Разработка технологических операций с учётом показателя технологичности в системе планирования многономенклатурных технологических процессов

УДК 621.7:658.12

С.Г. Митин, П.Ю. Бочкарёв, Л.Г. Бокова

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ С УЧЁТОМ ПОКАЗАТЕЛЯ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ В СИСТЕМЕ ПЛАНИРОВАНИЯ

МНОГОНОМЕНКЛАТУРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Рассматриваются вопросы автоматизации разработки технологических операций в условиях многономенклатурного производства. Приводится методика оценки производственной технологичности с учётом особенностей многономенклатурного производства.

Автоматизация проектирования технологических операций, система

планирования технологических процессов, многономенклатурное производство, технологичность

S.G. Mitin, P.Yu. Bochkaryov, L.G. Bokova DESIGN OF TECHNOLOGICAL OPERATIONS CONSIDERING OF MANUFACTURABILITY IN MULTINOMENCLATURE PROCESSES PLANNING SYSTEM

Questions of automation design of technological operations in the conditions of multinomenclature manufacturing are considered. The technique of an evaluating manufacturability according the features of multinomenclature production is described.

Automation of designing of technological operations, CAPP, multinomenclature manufacturing, manufacturability

Современное машиностроение характеризуется стремлением к модернизации существующих и созданию новых производственных систем по изготовлению широкой номенклатуры изготавливаемых изделий на современном высокопроизводительном оборудовании. Эти моменты ставят задачу обеспечения технологической гибкости машиностроительных предприятий с позиции быстрого реагирования на изменяющиеся условия производства. На первый план выходят задачи автоматизации проектирования на всех уровнях технической подготовки производства: от оценки технологичности изделий до создания технологической документации на механическую обработку в автоматическом режиме.

Существующие системы автоматизированного проектирования позволяют сократить время разработки технологических процессов, однако проектирование ведётся отдельно для каждой детали либо группы деталей, объединённых по конструктивным или технологическим признакам, при этом не учитывается состояние производственной системы в процессе реализации разработанных технологических процессов. В связи с этим назрела необходимость создания новых методов проектирования технологических процессов на основе полной формализации всех проектных процедур с целью наделения автоматизированных систем технологической подготовки производства возможностью быстрого реагирования на изменение производственной ситуации и учёта особенностей каждой производственной системы.

В наибольшей степени поставленные выше задачи находят своё решение в автоматизированной системе планирования многономенклатурных технологических процессов [1], основными принципами создания которой являются полная формализация всех проектных процедур, параллельное проектирование технологических процессов для всех запланированных для обработки деталей с учётом реально складывающейся производственной ситуации, многовариантные решения задач проектирования.

Автоматизированная система планирования многономенклатурных технологических процессов представляет собой многоуровневую иерархическую систему и состоит из двух страт: страты проектирования технологических процессов и страты их реализации (рис. 1). На страте проектирования создаются технологические процессы, которые обеспечивают возможность изготовления всей номенклатуры деталей в конкретной производственной системе. На страте реализации технологических процессов определяются показатели эффективности реализации технологических процессов и эффективности работы производственной системы, которые наряду с информацией об изменении производственных условий поступают в виде обратной связи на страту проектирования.

В системе планирования многономенклатурных технологических процессов предложена общая последовательность проектирования технологических процессов на уровне технологических операций, которая включает необходимость разработки структуры операции, определение средств технологического оснащения, расчёт параметров обработки. Однако состав и последовательность проектных действий имеют существенные различия в зависимости от групп технологического оборудования и применяемой технологической оснастки. Применение принципов системного подхода позволяет разделить задачу проектирования технологических процессов на уровне технологических операций путём разработки ряда проектных процедур для каждой группы оборудования.

Страта 2 Проектирование технологических процессов

Вход Выход

Управление >' Обратная ,, связь

Вход Страта 1 Реализация технологических процессов Выход

Рис. 1. Стратифицированное представление системы планирования технологических процессов

В результате появляется возможность создавать технологические процессы с учётом конструктивно-технологических особенностей всей номенклатуры изделий, при этом подсистема проектирования технологических операций автоматически определяет набор проектных процедур, необходимый на каждом этапе проектирования.

Исходными данными для разработки технологических операций служат информация об обрабатываемых деталях, информация о принятых на предыдущих этапах технологических решениях, информация о технологических возможностях оборудования и средствах технологического оснащения (СТО), нормативно-справочная информация, которая хранится в соответствующих базах данных (БД). Информация о принятых на предыдущих этапах технологических решениях представляет собой кортежи переходов, которые были получены на стадии разработки маршрутов технологических процессов.

Выходными данными является множество вариантов технологических операций, которое сохраняется в соответствующей базе данных, а также комплект технологической документации, который по-

ступает в качестве управляющего алгоритма на вход подсистемы реализации технологических процессов.

В роли внешнего возмущающего воздействия выступает информация о текущем состоянии производственной системы, благодаря чему существует возможность оперативно реагировать на изменение производственных условий путём выбора альтернативных вариантов реализации технологических операций из ранее сформированного множества.

Во время проектирования технологических операций возникает необходимость в решении многовариантных задач разработки содержания и состава операций, выбора технологической оснастки из достаточно широкой номенклатуры режущего и вспомогательного инструмента, расчёта и оптимизации режимов резания. В связи с этим каждый этап целесообразно разделить на три части: генерация возможных вариантов, отсев нерациональных вариантов, выбор рациональных вариантов в соответствии со сложившейся производственной ситуацией.

Для каждого этапа разрабатываются формализованные методики проектирования с применением соответствующего математического аппарата. Рассмотрим в качестве примера разработку формализованных методик проектирования операций, выполняемых на оборудовании фрезерной группы.

На этапе формирования комплектов технологической оснастки для оборудования фрезерной группы применяется аппарат теории множеств для генерации возможных вариантов режущего и вспомогательного инструмента.

Наиболее эффективным для решения задачи отсева нерациональных вариантов оснастки видится применение критерия однородности технологической оснастки, который обеспечивает инвариантность структур операций и позволяет выполнить требование взаимозаменяемости элементов технологических операций. Формализацию этой проектной процедуры производится с использованием элементов линейной алгебры, алгебры Буля и теории множеств.

Формирование рационального комплекта технологической оснастки для оборудования фрезерной группы может быть осуществлено путём перебора различных комбинаций режущего и вспомогательного инструмента для всей совокупности технологических переходов. В связи с тем, что таких вариантов может быть достаточно много, и для их перебора потребуются слишком большие вычислительные ресурсы, используется математический аппарат динамического программирования, преимущество которого заключается в отсутствии необходимости расчёта параметров оптимизации для каждого сочетания вариантов технологической оснастки. Кроме того, применение динамического программирования позволит оптимизировать систему в целом и избежать случаев, когда оптимизация отдельных элементов приведёт к неработоспособности системы.

При наличии рациональных комплектов технологической оснастки появляется возможность перейти к проектной процедуре формирования структуры технологической операции фрезерной обработки. На выбор структуры технологической операции в конкретных условиях производства влияет множество факторов: геометрическая конфигурация детали, требуемая точность обработки, качество получаемой поверхности, технологические возможности оборудования, приспособлений, режущего инструмента и т. д. Изменение структуры операции оказывает значительное влияние на станкоёмкость и трудоёмкость обработки. Следовательно, выбор рациональной структуры операции при планировании технологических процессов на уровне технологических операций является ведущим фактором, определяющим возможность повышения показателя технико-экономической эффективности технологических процессов.

На этапе разработки структур технологических операций ключевым моментом является выбор рациональной последовательности технологических переходов. Методика генерации возможных последовательностей обработки построена с применением математического аппарата теории графов. При решении задачи формируется полный ориентированный граф G. Каждой вершине графа присваивается код элементарной обрабатываемой поверхности. Каждая дуга отражает последовательность обработки соответствующих типов элементарных поверхностей. Для определения возможной последовательности обработки г-го кортежа, состоящего из m переходов, из графа G выбирается подграф, вершины которого соответствуют обрабатываемым поверхностям в кортеже. Затем формируются возможные варианты последовательностей переходов путём обхода вершин по стрелке с соблюдением следующих условий: каждая вершина должна включаться в маршрут столько раз, сколько раз встречается в кортеже технологических переходов элементарная поверхность, соответствующая данной вершине; для каждой вершины, начиная со второй, не должно быть исходящей дуги в направлении каждой из предыдущих вершин, либо между этими вершинами должны быть противоположно ориентированные дуги.

Отсев нерациональных вариантов последовательностей обработки на оборудовании фрезерной группы производится по степени точности обработки и по относительному расположению обрабатываемых поверхностей. Выбор рациональных вариантов последовательностей обработки осуществляется по критерию минимизации штучно-калькуляционного времени операции.

Расчёт параметров обработки и нормирование технологических операций имеет смысл производить по известным аналитическим зависимостям для каждого варианта технологической операции. По результатам расчётов появляется возможность выбора вариантов операций с минимальным штучнокалькуляционным временем, для которых генерируется технологическая документация, поступающая в качестве управляющего алгоритма в подсистему реализации технологических процессов.

Таким образом, к настоящему времени созданы модели и разработаны подсистемы, позволяющие полностью автоматизировать проектные процедуры создания технологических процессов изготовления деталей типа тел вращения на этапах формирования структуры и содержания технологических операций.

Однако выполнение технологической подготовки производства как этапа технической подготовки невозможно без установления взаимосвязей с предшествующим этапом в логической последовательности создания продукции - конструкторской подготовки. Основой таких взаимосвязей является оценка технологичности изделий, которая обеспечивает наиболее полное использование конструкторско-технологических резервов для решения задач, связанных с повышением технико-экономических показателей изготовления и качества изделий с обеспечением заданных технических требований.

Понятие технологичности конструкции предусматривает такое проектирование, которое при соблюдении всех технических требований обеспечивает минимальную трудоемкость изготовления, минимальные материалоемкость и себестоимость, а также возможность быстрого освоения выпуска изделий в условиях многономенклатурного производства на базе применения современного высокопроизводительного оборудования, методов обработки и автоматизации технологической подготовки производства.

В рамках производственной системы одновременно производится обработка деталей различных наименований, и эффективность работы системы во многом определяется «технологической совместимостью» деталей, которая определяется как однотипностью средств технологического оснащения, так и возможностью рациональной реализации процессов изготовления деталей, связанных с ситуационной перестройкой технологических процессов на различных этапах.

Создание или серьезное изменение подходов к организации технологического обеспечения производственных систем не может не отразиться на комплекте оценочных показателей технологичности изготавливаемых деталей. При создании системы планирования многономенклатурных технологических процессов механообработки, в основу которой положена многовариантность реализации технологических процессов с учетом реально складывающейся производственной ситуации, оценка деталей на технологичность должна учитывать следующие дополнительные факторы:

—технологичность детали зависит от реальных технологических возможностей оборудования в рамках рассматриваемой производственной системы;

— оценка технологичности конструкции должна вестись на основе показателей, учитывающих возможность многовариантной реализации технологических процессов в реальных производственных условиях, т.е. показатели должны отражать вероятностный характер реального процесса изготовления деталей и предоставлять возможность определить предельные значения технологичности;

— методика оценки технологичности деталей должна строиться не для каждой отдельной детали, а для всей номенклатуры деталей, обработка которых происходит в рассматриваемый интервал времени в рамках одной производственной системы.

Учет представленных факторов предлагается вести посредством разработки следующих моделей и методик, реализация которых в системе планирования технологических процессов механообработки в виде самостоятельных проектных процедур предусматривается в приведённой ниже последовательности.

1. Проверка конструктивных характеристик деталей на возможность их изготовления в рамках конкретной производственной системы с учетом технологических возможностей механообрабатывающего оборудования.

2. Определение уровня использования технического потенциала оборудования при изготовлении отдельных деталей и всей запланированной номенклатуры деталей.

3. Оценка комплекта изготавливаемых деталей по показателю однородности по виду и конструктивным характеристикам поверхностей, как составляющих элементов деталей, и заключение о степени их унификации.

4. Прогнозирование технико-экономических показателей изготовления запланированной номенклатуры деталей с целью выработки предложений по формированию рационального комплекта деталей для конкретно сформировавшихся реальных производственных условий.

Вычислительные процедуры оценки показателя технологичности разделены по функциональным задачам на две группы. В задачу первых входит отсев деталей, изготовление которых невозможно в условиях данной производственной системы с установлением конструктивно-технологических причин. В задачу вторых входит технико-экономическое заключение о соответствии комплекта обрабатываемых деталей возможностям конкретной производственной системы.

Выполненный анализ по представленным процедурам позволит на этапе формирования комплекта обрабатываемых деталей дать оценку их технологичности с точки зрения соответствия тем основным принципам, которые заложены при разработке системы планирования многономенклатурных технологических процессов.

Таким образом, одной из особенностей разработки технологических операций в условиях многономенклатурного производства является необходимость постоянного учёта производственной ситуации как на момент проектирования, так и во время реализации технологических процессов. Оценка показателя технологичности изделий на ранней стадии проектирования позволит сформировать рациональные комплекты деталей, изготовление которых возможно в данной производственной системе, а созданные формализованные методики проектирования технологических операций для различных групп оборудования дают возможность быстро адаптироваться к изменяющимся производственным условиям.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бочкарёв П. Ю. Системное представление планирования технологических процессов механообработки / П.Ю. Бочкарёв // Технология машиностроения. 2002. №1. С. 10-14.

2. Митин С.Г. Формирование методического обеспечения автоматизированной подсистемы проектирования операций фрезерной обработки / С.Г. Митин, П.Ю. Бочкарёв // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2012. №1. С. 32-39.

3. Бокова Л.Г. Структура оценки производственной технологичности деталей в многономенклатурных механообрабатывающих системах / Л.Г. Бокова // Вестник СГТУ. 2011. №56. С. 27-31.

Митин Сергей Геннадьевич - Sergey G. Mitin -

кандидат технических наук, доцент кафедры PhD., associate professor of the Department

«Проектирование технических и технологических «Technical and Technological systems Design»

комплексов» Саратовского государственного Saratov State Technical University

технического университета

Бочкарёв Пётр Юрьевич - Petr Yu. Bochkaryov -

доктор технических наук, профессор кафедры Doctor of Technical Sciences, Professor

«Проектирование технических и технологических Department of «Technical and

комплексов» Саратовского государственного Technological systems Design»

технического университета Saratov State Technical University

Бокова Лариса Г еннадьевна - Larisa G. Bokova -

ассистент кафедры «Проектирование технических Junior Research Staff Member

и технологических комплексов» Саратовского Department of «Technical

государственного технического университета and Technological systems Design»

Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 13.05.2011, принята к опубликованию 24.06.2011