НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

"ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

Пермяков Олександр Анатолійович

УДК 621.9.06

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ КОМПОНЕТИКИ

АГРЕГАТОВАНИХ ТЕХНОЛОГІЧНИХ СИСТЕМ

Спеціальність 05.02.08 – технологія машинобудування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі “Технологія машинобудування і металорізальні верстати” Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти та науки України, м.Харків

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Тимофієв Юрій Вікторович,

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, завідувач кафедри “Технологія машинобудування і металорізальних верстатів”

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Арпентьєв Борис Михайлович,

Українська інженерно-педагогічна академія (м.Харків), завідувач кафедри “Технологія машинобудування”;

доктор технічних наук, професор

Михайлов Олександр Миколайович,

Донецький Національний технічний університет, завідувач кафедри “Технологія машинобудування”;

доктор технічних наук, професор

Петраков Юрій Володимирович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, завідувач кафедри “Технологія машинобудування”

Провідна установа: Харківський науково-дослідний інститут технології

машинобудування, Міністерство промислової політики України, м.Харків

Захист відбудеться 13 червня 2002 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.12 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” за адресою:

61002, м.Харків, вул.Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”

Автореферат розісланий 11 травня 2002 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Узунян М.Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Удосконалення машинобудівного комплексу України, його технічне переозброєння потребує підвищення якісних показників технологічного устаткування, що знову створюється і модернізується. Сучасні верстати і системи повинні бути високопродуктивними, володіти технологічною гнучкістю за рахунок автоматизації, забезпечувати можливо низьку собівартість обробки деталей, мати малий строк окупності капітальних вкладень.

Найбільш перспективним видом технологічного устаткування, що задовольняє більшості вимог, є агрегатні верстати і технологічні системи, які створюються за агрегатно-модульним принципом. Агрегатовані технологічні системи механообробки (АТСМ) і агрегатні верстати (АВ) широко поширені в українському машинобудуванні й машинобудуванні найбільш розвинених промислових країн, складаючи основу високоорганізованих і найбільш ефективних виробництв.

За тривалий період розвитку агрегатованого устаткування розроблені загальні принципи проектування технологічних процесів обробки деталей у таких системах, створені параметричні ряди конструкцій уніфікованих вузлів і агрегатів, сформовані основні компоновочні схеми. Однак потенційні можливості, закладені в агрегатно-модульному принципі побудови верстатів і систем, розкриті ще не повністю. Так, проблема розробки найбільш раціональних компоновок багатопозиційних багатоінструментних АТСМ досліджена в найменшій мірі, оскільки задача вибору варіанту взаємного просторового розташування вузлів і елементів є багатофакторною різноманітною задачею, що найтіснішим образом пов'язано із технологічною задачею синтезу маршруту обробки деталі. Це веде до різноманіття компоновок АТСМ. З одного боку, це обумовлено різноманіттям геометричних форм деталей, що оброблюються, габаритними розмірами, точністю і шорсткістю формотворених поверхонь, точністю координатних розмірів, необхідною продуктивністю, а з іншого боку, відсутністю загальної теорії компонування багатопозиційних технологічних систем. Наслідком чого є надмірно висока питома металоємкість і енергооснащеність, що притаманна АТСМ.

Питання вибору раціональної компоновки металорізального устаткування в сучасних умовах найбільш важливі, тому що, по-перше, визначають основні споживчі й експлуатаційні характеристики; по-друге, дозволяють керувати трудомісткістю виготовлення, рівнем металоємкості, енергооснащення, фондовіддачі і т.і. Таким чином, розробка моделі компоновки багатопозиційних АТСМ з урахуванням технологічних особливостей при їх створенні, методик прийняття ефективних проектних рішень, що виключають метод проб і помилок при проектуванні в умовах відсутності етапу виготовлення дослідного зразка, є актуальною проблемою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації є частиною наукового напрямку кафедри технології машинобудування і металорізальних верстатів Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”, пов'язаного з підвищенням ефективності проектування, виготовлення й експлуатації агрегатованого металорізального устаткування, який входить в комплексні цільові науково-технічні програми України КЦНТП-14 і КЦНТП-22. Робота виконувалась в рамках договору про творче співробітництво “Удосконалювання структури і якості створення агрегатних верстатів” між кафедрою технології машинобудування і металорізальних верстатів НТУ“ХПІ” із Харківським заводом агрегатних верстатів і Спеціальним конструкторським бюро агрегатних верстатів, деякі дослідження виконувались у рамках договору по науково-технічне співробітництво кафедри технології машинобудування і металорізальних верстатів НТУ “ХПІ” і Державним підприємством ХМЗ“ФЕД” (м.Харків) “Удосконалення технологічних процесів виготовлення товарів народного споживання при зміні об'єктів виробництва шляхом впровадження елементів ГВС та методів перекомпонування агрегатних верстатів”.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи – підвищення техніко-економічної ефективності багатопозиційних АТСМ шляхом розширення технологічних можливостей, зменшення габаритів і металоємкості за рахунок структурно-параметричної оптимізації технологічних і конструкторських компоновок систем механообробки і їхніх елементів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

· виконати системний аналіз технологічних принципів створення складноструктурних АТСМ;

· провести статистичні дослідження структурово-параметричних характеристик багатопозиційних АТСМ;

· провести дослідження процесу проектування технологічного обладнання, що створюється за принципом агрегатування;

· розробити методи кількісної оцінки варіантів компоновки АТСМ на основі комплексних критеріїв, які враховують технологічні і конструкторські фактори, що впливають на продуктивність, економічність, компактність і металоємкість;

· розробити методику спрямованого проектування і перекомпонування багатопозиційних АТСМ із круговим транспортуванням заготовки на основі узагальненої моделі компоновки;

· розробити компоновочні схеми багатопозиційних АТСМ із круговим транспортуванням заготовок, що мають структурну надмірність і допускають переналагодження при зміні об'єкта обробки;

· розробити комплекс алгоритмічного й інформаційного забезпечення для автоматизованого композиційного проектування АТСМ;

· виконати перевірку розроблених теоретичних положень, моделей і методик на дійсних задачах проектування АТСМ і оцінити їхню економічну ефективність.

Об'єкт дослідження – процес проектування технологічних та конструкторських компоновок АТСМ.

Предмет дослідження – багатопозиційні багатоінструментні компоновки АТСМ із круговим транспортуванням заготовки.

Методи дослідження. Методи системного аналізу і положення теорії складних систем, системотехніки, теорії множин використовувалися для дослідження процесу проектування АТСМ, аналізу їхніх структур і параметрів. Технологічні методи диференціації і концентрації операцій покладені в основу аналізу і синтезу способів суміщення технологічних переходів при виборі раціональних компоновок АТСМ. Основи проектування пристроїв і теорія базування застосовувалися для систематизації компоновок і розробки методів автоматизованого проектування установочно-затискних пристроїв АТСМ. Методи математичного моделювання й оптимізації покладені в основу розробки математичних моделей елементів, що компонуються, і критеріїв компактності для автоматизації проектування компонувань АТСМ. Для автоматизації процесу синтезу просторового компонування багатопозиційних АТСМ із круговим транспортуванням заготовки, представленої координатними системами елементів, що компонуються, застосований математичний апарат афінних перетворень. Методи прийняття технічних рішень використані для вироблення правил спрямованого автоматизованого проектування компонувань АТСМ.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі системного і статистичного аналізу технологічних процесів обробки, компоновочних рішень та принципів проектування АТСМ розроблені основні методологічні положення теорії композиційного проектування технологічних систем даного класу, що дозволяють підвищити техніко-економічні показники, поширювати технологічні можливості агрегатованого устаткування за рахунок запропонованої оптимізації технологічного впливу в процесі обробки, просторово-структурних і параметричних характеристик.

Ці положення ґрунтуються на:

· використанні сукупності технологічних та компоновочних переваг принципу агрегатування при створенні технологічних систем механообробки різанням, що виключають притаманні АТСМ недоліки;

· композиційному проектуванні АТСМ, як складної системи, і використанні критеріїв економічності;

· кількісній оцінці варіантів компоновки АТСМ із використанням нового комплексного показника компактності - питомої концентрації операції;

· спрямованому синтезі просторової компоновки АТСМ із використанням апарату афінних перетворень координатних систем і оптимізації проектних рішень за критеріями компактності на різних стадіях деталізації проекту.

Практичне значення одержаних результатів. На основі виконаних узагальнень, теоретичних досліджень і розроблених математичних моделей підготовлений комплекс методичного, інформаційного, алгоритмічного і програмного забезпечення процесу проектування компонувань багатопозиційних АТСМ із круговим транспортуванням заготовки, що містить в собі: загальну методику спрямованого композиційного проектування складноструктурних АТСМ; методику проектування оптимальних компонувань АТСМ за критеріями компактності й економічності; методику просторово-структурно-параметричної оптимізації частин АТСМ, що компонуються, за критеріями компактності; інформаційне, алгоритмічне і програмне забезпечення методик синтезу інструментальних налагоджень, установочно-затискних пристосувань і загального компонування АТСМ.

У рамках договору про творче співробітництво “Удосконалювання структури і якості створення агрегатних верстатів” між кафедрою технології машинобудування і металорізальних верстатів НТУ“ХПІ” з Харківським заводом агрегатних верстатів (ХЗАВ) і Спеціальним конструкторським бюро агрегатних верстатів (СКБ АВ) випробувана і впроваджена в практику проектування методика вибору оптимального компонування при конструюванні багатопозиційних АВ. Загальний економічний ефект, досягнутий за рахунок зниження собівартості створюваних верстатів і збільшення прибутку ХЗАВ склав близько 12 000 – 15 000 гривень на один верстат у залежності від структурної складності.

У рамках творчого співробітництва кафедри технології машинобудування і металорізальних верстатів НТУ“ХПІ” із ДП ХМЗ“ФЕД” розроблені проектні методики компонування АТСМ були використані при переналагодженні АВ на ділянці товарів народного споживання, що дозволило скоротити час і трудомісткість технологічної підготовки виробництва на 10-15%.

Результати досліджень, виконаних у дисертації, знайшли відображення в навчальному процесі Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” при викладанні дисциплін “Металорізальне устаткування”, “Мехатроніка” і “Технологія верстатобудування” для студентів спеціальностей 7.902.202 і 7.902.203. Елементи програмного забезпечення використовуються при курсовому і дипломному проектуванні.

Особистий внесок здобувача. Результати досліджень отримані автором самостійно. Постановка задач дослідження й аналіз деяких результатів виконані з науковим консультантом і частково зі співавторами публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися, обговорювалися й одержали позитивну оцінку на: міжнародній науково-методичній конференції “Автоматизація конструювання виробів і проектування технологічних процесів у машинобудуванні” (6-7 жовтня 1994 р., м.Суми); міжнародній науково-методичній конференції “Автоматизація проектування і виробництва виробів у машинобудуванні” (4-6 жовтня 1995 р., м.Київ); міжнародній НТК “Прогресивна техніка і технологія машинобудування” (1995 р., м.Донецьк); міжнародній НТК (3-5 травня 1994 р., м.Харків); міжнародній НТК Micro-CAD-97 (травень 1997 р., м.Харків); міжнародній НТК Micro-CAD-98 (травень 1998 р., м.Харків); міжнародній НТК Micro-CAD-99 (травень 1999 р., м.Харків); міжнародній НТК “Сучасні технології, економіка й екологія в промисловості, на транспорті й у сільському господарстві” (6-12 вересня 1999 м., м.Алушта); міжнародній НТК “Машинобудування і техносфера на рубежі XXI століття” (13-18 вересня 1999 р., м.Севастополь); міжнародній НТК “Проблеми теорії і практики технології машинобудування, механічної і фізико-технічної обробки” (22-26 травня 2000 р., м.Харків); міжнародній НТК “Сучасні технології, економіка й екологія в промисловості, на транспорті й у сільському господарстві” (4-10 вересня 2000 р., м.Алушта); міжнародній НТК “Фізичні і комп'ютерні технології в народному господарстві” (23-24 жовтня 2001 р.).

Публікації. Основні положення дисертації викладені в 28 статтях, серед яких 22 – у фахових виданнях.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 6 розділів, висновків та 3 додатків. Повний обсяг дисертації складає 387 сторінок, з них 86 ілюстрацій по тексту, 42 ілюстрації на 42 сторінках, 3 таблиці по тексту, 23 таблиці на 23 сторінках, 3 додатка на 45 сторінках, 235 використаних літературних джерел на 22 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність розглянутої проблеми, сформульована мета дисертаційної роботи, визначені її наукова новизна і практична цінність.

У розділі 1 наведено сучасний стан проблеми, виконаний огляд літератури по темі дисертації і сформульовані її мета і задачі. Сучасне технологічне устаткування утворює велику безліч різноманітних компоновочних схем, конструктивних форм і розмірів. Основу різноманіття компонувань верстатів завжди визначало різноманіття кінематичних структур, які забезпечують необхідний набір формотворних рухів. Практикою верстатобудування сформована сукупність базових компонувань верстатів і систем. Верстати, як і більшість технічних об'єктів, пройшли період уніфікації. Це привело до виникнення ідеї створення технологічного устаткування на базі загальних цільових вузлів-агрегатів. Значний внесок у компонетику верстатів, теорію і практику створення агрегатованого металорізального устаткування внесли О.И.Аверьянов, Н.С.Ачеркан, Л.С.Брон, А.П.Владзиєвський, Ю.Д.Врагов, Х.Гьобель, А.И. Дащенко, Г.И.Мела мед, А.С.Проников, В.Э.Пуш, Д.Н.Решетов, Ж.Э. Тартаковський, В.Д.Хицан, Б.И.Черпаков, Г.А.Шаумян і інші провідні вчені.

Принциповим розходженням у підходах до компонетики універсальних верстатів (токарних, фрезерних, свердлильних і т.і.) і верстатів, створюваних за агрегатно-модульним принципом, є те, що перші створюються для обробки визначеного класу деталей, що характеризуються конкретним рухом формоутворення (деталі тіл обертання і т.і.), а АТСМ створюються для обробки деталей практично необмеженої номенклатури. Оскільки універсальні верстати здебільшого однопозиційні, основну компонування верстата визначають взаємне розташування і характер переміщення вузла деталі (шпиндельний вузол, стіл і т.і.) і вузла інструмента (супорт, інструментальний шпиндель і т.і.), при цьому число різних сполучень невелике і вони легко піддаються класифікації. При компонуванні АТСМ стоїть задача технічної реалізації складних технологічних структур з великою варіантністю групування і розподілу безлічі технологічних переходів обробки деталей. У процесі розвитку технології машинобудування як науки, і, зокрема, теорії продуктивності, саме необхідність реалізації різних структур виконання технологічних операцій призвела від простих одношпиндельних одноінструментних компонувань верстатів до різноманітних компонувань складної структури. Високопродуктивні структури конструктивно знайшли своє втілення в агрегатних верстатах і автоматичних лініях і досягли своєї межі в роторних і роторно-конвеєрних системах.

Відмінною рисою АТСМ є висока концентрація технологічного впливу, що досягається за рахунок використання усіх відомих у технології машинобудування методів концентрації операцій: обробка комбінованим інструментом співвісних поверхонь; багатоінструментна обробка групи поверхонь з паралельними вісями; багатопозиційна обробка, багатомісна і багатостороння обробка (рис.1).

Питанням дослідження, моделювання, формалізації й автоматизації процесів проектування, аналізу і синтезу технологічних систем присвячено роботи А.П.Волощенко, А.М.Гильмана, В.С.Гусарева, Б.Н.Ігумнова, В.Є.Карпуся, В.Д.Цветкова, Д.В.Чарнко, Г.Н.Темчина, Ю.В.Тимофієва та інших вчених. Аналіз цих робіт дозволяє говорити про те, що теорія технологічних компонувань (ТК) АТСМ одержала значний розвиток. Розробка ТК (відносного суміщення в часі технологічних переходів) є першою компонувальною задачею, що розв'язується на ранніх етапах проектування АТСМ. У залежності від поставлених цілей структурно-параметрична оптимізація технологічного впливу може виконуватися за різними критеріями: основним часом переходу, що лімітує, приведеною інтенсивністю обробки, інтенсивністю формоутворення, приведеними витратами, технологічною собівартістю обробки і т.і. Зі сформованої множини варіантів ТК, що забезпечують ідентичну якість обробки, вибирається оптимальний за прийнятим критерієм варіант чи виконується ранжирування декількох конкуруючих варіантів, які проробляються надалі.

Огляд літератури показав, що наступні етапи синтезу АТСМ, зокрема, питання розробки раціональних конструкторських компонувань (розміщення в просторі інструментів, вузлів і агрегатів, що реалізують набір технологічних переходів) досліджені в найменшій мірі. При цьому за високу концентрацію обробки, що досягається при синтезі ТК АТСМ, розплачуються істотним завищенням питомої металоємкості (що приходиться на одиницю потужності приводів верстата) і завищеною енергооснащеністю. Аналіз розподілів дослідженої вибірки АВ середнього розміру показав, що при середній масі 6-7 тонн середня собівартість кілограма ваги АВ складає 3,5 карбованці (у цінах до 1990 року) проти 0,7 карбованця в універсальних верстатів аналогічної маси (рис.2). Порівняння АВ за зазначеними показниками з верстатами універсальними не на користь перших, хоча вихідні посилки до їхнього створення повинні давати іншу пропорцію.

При створенні АТСМ найбільш яскраво виявляються об'єктивні протиріччя між прагненням реалізувати технологічний вплив з максимальною концентрацією, необхідністю забезпечення максимальної продуктивності обробки з необхідною точністю при мінімальній енергооснащеності і металоємкості. Подолання таких протиріч можливо тільки при використанні методів оптимального проектування. Задача оптимізації технологічного впливу для багатопозиційних багатоінструментних верстатів – це в першу чергу задача оптимізації компоновочних рішень (як при суміщенні в часі, так і просторовому суміщенні переходів у технологічній системі).

Іншою особливістю обробки на АВ є обмеженість об'єму зони обробки. Об'єм зони обробки може бути охарактеризований питомим об'ємом Vпит (відношення об'єму зони обробки і об'єму верстата). Зіставлення груп верстатів по цьому показнику показує, що спеціальні АВ мають найбільш жорсткі межі зони обробки (рис.3). Висока концентрація обробки при малому питомому об'ємі зони обробки – відмінна риса АТСМ. Ця властивість дозволила надалі в даній роботі сформулювати систему критеріїв оцінки компоновочних рішень при проектуванні багатопозиційних АТСМ із круговим транспортуванням заготовки.

У розділі 2 виконаний системний аналіз компонувань і процесу проектування АТСМ.

Проблема досягнення оптимального рішення при проектуванні складних систем, подібних АТСМ, зв'язана з необхідністю узгодження локальних проектних рішень, прийнятих на різних рівнях розробки проекту. При традиційному підході проектування АТСМ, як складної системи, починається з евристичного чи емпіричного вибору деякої можливої структури (компоновочної схеми) системи з наступною підготовкою технічних пропозицій на розробку її елементів (рис.4).

Технологія проектування компонувань АТСМ, яка передбачає децентралізовану розробку елементів, що комопонуються, з наступним централізованим корегуванням, зветься технологією декомпозиційного проектування.

Однією з основних проблем, що виникають при реалізації цієї технології проектування, є забезпечення таких координуючих впливів на проектні рішення, що приводили б до досягнення оптимального рішення на рівні системи в цілому. Вибір принципу здійснення цих координуючих впливів залежить від прийнятої структури підпорядкованості розроблювачів проекту і кваліфікації кожного з них.

Необхідність здійснення частих координуючих впливів на проектні рішення і їхнє узгодження в остаточному підсумку підвищує трудомісткість проектування. Аналіз процесу проектування спеціальних АВ у Харківському СКБ АВ показав, що при суміщенні робіт середня тривалість проектування складала 29 днів, при цьому, на узгодження проектних рішень йшло 5-6 днів. При середній сумарній (не суміщеній) тривалості проектування 51 день на розробку технологічного компонування (креслення обробки, інструментального налагодження, спеціального інструмента, карт налагодження силових агрегатів) приходилося 11 днів, вибір уніфікованих елементів і виконання креслень їхньої доробки - 5 днів, проектування оригінальної частини (складальні креслення установочно-затискних пристроїв, шпиндельних насадок і коробок, монтажного шаблона) - 15 днів, розробку конструкторського компонування (креслення загального виду АВ, вузлів і систем) – 10 днів. Компоновочні роботи, що важкоформалізуються, при проектуванні АТСМ складають до половини загальної трудомісткості проектування.

У загальному випадку система координації процесу проектування складної системи, що подібна АТСМ, відповідає кібернетичним системам так званого гермейєровського типу, характерною ознакою яких є наявність на кожному рівні ієрархії власних цілей при наявності загальної мети. Для забезпечення оптимального керування в таких системах необхідно володіти інформацією про всі можливі компроміси між усіма співвиконавцями з урахуванням усього різноманіття припустимих локальних рішень. На базі даного підходу виконувались спроби автоматизації проектування АВ, для чого процес проектування розбивався на ряд послідовних локальних підзадач з різними для кожної (об'єктивно) функціями мети. Це призводило до того, що одержувані оптимальні (чи кращі з декількох конкуруючих) варіанти технологічного компонування (за критерієм собівартості) при їхній конструкторській реалізації давали в результаті не кращі компонування АВ у цілому (за критеріями металоємності й енергооснащеності). З теорії проектування складних систем відомо, що автоматизація проектування на базі декомпозиційного підходу недоцільна, тому що не дозволяє вирішити проблему оптимального проектування системи в цілому. Потрібен перехід на іншу технологію проектування – спрямоване формування оптимальної структури складної системи з заданими властивостям елементів, що можуть змінювати свої параметри і конструктивне виконання в інтересах оптимізації системи, що розроблюється. Такий підхід до проектування складних систем використовує зворотній (у порівнянні з декомпозиційним проектуванням) принцип організації операцій підготовки і прийняття рішень. Цей метод зветься композиційним проектуванням (рис.5).

Для здійснення композиційного проектування необхідно володіти базою знань, що містить математичні моделі елементів, які використовуються для їхньої технічної реалізації, а також методи оптимального просторово-структурно-параметричного компонування з них АТСМ. Створенню бази знань для можливості здійснення автоматизованими методами самоорганізації оптимальної структури АТСМ передував системний аналіз компонувань АВ.

У практиці рішення різноманітних задач аналізу і синтезу складноструктурних АТСМ використовувалися різні критерії ефективності. Формування тих чи інших критеріїв (технологічних чи техніко-економічних) визначалися формулюванням мети. Від критерію потрібна як можна більша схожість з метою, щоб оптимізація за цим критерієм відповідала максимальному наближенню до мети. Варто згадати про причини багатокритеріальності задач вибору, що частіше за все зв'язані не з множинністю цілей, а з тим, що сформульовану мету рідко вдається виразити одним критерієм, хоча до цього звичайно прагнуть.

Для порівняння і добору альтернатив при компонуванні багатопозиційних АТСМ необхідно було знайти критерії, які б, по-перше, дозволяли оцінити варіанти суміщення в часі і просторового суміщення технологічних переходів в АТСМ, а по-друге, відкривали можливості для висування нових альтернатив. Серед найрізноманітніших критеріїв ефективності, що впливають на оцінку результатів компонування АТСМ – технологічних, техніко-економічних та інших, геометричні критерії можуть бути обрані по ряду розумінь. У більшості випадків металоємкість АТСМ прямо залежить від їхнього об'єму і габаритів, а трудомісткість виготовлення і зборки – від числа елементів, які входять до них. Приймемо в якості основних геометричних критеріїв оптимальності при компонуванні АТСМ спрощення її структури і мінімізацію її об'ємно-габаритних параметрів.

Оскільки задачі зниження металоємкості й оптимізації концентрації операцій взаємозалежні і повинні вирішуватися спільно на етапах технологічного і конструкторського компонування АТСМ, нами в якості основного введений комплексний показник компактності – питома концентрація операції (число технологічних переходів, що приходяться на одиницю об'єму зони обробки)

КОпит = КТП / Vзо ® max.

Як додаткові критерії використовуються показник питомого об'єму зони обробки Vпит = Vзо / VСТ ® max

і собівартість обробки деталі Се = f (t) ® min.

Систему обмежень складають продуктивність АТСМ

Q = 60 / t Ч КТИ і [Qз]

і собівартість її виготовлення ЦСТ = Ксл ЧS Цеi Ј [Цлим].

Для поставленої багатокритериальної задачі вибору найбільш уживаними можуть бути наступні способи рішення:

·

x* = arg { max КОпит (x) | Vпит і [ Vпит ] | Се Ј [ Се ] };

xОX

·

g1 = sup КОпит(x) ,

g2 = sup Vпит(x) , КОпит і g1 - DКОпит ,

g3 = sup Се(x) , Vпит і g2 - DVпит .

Сучасні ринкові умови потребують бізнес-планування виробничої діяльності та обґрунтування доцільності інвестицій у технологічне устаткування, особливо дороге. Для оцінки економічної ефективності АТСМ доцільно використовувати методику, ключовими параметрами якої є величина чистого прибутку, одержаного за операційний цикл

ЧП = (Ц – Се) Ч Q – ПЗ ® max

і строк окупності капітальних вкладень

ТО = Цлим Ч КСТ / ЧП ® min.

В основу класифікації компонувань АВ середнього розміру нами покладений спосіб транспортування заготовки (табл.1).

Перші три варіанти компонування одержали найбільше поширення в конструкціях верстатів, що випускаються Харківським ПО АВ. Багатопозиційні АВ із транспортуванням заготовки по замкнутій круговій траєкторії мають великі можливості по реалізації складних технологічних процесів обробки деталей із залученням будь-яких методів концентрації і диференціації операцій, дозволяючи забезпечити найменший час обробки. Однак замкнутість траєкторії ускладнює взаємне просторове ув'язування вузлів верстата при компонуванні.

Порівняння АВ із круговим і прямолінійним транспортуванням деталей демонструє перевагу перших за ціною і займаною площею при великому числі позицій обробки. Крім того, компонування з круговим транспортуванням заготовки, маючи менший питомий об'єм зони обробки, володіють більшою питомою концентрацією операції (рис.6). Саме ці компонування обрані нами, як об'єкт дослідження і моделювання.

Таблиця 1

Компоновочні схеми АВ середнього розміру

Тип схеми Схема рухів верстата Спосіб транспортування

Центральна однопозиційна (ЦО) Без транспортування

Центральна багато-позиційна (ЦМ) Періодичний поворот. Центр обертання - у площі вертикальної проекції деталі. Вісь обертання – вертикальна.

Периферійна багато-позиційна (ПМ) R Періодичний поворот. По круговій траєкторії з радіусом обертання R. Вісь обертання – вертикальна.

Центроколонна (Ц) r R Періодичний поворот. По круговій траєкторії з радіусом обертання R > r. Вісь обертання - вертикальна.

Барабанна (Б) R Періодичний поворот. По круговій траєкторії з радіусом обертання R. Вісь обертання - горизонтальна.

У розділі 3 приведені результати розробки математичних моделей компонування АТСМ із круговим транспортуванням заготовки.

Автоматизація просторового компонування більшості складно структурованих технічних об'єктів, до яких повною мірою можуть бути віднесені АВ середнього розміру, зустрічають істотні труднощі як у математичному описі складних об'ємних форм частин, що компонуються, і самого компонування в цілому, так і в пошуку методів раціонального розміщення цих частин у просторі. Побудова формальної моделі такої задачі вимагає декомпозиції і спрощень.

Простір, який займає АТСМ, описано нами об'ємом компонування. Поняття об'єму компонування дуже відносно. Під об'ємом компонування АТСМ розуміється об'єм складеної геометричної фігури, “що обтягає” усі частини, які компонуються. Під частиною АТСМ, що компонується, розуміється визначена частина конструкції (елемент несучої системи, силовий агрегат і т.і.), яка відображається елементарним чи складеним геометричним об'єктом (паралелепіпедом, циліндром і т.і.). За принципом декомпозиції об'єм компонування АТСМ можна розбити на кінцеве число об'ємів функціональних зон. Назвемо функціональною зоною частину простору, у межах якої розташовується стаціонарний чи функціонує рухливий елемент. Сума об'ємів зон дасть об'єм АТСМ, що компонується (рис.7): ,

де n – число функціональних зон у компонуванні.

У цьому випадку під конструкторською компоновкою (КК) будемо розуміти розміщення в просторі непересічних частин, що компонуються, при наявності деяких обмежень і загальної функції мети. Дане визначення цілком відповідає класичному визначенню укладання.

Очевидно, що мінімізація об'єму компонування АТСМ, як один із шляхів зниження металоємкості, повинна здійснюватися мінімізацією об'ємів функціональних зон, забезпечуючи компактність конструкцій елементів, а також за рахунок пошуку кращого варіанту суміщення (укладання) частин, що компонуються, у системі верстата на основі критеріїв компактності. Надалі, на основі системного принципу декомпозиції, розроблялися моделі функціональних зон АВ з метою мінімізації їхніх об'ємів за критеріями компактності. Оскільки конструктивну базу АТСМ складають уніфіковані елементи, вузли та агрегати, задача мінімізації об'ємів функціональних зон унифікованих елементів, що компонуються, зводиться до вибору мінімально можливого елемента з параметричного ряду.

Одним із ключових моментів автоматизації проектування компонувань АТСМ варто вважати задачу опису структури і параметрів деталі, що оброблюється. Статистичний аналіз показав, що при всьому різноманітті номенклатури деталей, що оброблюються в АТСМ, найпоширеніша схема базування заготівок – основна–центруюча-поворотна (ОЦП) (рис.8), а найбільш характерною обробкою є обробка груп внутрішніх циліндричних поверхонь.

Поставивши задачу скорочення часу проектування, ми в першу чергу повинні скоротити час введення вихідних даних про деталь. Оскільки повний опис геометрії деталі, що представлена проекційним кресленням, необхідно тільки для її візуалізації засобами ЕОМ, а для рішення задачі синтезу компонування АТСМ цього не потрібно, визначимо необхідний і достатній обсяг інформації про геометрію деталі. Очевидно, варто однозначно описувати поверхні, що оброблюються. Для цих цілей проведена класифікація поверхонь, що оброблюються, із вказівкою їхніх параметрів. Надалі при описі деталі досить задати для кожної поверхні, що оброблюється, параметри формотворних ліній: діаметра чи ширини обробки для утворюючої виробляючої лінії; координати точок початку і кінця поверхні, що оброблюється, для направляючої виробляючої лінії. Для цього на основі аналізу робочого креслення об'єкта обробки (деталі) необхідно задати положення системи координат деталі. Доцільно початок системи координат деталі суміщувати з центром симетрії деталі, задаючи напрямок координатних вісей відповідно до напрямку координатних вісей проекційного креслення.

Як ядром функціональної системи АТСМ є оброблювана деталь (заготовка), так і ядром моделі об'ємів функціональних зон варто вважати об'єм зони обробки. Оскільки обробка на АВ ведеться при нерухомій (за час одиничного циклу роботи інструментів) заготовки, у випадку багатопозиційної обробки з круговим транспортуванням об'єм зони обробки визначається габаритними розмірами деталі та установочно-затискного пристрою (УЗП). Очевидно, що мінімізація об'єму зони обробки повинна виконуватися в першу чергу за рахунок удосконалювання конструкції УЗП. Через різноманіття геометричних форм оброблюваних в АТСМ деталей УЗП дотепер залишається оригінальним (неуніфікованим) елементом. Нами за основу були узяті п'ять типових компоновочних схем, для яких проводилися роботи з уніфікації в ХПО АВ. Статистичний аналіз застосовності елементів у компонуваннях УЗП дозволив визначити так званий умовний базовий пристрій: виконання пристрою – на позиційному столі периферійно; кількість і характер заготівок, що встановлюються, – одномісне, однопозиційне; схема базування – ОЦП; тип приводу – пневматичний; механізм повернення – пружинний; основний механізм вузла затиску – двохскосий клин; додатковий механізм вузла затиску – важіль чи призма-повзун. Для нього розроблена геометрична модель (рис.9), що дозволяє вести оптимальне проектування за критерієм компактності.

На рис.10 показана геометрична модель формування габаритного радіуса АТМС із круговим транспортуванням заготовки.

Задача зниження металоємкості верстата з круговою траєкторією транспортування заготовки може вирішуватися шляхом зменшення габаритного радіуса

RS = R + L ® min.

Мінімізація кожного із складників представляє дві окремі взаємозалежні задачі, що розв'язуються в загальному контексті синтезу оптимальної компоновки:

·

R > min.

Зменшення радіуса транспортування заготовки веде до зменшення об'єму зони обробки. Рішення задачі мінімізації радіуса транспортування безпосередньо зв'язано з можливостями компонування УЗП в обмеженому об'ємі зони обробки;

·

L = lСА + lВТО + (lВИ +lРИ) + lБП ® min,

де lСА – габарит силового агрегату; lУТО - габарит вузла технологічного оснащення; lВИ , lРИ – довжина допоміжного і різального інструментів; lБП - довжина відводу інструмента, що гарантує безпечний поворот деталі на наступну позицію (рис.11). Оскільки більшість елементів, що формують розмір L, є уніфікованими, а параметри lВТО, lВИ, lРИ припускають варіювання при проектуванні, то вже на ранніх етапах проектування АТСМ виникає можливість одержувати оптимальні конструкторсько-технологічні рішення для забезпечення компактності компонування.

Розглянуті моделі оптимального проектування елементів АТСМ, які компонуються, склали основу бази знань процесу композиційного проектування, що розроблюється. Для реалізації композиційного підходу, який пропонується, потрібна була розробка автоматизованих методів самоорганізації оптимальної структури АТСМ із елементів, що компонуються.

У розділі 4 приведені результати розробки алгоритмічної моделі спрямованого синтезу компонування АТСМ.

Для спрямованого формування просторового компонування АТСМ із круговим транспортуванням заготовки доцільно використовувати математичний апарат афінних перетворень. Модель функціональних зон доповнена геометричною моделлю АВ у виді сукупності систем координат: деталі, пристрою, інструменту, силового агрегату, що певним чином зорієнтовані в системі координат верстату (рис.12). Ця модель покладена в основу розглянутої далі методики автоматизованого синтезу компонування АТСМ.

Процес формування компонування верстату (взаємного просторового ув'язування вузлів і елементів) можна представити у виді послідовності етапів:

1. На основі аналізу робочого креслення об'єкту обробки задати положення системи координат деталі.

2. Задати положення оброблюваної поверхні в системі координат деталі. Положення будь-якої точки в системі координат деталі задається матрицями:

обертання ,

де ask – проекція одиничного вектора iтs системи вісей OтXтYтZт точки на напрямок iзs системи осей OдXдYдZд деталі;

переносу ,

де r = ( Xт, Yт, Zт ) - вектор положення точки в системі координат деталі.

Підсумкова матриця точки в системі координат деталі має вид:

3. Вибравши схему базування деталі, задати положення системи координат деталі в системі координат пристрою.

Положення початку системи координат деталі Од у системі координат пристрою Оп задається матрицями:

обертання ,

де ask – проекція одиничного вектора iдs системи осей OдXдYдZд деталі на напрямок iпs системи вісей OпXпYпZп пристрою;

переносу ,

де r = ( Xд, Yд, Zд ) - вектор положення початку координат деталі Од у системі координат пристрою.

Підсумкова матриця положення початку системи координат деталі в системі координат пристрою має вид:

.

Очевидно, що для одержання матриці Рпрс , яка задає положення точки в системі координат пристрою, необхідно перемножити матриці РД і ОД:

РПРС = РДЧ ОД.

4. Після розробки маршруту обробки деталі і формування ТК АТСМ, на основі обраної схеми транспортування заготовки задати положення системи координат установчо-затискного пристрою в системі координат верстату.

Положення початку системи координат пристрою Оп у системі координат верстату в будь-якій позиції визначається матрицями:

обертання ,

де i – номер позиції обробки; ask – проекція одиничного вектора iпs системи вісей OпXпYпZп пристрою на напрямок iсs системи вісей OсXсYсZс верстату;

переносу ,

де r = ( Xп, Yп, Zп ) - вектор положення початку системи координат пристрою Оп у системі координат верстату.

Підсумкова матриця положення початку системи координат пристрою в системі координат верстату має вид:

5. Для всіх поверхонь деталі, що оброблюються, визначити їхнє положення в системі координат верстату.

При визначенні положення точки на площині в будь-якій позиції обробки, використовуючи розрахункову схему, із трикутника ABOc маємо ,

де a - кут повороту на одну позицію. Відкіля

, (1)

де n – число позицій обробки.

З трикутника АСОс маємо

.

Відкіля . (2)

Значення X і Y у (1, 2) необхідно брати з урахуванням знака відповідної чверті.

Очевидно, що для одержання матриці РСТ , що задає положення точки в системі координат верстату в кожній позиції, необхідно перемножити матриці РПРС і ОП (у відповідній позиції):

,

де i - номер позиції обробки.

6. Координати точок початку і кінця різання поверхонь, що оброблюються, визначать просторове положення інструментальних вісей силових агрегатів у кожній позиції обробки.

Для одержання положення початку системи координат інструмента ОИНС (у будь-якій позиції обробки) у системі координат верстату, необхідно у відповідній матриці РСТi, що задає положення точки (яка є точкою кінця робочого ходу інструменту) у системі верстату, виконати такі перетворення: поміняти місцями перший і другий рядки матриці; третій рядок матриці помножити на –1. Це справедливо для будь-якого варіанту розташування силового агрегату.

З метою автоматизації етапу проектування конструкторського компонування багатопозиційних АТСМ із круговим транспортуванням заготовки розроблено алгоритм і програма, що реалізує даний підхід до формування компонування на основі апарату афінних перетворень. Результати роботи програми (координати розташування частин верстату, що компонуються, в єдиній системі координат верстату) дозволяють формувати креслення загального виду АТСМ. Скорочення часу для виконання даного етапу дозволяє вести варіантне проектування.

Можливість зменшення радіусу розташування силового агрегату і радіусу транспортування деталі може обмежуватися габаритними розмірами вузлів і елементів, які компонуються в межах сектору позиції обробки. При проектуванні технологічного і конструкторського компонування агрегатних верстатів досить типовою є задача раціонального розподілу безлічі різальних інструментів по позиціях обробки і, відповідно, об'єднання їх у багатошпиндельні насадки або коробки, ширина яких найчастіше визначає габарит оснащеного силового агрегату. Подібна задача завжди вирішується при необхідності свердління груп отворів з паралельними вісями. Проблему в цьому випадку визначають обмеження на число інструментів у насадці або коробці, що обумовлені осьовим зусиллям різання, що допускається, а також крутильним моментом. Крім того, задача розподілу безлічі отворів в одній насадці або коробці пов'язана з конструктивним обмеженням величини міжцентрової відстані між шпинделями, обумовленої діаметрами підшипників опор шпинделів. Особливий інтерес тут може представляти граничний випадок – обробка безлічі отворів, що утворюють щільне укладання у вигляді решітки рівносторонніх трикутників (рис.13). Задача розміщення сформульована таким чином: розподілити обробку системи отворів {Gi}, i=1, I, що утворюють щільне укладання в межах замкнутої фігури (у нашому випадку кола з радіусом R), на мінімальному числі позицій обробки за умови, що кожна багатошпиндельна насадка або коробка не повинна мати більше [К] шпинделів, а відстань між осями шпинделів у насадці або коробці не можуть бути менше [L]:

{gk}М{Gi}, i=1,I; ?{gk} = I; N > min;

k ? [K]; ?l ? [L] .

На основі рішення даної задачі розроблені алгоритм і програма раціонального розміщення багатошпиндельної обробки множин отворів з паралельними вісями в багатопозиційних АТСМ.

У розділі 5 розглядається загальна методика автоматизованого композиційного проектування АТСМ.

На основі алгоритмічної моделі синтезу просторового компонування і розробки правил прийняття технічних рішень на різних стадіях проектування за критеріями компактності та економічності реалізований ітераційний метод проектування компонувань багатопозиційних АТСМ із круговим транспортуванням заготовки.

Для автоматизації процесу проектування розроблена методика спрямованого синтезу компонування УЗП (рис.14). Ядром методики є база знань, сформована з таблиць відповідностей, складених, у свою чергу, на основі аналізу і класифікації конструкцій УЗП. Проведена декомпозиція “від загального до частки” і відображена у виді таблиць вибору дозволяє здійснити зворотний процес композиції “від вибору елементів системи до синтезу системи в цілому”. Методика припускає інтерактивне проектування. Конструктор бере участь у заданні вихідних даних і прийнятті рішення при наявності альтернатив на кожнім кроці проектування.

При переході до автоматизованого проектування компонувань необхідно не тільки формалізувати фактуальні (що проектувати?) і процедурні (як проектувати?) знання, але і варто виробити інформаційну модель складу елементів складної системи.

Для формального опису такої структурної моделі може бути використана структурна формула або інформаційний код. Слід зазначити, що існуючі способи позначення (кодування) агрегатованого устаткування не несуть необхідної інформації про його структуру. Зважаючи на те, що АТСМ, як складна система, має ієрархічну структуру:

/ / / / \ \ \

АТСМ – ПО - СА - РІ - ТП < технологічний процес > ЕП - ГП - СО - Д

\ \ \ \ / / /

АТСМ={ПОg},g=1,G; ПОg={САi},i=1,Ig;