CC BY
12УДК 65.011.56
DOI: 10.24412/CL-35807-2022-1-21-27
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСА КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕДУР В СИСТЕМЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВА
INTENSIFICATION OF MANUFACTURING BASED ON COMPUTER — AIDED PLANNING'S SYSTEM FOR DESIGN PROCEDURES SPECIFICATION
Решетникова Е. П., к. т. н,
начальник сектора, АО «НПП «Алмаз»,
г. Саратов, purpose22@mail.ru,
Бочкарев П. Ю., д. т. н, профессор кафедры
«Технология машиностроения и прикладная
механика», Волгоградский государственный
технический университет, г. Волгоград,
bpy@mail.ru
Reshetnikova E. P., Ph. D. in Engineering Science, head of section, JSC «SPE «Almaz», Saratov, purpose22@mail.ru,
Bochkarev P. Yu., D. Sc. in engineering, professor, Volgograd state technical university, bpy@mail.ru
Аннотация. В работе предложено инновационное технологическое решение, обеспечивающее интеллектуализацию производственных систем механообрабатывающих предприятий машиностроительной области. Актуальность представленного решения обусловлена современными требованиями обеспечения конкурентоспособности в частности мелкосерийных многономенклатурных механообрабатывающих предприятий и целесообразна для постоянного развития технологий и совершенствования функциональных возможностей средств технологического оснащения. Суть предлагаемого инновационного подхода к проектированию интеллектуального производственного процесса состоит в разработке рациональных единичных технологических процессов на основе информации о реальных размерных характеристиках каждой конкретной заготовки и применении рационального комплекта контрольно-измерительных средств для оценки заданной точности изготовления детали на завершающем этапе реализации технологического процесса. Особенность подхода: наиболее выгоден для совершенствования изготовления изделий в условиях быстроменяющейся производственной ситуации. Для реализации подхода разработан комплекс контрольно-измерительных процедур, обеспечивающий выполнение современных тенденций цифровизации производства.
Annotation. The article proposed an innovation solution for intellectualization a machining workshop manufacturing systems. The timeliness condition by the need of provide a competitive edge production in the market specifically low-volume/high-variety manufacturing with reference of technological development and technological advancements. The novel approach in question consist in planning an intellectual AMT-supported manu-
Развитие цифровых технологий и их неизбежная социализация и внедрение в производство требует новых подходов и инновационных решений для грамотной адаптации жизненного цикла изделия. Цифровизация способствует осуществлению перехода к интеллектуальным производственным системам и соответственно позволяет рассматривать возможность для совершенствования традиционных и планирования перспективных производственных процессов механообрабатывающих предприятий.
Цель работы — совершенствование изготовления изделий со сложнопрофильными поверхностями на основе разработки комплекса контрольно-измерительных процедур (ККИП) [1].
Принцип работы ККИП заключается в проектировании технологических процессов (ТП) изготовления деталей с учетом реальных данных о детали: размерных параметров и взаимосвязей поверхностей заготовок (полуфабрикатов), а также с учетом назначения рационального комплекта контрольно-измерительных средств (СИ) [2] для обеспечения заданной точности изготовления изделий при реализации разработанного ТП в реальных условиях производственной системы.
Достижение поставленной цели работы осуществлено решением следующих задач:
1. Разработаны комплекс контрольно-измерительных процедур и координатная методика анализа размерных взаимосвязей поверхностей деталей, являющаяся структурным элементом ТП для сбора реальных размерных данных детали. Данная координатная методика наиболее эффективна и обоснована для деталей со сложнопрофильными поверхностями, ввиду особой их технологической сложности при производстве.
2. Формализованы проектные процедуры для назначения рационального комплекта контрольно-измерительных средств производственной системы в условиях действующей производственной ситуации.
facturing process especially development the rational process technology for individual production based on information about half-finished material dimensioning specifications and using rational control — and — measuring set. The rational measuring — and — control set is adapting at finish stage of process technology for assessment of product quality. Peculiarity is that approach is the most favorable decision for increasingly changing and competitive manufacturing market. To implement the approach developed the control — and — measur-ing's procedures complex aimed at meeting the updated trends of digitalization of production.
Ключевые слова: комплекс контрольно-измерительных процедур, технологическая подготовка производства, цифровизация производства, средства технологического оснащения, интеллектуальная производственная система.
Keywords: control — and — measuring's procedures complex, AMT-supported planning, digita-lization of manufactory, tools, intellectual manufacturing system.
3. Подготовлены алгоритмическое и программное обеспечения комплекса контрольно-измерительных процедур деталей со сложнопрофильными поверхностями.
Реализацию ККИП подразумевается осуществить в системе автоматизированного планирования многономенклатурных технологических процессов (САПлТП) (рис. 1).
САПлТП — среда, предназначенная для генерации технологических процессов на основе данных производственной системы: особенностей номенклатуры изделий, функциональных возможностях технологического оборудования, специфики режущего и контрольно-измерительного инструмента, технических характеристик средств технологического оснащения и т. д. САПлТП обеспечивает качественное планирование и грамотную организацию производственного процесса.
Отличие САПлТП от систем автоматизированного проектирования (САПР ТП) [3—5] и традиционного подхода к планированию производства и его технологической подготовки (ТПП) состоит в возможности проектирования альтернативных вариантов ТП изготовления изделий с дальнейшим выбором из них ра-
Производственная программа
Производственная система
Г
База данных поверхностей
Комплект поверхностей с информацией о взаимосвязях между ними
Контрольно-измерительные средства
Разработка комплекса контрольно-измерительных процедур
Корректировка технологических процессов при изменении производственной ситуации (отказ оборудования, технологической оснастки, изменение производственного задания и др.)
Ж
Проектирование технологических процессов
Разработка принципиальных схем механообработки элементарных поверхностей деталей
Формирование кортежей технологических переходов
Выбор технологического оборудования
Проектирование технологических операций
Реализация технологических процессов
Анализ изменений в производственной ситуации и определение уровня корректировки
Анализ размерных характеристик деталей,
полученных после механообработки
Базы данных по технологическим возможностям оборудования, возможностям технологической оснастки и контрольно-измерительным средствам
Корректировка базы данных по результатам анализа характеристик деталей, полученных после механической обработки
Определение рациональных потоков деталей и заготовок
Рис. 1. Комплекс контрольно-измерительных процедур в системе автоматизированного планирования многономенклатурных
производственных процессов
ционального ТП для конкретной производственной ситуации. Особое преимущество САПлТП заключается в способности обеспечения взаимного согласования этапов проектирования производственного процесса и его реализации. При традиционной форме ТПП механообрабатывающих предприятий возможность обратной связи от этапа реализации ТП на процесс его проектирования отсутствует, так как в основном проектирование производственного процесса представляет собой набор отдельных процедур, обеспечивающих решение задач конкретного этапа производства, назначаемых исходя из технологии производства, принятой на конкретном механо-обрабатывающем предприятии.
Разработанный комплекс контрольно-измерительных процедур (рис. 2) направлен на совер-
шенствование разработки ТП изготовления изделий в условиях модернизации ТПП традиционных производственных систем и обеспечивает цифровизацию вновь создаваемых механообра-батывающих производств, что соответственно способствует повышению конкурентоспособно -сти предприятия посредством сокращения затрат временных и материальных ресурсов на проектном этапе планирования.
Практическая ценность ККИП представлена в виде разработанных способа группирования деталей номенклатуры производственной системы с позиции сложности их измерения [6], методики координатного измерения д еталей со сложнопрофильными поверхностями [7], служащей структурным элементом для разработки рационального ТП изготовления деталей на основе реальных
Рис. 2. Организационная последовательность комплекса контрольно-измерительных процедур
0,8
0,7
0,6
Л
т с 0,5
то с 0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
— ■ ст ,хср
/ к,
/ > +ст \
4 /
1 / \
У \
/ \
3
0 3 27 54 81 108 135 162 190 216 243 270
N лм
Количество точек, шт.
Рис. 3. Определение величины рационального числа координатных точек поверхности
данных о заготовке и методики формирования рационального комплекта СИ при учете действующей производственной ситуации на момент планирования производственного процесса.
Для группирования деталей производственной системы использован аппарат кластерного анализа:
п-п- + ,
Ви = ' 1 1 dnn. , ^ тах, п- + п- + 1 п'п' +1
(1)
где I и J — группы поверхностей деталей, объединенные при кластерном анализе; п1 — элементы группирования (поверхности деталей), - = 1, 2, ..., и, и — общее количество анализируемых поверхностей; dn — Евклидово расстояние: п-п- +1
dn¡n^ 1 1 (^к, п, п) ,
(2)
"к = 1
к
Кс = 1 -
с о
(3)
ч = 1
ли, - = 1, ..., к, к — общее количество коэффициентов [6]; Vч — СИ, которое возможно использовать для анализа каждого параметра поверхностей детали, ч = 1, ..., О, О — количество деталей в партии.
Координатная методика измерения реальных размерных данных изготавливаемых деталей состоит в расчете рационального количества, необходимого для получения достоверного результата, при анализе размерных параметров на конкретной измеряемой поверхности и их расположение на анализируемой поверхности.
В процессе проверки предложенной методики выявлено, что количество координатных точек подчиняется закону нормального распределения (рис. 3). Это обусловлено тем, что результирующая погрешность при контрольно-измерительной процедуре размерных параметров поверхностей представляет собой сумму большого числа погрешностей, влияние каждой из которых на результирующую погрешность имеет один порядок.
Лрац — рациональная величина количества точек поверхности; хср — среднее значение величины количества точек; ст — среднее квадратичес-кое отклонение.
Согласно рисунку 3 величина (хср) определяет центр группирования значений величины (Лрац), минимальная граница величины (ст) ограничивает интервал величин со значением (Лрац). Величина (Лрац) принимается с учетом доверительного интервала оценки достоверности результата (ад), который равен 99,73 %, согласно литературным источникам [7].
Количество возможных вариантов расположения координатных точек к анализируемой поверхности вычислено по зависимости:
к = (Л0 - 1)!
(4)
где 2 — количество анализируемых параметров поверхностей; ^ п.хк п. — значения к признака
для п1 и ^ элемента, к = 1, ..., 2.
В качестве критерия группирования изготавливаемых деталей производственной системы принята степень сложности Кс измерения размерных характеристик и взаимосвязей их поверхностей:
Из возможных способов распределения координатных точек необходимо выбрать наиболее соответствующий текущим условиям контрольно-измерительной процедуре. В качестве критерия выбора принято условие максимально возможного заполнения количеством точек (Лрац) измеряемой поверхности с наименьшими временными затратами на контрольно-измерительную процедуру.
Временные ресурсы, затрачиваемые на контрольно-измерительную процедуру, определяются согласно (5).
*к
_ Р (Лм)
тш,
(5)
где К- — суммарное значение показателя процесса измерения анализируемых поверхностей дета-
где *к — время контрольно-измерительной процедуры; р(Лм) — замкнутый профиль исследуе-
мои поверхности заготовки; v — скорость снятия координатных точек оператором средства измерения (принято v = const).
При учете условий (4) и (5) определяется вариант оптимального расположения координатных точек на измеряемой поверхности, критерием служит условие минимальных затрат временных ресурсов на контрольно-измерительную процедуру:
N N
рац рац
SN (n) = Z Z tipil ^ min; """ i = 1 j = 1
рац
N
рац
Z nu = 1, V j = 1, N0;
i = 1
N
Z nit = 1,Vi = 1>No;
(6)
■ 1 i i = 1
njj e [0, 1 ];
nij =
_ (1, в цикле есть переход из i в j;
0, перехода нет из i в j,
Л*дграц — принимаемый способ расположения точек на измеряемой поверхности; Л^ац = («1, «2, «3, ..., %) — множество точек рассчитанного рационального количества координатных точек;
^ — время перемещения измерительного наконечника автоматизированного СИ от одной точки поверхности к другой при анализе параметров поверхности.
Реальные данные о размерных параметрах поверхностей заготовки, полученные при помощи разработанной координатной методики, обеспечивают проектирование рационального ТП для текущих условий производственной системы изготовления детали. Под рациональным ТП в данной работе понимается такой ТП, что обеспечивает наиболее выгодную схему базирования каждой заготовки и эффективную последовательность операций ее механической обработки на основе учета технологической наследственности и назначения целесообразной величины припуска поверхностей, а также обеспечивающий назначение рационального комплекта технологической оснастки и контрольно-измерительных средств.
Результаты проверки предложенного подхода к проектированию интеллектуальной производственной системы показали, что введение процедур анализа действительных параметров поверхностей заготовки (рис. 4) позволяет осуществлять управляющее воздействие на разработку ТП обработки детали, тем самым обеспечить составление рациональной структуры технологических операций для текущих условий производственного процесса.
Рис. 4. Разработка технологического процесса изготовления детали с учетом реальных данных о поверхностях ее заготовки
Определяющим фактором для сокращения временных ресурсов реализации разработанного рационального ТП является применение рационального комплекта СИ.
Формализация назначения рационального комплекта контрольно-измерительных средств осуществлена с учетом действующей производственной ситуации при условии минимизации суммарного времени контрольно-измерительной процедуры:
Tk = ^ min;
(7)
P( K') = X kmwk ^ max;
m = 1
z
X km*k ^ Tk;
m = 1
km e[0, 1 ], m = TTz;
k — 11, если СИ входит в комплект; m [0, если СИ не входит в комплект,
где Тк — суммарное время контрольно-измерительной процедуры; к — время работы каждым контрольно-измерительным средством; Р(К'') — рациональный комплект контрольно-измеритель-
ных средств для текущей производственной ситуации; кт — конкретный контрольно-измерительный инструмент, входящий в комплект, т = 1, 2, ..., г, г — общее количество контрольно-измерительных средств на контрольно-измерительной процедуре; {м^} — технические характеристики конкретного контрольно-измерительного инструмента.
Формирование рационального комплекта контрольно-измерительных средств осуществляется на базе г енетического аппарата. Время работы алгоритма ограничено технико-экономической целесообразностью контрольно-измерительной процедуры.
Алгоритмическое обеспечение ККИП наиболее подробно представлено в работе [1] и включает алгоритм назначения рациональных точек исследуемой поверхности, алгоритм рационального расположения координатных точек на исследуемой поверхности и алгоритм назначения целесообразного количества контрольно-измерительных средств при проектировании рационального ТП изготовления изделий.
Результаты работы прошли практическую апробацию в условиях промышленного отдела предприятия, при этом подтверждена работоспособность разработанных методик и алгоритмов (рис. 5).
Существующий вариант проектирования конструкции литьевой формы
Разрабатываемый вариант автоматизированной системы проектирования конструкции литьевой формы
Рис. 5. Практическое применение комплекса контрольно-измерительных процедур в условиях АО «НПП «Алмаз»
Подтверждено, что учет реальных размерных характеристик поверхностей заготовки и введение контрольно-измерительных процедур на проектном этапе разработки ТП способствуют принятию эффективных технологических решений при разработке ТП. Методика назначения рационального комплекта средств контрольно-измерительного инструмента производственной системы способствует сокращению времени контрольно-
измерительных процедур и общего их количества. В результате зарегистрировано повышение эффективности функционирования производственной системы, сокращение временных затрат на 25 % и дефектной продукции производственной системы в среднем на 5 %, а также исключение брака продукции на этапах контроля исходной заготовки с учетом технологических возможностей производственной системы.
Список литературы
1. Решетникова Е. П., Бочкарев П. Ю. Инновационный подход к разработке технологических процессов изготовления изделий в многономенклатурном производстве // Вектор науки. — 2021. — № 2. — С. 35—46.
2. Reshetnikova E., Bochkarev P. Yu., Nazaryev A. Generation the efficient measuring instruments kit in the computer — aided preproduction planning's system for multiproduct machine manufactory // IOP Conference series: Materials science and Engineering. ICMTME 2019. 2020. P. 033090.
3. SWR-Технология. Система подготовки технологической документации. // САПР и графика. — 2007. — № 12. — С. 36—40.
4. САПР ТП ВЕРТИКАЛЬ: технологию проектировать просто! // САПР и графика, 2006. № 3.
5. Павлов А. «ТехноПро» — универсальная система технологического проектирования и подготовки производства // САПР и графика. — 2001. — № 8.
6. Решетникова Е. П., Бочкарев П. Ю. Концепция группирования деталей механообрабатывающих производств при формировании рационального маршрута технологического процесса их изготовления // Наукоемкие технологии в машиностроении. — 2021. — № 3 (117). — С. 19—25.
7. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика: учеб. пособие для вузов. — М.: Высшая школа, 1977. — 479 с.
8. Zakharov O. V., Reshetnikova Е., Kushnikov V. A., Kochetkov A. V. Perspective Algorithms for the Hexapod Control Used to Measure Complex Surfaces // International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems (MEACS-2015): 7414870 doi: 10.1109 / MEACS.2015.741870.
