работе
Основной задачей современного машиностроения является создание конкурентоспособных изделий, обладающих высоким качеством и минимальной себестоимостью изготовления. Решение этой задачи осуществляется в определенной степени на стадии технологической подготовки производства, где предусматривается проектирование оптимальных технологических процессов, обеспечивающих получение заданного качества, в том числе, точности деталей изделия, при высокой производительности их изготовления.
В то же время, на большинстве предприятий авиационной промышленности эффективность проектируемых технологических процессов (ТП) механической обработки (МО) недостаточна. Проектируемые ТП не обеспечивают снижение материалоёмкости высокоточных деталей, трудоёмкости обработки и процента брака.
Оптимизация применительно к обеспечению точности заданных размеров при минимальной трудоемкости МО невозможна без проектирования оптимальных размерных структур технологических процессов механической обработки (PC ТП МО). Однако в настоящее время принятие оптимальных решений сдерживается из-за отсутствия: научных знаний о комплексном влиянии конструктивных, технологических, структурных и экономических факторов на PC ТП МО; математической модели и ее оптимизации на основе комплексного многоуровневого подхода; программно-методического комплекса (ПМК) для синтеза оптимальных размерных структур технологических процессов механической обработки.
Анализ возможных путей решения этой проблемы (проектирование нескольких вариантов размерной структуры ТП по существующим методикам, создание размерных схем на этапе проработки на технологичность, использование компьютерной техники и существующего
программного обеспечения при проектировании ТП) показал их малую эффективность и необходимость комплексной многоуровневой оптимизации ТП МО для учёта всех факторов производства.
Таким образом, существует научная проблема, заключающаяся в отсутствие научных знаний, необходимых для комплексной многоуровневой оптимизации размерных структур технологических процессов механической обработки и разработки программно-методического комплекса (ПМК).
Научная новизна темы состоит в создании научных основ комплексной многоуровневой оптимизации размерных структур технологических процессов механической обработки деталей, где разработка математической модели и ее оптимизация осуществляются с использованием комплексного многоуровневого подхода к разработке целевой функции и критерия оптимальности PC ТП МО. В известных подходах к разработке PC ТП МО на основе размерного анализа (РА) и размерного синтеза учитывалось влияние лишь одного - структурного фактора на PC ТП МО, а задача оптимизации размерной структуры технологического процесса вообще не ставилась.
В то же время, развитие научных знаний в области моделирования систем, системного анализа, сочетаясь с накопленными знаниями по технологии машиностроения, размерному анализу и синтезу, позволяет применить современные методы оптимизации к процессу проектирования PC ТП МО деталей.
Практическая значимость темы состоит в научном обосновании ПМК, предназначенного для совершенствования следующих выходных параметров: повышения качества проектирования PC ТП МО за счёт принятия оптимальных решений; снижения трудоёмкости проектирования технологии за счёт автоматизации ряда задач (расчёт размерных цепей, подбор прогрессивной оснастки и другое) и применения типовых решений; повышения производительности механической обработки заготовок за счёт
7 уменьшения припусков и длины обработки; снижения материалоёмкости
деталей и расхода инструмента за счёт рационального распределения
припусков. Наряду с этим, научные результаты послужат для дальнейшей
разработки данной темы (создание типовых размерных структур ТП для
различных групп деталей) и других исследований (отработка деталей на
технологичность по типовым PC, разработка методик расчёта специфических
видов размерных цепей и других).
В области размерного анализа работали многие выдающиеся специалисты, которые создали ряд методик, позволяющих решить многие размерные задачи, возникающие в процессе проектирования технологии. В традиционной методике размерного анализа на основе РД 50-675-87 даются только формулы расчёта замыкающих звеньев размерных цепей (РЦ) методом максимума-минимума. В литературе по проектированию технологических процессов [9, 35, 40, 63] этап размерного анализа техпроцесса стоит обычно одним из последних. В результате такого подхода: точность и стабильность геометрических параметров деталей зачастую не обеспечивается; требуется высокая квалификация технолога; простановка технологических размеров на операциях неоптимальна; припуски зачастую назначаются больше необходимых; нет критериев сравнения вариантов PC ТП МО; невозможно определить полную взаимосвязь между технологическими решениями и точностью детали.
Большую роль при устранении этих недостатков сыграли работы профессоров В. В. Матвеева, А. В. Тверского [36] и других исследователей (профессоров И. С. Солонин, С. И. Солонин [62], И. Г. Фридлендер [52]). Использование планов обработки поверхности по методике В. В. Матвеева (табличная методика) обеспечивает рациональное назначение минимальных припусков. Впервые вводится понятие размерной схемы техпроцесса. Вариант ТП может быть оценён по расходу материала или показателю приведенных затрат. Но, поскольку задача оптимизации не ставилась и не
8 решалась; выбранные критерии не обеспечивают оптимальности PC ТП МО;
не выделены управляемые факторы для изменения PC ТП МО; нет
возможности проверить все возможные варианты из-за высокой
трудоёмкости расчётов, поскольку каждый из вариантов PC ТП технолог
должен создавать вручную.
Развитие РА получил в работах доц. Б. С. Мордвинова [41], проф.
Э. А. Мухачёвой, доц. Э. Г. Рахимова [42] и в направлении размерного
синтеза профессоров М. X. Гольдфельда, Ю. Н. Свиридова, В. Ю. Шамина,
Л. Л. Зайончика, И. Я. Мирнова и других, [17, 18]. В этих работах впервые
вводится понятие размерной структуры техпроцесса как взаимосвязи всех
размеров детали, исходной заготовки, операционных размеров и припусков.
PC ТП МО была представлена в виде графа, что позволило применить
теорию графов к её оценке и выявить структурный критерий сравнения:
суммарное количество составляющих звеньев во всех уравнениях размерных
цепей (ЕЛО- Однако размерный синтез не решает задачи построения
оптимальной PC, поскольку задача оптимизации PC ТП МО разработчиками
не ставилась и не решалась; алгоритмы создания вариантов PC ТП МО и
критерии их сравнения не гарантируют оптимальность варианта, поскольку
проверяются не все варианты и учитываются не все факторы.
Дальнейшие научные разработки в области размерного анализа
касались в основном проблем практической реализации вышеописанных
методик или их углубления и развития с позиции конструкторской (проф.
В. В. Непомилуев, доц. М. Е. Ильина [43], доц. М. В. Тарасова [66]) и
технологической проработки изделий и деталей. Например, проф.
Ю. А. Мокрушин и доц. А. А. Костицына [40], основываясь на табличной
методике, предлагают выбирать вариант PC ТП МО при проработке деталей
на технологичность, что позволяет при необходимости внести изменение в
чертёж детали. Однако, при использовании аналогичных экономических
критериев для сравнения созданных вручную 2 - 3-х вариантов размерной
9 схемы получить оптимальный вариант PC ТП МО невозможно, особенно для
сложных деталей авиационного двигателестроения, имеющих до 1000 и
более размеров.
Таким образом, к настоящему времени научная проблема комплексной оптимизации размерных структур технологических процессов механической обработки заготовок не была решена, и существует актуальная необходимость её решения.
Объект исследования - процесс проектирования технологии механической обработки заготовок. Предметом исследования является процесс формирования PC ТП МО.
Цель работы - повышения эффективности технологических процессов механической обработки на основе комплексной оптимизации размерных структур.
Задачи.
Определить комплекс факторов, влияющие на проектирование PC ТП МО и создать схему их взаимодействия.
Поставить задачу оптимизации PC ТП МО (описать объект оптимизации, разработать целевую функцию оптимизации, определить методы решения задачи).
3. Создать математическую модель PC ТП МО в матричной форме.
Матричное представление модели облегчит автоматизацию процесса
оптимизации PC ТП МО; позволит представить типовые размерные структуры в простой и удобной форме, учесть комплексные факторы при построении PC ТП МО и вывести расчётные зависимости для -определения комплексного критерия оптимальности.
Разработать комплексный критерий оптимальности модели PC ТП МО и вывести расчётные зависимости для его определения.
Построить алгоритм комплексной многоуровневой оптимизации математической модели PC ТП МО.
6. Создать программно-методический комплекс (ПМК) для
проектирования оптимальных PC ТП МО
7. Провести внедрение ПМК в производственных условиях.
Научная новизна исследования.
На основании факторного анализа процесса проектирования размерных структур технологических процессов мехобработки и структурного анализа размерных связей детали, исходной заготовки и технологического процесса разработана математическая модель PC ТП МО в матричной форме, позволившая:
разработать комплексный критерий оптимальности PC ТП МО, учитывающий влияние комплекса структурных и экономических факторов, технологических и конструкторских ограничений и выявить математические зависимости для его определения;
разработать метод проверки адекватности PC ТП МО, не требующий трудоёмкого расчёта размерных цепей;
разработать алгоритм оптимизации размерных структур проектируемых технологических процессов механической обработки.
Практическая значимость исследования.
Программно-методический комплекс проектирования оптимальных PC ТП МО, созданный на научной основе комплексного подхода к разработке математической модели PC ТП МО и ее оптимизации, использован в следующих областях практической деятельности:
на предприятиях ОАО «Пермский моторный завод» и ОАО «Редуктор-ПМ», где на основе ПМК- разрабатываются технологические процессы с оптимальными размерными структурами, в том числе в качестве апробации ПМК - десять различных по конструкции деталей, что дало значительный экономический эффект.
в учебном процессе на кафедре «Технология машиностроения» Пермского государственного технического университета (ПГТУ) при
изучении дисциплин «Размерный анализ ТП на ЭВМ», «Информационные технологии в машиностроении» и других, а также при проектировании курсовых и дипломных проектов;
Апробация результатов исследования проводилась:
- в практической деятельности - в учебном процессе в ПГТУ при
изучении дисциплин, проектировании курсовых и дипломных проектов и при
создании методических разработок; на предприятиях при проектировании
технологических процессов механической обработки деталей; в Федеральной
службе России по интеллектуальной собственности, патентам и товарным
знакам при регистрации ПМК (Свидетельство №2004612032 от 5 июля 2004
г-);
- в научной деятельности - в выступлениях на Международных и
Всероссийских научно-технических конференциях с опубликованием тезисов
докладов в сборниках НТК; на научных семинарах кафедр «Технология
машиностроения», «Математическое моделирование», «Металлорежущие
станки и инструмент» ПГТУ, кафедр «Станки и инструмент» и «Технология
авиационных двигателей и общего машиностроения» РГАТА; в публикациях
результатов исследований в научных журналах и сборниках научных трудов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 5 статей в сборниках научных трудов и научных журналах, 3 тезиса в сборниках НТК, учебное пособие и свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
С избранными статьями и другими научными разработками автора можно ознакомиться в Internet на сайте .
На защиту выносятся:
математическая модель PC ТП МО в матричной форме,
комплексный критерий оптимальности модели PC ТП МО и расчётные зависимости для его определения,
- метод проверки адекватности PC ТП МО не требующий расчёта
размерных цепей;
- алгоритм комплексной оптимизации PC ТП МО.
Структура и объём диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы на 54 наименования и 5 приложений. Содержит 142 страницы печатного текста, 29 рисунков, 32 таблицы, список литературы на 75 наименований, 5 приложений.
В первой главе приводится краткий анализ современного состояния проектирования размерных структур ТП. Анализируются достоинства и недостатки традиционной, табличной методик, методики размерного синтеза и других с позиции необходимости оптимизации и комплексного учёта факторов производства.
В результате анализа этих методик сделан вывод, что некоторые существенные задачи проектирования остаются пока недостаточно разработанными. К их числу относится и задача комплексной оптимизации PC ТП МО.
В конце первой главы формулируются цель и основные задачи работы.
Во второй главе для проведения факторного анализа выбирается методика проектирования ТП. Проанализированы методы проектирования технологии на основе детали-аналога, типовых ТП, выявления технологических закономерностей и метод построения технологических модулей. Для дальнейшего анализа выбирается метод типовых технологических процессов, поскольку он наиболее полно учитывает как общие закономерности технологии, так и особенности производства, а также позволяет создать базу типовых размерных структур.
На основе метода типовых ТП проводится анализ факторов, действующих на размерную структуру при проектировании ТП. Были выявлены, классифицированы по управляемости, времени действия и способу
13 определения 13 действующих на PC технологических, конструкторских,
экономических и структурных факторов, которые затем были объединены в 4
комплексных фактора: конструкторско-технологический код детали (КТКД),
код вида исходной заготовки (КВИЗ), планы обработки поверхностей -
маршрут обработки детали (ПОП-МОД), точность оборудования и оснастки
(ТОО). Приводится схема взаимодействия комплекса факторов. Для
выявления и анализа факторов использовалась методики факторного и
структурного анализа [6, 24, 57].
Затем впервые ставится задача оптимизации PC ТП МО: в общем виде
описывается объект оптимизации - модель PC ТП МО, как совокупность
размерного графа (технологических, конструкторских размерных связей и
исходной заготовки) и упорядоченного множества конструктивных,
технологических, структурных и экономических условий оптимальности ТП
МО; выбирается целевая функция оптимизации (ЦФО) - приведённая
себестоимость производства детали, поскольку она учитывает трудоёмкость
изготовления, затраты на материал, спец. оснастку и оборудование; каждая из
составляющих ЦФО исследуется на зависимость от факторов, влияющих на
PC ТП МО, делается вывод о нелинейности ЦФО и невозможности расчёта
некоторых параметров на ранних этапах проектирования технологии;
разрабатывается новый комплексный критерий оптимальности PC
проектируемых ТП МО на основе анализа ЦФО с учётом недостатков
существующих технологических и экономических критериев, физически
равный минимальной сумме средне-экономических допусков составляющих
размеров во всех РЦ (комплексный учёт выявленных во 2-й главе факторов
при расчёте критерия оптимальности возможен только при создании
математической модели PC ТП МО); выбирается метод решения задачи
оптимизации PC ТП МО - полный перебор адекватных вариантов,
стандартный метод для решения нелинейных задач оптимизации.
14 Третья глава начинается с описания математической модели PC ТП
МО. Для представления информации размерной структуры техпроцесса
разработаны четыре вида матриц: матрица размерной структуры, матрица
типовой PC ТП МО (матрица ТРС), матрица размерных цепей (матрица РЦ),
матрица точности и свойств поверхностей (матрица ТСП). Для выявления
свойств матриц использовались положения теории графов, технологические
закономерности и матричная алгебра [17, 18, 25, 26].
Созданная в матричном виде модель PC ТП МО позволяет
последовательно оптимизировать размерную структуру по ступеням:
Л.
т - при выборе типовой PC ТП МО из возможных для КТКД и КВИЗ, что
равносильно изменению технологом фактора ПОП-МОД (при этом матрица
ТРС может изменить размерность, значения и расположение
коэффициентов);
- при получении варианта матрицы PC, что равносильно изменению
(|> измерительных технологических баз (изменяют своё положение изменяемые
размерные связи в матрице PC, их количество неизменно);
- при выборе варианта матрицы ТСП - равносильно изменению
фактора ТОО или смене технологических установочных баз без изменения
^ измерительных (изменяются коэффициенты матрицы ТСП).
Далее в третьей главе выводятся числовые зависимости для расчёта с помощью модели PC ТП МО суммарного количества звеньев во всех размерных цепях (iV) и комплексного критерия оптимальности модели PC ТП МО (Q), полученного на основе математической модели PC ТП МО и целевой функции оптимизации PC ТП МО. В конце главы приводится и описывается алгоритм комплексной многоуровневой оптимизации модели PC ТПМО.
В четвёртой главе описывается программно-методический комплекс проектирования оптимальных PC ТП МО. Представлена модульная структура ПМК. Подробно разбирается структура исходных для создания модели PC
15 ТП МО и выходных данных, приводятся примеры соответствующих матриц.
Даются рекомендации по использованию ПМК. Для создания программного
обеспечения использовалась специальная литература по программированию
[16, 19, 71, 75] и справочная система Microsoft Windows.
В пятой главе приводятся примеры оптимизации PC ТП МО для 10
деталей авиационного машиностроения (5 деталей авиадвигателя ПС-90А2 и
5 деталей вертолётного редуктора ВР-8). Подробно разбираются изменения
по отношению к старой технологии для двух наиболее характерных деталей и
приведен экономический эффект для каждой из деталей. Результаты
^ оптимизации для всех тестируемых деталей сведены в общую таблицу.
Для сравнения оптимизация проводилась по двум критериям: минимальному суммарному количеству звеньев во всех размерных цепях (min N) и минимальному суммарному колебанию припуска (min Q).
В заключении описываются основные результаты работы,
№ предлагаются направления дальнейшей разработки темы.
В приложениях приводится: основные виды деталей по
конструкторско-технологической; экономическое обоснование использования
разработанного комплексного критерия оптимизации для оценки
^ эффективности ТП; копия свидетельства № 2004612032 об официальной
регистрации программы для; копии актов внедрения; копия выписки из протокола №8 заседания Научно-технического совета ОАО «ПМЗ».
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю канд. техн. наук, Евсину Евгению Афанасьевичу, а также особую благодарность за консультации по технологической и организационной части д-ру техн. наук Макарову Владимиру Фёдоровичу, по математическому моделированию д-ру матем. наук Ашихмину Валерию Николаевичу и канд. матем. наук. Подгаецу Александру Романовичу.
