CC BY
69
УДК: 621.9.01
МОДЕЛЬ СТРУКТУРНО - ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СТАДИИ ЕГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
© 2006 Д. Л. Скуратов, С.Ю. Сидоров Самар ский госу дар ственны й аэр окосмический у нивер ситет
Предлагается модель структурно-параметрической оптимизации процесса механической обработки деталей на стадии проектирования технологического процесса. В качестве главного критерия принимаются суммарные затраты на производство. Решением задачи являются детерминированные значения управляемых параметров, зависящие от детерминированных исходных условий и статистических характеристик случайных параметров.
Геометрические параметры многих деталей машин и механизмов могут быть обеспечены практически с одинаковой производительностью путем использования различных методов механической обработки. Например, в работах В.С. Мухина [1], А.Г. Суслова [2] и др. показано, что одинаковые или близкие значения шероховатости поверхности, глубины и степени наклепа поверхностного слоя у цилиндрических поверхностей деталей, изготавливаемых по 6...10 степеням точности из конструкционных сталей, а также никелевых и титановых сплавов, могу т быть получены методами точения, шлифования или комбинацией этих методов с использованием процесса выглаживания. Поэтому при постановке изделий на производство, во первых, необходимо правильно выбрать структуру технологического пр оцесса для изготовления каждой детали, а во вторых, оптимизировать у сло-вия выбранного метода обработки для каждой операции технологического процесса. Причем, в первую очередь, это необходимо осуществлять при изготовлении деталей из материалов со специальными свойствами.
В настоящей статье предлагается модель структурно-параметрической оптимизации на стадии проектирования технологического процесса механической обработки деталей.
В качестве главного (обобщенного) критерия в производстве принимаются суммарные затраты на производство данной продукции - себестоимость или связанная с ней полная стоимость операции [3]. При этом должны учитываться все основные и вспомогательные переходы связанные с обработкой рассматриваемой поверхности, котор ые изменяются в связи с изменениями
технологического процесса. Параметры системы (элементы режима резания), которые можно менять произвольно в опр еделенных границах, должны обеспечить минимум за-тр ат тру да на единицу пр оду кции.
Себестоимость будет представлять собой сумму изменяющихся статей затрат:
Ск = £ Сг;
1=1
т
С = £ С,;
3 =1
где себестоимость СI - одного перехода и Ск
- себестоимость к переходов обработки детали [4], С, - затраты по статьям расходов:
С] = /(Тшт) - заработная плата основных производственных рабочих, где Тшт - штучное время;
С2 = /(Тшт) - материалы, заработная плата рабочих и оплата услуг по содержанию производственного оборудования;
С3=/(Тшп) - амортизация производственного оборудования;
С4= /(Тшт) - затраты на содержание и амор-тизацию производственной площади;
С5 = /(Тшт) - затраты на ремонт оборудования;
С6 = /(Тшт) - затраты на станочные приспособления;
С7= /(То) - затраты на энергию технологическую, где То - основное (машинное) время; С8=/(Тс) - возмещение износа инструментов и расходы на их восстановление;
С9 - затраты на составление управляющих программ, приходящиеся на одну деталь.
Величину затрат по указанным выше статьям расходов можно определить по известным формулам, приведенным например в [5].
При сопоставлении различных вариантов операций и переходов механической обработки стоимость основных материалов (заготовок) не изменяется, поэтому не учитывается.
Были применены детерминированные математические модели для определения рациональных условий обработки при продольном точении и растачивании и круглом наружном и внутреннем шлифовании. Каждая модель представлена в виде линейной целевой функции, определяющей машинное время обработки, и системы линейных ограничений - неравенств, определяющих ограничения технологических возможностей станка и конструкторские и фу нкциональ-ные параметры [6, 7]. Найденные параметры обработки (режимы резания) используются в базе знаний САПРТП «ТОМСК» для расчета основного (машинного) времени.
Структурная схема проектирования технологического процесса финишных операций механической обработки деталей представлена на рис. 1.
Попереходный состав операций механической обработки проектировался с использованием САПРТП «ТОМСК», при этом определялись: вид и марка металлор е-жущего оборудования, применяемая станочная оснастка (патрон, центры, люнет и т.п.), тип режущего инструмента и его характеристики (режущий материал, геометрия), мерительный инструмент, нормативное вспомогательное время по вспомогательным переходам на операции. Основное технологическое время рассчитывалось по режимам резания, определенным с использованием программ, реализующих математические модели [4, 5]. В качестве управляемых параметров приняты режимы обработки (скорость и глубина резания, подача), параметры инструмента.
Исходные данные для проектирования: характеристика материала заготовки (марка стали или сплава, предел прочности на растяжение или твердость), описание обработанных поверхностей детали (размеры, точность обработки, шероховатость).
Проектирование техпроцесса в САПРТП «ТОМСК» - это результат работы комплекса программ: базы знаний (БЗ), диалога с пользователем, дешифровки базы
данных (БД), заполнения информационной модели техпроцесса (ИМТП) и обратной связи с ИМТП обеспечивает технологу -пользователю разнообразный сервис: автоматизированное проектирование технологического процесса в диалоговом режиме, просмотр и выбор информации из БД в режиме меню, просмотр и редактирование информационной модели технологического процесса (ИМТП) в режиме ручного ввода, просмотр результатов проектирования на любом уровне, проектирование в режиме отладчика с просмотром промежуточных результатов. В автоматизированном режиме проектирования система предлагает технологу модальные значения состава переходов на операции, марки оборудования, наименования станочной оснастки, типа режу щего инструмента, марки инструментального материала, типа мерительного инструмента.
База данных в САПРТП «ТОМСК» представляет собой набор справочных таблиц по обрабатываемым материалам, обору -дованию, оснастке, режущему и измерительному инструменту, по нормам времени, р ежима м рез ания, квал итет ам точно сти, текстам операций, переходов и установов, и т.п., содержит исчерпывающие сведения по конструкторским параметрам режущего инструмента, паспортным данным оборудования, расчетным припускам и т.д. Таблица БД по своей форме идентична таблицам в нормативных технических документах: ГОСТах, справочниках и т.п.
Информационная модель техпроцесса (ИМТП) — по форме сложная древовидная матрица, состоящая из 85 вложенных таблиц и нескольких сотен переменных. Она содержит полную информацию о спроектированном техпроцессе. Матричная форма записи позволяет в любой момент проектирования иметь доступ ко всем объектам и параметрам техпроцесса, заменять, удалять, добавлять, просматривать, извлекать во внешние файлы любу ю информацию и т.д. Вложенность таблиц в структуре до 10. Структур а таблица в таблице позволяет размножать вложенную таблицу до нескольких десятков.
Рис. 1. Структурная схема процедуры проектирования технологического процесса
Резу льтат пр оектир ов ания: опер аци-
онные карты техпроцесса, карта контроля, заполнение ведомости оснащения, ведение архивов ИМТП и файлов печати техпроцесса. САПРТП «ТОМСК» позволяет извлекать, систематизировать и накапливать тех-нологическу ю инф ор мац ию: сост ав
режущего и мерительного инструмента на операцию и на техпроцесс механической обработки, перечень применяемого обору -
дования, трудоемкость выполняемых переходов и операций, состав штучного времени на операцию (основное и вспомогательное время), сводная трудоемкость по видам и сложности операций.
На основании рассчитанных в САПРТП «ТОМСК» значений основного -основного и їшт - штучного времени для каждого конкурирующего варианта обработки выполняется расчет затрат Ск, при
этом используется база данных предприятия
- БД БУХГАЛТЕРИЯ, из которой берутся значения балансовой стоимости оборудования, оснастки и режущего инструмента.
В ходе реализации технологического процесса механической обработки возможны отклонения от принятых при проектировании условий, которые приводят к отклонениям от проектных значений С,. В качестве возмущающих параметров при этом чаще всего выступают: модель и инвентарный номер используемого станка (от котор ых зависит балансовая стоимость оборудования, занимаемая им площадь, затраты на р емонт оборудования), расход и стоимость инструмента. Таким образом составляющие себестоимости С3, С4, С5, С8 и, соответственно, значения СI и Ск можно считать случайными функциями, для котор ых спр аведливо:
т
мс = £ мс,,
3 =1
т
БС, = £ МС,
1 =1
где МС, МС, - математические ожидания соответствующих затрат, а БС , БС, - их дисперсии.
Используя целевую функцию себестоимости обработки, выполняется перебор различных вариантов процесса механической обработки для очередного перехода формообразования заданной поверхности. Для каждого варианта определяется математическое ожидание и предельные отклонения значений целевой функции.
Ср авнение между собой суммы затрат Скт (здесь т - порядковый номер конкурирующего варианта обработки) для рассматриваемых вариантов позволяет определить наиболее предпочтительный из них. Сравнение конкурирующих вариантов технологического процесса выполняется по квантилям 90% вероятности величин Скт.
Список литературы
1. Мухин В.С., Смыслов А.М., Боровский С.М. Модифицирование поверхности деталей ГТД по условиям эксплуатации. М.: Машиностроение, 1995, 256 с.
2. Суслов А. Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. М.: Машиностроение, 1987, 208 с.
3. Закураев В.В., Шивырев А.А. Многокритериальная оптимизация и управление механической обработкой на токарных станках с ЧПУ // Вестник машиностроения. 2001. № 4. С. 44-49.
4. Старков В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве. М.: Машиностроение, 1989. 296 с.
5. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 2 /Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. 496 с.
6. Скуратов Д.Л. Разработка математической модели для определения рациональных условий обработки на операциях чистового точения и растачивания при изготовлении деталей авиакосмической техники // РК техника. Сер. XII. Расчет, проектирование, конструирование и испытания космических систем: Науч.-техн. сб. Самара, 2001. Вып. 1. С. 182-193.
7. Скуратов Д.Л. Разработка математи-
ческой модели для определения рациональных условий обработки на операция х кру г-лого шлифования при изготовлении деталей авиационной техники // Вестник Самарского государственного аэрокосмического универ -ситета. Сер. Проблемы и перспективы развития двигателестроения. Самара, 2001.
Вып. 5. Ч. 2. С. 115-130.
THE MODEL OF S TRUCTURALLY-PARAMETRICAL OPTIMIZATION OF THE TECHNOLOGICAL PROCESS OF MECHANICAL TREATMENT DURING THE STAGE
OF DESIGNING
© 2006 D.L. Scuratov, S.Y. Sidorov
Samara State Aerospace University
The model of structurally-parametrical optimization of the process of mechanical treatment of components during the stage of designing the technological process is proposed. As a main criterion, the summary expenditures of production are assumed. The salvation of a problem are determined values of guided parameters, depended on the determined initial conditions and static characteristics of casual parameters.
