CC BY
68
УДК 621.9 р. Л. АРТЮХ
В. Б. МАСЯГИН А. П. МОРГУНОВ
Омский государственный технический университет
РАЗРАБОТКА МЕТОДА СИНТЕЗА ОПТИМАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ УЧЕТА МНОЖЕСТВЕННОСТИ КРИТЕРИЕВ ОПТИМИЗАЦИИ_________________________________________
В статье рассматривается методика синтеза оптимальной технологической структуры, позволяющая сократить сложную и трудоемкую работу технолога по ручному проектированию технологического процесса и расчету линейных технологических размеров. Ключевые слова: информационная модель, автоматизация, критерий, синтез, оптимизация, теория графов.
Размерный анализ технологических процессов включает выявление и фиксацию взаимосвязей всех размерных параметров (геометрической структуры), в том числе с применением теории графов, проверку и установление рациональных способов простановки технологических размеров в операционных картах, т.е. решает задачу построения оптимальной геометрической структуры технологического процесса.
В методике [1] используется теория графов и матрицы баз, и формируется оптимальная геометрическая структура технологического процесса. Основным критерием, по которому формируется оптимальная структура, является минимизация количества технологических баз.
В работе [2] также используется теория графов, формируется оптимальная схема обработки, основываясь на критерии — минимальном размере припуска.
В методике [3] обеспечивается построение оптимальной размерной структуры технологического процесса с минимальной суммой ожидаемых величин колебаний припусков. Особенность методики состоит в том, что минимальная сумма ожидаемых величин колебаний припусков достигается наибольшим количеством составляющих звеньев в технологической цепи размера, заданного чертежом между технологическими базами. Методика применима при обработке деталей с низкой точностью размеров и из дорогих материалов, где снятие припуска больше минимального нецелесообразно.
В работе [4] приведена автоматизированная методика проектирования размерных структур технологического процесса деталей типа тел вращения. Методика основывается на создании размерной структуры с минимально возможным количеством составляющих звеньев размерных цепей и минимальным объемом припуска. Недостаток заключается в том, что данная методика применима для типовых деталей. Для оригинальных необходима дополнительная разработка размерных структур.
Из вышесказанного следует, что существующие методики используют не более двух критериев для построения оптимальной геометрической структуры, т.е. не учитывают всех факторов, по которым можно оценивать оптимальность геометрической структуры технологического процесса механической обработки.
Для решения данной проблемы предлагается разработать автоматизированную методику синтеза технологических размерных структур, которая объединит множество критериев оптимальности и исключит сложную трудоемкую работу технолога по проектированию технологических процессов.
Метод синтеза оптимальной геометрической структуры технологического процесса по предлагаемой методике (рис. 1), состоит из четырех этапов: первый этап заключается в подготовке исходных данных для синтеза структуры; вторым этапом является синтез геометрических структур технологического процесса; на третьем этапе производится расчет полученных структур технологических процессов с использованием программы «Diamond» [5] и формирование массива значений критериев оптимальности; четвертый этап заключается в определении оптимального варианта геометрической структуры.
Исходными данными является чертеж детали (рис. 2) на основе которого строится информационная модель детали (рис. 3), включающая в себя геометрическую модель, и массивы, содержащие следующую информацию: а) количество поверхностей;
б) количество участков замкнутого контура детали и номера поверхностей, образующих контур; в) шероховатость поверхностей, составляющих геометрическую модель детали; г) линейные, диаметральные конструкторские размеры и требования взаимного расположения поверхностей, составляющих геометрическую модель детали.
После подготовки исходных данные осуществляется синтез геометрических структур технологи-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012
Рис. 1. Метод синтеза оптимальной геометрической структуры технологического процесса
Рис. 2. Чертеж детали «Фланец»
І7
56 53 ІУ
.Я 52
3 2 4
і
1 ^ .. щШШ ::й 6 7
/4 13 12 11 9 8
10
*9 а
са
Последовательность рчасткой контура
№ цч. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 /4
№поЬ. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 /4
Шероховатость поверхностей
№ п/п Вид шероховатости Количество поверхностей № пойерхнрсти
1 ИііО 10 1.2„ЗА,-5.7.10,11,13,%
2 Ра2.5 1 6
3 Яа1.25 2 9.12
4 НаО.бЗ 1 8
Линейные размеры
№ № лей. г р. № проб, г р. Размер 5 Верхнее отклонение Нижнее отклонение
1 1 7 44 0 -0,17
2 3 5 2.5 0 -0,25
3 5 11 3,5 1 -1
4 1 13 13 0,25 -0,15
5 9 7 9 0,26 -0,26
6 1 11 33 0,17 0
Диаметральные размеры
№ п/п № поверхности Диаметр 0 Верхнее ртклрнение Нижнее отклонение
1 10 27 +0.52 0
2 8 32 н0.025 -0.009
3 6 і-0 -0.010 -0.027
4 4 62 0 -0.7і
5 12 35 н0.05 0
6 /4 38 н0.027 0
7 2 4/ 0 -0.62
Допуски отклонений взаимного рас потения
№ п/п База (№ поверхности! Поверхность Величина Вид отклонения
1 8 9 0.012 2
2 8 74 0.03 1
3 /4 1 0.05 2
4 6 5 0.02 3
Рис. 3. Информационная модель детали «Фланец»
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
55
Рис. 4. Варианты геометрических структур технологических процессов
56 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012
1 1
ческого процесса. Синтез геометрических размерных структур включает в себя следующие действия:
— выявление поверхностей детали с точки зрения возможного использования в качестве технологических баз;
— выявление возможных обрабатываемых поверхностей для каждого варианта технологических баз;
— определение всех поверхностей — ступеней обработки [6];
— выявление возможных технологических размеров, удобных с точки зрения измерения при настройке и при контроле;
— определение варианта исходной черновой базовой поверхности.
После определения возможных вариантов базирования заготовки, формируются возможные варианты обработки заготовки на первой ступени. Например, для возможного использования трех баз заготовки, каждая база дает два варианта обработки на первой ступени. При наличии второй ступени обработки каждый вариант обработки на первой ступени дает шесть вариантов второй ступени. Далее каждый вариант второй ступени дает шесть вариантов обработки третьей ступени. Обработку на четвертой и последующих ступенях не рассматриваем, т.к. она применяется редко.
Формирование каждого варианта ступеней обработки производится по следующему алгоритму:
1. Берется база предыдущей ступени обработки и обрабатываются чистая база и те поверхности, которые связаны с получаемой чистой базой непосредственно или опосредованно;
2. Берется полученная чистая база, и обрабатываются те поверхности, которые связаны с этой другой чистой базой непосредственно или опосредованно;
3. Берется снова чистая база, и обрабатываются поверхности, связанные с этой чистой базой непосредственно или опосредованно (но не связанные с чистой базой п. 2);
4. Берется чистая база, и обрабатываются поверхности, связанные с этой чистой базой непосредственно или опосредованно (но не связанные с чистой базой п. 1).
При синтезе геометрических структур используются следующие правила, соответствующие общим требованиям технологии машиностроения:
а) поверхности детали должны быть пригодны для использования их в качестве технологических баз;
б) для каждого варианта технологических баз существуют свои варианты обрабатываемых поверхностей;
в) каждая поверхность готовой детали должна быть обработана необходимое количество раз, с целью обеспечения точности и качества поверхностей, требуемое чертежом;
г) линейные технологические размеры должны быть удобны для измерения при настройке и при контроле.
На основе описанных выше алгоритма и правил было сформировано девять геометрических структур технологических процессов. После формирования геометрических структур технологических процессов необходимо для каждой структуры выполнить расчет линейных технологических размеров с использованием программы «Diamond» с целью получения численных значений критериев для дальнейшей оценки оптимальности. Для оценки оптимальности геометрических структур используются следующие критерии:
— минимальное количество технологических баз, Ne;
— минимальный размер припуска, Zmin;
— минимальное колебание припуска, coZ;
— наименьшая сумма ожидаемых погрешностей всех замыкающих звеньев pSi;
— наименьшая сумма повторений звеньев размерной цепи, SN.
В результате расчета формируется массив численных значений критериев оптимальности для сформированных вариантов технологических процессов, представленный в табл. 1.
Оптимальным будет считаться тот технологический процесс, у которого суммарный критерий оптимальности будет минимальным (1).
КЕ=Х С K ® min, (1)
i-1
где С — весовой коэффициент i-го критерия;
К — значение i-го критерия.
Так как каждый критерий имеет свою степень значимости, то критериям присваивается свое весовое значение, выраженное в процентах:
— количество технологических баз, шт. — 10 %;
— минимальный размер припуска, мм — 15 %;
— минимальное колебание припуска, мм — 45 %;
— наименьшая сумма погрешностей всех замыкающих звеньев, мм — 15 %;
Таблица 1
Массив критериев оптимальности с рассчитанными показателями
№ п/п Количество технологических баз, шт Минимальный размер припуска Zmin, мм Минимальное колебание припуска, мм Наименьшая сумма погрешностей всех замыкающих звеньев, мм Наименьшая сумма повторений звеньев размерной цепи
1 3 3,94 7,0 2,696 44
2 3 3,94 9,89 2,671 49
3 3 4,0 10,9 2,028 59
4 4 4,0 7,95 1,571 53
5 4 3,94 10,5 1,935 55
6 4 3,95 9,64 2,225 46
7 4 3,98 10,0 2,064 44
8 3 3,94 11,99 2,698 42
9 3 3,94 9,92 2,24 42
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (107) 2012
Выбор оптимального технологического процесса
№ п/п шт Zmin, мм Qz, мм Psi, мм SN
Сі 10% 15% 45% 15% 15%
1 G,G75 G, 148 G,263 G,15 G, 112 G,747
2 0,075 0,148 0,371 0,148 0,125 0,8б7
3 0,075 0,15 0,409 0,113 0,15 0,897
4 0,1 0,15 0,298 0,087 0,135 0,77
5 0,1 0,148 0,394 0,108 0,14 0,889
б 0,1 0,148 0,3б2 0,124 0,117 0,851
7 G,1 G,149 G,375 G, 115 G, 112 G,851
8 G,G75 G, 148 G,45 G,15 G,1G7 G, 93
9 0,075 0,148 0,372 0,125 0,107 0,82б
— наименьшая сумма звеньев размерной цепи — 15 %.
Степени значимости критериев, взятые в процентах, не являются постоянными величинами, они могут изменяться в зависимости от того, какие требования предъявляются к технологическому процессу. В данной статье они взяты ориентировочно для наглядной демонстрации работы принципа выбора оптимального технологического процесса.
Далее происходит выявление оптимальной геометрической структуры технологического процесса путем перерасчета критериев оценки с учетом их веса и относительных значений критериев (табл. 2).
Из приведенных в табл. 2 значений и условия (1) видно, что минимальное значение суммарного критерия имеет первый технологический процесс (0,747), который является оптимальным, наихудшим является восьмой технологический процесс (0,93), заводской технологический процесс имеет среднее значение суммарного критерия (0,851).
Разработанная методика проектирования оптимальных размерных структур технологии механической обработки учитывает необходимость назначения технологических размеров, удобных для измерения при настройке и контроле, и множественность критериев оптимизации, позволяет снизить себестоимость производства деталей, сократить время, затрачиваемое на технологическую подготовку производства, повысить производительность труда технолога при улучшении качества проектируемых технологий и исключении ошибок.
Библиографический список
1. Мордвинов, Б. С. Расчет линейных технологических размеров и допусков при проектировании технологического процесса механической обработки [Текст] / Б. С. Мордвинов, Л. Е. Яценко, В. Е. Васильев. — Иркутск : Иркутский гос-университет, 1980. — 104 с.
2. Мальков, Н. П. Алгоритм выбора оптимальной схемы обработки по размерным связям / Н. П. Мальков // Сб. тр. механико-технологического факультета : сб. науч. тр. — Омск : Зап-Сиб. кн. изд-во, 1996. — С. 129—138.
3. Косоротова, Ю. Н. Автоматизация выбора вариантов размерной структуры технологического процесса механической обработки при проектировании автоматической линии на стадии технического предложения [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.02.08. / Ю. Н. Косоротова — М., 1990. — 24 с.
4. Перминов, А. В. Моделирование оптимальной размерной структуры технологических процессов механической обработки / А. В. Перминов // Наука — производству. — 2000. — № 5. - С. 28-32.
5. Масягин, В. Б. Расчет линейных, диаметральных и радиальных технологических размеров с применением программ «DIAMOND» и «RADIAL» [Текст] / В. Б. Масягин, С. Г. Голов -ченко, А. Беккер // Анализ и синтез механических систем : сб. науч. тр. ; под ред. В. В. Евстифеева. — Омск : ОмГТУ, 2005. — С. 13 — 23.
6. Определение количества ступеней обработки поверхности при проектировании плана технологического процесса механической обработки [Текст] / В. Б. Масягин [и др.] // Военная техника, вооружение и технологии двойного применения : матер. III Межд. технол. конгресса. Омск, 7 — 10 июня 2005 г. В 2 ч. Ч. 1. — Омск : ОмГТУ, 2005. — С. 161 — 163.
АРТЮХ Роман Леонидович, старший преподаватель кафедры «Технология машиностроения». МАСЯГИН Василий Борисович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Технология машиностроения».
МОРГУНОВ Анатолий Павлович, профессор (Россия), доктор технических наук, заведующий кафедрой «Технология машиностроения».
Адрес для переписки: Art1405@rambler.ru
Статья поступила в редакцию 28.12.2011 г.
© Р. Л. Артюх, В. Б. Масягин, А. П. Моргунов
