Содержание к диссертации
Введение
1 Актуальные проблемы стандартизации в области проектирования и производственной реализации технологии изготовления машин 8
1.1 Анализ современной концепции технологического проектирования 8
1.2 Роль систем классификации и кодирования информации в стандартизации процессов технической подготовки машиностроительного производства 15
1.3 Методы укрупненной оценки трудоемкости изготовления машин 19
1.4 Методы оценки материалоемкости изделий 23
1.5 Структурно-функциональная организация технологических систем в машиностроительном производстве 29
1.6 Цель и задачи исследования 37
2 Практическая стандартизация и интеграция технологической информации в технологическом проекте 38
2.1 Технологический проект 38
2.2 Интегрированная модель технологического проекта 44
2.3 Стадии жизненного цикла технологического проекта 51
2.4 Выводы 56
3 Проектирование модифицируемого классификатора деталей изделий машиностроения 57
3.1 Технологический классификатор деталей машиностроения и приборостроения 57
3.2 Система процедур формирования структуры модифицируемого классификатора деталей изделий машиностроения 62
3.3 Методы формирования множества признаков модифицируемого классификатора деталей машин 66
3.4 Разработка средств автоматизированного кодирования деталей изделий машиностроения на рабочих местах конструкторов и технологов 67
3.5 Выводы 75
4 Оперативная оценка ресурсоемкости изделий, машинокомплектов и производственных программ при разработке и производственной реализации технологического проекта ..77
4.1 Оперативная оценка технологичности конструкции изделий машиностроения 77
4.1.1 Укрупненная оценка трудоемкости изготовления изделия 78
4.1.2 Оперативная оценка материалоемкости изделия 87
4.1.2.1 Определение общих припусков на механическую обработку 90
4.1.2.2 Определение потерь на отрезку и зажим материала 92
4.1.2.3 Детерминированная модель материального нормирования металлопроката 94
4.1.2.3.1 Нормирование длинномерного проката 94
4.1.2.3.2 Нормирование листового проката 99
4.1.2.4 Информационная поддержка оперативной оценки материалоемкости изделия 102
4.2 Практическая стандартизация управления производственными мощностями предприятия 106
4.2.1 Проектирование межцеховых технологических маршрутов изготовления деталей и сборочных единиц 106
4.2.2 Формирование оптимальной структуры машинокомплектов производственных подразделений 124
4.2.3 Автоматизация процедуры межцеховой технологической маршрутизации деталей и сборочных единиц 134
4.3 Результаты практической реализации работы 138
4.4 Выводы 141
Заключение и основные выводы по работе 144
Библиографический список
- Роль систем классификации и кодирования информации в стандартизации процессов технической подготовки машиностроительного производства
- Интегрированная модель технологического проекта
- Система процедур формирования структуры модифицируемого классификатора деталей изделий машиностроения
- Укрупненная оценка трудоемкости изготовления изделия
Введение к работе
Одной из важнейших причин затруднений, возникающих на отечественных машиностроительных предприятиях при внедрении систем менеджмента качества (СМК), практически реализующих принципы всеобщего управления качеством (TQM) [15], является недостаточное развитие информационной инфраструктуры производственного процесса изготовления машин. С целью преодоления данных трудностей и повышения эффективности СМК промышленные предприятия широко применяют современные информационные технологии, в том числе и реализующие идеи CALS- (ИПИ)-технологий [21]. Однако для широкомасштабного внедрения CALS-технологий на российских предприятиях необходимо решить ряд проблем, связанных в основном, с интеграцией большого объема разнородных данных: конструкторских, технологических, производственных, эксплуатационных и данных о качестве [87].
Среди отмеченных типов данных особое место занимают технологические данные, содержащиеся в технологической документации. Причем технологическая документация отличается не только объемом, но и информативностью, охватывающей все звенья технологической подготовки и управления производством. Проходя в своем цикле по различным подразделениям предприятия, эта документация органически устанавливает связь между всеми участниками производственного процесса [29]. Содержание информации технологической документации определяет и создает информационную основу для решения большого комплекса инженерно-технических задач не только в области разработки технологических процессов, но и в областях технической подготовки производства, управления производственным процессом и качеством продукции.
Производственная практика показывает, что у участников работ по управлению качеством зачастую отсутствуют единые структурированные
представления о технологии изготовления изделия. Поэтому актуальной является задача интеграции при использовании CALS-технологий технологических данных. Решению данной задачи в производстве изделий машиностроения и посвящены выполненные диссертационные исследования.
В первой главе проанализированы актуальные проблемы проектирования и производственной реализации технологии изготовления машин в системах управления качеством. При этом выполнен анализ современной концепции технологического проектирования в условиях функционирования систем управления качеством, рассмотрены методы структурно-функциональной организации технологических систем в машиностроительном производстве, оценки материалоемкости и трудоемкости изготовления машин. В результате сформулированы цель и задачи исследования.
Во второй главе представлена методика практической стандартизации и интеграции технологической информации в технологическом проекте, описана интегрированная модель технологического проекта и стадии его жизненного цикла и их соответствие стадиям жизненного цикла изделий машиностроения.
Третья глава посвящена методике формирования модифицируемого классификатора деталей (МКД) изделий машиностроения. Представлена экспертная система кодирования деталей изделий машиностроения на рабочих местах конструкторов и технологов, позволяющая автоматизировать процедуру определения классификационной характеристики деталей на основе модифицируемого классификатора деталей изделий.
В четвертой главе представлены методика оперативной оценки ресурсоемкости изделий, машинокомплектов и производственных программ при разработке и производственной реализации технологического проекта, программное и методическое обеспечение
компьютеризированных систем разработки норм расхода
производственных материалов, расчёта норм времени на выполнение станочных операций, автоматизации межцеховой технологической маршрутизации деталей и сборочных единиц, а также приведены результаты практического использования разработанных методик в производственных условиях ОАО "Тяжпромарматура" (г. Алексин Тульской обл.).
В заключении обсуждены итоги работы и сформулированы общие выводы по диссертации.
Автор защищает следующие теоретические и прикладные результаты работы:
-системно-структурные представления о технологическом проекте, основанные на выделении аспектов и иерархических уровней производственного процесса изготовления изделия;
- экспертно-аналитическая методика формирования развивающегося
классификатора предметов труда, обеспечивающего развитие
практической стандартизации результатов технологического
проектирования;
-методика оперативной оценки ресурсоемкости изделий, машинокомплектов и производственных программ на основе использования модифицируемого классификатора предметов труда и алгоритмов обучения и самообучения;
-методика оптимального использования производственных мощностей предприятия на основе экспертно-аналитического метода решения задачи межцеховой технологической маршрутизации и формирования машинокомплектов производственных подразделений.
Научная новизна результатов исследования заключается в раскрытии закономерностей информационного обмена при технической подготовке, производстве и управлении качеством изделий машиностроения и закономерностей развития практической
стандартизации при проектировании технологии изготовления машин на основе технологического проекта и модифицируемого в зависимости от сложившейся на предприятии производственной ситуации классификатора предметов труда.
Автор выражает благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Иноземцеву А.Н. за научные консультации при подготовке диссертационной работы и другим сотрудникам кафедры "Автоматизированные станочные системы" Тульского государственного университета за помощь, поддержку, полезные замечания и предложения, высказанные в ходе обсуждения диссертационной работы, а также сотрудникам ОАО "Тяжпромарматура" за помощь при практической реализации результатов исследования.
Роль систем классификации и кодирования информации в стандартизации процессов технической подготовки машиностроительного производства
Организация эффективно функционирующего производственного процесса изготовления деталей машин осуществляется, как правило, на основе принципов унификации и стандартизации проектных решений путем проектирования и производственной реализации типовых и групповых технологических процессов. В серийном машиностроительном производстве процедура проектирования типовых и групповых технологических процессов должна иметь комплексный характер и выполняться на всех этапах создания изделия: конструирования, технологической подготовки производства, изготовления деталей, сборки. На рисунке 1.2 показаны разновидности семейств групповой технологии, формируемых на каждом этапе и с учетом сложности изделия. Необходимым условием образования таких семейств является наличие системы классификации для ранжирования предметов труда и других объектов машиностроительного производства. Такие системы классификации с помощью определенных критериев группирования могут дать полный анализ изготавливаемых объектов в рамках всего машиностроительного предприятия [59].
Классификация является одним из научных методов изучения природы каких-либо исследуемых объектов путем их упорядочения и систематизации. Она является одним из важнейших этапов проектирования информационного обеспечения систем автоматизации проектирования, производства и управления, а также обеспечивает основу анализа и моделирования информационных потоков.
Для классифицирования объектов любой физической природы необходимо определить набор классификационных признаков, которые определяют основание деления объектов. На практике в качестве основания деления могут использоваться как естественные классификационные признаки (например, форма, размер, масса, цвет), так и формальные, наклады вающие определенные ограничения на процедуру классификации объектов. При любой классификации технико-экономической информации промышленного характера должны выполняться следующие основные требования [100]: в машиностроительном производстве - обеспечение полноты охвата объектов изучаемого множества; - непересечение выделяемых групп объектов; - возможность включения новых групп объектов; - лаконичность, четкость и ясность классификационных признаков; - неизменность принятого классификационного признака на всех уровнях классификации.
Любая совокупность какой-либо информации, используемой в ходе подготовки машиностроительного производства, всегда внутренне дифференцирована и представляет собой отражение сходных или различных объектов, явлений, результатов измерений или их свойств. Поэтому в машиностроительном производстве системы классификации и кодирования технико-экономической информации стали неотъемлемой частью унификации и стандартизации технологических процессов, средств технологического оснащения, а также конструкций изделий. Основная цель, которая ставится V при разработке классификаторов - это снижение трудоемкости технологи ческой подготовки производства и сокращение за счет этого продолжи тельности производственного цикла. С помощью систем классификации предметов труда и других объектов производства обеспечивается решение следующих задач стандартизации подготовки машиностроительного про изводства: - группирование деталей по конструктивно-технологическому подобию для разработки типовых и групповых технологических процессов и реализации группового метода обработки; - организация предметной специализации производственных под V разделений предприятия; - повышение серийности производства за счет внедрения групповых технологических процессов; - унификация и стандартизация содержания технологических процессов и технологической документации; - автоматизация процедур технологического проектирования за счет адресации деталей к ранее разработанным типовым или групповым технологическим процессам; - выбор типов основного и вспомогательного технологического оборудования с целью его унификации.
Интегрированная модель технологического проекта
Проблемы интеграции рассматриваются в системном исследовании с многоаспектных позиций. Это позволяет выделить несколько видов интеграции: физическую или топологическую, структурно-функциональную, социально-экономическую [77]. При разработке интегрированной модели технологического проекта основное внимание уделено структурно функциональной интеграции, которая связана с рассмотрением системной иерархии, т.е. взаимозависимости отдельных подсистем и элементов в общем комплексе.
Так как разработка и производственная реализация ТПр должны осуществляться в едином электронном пространстве, ядром которого является информационная модель изделия, то для внедрения технологического проекта в данное электронное пространство необходима разработка интегрированной модели ТПр, формально описывающей его различные уровни и аспекты на основе объектно-ориентированного подхода с использованием аппарата реляционной алгебры. Применение этого аппарата позволяет реализовать автоматизированное выполнение проектных операций и процедур, локализованных во времени и пространстве, выполняемых как отдельными разработчиками, так и коллективами разработчиков, отвечающих за различные аспекты производственного процесса и управления качеством. При этом создаются условия для автоматизированного воспроизведения важнейших свойств индивидуальной и коллективной интеллектуальной деятельности-способности к обучению и самообучению на всех иерархических уровнях принятия решений.
Единое электронное пространство разработки и производственной реализации технологического проекта позволит обеспечить возможность создания на предприятии информационной поддержки системы менеджмента качества в соответствии с требованиями международных стандартов ИСО серии 9000. При этом модели и методы проектирования и промышленной реализации ТПр должны обладать высокой степенью инвариантности при внедрении их на различных предприятиях машиностроительного профиля с различным уровнем серийности производства, а также высокой степенью инвариантности к имеющемуся на предприятии аппаратному и программному обеспечению с целью поддержки их дальнейшей эволюции.
Комплекс выполненных исследований в области технологического проектирования, многолетний опыт совместных работ с рядом промыш ленных предприятий по автоматизации управления качеством, применение системного анализа для выделения структурных частей ТПр и связей между ними позволили представить иерархические уровни и аспекты интегрированной модели технологического проекта следующим образом (рисунки 2.3, 2.4).
Технологический проект не является статичным в процессе производства изделия машиностроения. Он динамически развивается в соответствии с изменениями производственной ситуации. Например, возможны ситуации, когда в связи с отсутствием в заготовительном производстве указанных в технологическом проекте исходных материалов происходят замены сортамента, размеров и марок проката. В этом случае возможны следующие существенные изменения в технологических процессах: прове дение дополнительной механической обработки при увеличении размера заготовки или сортамента исходного материала; введение дополнительных технологических переделов, например, перековки или штамповки, в случае уменьшения размера заготовки или сортамента исходного материала; осуществление термической обработки при несоответствии механических свойств исходного материала требованиям конструкторской документации; нанесение защитных покрытий при поставке исходных материалов с недостаточной коррозионной стойкостью; применение других методов сварки при изменении свариваемости исходного материала и т.д.
Причем перечисленные изменения могут носить различный характер (единовременный, на установленный период или постоянный), относиться к определенному изделию, детали, закупленной партии исходного материала и т.д. Это обстоятельство предопределяет необходимость либо внесения соответствующих изменений в технологический проект, либо принятия краткосрочных оперативных технологических решений, не изменяющих его содержания, но требующих отражения в базе технологических знаний и паспорте готового изделия.
Система процедур формирования структуры модифицируемого классификатора деталей изделий машиностроения
Необходимость назначения класса изделия возникает при создании конструктором чертежа новой детали. Процесс определения классифика ционной характеристики заключается в анализе чертежа детали с целью выявления у нее признаков, характеризующих объекты соответствующего класса, и классификации детали на основе этих признаков, т.е. определении ее подкласса, группы и вида. Создание экспертной системы на основе разработанного модифицируемого классификатора позволяет автоматизировать этот процесс. Конструктор, отвечая в интерактивном режиме на ряд определенных вопросов, получает в результате классификационную характеристику, чертеж соответствующего изделия и его описание (конструктивные признаки).
В машиностроительных отраслях широко используется вариантное проектирование, т.е. конструкторское и технологическое проектирование изделий путем широкого заимствования и модификации имеющихся проектов-аналогов. Предельной модификацией проектов-аналогов в конкретный проект является заимствование или унификация и стандартизация проектных решений.
Для определения наличия изделия-аналога используется процедура анализа и выявления конструктивно-технологической общности изделий на основании подобия существенных конструктивных и технологических характеристик. Определение подобия производится по формализованным характеристикам. В качестве метода формализации используется процедура формирования классификационных группировок посредством разработанного модифицируемого классификатора.
В разработанной автоматизированной системе конструкторско-технологической классификации изделий и конструкторской документации (АСКТК) формирование конструкторско-технологического классификационного кода происходит в результате интерактивного взаимодействия пользователя с компьютером посредством соответствующей системы экранных меню, сообщений, указателей. Для облегчения нахождения нужного класса система оснащена алфавитно-предметным указателем и указателем областей техники. В состав системы также входит терминологический справочник по классам деталей.
В состав АСКТК входит информационно-поисковая система, обеспечивающая формирование и ведение архивов данных о конструкторско-технологической документации (АДКТД), являющегося, по существу, каталогом архива технических документов, что позволяет вести архив с развитыми аналитическими и поисковыми функциями.
В первую очередь реализована экспертная система (ЭС) по телам вращения и корпусным деталям (классы 71 и 73 классификатора ТКД соответственно). Такой выбор был сделан не случайно, а явился результатом анализа применяемости различных видов деталей в машиностроении. Рассматривались технологические базы данных трех предприятий: ОАО "Тяжпромарматура" (г. Алексин Тульской обл.), ОАО "Станкотехника" (г. Тула), ОАО "Ясногорский машиностроительный завод" (г. Ясногорск, Тульской обл.). Выбранные предприятия относятся к разным отраслям промышленности (производство запорной арматуры; станкостроение; производство шахтного оборудования) и имеют разную серийность выпуска. На всех трех заводах детали типа "тело вращения" составляли от 47 до 69% всех оригинальных деталей. Следовательно, у конструкторов чаще всего возникает потребность в классификации именно тел вращения. Корпусные же детали отличаются высокой сложностью формы, что сильно затрудняет их классификацию без применения экспертной системы.
Рассмотрение требований к экспертным системам такого типа показал, что система классификации должна быть максимально "необременительной" для пользователя-конструктора, иначе ею просто не будут пользоваться. В идеале код должен назначаться полностью автоматически на основе анализа электронного чертежа детали. Такая ЭС, задав конструктору минимальное число вопросов о геометрии детали, позволит оперативно получить ее классификационный код. Мы считаем возможным отнести подобное средство автоматизации к разряду экспертных систем потому, что сам модифицируемый классификатор создавался рядом экспертов и является выражением их личного опыта.
В качестве классификационных признаков для деталей общемашиностроительного применения выбраны следующие: - конструктивные характеристики отдельных элементов детали; - взаимное расположение элементов детали; - параметрические признаки.
Геометрическая форма детали является наиболее объективным и стабильным признаком при ее описании. Этот признак почти не подвергается индивидуальной интерпретации. Конструктивная характеристика отдельных элементов детали и их взаимное расположение конкретизируют геометрическую форму.
Параметрический признак характеризует соотношение конструктивных параметров деталей. Например, в классе 71 "Тела вращения" классификатора ТКД детали делятся на подклассы в зависимости от величины отношения их длины к диаметру. Это разделяет "длинные" (валы, оси, пальцы, стержни) и "короткие" (диски, кольца, фланцы, шкивы) детали.
В классификаторе ТКД приведены не только эскизы, но и текстовые описания особенностей каждой структурной единицы. Описания можно представить в виде сильно ветвящегося дерева, в котором вершины соответствуют задаваемым конструктору вопросам, а ребра - вариантам ответа. Таким образом, получаем классическое дерево правил вывода ЭС. На рисунке 3.2 показана верхняя часть дерева для класса 71 "Тела вращения". Разумеется, для каждого класса дерево вывода будет различным.
Укрупненная оценка трудоемкости изготовления изделия
Проектная процедура материального нормирования предусматривает определение размеров заготовки исходя из заданных конструктором размеров детали, допусков на эти размеры и шероховатостей обрабатываемых поверхностей. При этом технолог назначает общий припуск на обработку, компенсирующий погрешности всех технологических переходов. На этапе материального нормирования (в отличие от этапа разработки технологического процесса) не ставится задача назначения операционных припусков, определяемых расчетно-аналитическим методом [40, 111]. При нормировании металлопроката общие припуски назначаются нормативным (табличным) методом [44] по имеющимся стандартам.
Широкое применение именно нормативного метода вызвано не только его относительной простотой, но и тем, что в большинстве случаев заказы на приобретение исходных материалов или заготовок подготавливаются заранее, еще до разработки операционного техпроцесса, когда рас-четно-аналитический метод применить не удается [33]. Хотя, по данным В.М. Кована [39], нормативный метод завышает припуски на 6- 15 % по сравнению с расчетно-аналитическим, указанный перерасход металла компенсируется повышением оперативности технологической подготовки производства, особенно в условиях мелкосерийного и единичного производства, когда имеет место частая смена программы выпуска. Однако и нормативный метод определения общих припусков, несмотря на то, что является менее трудоемким, чем расчетно-аналитический, требует привле чения значительного объема нормативно-справочных материалов и организации оперативного поиска информации.
Анализ общероссийских (ГОСТ 7062-67, 7829-70, 1855-55, 2009-55 и др.) и отраслевых стандартов, а также реально применяемых на предприятиях машиностроения методик расчета по нормативному методу позволил установить, что общий припуск Т на механическую обработку сортового металлопроката является дискретной функцией вида T = fx{NTiS9K) (4.8) где S - обрабатываемый размер; Nf — число технологических переходов при обработке размера S; К - вид размера S (диаметр, длина, внутреннее отверстие и т.д.). В свою очередь, число переходов есть функция NT=f2(Kv,Rz), (4.9) где Ку - квалитет точности обрабатываемого размера; Rz - параметр шероховатости обрабатываемой поверхности. Из формул (4.8) и (4.9) видно, что общий припуск зависит от четырех конструктивных параметров: величины и вида обрабатываемого размера, требований к точности обработки и шероховатости обрабатываемой поверхности. Табличное задание величин припусков позволяет использовать аппарат реляционной алгебры [52] для реализации дискретных функций (4.8) и (4.9).
Для определения числа технологических переходов введем отношение NT, которое имеет схему: max min Zmax L) (4.10) Тогда функция (4.9) реализуется следующей реляционной операцией селекции: G{NT; KVmin Kv KVmaxARZmin Rz RZmax) (4.11) В таблице 4.1 представлен один из возможных видов отношения NT (данные взяты из ОСТ 3-14.320-82).
Точный расчет материальной нормы с определением всех технологических потерь - весьма трудоемкая задача, требующая привлечения большого количества нормативной документации [62]. Это связано с тем, что процедура материального нормирования влечет за собой расчет общих припусков на обработку, определение технологических отходов и потерь, оптимизацию раскроя одномерных и двумерных материалов. Поэтому задача автоматизации технологической проектной процедуры материального нормирования является исключительно актуальной.
Проектная процедура материального нормирования предусматривает определение размеров заготовки исходя из заданных конструктором размеров детали, допусков на эти размеры и шероховатостей обрабатываемых поверхностей. При этом технолог назначает общий припуск на обработку, компенсирующий погрешности всех технологических переходов. На этапе материального нормирования (в отличие от этапа разработки технологического процесса) не ставится задача назначения операционных припусков, определяемых расчетно-аналитическим методом [40, 111]. При нормировании металлопроката общие припуски назначаются нормативным (табличным) методом [44] по имеющимся стандартам.
Широкое применение именно нормативного метода вызвано не только его относительной простотой, но и тем, что в большинстве случаев заказы на приобретение исходных материалов или заготовок подготавливаются заранее, еще до разработки операционного техпроцесса, когда рас-четно-аналитический метод применить не удается [33]. Хотя, по данным В.М. Кована [39], нормативный метод завышает припуски на 6- 15 % по сравнению с расчетно-аналитическим, указанный перерасход металла компенсируется повышением оперативности технологической подготовки производства, особенно в условиях мелкосерийного и единичного производства, когда имеет место частая смена программы выпуска. Однако и нормативный метод определения общих припусков, несмотря на то, что является менее трудоемким, чем расчетно-аналитический, требует привле чения значительного объема нормативно-справочных материалов и организации оперативного поиска информации.
Анализ общероссийских (ГОСТ 7062-67, 7829-70, 1855-55, 2009-55 и др.) и отраслевых стандартов, а также реально применяемых на предприятиях машиностроения методик расчета по нормативному методу позволил установить, что общий припуск Т на механическую обработку сортового металлопроката является дискретной функцией вида T = fx{NTiS9K) (4.8) где S - обрабатываемый размер; Nf — число технологических переходов при обработке размера S; К - вид размера S (диаметр, длина, внутреннее отверстие и т.д.). В свою очередь, число переходов есть функция NT=f2(Kv,Rz), (4.9) где Ку - квалитет точности обрабатываемого размера; Rz - параметр шероховатости обрабатываемой поверхности.
Из формул (4.8) и (4.9) видно, что общий припуск зависит от четырех конструктивных параметров: величины и вида обрабатываемого размера, требований к точности обработки и шероховатости обрабатываемой поверхности. Табличное задание величин припусков позволяет использовать аппарат реляционной алгебры [52] для реализации дискретных функций (4.8) и (4.9).
