CC BY
14УДК 53
О. С. Кошелев1, О.Ю. Калынов2, Л. С. Фролов2
АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИИ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА И МИНИМАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К СООТВЕТСТВУЮЩИМ ПРОГРАММНЫМ ПРОДУКТАМ В УСЛОВИЯХ КОНКРЕТНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева1, ООО НПП «Прима» , Нижний Новгород
Цель: Одной из основных проблем современных машиностроительных предприятий является использование средств автоматизации, характерных для массового производства в единичном и мелкосерийном производстве. Наряду с этим, на этапе разработки конструкторской и технологической документации изделия много времени уходит на выбор оптимального решения проекта. При этом традиционные методы по созданию гибких производственных систем не являются эффективными.
Метод: В статье предлагается новый метод, основанный на конструктивном и функциональном описании изделий и его составных частей.
Выводы: Особенность предлагаемого метода заключается в возможности создания с его помощью универсальных функциональных групп деталей и сборочных единиц с характерными для них параметрами технологичности. Значение: В результате использования рассмотренного метода появляется возможность организации автоматизированной системы конструкторско-технологического проектирования изделий с возможностью оценки себестоимости и степени технологичности изделия на ранних стадиях разработки проекта.
Ключевые слова: автоматизация, технологичность, функциональные группы, гибкие производственные системы, документация.
Особенность развития машиностроительного производства на современном этапе состоит в том, что оно начинает «уходить» от массового производства к малосерийному и единичному [1]. Вместе с тем, следует заметить, что с точки зрения производителя такой переход грозит, как минимум, двумя неприятными последствиями:
• удорожается производство за счёт того, что становится невозможно использовать средства «жёсткой» автоматизации и простейшие приспособления;
• увеличивается время и стоимость технологической подготовки производства за счёт того, что каждое изделие в этом случае становится уникальным, требующим индивидуального подхода и уникальной документации на своё изготовление. Увеличение же времени на разработку в условиях конкуренции - это непозволительная роскошь. Поэтому стремление, находясь в условиях единичного производства, воспользоваться
преимуществами массового становится понятным и естественным [2].
Существуют различные пути решения этой задачи. Приведем некоторые из них:
1. Обеспечение конструктивного подобия.
2. Ограничение номенклатуры составных частей, конструктивных элементов и применяемых материалов.
3. Применение в разрабатываемых конструкциях освоенных в производстве конструктивных решений, соответствующих современным требованиям.
4. Применение высокопроизводительных и малоотходных технологических решений, основанных на типизации процессов и других прогрессивных формах их организации.
5. Применение высокопроизводительных стандартных средств технологического оснащения, обеспечивающих оптимальный уровень механизации и автоматизации труда в производстве.
6. Использование конструктивных решений, позволяющих снизить затраты на обеспечение: доступа к составным частям; установки и съема составных частей изделия.
© Кошелев О. С., Калынов О.Ю., Фролов Л. С., 2012.
7. Использование конструктивных решений, обеспечивающих возможность транспортирования изделия в собранном виде или в виде законченных составных частей, не требующих при монтаже разборки для расконсервации, ревизии, а также операций по подгонке.
8. Использование конструктивных решений, облегчающих и упрощающих условия изготовления и монтажа вне предприятия-изготовителя для ограничения требований к квалификации изготовителей и монтажников.
Таким образом, можно отметить, что большинство перечисленных пунктов говорит о том, что в основе повышения серийности и технологичности изделия и снижения его себестоимости лежит унификация деталей и узлов и использование апробированных и освоенных производством конструкторских и технологических решений [3].
Одним из наиболее широко известных направлений в этом случае является попытка группировать детали по принципу идентичности обрабатываемых поверхностей, на основании групп создавать детали-представители и для таких деталей разрабатывать типовой технологический процесс (ТТП). Метод широко используется и полностью доказал свою эффективность.
В существующих условиях схема разработки нового изделия выглядит примерно так: конструктор разрабатывает документацию, которая включает в себя чертежи будущих деталей и сборочных единиц. Затем эта документация проходит проверку на технологичность технологом. Если проектируемое изделие не отвечает требованиям технологичности, то документация возвращается конструктору для доработки. Этот процесс может многократно повторяться. Число повторов зависит от компетентности и опыта конструктора и технолога, другими словами, может затянуться. Зачастую именно нехватка времени становится причиной низкого результата конечной продукции, её нетехнологичности и, как результат, завышенной себестоимости [4].
Только после окончания процесса разработки, согласования и утверждения конструкторской документации изделия мы можем приступить к разработке ТПП и начать группирование деталей по поверхностям.
Поверхность значительно, но не полностью, определяет работоспособность детали. Помимо поверхностей детали в её документацию также закладываются сведения о применяемом материале и технические требования к изготовлению детали, зависящие от конкретного функционального назначения детали, определяемого конструктором.
Таким образом, рассматриваемый метод не всегда достаточно обоснованно выдвигает требования к заготовке, поскольку определение требований к работоспособности детали остаются за конструктором. Следовательно, в этой части процесс не автоматизируется.
И если в случае создания ТТП мы более или менее определились при группировании, то ответ на вопрос о рациональном конструировании остается открытым. И сложность состоит в том, что деталь с её сопряжениями рассматривается как уникальная вещь. В результате каждый из таких проектов по-своему оригинален, поскольку включает в себя целый комплекс конструкторских и технологических решений. Как правило, подобные решения заранее не оговариваются и определяются на этапе разработки конструктором макета изделия. Однако их набор ограничен и зависит от конкретных технологических и производственных мощностей и возможностей оборудования предприятия. Также необходимо учитывать такие факторы, как единство и простота сборки, ремонтопригодность, простота ремонта, что важно для определения технологичности изделия.
Таким образом, если говорить об ограничении конструкторских и технологических решений на конкретном предприятии, то можно сказать, что подобное ограничение является не совсем явным, поскольку нигде и никем не оговаривается. Теоретически, конструктор может предложить совершенно новую концепцию разработки, но это может просто оказаться нецелесообразным в рамках работы на конкретном предприятии. В результате даже самый опытный конструктор не застрахован от того, что разрабатываемое им изделие может оказаться нетехнологичным.
Получается, что если заранее оговорить круг возможных решений при конструктор-
ском проектировании изделия и каждому решению поставить в соответствие количественное выражение степени технологичности, то при проектировании задача конструктора будет состоять лишь в том, чтобы корректно сформулировать требования к конструкции изделия. Вопрос заключается лишь в том, как правильно формализовать и оговорить этот круг решений.
Конструкция любой машины, любая деталь в ней выполняют вполне определённые функции и таких функций в общем машиностроении уже ограниченное число. В ближайшем рассмотрении всю конструкцию изделия мы можем разбить на ряд простейших функций, которые выполняют составные части изделия.
Таким образом, мы можем сказать, что конструкторско-технологическое решение есть процесс разбиения исходной функции проектируемого изделия на функциональные узлы и подбор для них оптимального состава элементарных функций. То есть, если ранее понятие поиска оптимального решения понималось как ментальный процесс мышления конструктора, то с помощью аппарата функционального анализа он превращается во вполне формализованный процесс поиска оптимального решения из множества существующих. Стоит отметить, что данный процесс должен осуществляться с учетом возможностей предприятия, поэтому множество решений, как правило, оказывается довольно ограниченным.
С точки зрения технологического решения на этапе разработки конструкторской документации технолог в своем заключении опирается на сведения об имеющемся на предприятии производственном оборудовании. Эти сведения также можно заранее оговорить и формализовать в рамках конкретного производственного предприятия.
Однако показатели технологичности функциональных и конструктивных элементов детали или изделия в целом могут изменяться в зависимости от определённых параметров. К таким параметрам относятся конструктивная форма элементов (длина, диаметр, глубина и.т.д.), параметры заготовки, вид оборудования. Следовательно, описание любого функционально-конструктивного элемента можно представить в виде параметрического уравнения. С одной стороны этого уравнения будет стоять определённый показатель технологичности, а с другой - связанные между собой определёнными функциями коэффициенты и параметры, от которых этот показатель технологичности зависит. Если в таком виде представить все функционально-конструктивные элементы, то можно для любой детали, которая будет входить в рассматриваемую группу, спрогнозировать ещё до момента её изготовления все требуемые показатели технологичности. Но вручную проводить данные расчёты также долго, поэтому имеет смысл их автоматизировать с помощью программного продукта.
Так как большая часть современных предприятий при проектировании деталей и изделий использует различные системы САПР КД и ТП, то возможно интегрировать САПР КД и ТП с этим программным продуктом.
Данный программный продукт (рис. 1) должен включать в себя взаимосвязанные базу данных и базу знаний.
База данных должна включать в себя информацию обо всех функциональных группах деталей, которые выпускает данное предприятие или отрасль промышленности, к которой это предприятие относится.
В каждую из таких функциональных групп входят подгруппы, которые, в свою очередь, состоят из конструктивно похожих между собой деталей, отличающихся друг от друга только размерами. Каждая из таких подгрупп имеет деталь - представитель, которая отражает общность конструкции деталей подгруппы. База данных должна включать в себя также группы элементов, из которых состоят функционально-технологические группы деталей и подгруппы. Также в базу данных входит информация об оборудовании, на котором можно изготовить детали, входящие в функционально-технологическую группу. Далее в неё входит информация о заготовках, покрытии и.т.д.
База знаний должна включать в себя системы распознавания элементов, расчёта покрытий, расчёта параметрических уравнений и прочие системы, необходимые для анализа, сравнения и расчёта показателей технологичности.
Рис. 1
Применительно к конкретному конструкторско-технологическому подразделению предприятия рассматриваемая идея состоит в следующем:
1. Все проектируемые (или изготавливаемые) на конкретном предприятии изделия разбиваются на отдельные узлы по выполняемым в изделии функциям (коробки передач, трансмиссии, корпусные детали и т.п.).
2. Узлы разбиваются по функциям на отдельные детали (валы, оси, рычаги т.п.).
3. Детали разбиваются по функциям на отдельные объёмы. Например, вал имеет места для подшипников, шестерён, подвижных и неподвижных соединений, мест контактирования с сальниками и т.п.
4. В зависимости от функции назначения объёма к нему имеются сформированные или формируются требования по поверхности, к допускам, чистоте обработки, расположения волокон структуры, однозначности структуры (например, полностью калёный объём или поверхностная закалка) и т.д.
5. В зависимости от требований к поверхности и объёму формулируются способы их удовлетворения (используемые процессы, оборудование).
6. Проводится анализ с точки зрения выявленных процессов возможностей имеющегося на предприятии оборудования.
7. Все эти данные на протяжении длительного времени вносятся в базу данных, где группируются по функциям (чего мы хотим достичь и почему).
8. Составляется алгоритм работы базы знаний, который обеспечит правильное функционирование программного продукта, а также его взаимодействие с САПР предприятия, специально разработанной базой данных и пользователем (то есть конструктором предприятия).
В результате проведенных мероприятий в случае поступления новой разработки задача конструктора - в самом общем виде прорисовать деталь, в самом грубом виде задать требования к её элементам и физическим требованиям, требованиям к её размерам (без допусков) и передать эти данные в программный модуль. После обработки полученной информации программа даст результат в следующем виде:
• различные альтернативные варианты (с оптимальными показателями технологичности) конструкторского проекта для последующего выбора;
• для каждого из вариантов проекта - законченная компоновка с возможностью вывода чертёжей деталей со всеми необходимыми размерами и требованиями;
• требования к заготовкам;
• возможность автоматического формирования оформленного проекта в базе данных предприятия;
• требования к технологическому процессу с указанием оборудования из числа имеющегося на предприятии, которое следует использовать при изготовлении детали.
• ответ на вопрос, в состоянии ли предприятие изготовить деталь самостоятельно или нет и, если не в состоянии, то почему.
Следует отметить, что описывается идеальный вариант, когда изделие является настолько «типичным», что после получения вышеуказанных данных проект не требует доработки со стороны конструктора. В большинстве же остальных ситуаций такое вмешательство будет необходимым и неизбежным, поскольку каждое изделие в той или иной степени обладает индивидуальностью. Также стоит сказать, что подобная система является универсальной, то есть может быть реализована на любом предприятии машиностроительного и приборостроительного характера, однако требует индивидуального подхода в каждом отдельном случае, поскольку необходимые данные о технологических возможностях предприятия являются в каждом случае уникальными.
Таким образом, можно отметить, что принципы функционально-технологического анализа открывают достаточно широкий спектр возможностей по изучению, проектированию и разработке новых типов производственных систем, которые в условиях современного этапа развития машиностроительного и приборостроительного производства оказались бы наиболее актуальными и эффективными. Совмещение этих принципов с теорией количественной оценки степени технологичности даёт возможность осуществлять сравнительную оценку степени технологичности и себестоимости различных вариантов конструкторских проектов ещё на начальных стадиях проектирования. Внедрение же данных принципов в производственной сфере позволяет использовать преимущества высокопроизводительного оборудования при единичном и мелкосерийном типе производства.
Библиографический
1. Шишмарёв, В.Ю. Автоматизация технологических процессов / В.Ю. Шишмарёв. - М.: Академия, 2005.
2. Митрофанов, С.П. Технологическая подготовка гибких производственных систем / С.П. Митрофанов [и др.]. - М.: Машиностроение, 1987.
3. Митрофанов, С.П. Организационно-технологическое проектирование ГПС / С.П. Митрофанов [и др.]. - М.: Машиностроение, 1986.
4. Капустин, Н.М. Автоматизация производственных процессов в машиностроении / Н.М. Капустин, П.М. Кузнецов, А.Г. Схиртладзе. - М.: Высшая школа, 2004.
Дата поступления в редакцию 02.05.2012
O. Koshelev, O. Kalynov, L. Frolov
THE ENGINEERING AND DESIGN PRE-PRODUCTION AUTOMATION PROBLEM SOLVING ALGORITHM AND THE APPROPRIATE SOFTWARE PRODUCTS MINIMUM REQUIREMENTS IN A CONCRETE COMPANY
Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.Y. Alekseev
Purpose: Using automation typical of mass production in the unit and small batch production is one of the main problems of modern engineering companies. At the same time, during the development phase of design and technological documentation for the product takes a lot of time to choose the optimal solution of the project. In this case traditional methods of creating flexible production systems are not effective.
Method: In this paper we propose a new method based on the constructive and functional description of the product and its components.
Findings: One of this method's benefits is ability to create with it the universal functional groups of parts and assembly units with the characteristic parameters of their processability.
Value: As a result, it is possible to organize the automated constructive and technological design system with the ability to assess the product's cost and extent of processability at the early stages of project development.
Key words: automation, processability, functional groups, flexible production systems, documentation.
