Комплексное описание технологических процессов изготовления деталей на автоматах продольного точения

УДК 621.01.002

КОМПЛЕКСНОЕОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ НА АВТОМАТАХПРОДОЛЬНОГО

ТОЧЕНИЯ

И.Н. Исаков, Г.В. Шадский

Рассматриваются особенности изготовления продукции на автоматах продольного точения с ЧПУ. Описан принцип формирования очередности запуска деталей на основе представления процесса обработки в матричной форме и применения кластерного анализа. Описан алгоритм подсчета количества переналадок и определения оптимального метода выстраивания очереди обработки.

Ключевые слова: автоматы продольного точения, кластерный анализ, блочная структура, подготовительно-заключительное время изготовления.

Развитие машиностроения во многое определяется возможностями оборудования и совершенствованием технологий производства. На смену универсальным станкам (станкам с ручным управлением) пришло программируемое оборудование. По мере его развития увеличивалась точность позиционирования рабочих органов, количество управляемых и одновременно используемых осей и режущего инструмента.

Совершенствование оборудования повлияло и на развитие элементной базы. Появление комплексного режущего инструмента, совмещающего в себе несколько функций, быстросъемных инструментальных оправок, термопатронов позволило существенно увеличить производительность оборудования, точность и уменьшить шероховатость обрабатываемых поверхностей.

Компьютеризация производства позволила создавать информационные базы, включающие в себя номенклатуру обрабатываемых деталей, используемого режущего измерительного инструмента, приспособлений, разрабатывать автоматизированные системы подготовки и управления производством. Это позволило существенно сократить временные затраты на разработку, изменение и внедрение технологических процессов.

Совершенствовалась и сама технология производства. Разрабатывались различные подходы к проектированию технологических процессов. Широкое развитие получили групповой метод проектирования технологических процессов(ТП) [1], предложенный проф. С.П. Митрофановым, типовой принцип [2], разработанный проф. А.П. Соколовским, модульный принцип проектирования ТП[3](проф. В.М. Базров), диалоговое проектирование [4], концепция создания гибких ТП [5].

Сравнительно новым видом технологического оборудования являются прецизионные автоматы продольного точения с ЧПУ. Это дорогое оборудование, но в использовании считается более удобным. Токарные ав-

томаты имеют гораздо большую производительность, чем обычные станки. Обработка ведется на больших скоростях резания, что определяется жесткостью системы «станок - приспособление - инструмент - деталь».Поскольку частые их переналадки ведут к потере производственного времени, используют это оборудование обычно в крупносерийных производствах. В последнее время такие станки все чаще применяются в мелкосерийном производстве, что связано с возможностью получать при обработке деталей поверхности с высокой точностью, порядка 5-6-го квалите-тов, и Яа 0,04 ... 0,02 мкм. Еще одним достоинством данного оборудования является совмещение в нем как токарных, так и фрезерных функций.

При разработке ТП на выбранное оборудование в силу его многофункциональности можно не учитывать разделение обработки по операциям, а описывать изготовление только технологическими переходами.

Вопросы гибкого, комплексного подхода к разработке ТП приобретают все большую актуальность. Требование непрерывной, взаимосвязанной цепочки от разработки ТП до получения готовой детали становится определяющим.

Время изготовления деталей складывается из подготовительно-заключительного времени, связанного с наладкой оборудования, и времени обработки, которое на выбранном оборудовании мало в силу возможности вести высокоскоростную обработку с большими съемами металла. В пересчете на одну деталь доля подготовительно-заключительного времени существенно возрастает, и на первый план выдвигается задача снижения количества переналадок оборудования.

Время наладки складывается из времени установки инструмента и оснастки и времени настройки. Количество замен инструмента определяет общее время обработки. Задача рациональной замены инструмента формулируется как задача определения оптимальной последовательности запуска, при которой время переналадки стремится к минимальному. При этом исследование и нахождение минимального времени переналадки определяется во многом разработчиками ТП. Именно на этом этапе определяются инструмент для обработки, его вид и характеристики.

Многообразие деталей инструмента для их обработки ставит задачу создания базы инструмента, необходимого для всей номенклатуры обрабатываемых деталей. В условиях многономенклатурного мелкосерийного производства многообразие используемого инструмента ведет к частой его замене и увеличению, в конечном итоге, времени переналадки. Большая номенклатура используемой оснастки также влечет за собой и дополнительную нагрузку на отдел снабжения. В связи с этим появляется задача унификации базы используемого инструмента.

Предлагается в структуре станка рассматривать совокупность инструментальных блоков. В связи с этим была поставлена задача определения рациональной смены инструмента, т.е. определения оптимальной последовательности запуска деталей.

В настоящее время вид, форма державки, режущих пластин и кромок, используемых для изготовления материала и покрытия инструментов, обозначается по стандартам 180. Данная система обозначения была выбрана в качестве базового классификатора. На его основе был разработан собственный классификатор и ограничительный перечень инструмента, необходимого и достаточного для обработки любой номенклатуры деталей на выбранном оборудовании.

Введение блока унифицированного инструмента позволяет создать единую цепь: необходимый инструмент для ТП - унификация - заказ меньшего количества инструмента - отслеживание наличия и возможность замены непосредственно в цехе.

Весь набор инструмента и приспособлений для обработки необходимой номенклатуры деталей представляется в виде матрицы-строки [А] размерностью 1 хт, где ^-номенклатура используемой оснастки. Т.е. тождественно количеству используемого инструмента и приспособлений, необходимых для обработки выбранной номенклатуры.

Таким образом, весь набор инструмента представляется как /;?-мерное пространство, а ТП обработки конкретной детали определяется набором инструмента и приспособлений, используемых для обработки, т.е. как вектор в этом пространстве.

Используя бинарное представление, можно описать технологический процесс изготовления каждой детали в виде матрицы с элементами а^

а¿у, где Уе(1; т), 7?г=[0,1], в зависимости от того, используется данный инструмент для обработки данной детали или нет.

Тогда строка матрицы представляет собой набор нулей и единиц, где нуль характеризует отсутствие данного инструмента для обработки, единица - его наличие. Каждой детали соответствует свой набор нулей и единиц.

Используя данную модель описания ТП, можно составить для всей номенклатуры обрабатываемых на станке деталей матрицу обработки [В] размерностью пхш, где п - номенклатура деталей, а ш - набор оснастки, используемой для обработки выбранной номенклатуры.

Важно, что п, т фсот1. Это говорит о гибкости данного подхода к описанию ТП в виде набора используемого инструмента, позволяет увеличивать или уменьшать размерность матрицы за счет изменения номенклатуры обрабатываемых деталей и ввода-вывода нового и используемого инструмента в ТП обработки.Элементы матрицы [В] где/е(1;п),

;е(1;т).

Тогда последовательность обработки деталей можно представить как переход от строки /к строкег+1.Естественно, что при сравнении элементов двух строк матрицы а^ац и ау переход от ау = 0 а^ = О

к аг+1,7 1,] — 1 будет означать установку нового инструмента, т.е.

возникновение переналадки, а переход от ау = 1 а^ = 1 к «/+1 у = О

а1+1,у — Обудет означать, что данный инструмент при обработке второй детали не используется.

Таким образом, задача определения оптимальной последовательности обработки сводится к анализу строк матрицы и определению последовательности, когда переход от одной строки к другой будет означать минимальное количество переналадок.Решение этой задачи для небольшого количества деталей и инструмента возможно перебором, тогда количество возможных вариантов перестановок будет равно п\.

Видно, что даже при п=5 п\=120, т.е. практически данный метод использовать весьма трудоемко. Из практики известно, реальная программа одного месяца дает матрицу размером примерно 200x300.

Сформулированная модель ТП, где представление процесса обработки п деталей характеризуется шпризнаками в виде матрицы и векторов ш-мерного пространства позволяет использовать методы теории распознавания образов и для определения последовательности запуска деталей проводить переход от вершины одного вектора к вершине другого наиболее близкого в ш-мерном пространстве. Таким образом, задачу определения очередности и последовательности обработки мы сводим к задаче поиска наиболее близких в ш-мерном пространстве векторов.На первом этапе решение данной задачи проводилось с использованием кластерного анализа [6,7, 8, 9,10].

Для определения близости объектов были использованы несколько методов кластерного анализа: 1) метод одиночной связи;2) метод полной связи;3) метод невзвешенного попарного среднего;4) метод взвешенного попарного среднего;5) невзвешенный центроидный метод; 6) взвешенный центроидный метод;7) метод Уорда. Были получены результаты по всем методам с использованием разных метрик (мер близости).Были рассчитаны матрицы расстояний между объектами, на основе полученных данных строились дендрограммы объединения. На дендрограммахна оси абсцисс обозначались рассматриваемые детали, на оси ординат - расстояние объединения деталей в кластеры.

В результате анализа полученных графических данных объединения номенклатуры из 10 деталей установлено, что:

1)второй, третий, четвертый и седьмой методы дают разбиение номенклатуры на более четкие сгустки (рис. 1);

2)первый, пятый, шестой методы дают последовательное объединение деталей;

3)все опробованные методы дали разные результаты, причем каж-дыйметод давал разные результаты последовательности объединения деталей с использованием разных мер близости (рис. 2);

4)на основе дендрограммы невозможно однозначно выявить последовательность запуска деталей ни по одному методу. Например, из дендрограммы на рис. 1 неясно, какую деталь 8 или 5 следует запускать первой.

Выводы:

1. Для анализа недостаточно дендрограммы, также необходимо использовать матрицу расстояний для определения последовательности запуска деталей.

2. Второй, третий, четвертый и седьмой методы можно использовать для разбиения номенклатуры на большие кластеры с малыми расстояниями внутри самих кластеров. Такие методы подходят для распределения деталей по станкам или по плановым периодам, выделяя при этом необходимое количество кластеров.

3. Первый, пятый и шестой методы подходят для определения последовательности запуска деталей.

4. В связи с разностью получаемых результатов выявилась необходимость определения оптимального метода для решения поставленных задач.

Рис. 1. Метод полной связи

а

б

Рис. 2. Взвешенный центроидный метод: а-коэффициент корреляции Пирсона; б-Евклидово расстояние

Блочная структура расположения инструмента в рассматриваемом оборудовании предполагает, что инструмент привязан к блоку по своему функциональному назначению. Однако размерность блока ограничена, и помимо определения последовательности запуска деталей существует множество вариантов последовательности замены инструмента, каждая из которых определяет свое время переналадки.

Таким образом, на втором этапе возникает задача определения последовательности замены инструмента в блоках. Для этого разработаны модель и алгоритм замены инструмента в блоках. В свою очередь, параллельно можно определить по разработанному алгоритму наиболее подходящий метод для определения оптимальной последовательности запуска.

Каждый блок рассматривается также как матрица, но размерностью 1 хк, где к - количество инструментови оснастки, по своему функциональному признаку относящихся к конкретному блоку. Таким образом, матрица [А] разбивается на составляющие - группы столбцов, характеризуемые инструментом или оснасткой, принадлежащие конкретному блоку.

Для примера был выбран автомат продольного точения с ЧПУ МвхШгп8А-32в (рис. 3).

Пропгвошпиндель

Рис. 3. Блочная структура автомата продольного точения

с ЧПУ №хШт8А-32в

Выбранное оборудование имеет 5 инструментальных блоков, лю-нетный блок, шпиндель, противошпиндель, устройство подачи заготовки, поддерживающий блок. В люнет, шпиндель, устройство подачи заготовки и поддерживающий блок устанавливаются цанги, соответствующие диаметру обрабатываемой заготовки. В противошпиндель устанавливаются цанги, соответствующие обработанному диаметру детали, за который будет осуществляться перехват или поддержка противошпинделем.

Блок 1 предназначен для установки резцов для наружного точения заготовки. При обработке вращается заготовка. Блок 2 предназначен для установки вертикального приводного (вращающегося) инструмента для обработки не вращающейся детали. Блок 3, блок осевого инструмента, предназначен для установки неприводного инструмента. При обработке вращается заготовка. Блок 4 предназначен для установки приводного и неприводного инструмента. При обработке заготовка может вращаться или не вращаться. Блок 5 предназначен для установки приводного и неприводного инструмента при обработке. При работе четвертогои пятогоблоков-может вращаться как деталь, так и инструмент. Первый, второй и четвертый блоки предназначены для обработки детали в шпинделе, пятый - в противошпинделе, третий - в шпинделе и противошпинделе. Первый и третий блоки содержат по 5 инструментальных ячеек, второй и пятый - 4, четвертый - 3 инструментальные ячейки.

Замена инструментов в блоке реализуется по следующей схеме:

1. Определяется количество инструмента для изготовления деталей на определенный плановый период.

2. По базе определяется наличие необходимого инструмента на

складе.

3. В случае нехватки требуемого инструмента анализируется необходимый состав на предмет взаимозаменяемости.

4. Фиксируется окончательная ведомость необходимого инструмента.

5. Оператору выводится ведомость взаимозаменяемости для корректировки имеющихся наладок, выводятся новые наладки.

6. По окончательной ведомости определяются границы инструментальных блоков.

7. Вводится матрица обработки, выстроенная по определенной последовательности запуска деталей.

8. Вторая строка сравнивается с первой. Подсчитывается количество инструмента, необходимое для изготовления первой детали. Вычисляется количество несовпадений в столбцах для второй и первой детали при условии, что в первой строке в сравниваемых ячейках стояли единицы. Складываются два полученных значения. Если сумма получилась меньше или равна количеству ячеек в блоке, то это говорит о том, что переналадки

отсутствуют. Происходит переход на следующую строку. Если сумма больше количества ячеек в блоке, то со следующей строки суммируются значения в каждом столбце, выявляется инструмент с наименьшим приоритетом. Если таких инструментов несколько, то для замены выбирается тот, который участвует в обработке позже. Если инструменты одинаково запускаются в обработку, то для замены выбирается любой из них. Если выбранный инструмент используется в следующей строке, то для замены берется следующий по приоритету. Если опять происходит совпадение, то для замены выбирается любой инструмент.

Данная модель технологии производства является достаточно гибкой, т.к. позволяет:

1. Формировать оптимальный план, исходя из:

1)имеющихся заготовок как по диаметру, так и по материалу;

2)имеющегося инструмента и оснастки;

3)первоочередности запуска, обусловленных сроками сдачи деталей.

2. Формировать новый план, новую последовательность запуска при внесении корректировок.

3. Выдавать руководству цеха и операторам станков ведомости очередности и необходимого инструмента(разработана необходимая форма ведомости очередности).

4. Выдавать оператору план работы на определенное время, а также ведомость замены инструмента и ведомость корректировки режимов обра-ботки(разработаны формы документов).

5. Строить работу технолога по составлению технологических процессов, сразу ориентированных на условия их реализации по данной методике (разработан и внедрен стандарт предприятия).

6. Решать задачи взаимозаменяемости и унификации используемого инструмента, направленные на решение производственных задач в любой момент времени. Реализовать возможность сокращения необходимой номенклатуры инструмента.

Список литературы

1. Митрофанов С.П. Групповая технология машиностроительного-производства.Л.: Машиностроение, 1983. Т. 1. 404 с. Т. 2. 376 с.

2. Соколовский А.П. Научные основы технологии машинострое-ния.М.:Машгиз, 1955,517 с.

3. Базров Б.М. Модульная технология в машиностроении. М.: Машиностроение. 2001. 368 с.

4. Бурцев В.М., Васильев А.С., Дальский А.М.Технология машиностроения. Т. 1. Основы технологии машиностроения:учебник для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2001. 564 с.

5. Королев А.В., Бочкарев П.Ю. Концепция гибких технологических процессов механообработки и методыих проектирования: учеб.пособие для вузов. Саратов :СГТУ. 1997. 119 с.

6. Диде Э. Методы анализа данных. М.: Статистика. 1977.128 с.

7. Дубровский С. А. Прикладной многомерный статистический анализ. М.: Финансы и статистика. 1982. 216 с.

8.Дюран Н.,Оделл П. Кластерный анализ. М: Статистика. 1977.128 с.

9. Елисеева И. И., Рукавишников В. С. Группировка, корреляция, распознавание образов. М.: Статистика. 1977. 144 с.

10. Кильдишев Г.С.,Аболенцев Ю.И. Многомерные группировки. М.: Статистика. 1978. 160 с.

Исаков Иван Николаевич, ведущий инженер-программист, isakovivan 71 @yandex. ru, Россия, Тула, Конструкторское бюро приборостроения имени академика А.Г. Шипунова,

Шадский Геннадий Викторович, д-р техн. наук, проф., chiefgennadiischadscky@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

ACOMPLEXAPPROACHTOTHEDEVELOPMENTTECHNOLOGICALPROCESSESOF MA NUFACTURINGFORSLIDINGHEADMACHINESWITHCNC

I.N. Isakov, G.V.Shadskiy

Discusses the features of production on NC machines with CNC.Describes the principle of formation of the order run parts based on the performance of the treatment process in the form of a matrix and applying cluster analysis. Describes an algorithm for counting the number of changeovers. The algorithm determines the optimal method of building a processing queue.

Key words: sliding head machines, cluster analysis, block structure, preparatory-final time of manufacture.

Isakov Ivan Nikolaevich, engineer, isakovivan 71 @yandex. ru, Russia, Tu-la,Instrumental Design Bureau named after academician A. G. Shipunov,

Shadskiy Gennady Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, chiefgenna-diischadscky@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University