Національний технічний університет України

„Київський політехнічний інститут”

КОРЕНЬКОВ ВОЛОДИМИР МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 621.757

Автоматизований синтез маршрутних

технологічних процесів складання

Спеціальність 05.02.08 – технологія машинобудування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі технології машинобудування Національного технічного університету України “КПІ”.

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент

Давигора Вадим Миколайович

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Зенкін Анатолій Семенович

Київський Національний університет технології та дизайну, м. Київ, завідувач кафедрою метрології, стандартизації та сертифікації;

кандидат технічних наук, доцент

Кирилович Валерій Анатолійович

Житомирський державний технологічний університет, м. Житомир,

декан факультету інформаційно-комп’ютерних технологій.

Провідна установа: | Український науково-дослідний інститут авіаційної технології (м. Київ)

Захист відбудеться 21 червня 2005 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .002.11 у Національному технічному університеті України “КПІ” за адресою: м. Київ, пр. Перемоги, 37, корп. , ауд. .

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “КПІ” за адресою: м. Київ, пр. Перемоги, .

Автореферат розісланий “____“ травня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Майборода В.С.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. В умовах конкурентної боротьби за споживача та швидкій зміні попиту значну роль відіграє не тільки якість продукції, а і строки підготовки її до випуску. На сьогодні єдиним шляхом мінімізації технологічної підготовки виробництва, у тому числі і складального, є використання на всіх етапах методів і засобів автоматизованого проектування.

Розробка теоретичних основ та перших САПР технологічних процесів складання (ТПС) почалась ще у 70...80 рр. ХХ сторіччя. Однак навіть нині існуючі САПР ТПС не здатні підтримувати повну автоматизацію прийняття технологічних рішень в процесі проектування.

Більшість сучасних методів вирішення задач автоматизованого проектування технології складання використовують табличні (типові рішення) або теоретико-графові моделі, орієнтовані на оцінку та вибір оптимальних, в деякому розумінні, варіантів. Проте відсутні методи автоматизованого формування самих моделей (задачі структурного синтезу варіантів ТПС не можуть бути вирішеними на базі табличних чи теоретико-графових моделей, оскільки даними моделями, власне, і задається множина їх технічно допустимих альтернатив). Основна початкова інформація – множина послідовностей складання (ПС) виробів, на даний момент формується в ручному режимі, що пояснюється відсутністю теоретичного обґрунтування впливу конструкції виробу на послідовність його складання і недостатньою формалізацією знань технології, які представлені у вигляді рекомендацій та емпіричних залежностей. Розробка підпорядкованих принципу причинності логічних та арифметичних залежностей дозволить створити основу математичного забезпечення САПР ТПС, а також покращити якість процесів проектування, оскільки лише таким чином можна досягти передбачуваних результатів та забезпечити прозорість і ефективність прийняття рішень. А тому особливо актуальним на сучасному рівні розвитку виробництва постає вирішення задач формалізації процесу проектування ТПС та, зокрема, розробки на їх основі теоретично обґрунтованих методів автоматизованого проектування ТПС виробів довільних конструкцій.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок досліджень дисертаційної роботи є продовженням держбюджетних тем №2201 та №2511, які виконувались на кафедрі технології машинобудування НТУУ „КПІ” у відповідності з тематичним планом Держбюджетних науково-дослідних робіт НТУУ „КПІ”, який затверджено департаментом координації наукових досліджень вищих навчальних закладів та зведеного планування Міносвіти та науки України в 2000 році за пріоритетним напрямом „Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” по науково-експертній Раді за фаховим напрямом „Машинобудування”.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення якості та зменшення трудомісткості проектування маршрутних ТПС шляхом розробки формалізованих процедур синтезу послідовностей складання виробів, методів і алгоритмів автоматизованого проектування структури технологічних операцій.

Для досягнення даної мети необхідно вирішити наступні основні задачі.

1. Виявити та сформулювати у математичній формі властивості конструкцій виробів та закономірності процесу складання, що впливають на формування його структури.

2. Розробити математичну модель багатоваріантного процесу складання, яка міститиме проектні процедури:

§ вибору базових елементів виробу;

§ визначення множини складальних одиниць, що відповідають наперед заданим характеристикам;

§ визначення технологічно доцільних порядків послідовно-паралельного складання окремих з’єднань, структурних елементів та виробу в цілому;

§ визначення множини траєкторій переміщення деталей.

3. Розробити математичну модель об’єкта складання, яка відображатиме відносну рухливість деталей у виробі.

4. Запропонувати метод автоматизованої розробки технологічних операцій та їх техніко-економічної оцінки по всім варіантам послідовностей складання.

5. Розробити алгоритмічне та програмне забезпечення для вирішення задач автоматизованого синтезу послідовностей складання виробів.

6. Провести промислову апробацію розроблених методів.

Об’єкт дослідження – технологічна підготовка механоскладального виробництва.

Предмет дослідження – маршрутний технологічний процес складання.

Методи дослідження. Розробка математичної моделі процесу складання проводилась на основі положень системного аналізу, технології машинобудування, апарату числення предикатів, елементів комбінаторики. При розробці математичної моделі об’єкта складання використовувались положення аналітичної геометрії, теорії графів. Апробація розроблених методів та алгоритмів виконувалась з використанням комп’ютерного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше розроблено математичну модель структурного синтезу порядків послідовно-паралельного складання, яка на основі формалізованого представлення властивостей контакту та кінематичної замкненості груп деталей у виробі дає можливість визначити його технологічну структуру та теоретично обґрунтувати вибір технологічно доцільного варіанту складання.

2. Удосконалено метод зворотного синтезу послідовностей складання, що дозволило скоротити кількість перебазувань базових елементів в процесі складання.

3. Удосконалено математичну модель складального виробу в частині зв’язку між конструктивно-технологічними властивостями з’єднань та послідовностями їх складання, представлену у вигляді множин траєкторій взаємних переміщень та параметрів просторового розташування деталей.

4. Формалізовано аналіз та вибір технологічно обґрунтованої послідовності складання виробу, що дозволяє повністю автоматизувати процес формування структури та черговості виконання технологічних операцій.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Розроблений метод автоматизованого синтезу маршрутних ТПС, призначений для вирішення задач: мінімізації кількості перебазувань в процесі складання; обґрунтованого вибору технологічно доцільних ПС виробів довільних конструкцій; визначення черговості виконання технологічних операцій, яка задовольняє заданому рівню диференціації.

2. Розроблене алгоритмічне та програмне забезпечення дає можливість вирішення в автоматизованому режимі задач синтезу ПС виробів з представленням кінцевого результату у вигляді мережевої моделі виконання технологічних переходів.

3. Метод і елементи його програмної реалізації можуть бути використані самостійно або у складі однієї з CAD/CAM систем на етапах конструювання (для оцінки технологічності конструкції виробу) та технологічної підготовки виробництва (з метою зменшення трудомісткості проектування та визначення домінуючих варіантів ТПС).

4. Результати дисертаційної роботи впроваджені на ТОВ „Завод „СТРОММАШИНА” (м. Черкаси) при проектуванні технологічних процесів складання верстатів.

Особистий внесок здобувача. Автором розроблена математична модель об’єкта складання, яка враховує можливість руху його складових по довільним траєкторіям. Удосконалений метод зворотного синтезу технологічно доцільних ПС виробів та розроблені на його основі математичні залежності для визначення комплектів елементів та псевдонерознімних з’єднань. Розроблені логічні процедури виявлення структурних елементів виробів з наперед заданою кількістю деталей. Запропоновано метод автоматизованого проектування структури технологічних операцій.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи були заслухані та обговорені на: міжнародній конференції „Technologia i automatizacia montazu” (2001 р., Rzeszow, Польща); I-й міжнародній науково-технічній конференції „Інформаційно-комп’ютерні технології 2002” (м. Житомир); науково-технічній конференції „Інформаційні технології у виробництві та освіті 2002”, „Інформаційні технології у виробництві та освіті 2003” (м. Хмельницький); на науково-технічних конференціях студентів і молодих вчених „Машинобудівник-2000”, „Машинобудівник-2001”, „Машинобудівник-2002”, (НТУУ „КПІ”, м. Київ).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 наукових праць, серед них: 5 статей в провідних фахових виданнях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 115 найменувань та додатків. Повний обсяг дисертації 171 сторінка, включаючи 67 рисунків, 4 таблиці і 3 додатки.

основний зміст роботи

У вступі представлена актуальність і доцільність виконання досліджень, сформульовані мета і задачі досліджень, наголошено на науковій новизні і практичному значенні роботи, виділено особистий внесок.

У першому розділі „Моделювання технології складання” проаналізовані математичні методи дослідження ТПС, методи вирішення практичних задач синтезу технології складання об’єктів машинобудування та апарат формального представлення технологічних процесів в САПР ТПС. В результаті проведеного аналізу з’ясовано, що основними задачами моделювання ТПС є формалізований синтез множини технічно здійснимих ПС та вибір найбільш прийнятних їх варіантів, котрі відповідають заданому рівню диференціації операцій та технічним вимогам складального устаткування.

В роботах А.П. Гавриша, Н.М. Капустіна, В.С. Корсакова, М.П. Новікова, Л.С. Ямпольського розглянуті питання розробки та математичного описання ТПС, розвитку методів автоматизації їх проектування. Дослідження направлені, в основному, на технологічне обґрунтування проектних рішень та оптимізацію ТПС на основі структурно-логічних або теоретичних моделей процесу складання. Однак недостатньо приділена увага методам автоматизованого формування самих моделей – передбачається, що складальні одиниці виробу та їх ПС вже визначені. Шляхи до вирішення даної проблеми розглядаються в роботах В.В. Павлова та Б.Е. Челіщева, де сформульовані технологічні властивості конструкцій виробів, а їх вплив на порядок установки деталей представлений у вигляді умов доступу та базування. Особливістю цих робіт є те, що в основу формалізованого синтезу ТПС покладено принцип висхідного проектування, для якого притаманні однозначне вирішення поставленої задачі, як правило, без порівняння можливих варіантів, та більша імовірність отримання лише технічно здійснимого аніж вдалого економічного рішення.

Сучасні дослідження П.І. Буловського, А. Гонсалеса-Сабатера, В.М. Давигори, В.А. Пасічника, А.В. Пастуховського напрямлені на теоретичне обґрунтування структури проектування, розробку математичних моделей об’єктів виробництва та виробничих процесів, формалізоване представлення проектних процедур, а також створення методів їх виконання. Аналіз цих робіт показав, що математичні моделі синтезу ТПС розглядаються на трьох рівнях абстрагування: інформаційні, в яких виявляється множина початкових даних та загальні залежності проектних рішень від початкових даних; динамічні, в яких через зміну станів об’єктів ТПС розкриваються властивості процесу проектування; логіко-математичні, котрі представляють собою математичне описання синтезу та аналізу процесів проектування технології складання.

У роботах зарубіжних вчених (P.C.A.C.B.H.основну увагу зосереджено на використані прикладних методів комп’ютерного моделювання. Інтеграція з 3D CAD системами та можливість аналізу геометричних елементів тривимірних моделей складальних виробів дозволили автоматизувати процес введення початкової інформації в САПР (наприклад, у системах STAAT та Archimedes). Однак аналіз цих робіт показав, що синтез ПС на основі більш спрощених (на відміну від логічних) імовірнісних моделей або ж моделей з повним перебором варіантів не гарантує отримання найкращого варіанту, у відповідності до заданих вимог, та за час, прийнятний в межах строків технологічної підготовки виробництва, а тому може бути використаним лише для обмеженого класу складальних виробів.

В результаті проведеного аналізу виявлено, що синтез ТПС виробів довільних конструкцій потребує удосконалення в частині формалізації процесу побудови моделі об’єкта складання, представленні у строгій математичній формі загальних закономірностей технології, виражених на даний момент в слабоформалізованих знаннях, та створенні на їх основі моделі синтезу ПС виробів. Крім того, недостатньо приділена увага інформаційному наповненню математичних моделей та удосконаленню методів ідентифікації структури об’єкта і процесу складання, необхідних для автоматизованого проектування ТПС.

За матеріалами першого розділу сформульовані задачі дослідження.

У другому розділі “Математичні моделі автоматизованого проектування ТПС” наведено теоретичні дослідження, спрямовані на визначення структури процесу синтезу ПС, виявлення основних властивостей об’єктів складання, які характеризують зміст даного процесу, та розробку методів вирішення практичних задач автоматизованого проектування технології складання об’єктів машинобудування.

Процес складання будь-якого структурного елемента виробу можливо представити як упорядковану множину фіксованих станів Q  {q12 ...n} об’єкта. Кожен стан qiQ супроводжується виконанням одного окремого з’єднання і відображається зміною конструкції даного об’єкта.

Якщо через A  {a1 ...n} позначити множину деталей структурного елемента виробу, то підмножина декартового добутку R  A  A  (ai, aj) / aiA, ajA міститиме усі можливі послідовності утворення з’єднань. Однак, не всі послідовності з R будуть мати реалізацію. Існує певний набір обмежень як конструктивного, так і технологічного характеру, що обумовлюють можливість виконання лише частини Q  R.

З позиції теорії систем, процес синтезу ПС будь-якого структурного елемента виробу можливо представити як відображення : R , яке реалізується у вигляді двох функцій: |

(1)

Функція 1 визначення множини Q* R технічно допустимих ПС ґрунтується на використанні формальних залежностей, в основу котрих покладені лише умови доступу, базування та цілісності структурних елементів виробу, що беззаперечно мають виконуватись для будь-яких конструкцій. А так як для математичного представлення даних умов достатньо використання поняття взаємного обмеження рухливості деталей, то функція 1 не враховуватиме заданих у якості початкових технічних та економічних вимог до ТПС і буде інваріантною до конструкції будь-якого виробу.

Функція 2 призначена для вибору підмножини Q  Q* технологічно доцільних ПС. Порядки складання множини Q* не рівнозначні з точки зору технічної реалізації, однак аналізу лише конструктивних особливостей виробу недостатньо для оцінки даних ПС, а тому виникає необхідність у використанні додаткових (в основному емпіричних) показників для відбору варіантів, кількість яких обумовлює як ефективність прийняття рішень (у відповідності до заданих вимог), так і розмірність кінцевої множини варіантів.

Вхідними параметрами функцій відображення : R *  є параметри просторового розташування та можливих відносних переміщень елементів складального виробу. Для формального представлення даної інформації використовується поняття простору переміщень Tij – об’єму простору, що містить повну множину траєкторій руху деталі ai відносно aj. Простір переміщень визначається на основі аналізу поверхонь контакту 3D моделі складального виробу та задається у вигляді множини одиничних векторів.

На основі даної інформації математична модель виробу представляється у вигляді двох складових:

§ графа спряжень, кожному ребру котрого ставиться у відповідність множина Tij (зв’язки елементів графа свідчить про наявність фізичного контакту між відповідними деталями);

§ множини номерів деталей aj ...ak, котрі не мають з ai фізичного контакту, однак перешкоджають її переміщенню в наперед заданому напрямку (віддалені обмеження рухливості).

Даний спосіб представлення початкової інформації дозволяє повністю описати зону монтажу (демонтажу) кожної деталі та представити у математичній формі основні властивості конструкції будь-якого виробу: наявність фізичного контакту та кінематичну замкненість груп елементів.

Синтез ПС здійснюється в два етапи.

Етап . Формування технологічної структури виробу – множини ієрархічно підпорядкованих елементів, яка задовольняє наперед заданому рівню диференціації технологічних операцій. Виходячи з властивостей кінематичної замкненості та наявності фізичного контакту, у виробі допустиме існування лише трьох структурних елементів: деталь, з’єднання, складальна одиниця (СО).

Елементарне з’єднання утворюють дві деталі, між якими існує фізичний контакт і принаймні одна траєкторія взаємних переміщень.

З’єднання, що забезпечує нерознімність (ЗЗН) утворюють дві деталі, кінематично замкнені одна відносно одної. Існування ЗЗН можливе лише за рахунок сил тертя (різьбові, пресові), пластичних або пружних деформацій (заклепкові, шплінтові, з’єднання за допомогою стопорних кілець та ін.), сил міжатомних зв’язків (зварні з’єднання) тощо. Декілька ЗЗН, які мають спільні деталі, утворюють ланцюги Аі ЗЗН.

Складальна одиниця – група не менше ніж трьох елементів A  {ai ,jk}, що містить принаймні одне ЗЗН, кожна деталь аі якої обмежена в переміщенні по будь-якому напрямку іншою деталлю групи:

. | (2)

Ієрархічна структура виробу обумовлена поєднанням у різних комбінаціях СО, шляхом послідовного їх складання (внаслідок обмеження по доступу) або паралельної установки (за наявності спільних деталей ЗЗН).

Оскільки кінематичне замикання СО можливе лише при утворенні ЗЗН на останніх операціях складання, то поєднання ЗЗН кожного з ланцюгів Аі обумовлює кількість усіх можливих підскладнь даної СО, а їх склад визначається множиною елементів, встановлення котрих, за умовою доступу, передує утворенню відповідних q-х ЗЗН і-го ланцюга:

, | (3)

де S – | позначення структурного елемента виробу, нижній індекс якого є номером, а верхній індекс вказує на СО, до складу котрої входить даний елемент.

У відповідності до (3), елемент належить до СО , якщо він обмежений у переміщенні по всім напрямкам множиною вже визначених елементів . Результатом виконання умови (3) для кожного поєднання ланцюгів А1... Aw ЗЗН виробу буде повна множина C  {C1 ... Ck} можливих СО виробу.

В ході дослідження виявлено, що на багатоваріантність структурних рішень (СО, необхідність утворення яких обумовлюється наперед заданими параметрами) впливають лише вільні для доступу ЗЗН. Дана особливість дозволила знизити розмірність комбінаторної задачі визначення кількості та складу СО виробу до генерування та аналізу числа поєднань ЗЗН, яке не перевищує 102.

Етап . Визначення порядків послідовно-паралельного складання структурних елементів виробу. Формування ПС виконується у відповідності до основних положень методу зворотного синтезу. Даний метод передбачає попереднє моделювання процесу розкладання виробу, чим автоматично забезпечується виконання умов доступу і базування, та подальше інвертування послідовностей розкладання в ПС (з заміною на протилежні напрямків переміщень). Моделювання процесу розкладання виконується за два кроки: порушення цілісності СО шляхом „руйнування” ЗЗН та послідовно-паралельне видалення елементів зі складу СО, котрі мають незамкнений простір переміщень.

Визначення напрямків та черговості видалення деталей ЗЗН. Будь-яке ЗЗН можливо представити як елементарне з’єднання, взаємні напрямки Tij переміщень деталей котрого заблоковані внаслідок дії різного роду деформацій (пружних, пластичних) або сил тертя.

Інакше кажучи, в основу ЗЗН покладено існування трьох типів поверхонь: напрямна (задає напрямки Tij) – замкнена ділянка поверхні деталі ai, в будь-якій точці котрої вектор нормалі напрямлений в дану поверхню і перетинає деталь aj; блокуюча (забезпечує кінематичну замкненість з’єднання) – поверхня деталі ai, принаймні в одній точці котрої вектор нормалі напрямлений в іншу поверхню ai і перетинає деталь aj; комплекс блокуюючих поверхонь – поверхонь деталі ai, які попарно між собою з’єднані та задовольняють умові існування напрямних поверхонь.

Оскільки напрямні поверхні містять замкнені ділянки, то їх досить зручно представити у вигляді умовних поверхонь обертання, наприклад циліндричних. У такому випадку послідовність розкладання з’єднань і послідовність розкладання умовних поверхонь будуть тотожними (умова доступу забезпечується відсутністю області перетину між даними поверхнями), а напрямки Tij демонтажу деталей визначатимуться осями їх обертання.

Руйнування ЗЗН можливе лише при виконанні умов доступу деталей (4) та інструменту (5) в зону складання. |

(4)

(5)

Формула (4) є висловленням про те, що якщо існує хоча б один елемент , який належить ЗЗН і не обмежений в напрямках іншими елементами СО, то таке ЗЗН можливо зруйнувати шляхом видалення з його складу . У відповідності до (5) можливість виконання інструментом головного простого руху в процесі з’єднання деталей (при автоматизованому складанні) існує, якщо ai та aj мають вільні для доступу ділянки поверхонь і , вектори нормалей та в будь-яких точках котрих утворюють з напрямками демонтажу, відповідно та кути, які не перевищують 900.

Визначення напрямків та черговості видалення деталей псевдонерознімних з’єднань – групи щонайменше трьох деталей, одна з яких знаходиться в пружно деформованому стані. Дана група деталей задовольняє умові (2), однак не містить ЗЗН.

Задача визначення складу з’єднання вирішується шляхом аналізу замкненого ланцюга контактних обмежень між деталями СО, що будується в додатному та від’ємному напрямках ti дії зусиль пружних деформацій. Елементи, які видаляються першими зі складу з’єднання, визначаються за наступною умовою:

. | (6)

У відповідності з (6), до складу псевдонерознімного з’єднання входять принаймні два елементи та , відносні переміщення котрих не співпадають з напрямками ti, а розкладання з’єднання починається з видалення елемента , який за умовою доступу має незамкнений простір переміщень Tf (g ,) відносно базового елемента .

Синтез послідовностей розкладання СО – ітераційний процес, при якому на першому кроці з множини визначається елемент , для якого відсутні будь-які обмеження рухливості в напрямках Ti(k,; на другому – з множини елемент; на третьому – з множини елемент і т. д.: |

(7)

де – | знак відношення слідування, а вираз читається як „видалення елемента передує видаленню будь-яких інших елементів із множини ”.

Оскільки процес (7) базується лише на використанні умови доступу, то ПС буде інверсною послідовності розкладання (хоча вони матимуть різну технічну реалізацію). Попереднє моделювання процесу розкладання дозволяє сформулювати чіткий алгоритм орієнтування в варіантах ПС та цілеспрямованого пошуку найкращого з них.

Представлені у даному розділі моделі об’єкта та процесу складання містять набір універсальних логічних та арифметичних процедур, призначених для генерування будь-яких (в залежності від початково заданих обмежень) технічно допустимих порядків складання виробів, а їх ітераційне виконання для всіх СО, котрі виявляються у ході синтезу, забезпечує універсальність алгоритмічного процесу відносно складної структури виробу.

У третьому розділі “Методика автоматизованого синтезу маршрутних ТПС виробів” вирішені задачі розробки і аналізу маршрутних ТПС виробів, котрі задовольняють наперед заданому рівню диференціації операцій, системі технічних та організаційних обмежень окремого виробництва. Методика складається із трьох блоків: аналізу складального виробу і формування його математичної моделі; синтезу базових варіантів ПС на основі властивостей конструкції; формування структури технологічних переходів та операцій маршрутного ТПС.

Аналіз складального виробу і формування його математичної моделі полягає у визначенні простору переміщень та формуванні на їх основі матриць контактних бінарних обмежень рухливості, параметрів положення, розмірно-масових характеристик елементів, складу і типів ЗЗН – інформації, яка міститься в 3D моделі складального виробу і може бути отримана автоматично, без застосування спеціальних методів. Результатом даного блоку є сформована математична модель складального виробу, яка використовується в якості початкової інформації для подальшого синтезу і аналізу.

Метою синтезу базових варіантів ПС на основі властивостей конструкції виробу (реалізації функції 1: R * (1)) є визначення: СО з будь-якими наперед заданими характеристиками (наприклад, розмірно-масовими, числом та типами деталей); порядків послідовно-паралельного складання СО та виробу в цілому при мінімальній кількості перебазувань; можливості установки елемента в базовому пристосуванні. Досягнення поставленої мети здійснюється на основі базових процедур моделі синтезу ПС.

Задача формування технологічної структури виробу має досить велике число розв’язків, тому в основу її вирішення покладено формування загальної структури, генерування котрої виконується лише один раз, а усі інші структурні рішення отримуються без використання процедур аналізу геометричної моделі виробу. Загальна структура представлена у вигляді сукупності СО, що містять максимальну кількість елементів, будь-які інші комбінації СО котрої (менш складної конструкції) можуть бути отримані шляхом видалення з їх складу окремих ЗЗН. Процедура виконується на кожному рівні декомпозиції виробу з подальшим відсівом варіантів, котрі містять базові елементи.

У дисертаційній роботі в якості базових приймаються елементи, які забезпечують відсутність перебазування на всіх технологічних операціях складання СО (наприклад, шляхом незмінності поверхонь по яким відбувається їх установка в пристосуваннях). Кількісну оцінку даної характеристики рекомендується виконувати за показником   mi  fi, що враховує масу елемента m, та сумарну площа вільних для доступу ділянок поверхонь f.

Моделювання процесу розкладання виробу виконується на основі матриць простору переміщень шляхом виконання процедур пошуку напрямків видалення елементів та перевірки наявності віддалених обмежень рухливості.

Основними умовами відбору варіантів є:

. | (8)

. | (9)

У відповідності до (8), зі складу СО можуть видалятись будь-які елементи , окрім базових , навіть якщо вони мають незамкнений простір переміщень. Дана умова використовується при вирішенні задачі мінімізації кількості перебазувань СО. Умова (9) використовується при визначенні груп елементів , що мають спільні напрямки монтажу та можуть бути видаленими одночасно (технологічні групи та комплекти елементів).

Результат синтезу ПС представляється у вигляді графової моделі, яка на відміну від схеми складання містить повну множину технічно здійснимих варіантів ПС, сформованих для попередньо визначених структури та базових елементів виробу.

Формування структури технологічних переходів та операцій маршрутного ТПС (реалізація функції 2: Q*  (1)) виконується з метою покращення базових варіантів ПС на основі обмежень, заданих у параметричному вигляді вимогами конкретного виробництва та технічними можливостями складального устаткування. Якщо врахувати те, що технологічний перехід при складанні – це процес установки одного елемента, то для автоматизованого формування структури маршрутного ТПС достатньо лише доповнити графову модель базових ПС інформацією про час та необхідні для виконання робіт ресурси. Результатом такого інформаційного наповнення буде мережевий графік виконання технологічних переходів pі. Визначення структури технологічних операцій Wj на основі даного графіка виконується шляхом об’єднання перших k переходів, які задовольняють системі обмежень технічного та організаційного характеру, з сумарним часом    виконання технологічних операцій (заданим на основі нормативних даних).

Розробка маршрутного ТПС завершується автоматизованим формуванням структури розмірних контурів, призначених для виявлення елементів виробу, складання яких здійсниме автоматично (наприклад, промисловими роботами), а також тієї частини СО, утворення яких можливе лише по механізованому або автоматизованому методу виконання технологічного процесу. Основою аналізу розмірних зв'язків є найкоротший контур обмежень рухливості деталей, перша і остання з яких зв'язані замикаючим розміром. Дані контури визначаються виходячи з властивості кінематичної замкнутості СО і представляються у вигляді графових моделей. Автоматизоване формування розмірних контурів реалізується при попередньо визначених структурі та ПС виробу.

У дисертаційній роботі використання запропонованої методики розглянуто на прикладі складального виробу „Редуктор планетарний двоступінчатий”, для якого на основі побудованої 3D моделі сформовано математичну модель виробу. Використовуючи розроблені методи, залежності і програмне забезпечення в автоматичному режимі отримані наступні результати: визначено, що для виробу із 98 деталей (серед яких має місце 28 різьбових, пресових та пружно деформованих ЗЗН) існує 97 варіантів підскладань. За умови максимально можливого рівня концентрації операцій, система структурних елементів виробів містить 4 рівні декомпозиції, з загальною кількістю 13 СО, складання яких здійсниме щонайменше з 5 координатних напрямків. Послідовності складання виробу отримані у вигляді графової моделі, яка є основою для подальшого проектування ТПС даного виробу.

У четвертому розділі „Практична перевірка і впровадження результатів дослідження” приведені дані по експериментальним дослідженням методики автоматизованого синтезу ПС, які проводилися для підтвердження запропонованих шляхів підвищення якості та зменшення трудомісткості проектування маршрутних ТПС.

В якості досліджуваного об’єкта складання обрано верстат для різання арматурної сталі, що містить 401 деталь, серед яких 190 стандартизованих. В результаті проведення дослідження було виявлено 17 СО, складання яких виконується без використання операцій зварювання, та розроблені відповідні ПС.

Розроблено програмний модуль, промислові випробування якого показали, що в результаті використання методики автоматизованого синтезу, скорочення терміну проектних робіт становить 1,62,5 рази, підвищення якості прийняття технологічних рішень досягається шляхом повного виключення помилок на етапі розробки ПС виробів, а обґрунтований вибір технологічно доцільних ПС здійснюється за рахунок аналізу усіх припустимих альтернатив.

В результаті проведених експериментальних досліджень підтверджено, що методика та елементи її програмної реалізації можуть бути використані самостійно, або у якості однієї з складових САПР ТПС як на етапі конструювання (для оцінки технологічності конструкції виробу), так і технологічної підготовки механоскладального виробництва.

Висновки

Основний результат виконаної роботи полягає у теоретичному доведенні та практичній перевірці можливості підвищення якості і обґрунтованості прийняття проектних рішень, а також прискорення технологічної підготовки складального виробництва за рахунок розробки нових формалізованих процедур синтезу ПС виробів та структури технологічних операцій.

В процесі досягнення поставленої в роботі мети отримані наступні основні результати та висновки:

1. Установлено, що вирішення комплексу задач синтезу маршрутних ТПС можливе на основі математичної моделі об’єкта складання, яка задає структуру механічних зв’язків елементів виробу та умови доступу до кожного з них; моделі процесу синтезу, яка формує технічно допустимі ПС на основі даних про конструктивні особливості виробу та моделі автоматизованого формування структури технологічних операцій, котрі задовольняють системі обмежень як технічного, так і організаційного характеру.

Розроблені математичні моделі дозволяють на ранніх стадіях технологічної підготовки механоскладального виробництва розв’язати задачі вибору найбільш прийнятних технологічних рішень, з метою їх подальшої оптимізації, та визначення можливості складання виробу при заданих умовах.

2. Основною комплексною характеристикою впливу особливостей конструкцій виробів на формування ПС є форма та конструктивні параметри поверхонь контакту, а також параметри просторового розташування елементів. На основі даної характеристики математичну модель складального виробу доцільно представити у вигляді множин траєкторій взаємних переміщень деталей, визначених шляхом аналізу їх 3D моделей. Такий підхід дає можливість встановити обмеження рухливості та напрямки переміщення деталей з довільними формами поверхонь.

3. Доведено, що повна формалізація процесу синтезу ПС можлива лише на основі загальних закономірностей прийняття проектних рішень технології складання, представлених у вигляді умов доступу, базування та цілісності елементів виробів. Описання даних умов у вигляді формально-логічних залежностей дозволяє:

§ визначати кількість та склад структурних елементів виробу з наперед заданими параметрами (на основі властивості кінематичної замкненості);

§ визначати послідовності їх складання та напрямки установки деталей (на основі конструктивних особливостей ЗЗН);

§ однозначно здійснювати вибір базових елементів складальних одиниць (на основі розмірно-масових характеристик);

§ генерувати будь-які з множини технічно припустимих ПС (на основі лише умови доступу).

4. Автоматизоване формування ПС необхідно проводити відповідно до основних положень зворотного синтезу, що забезпечить аналіз виробів довільних конструкцій з будь-якою кількістю деталей та дозволить скоротити кількість перебазувань базових елементів в процесі складання.

5. З’ясовано, що результати синтезу ПС доцільно представляти у вигляді мережевої моделі, яка є основою формування структури технологічних операцій із визначенням часу їх виконання та вибору маршрутного ТПС за критерієм мінімальної трудомісткості або максимальної продуктивності.

6. Використання розробленого методу синтезу та елементів його програмної реалізації на ТОВ „Завод „СТРОММАШИНА” (м. Черкаси) при проектуванні технологічних процесів складання верстатів дозволило знизити вартість проектних робіт на 3565 %, виключити помилки на етапі формування ПС та скоротити час на підготовку технологічної документації в 1,62,5 рази.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Давигора В.М., Кореньков В.М. Формальні процедури визначення порядків розкладання складальних одиниць із псевдонерознімними з’єднаннями // Вісник ЖІТІ. – 2000. – №14. – С. 206-211.

Автором удосконалено метод визначення послідовності складання псевдонерознімних з’єднань на основі матриць бінарних відношень обмеження рухливості.

2. Давигора В.М., Кореньков В.М. Формальні процедури розробки послідовності складання виробів // Наукові вісті НТУУ „КПІ”. – 2002. – №6. – С. 59-67.

Автором запропоновано метод визначення технологічної структури складального виробу на основі властивості кінематичної замкненості.

3. Давигора В.М., Кореньков В.М. Формалізація процесу проектування послідовності складання виробів // Вісник ЖІТІ – 2002 / Спеціальний випуск / ІКТ 2002. – С. 132-138.

Автором запропоновано метод вибору базових елементів виробу та скорочення кількості перебазувань складальних одиниць.

4. Кореньков В.М., Пасічник В.А., Сімута Р.Р. Аналіз з’єднань, що забезпечують нерознімність складальних одиниць та виробів, і деякі способи визначення таких з’єднань // Вісник технологічного університету Поділля. – 2002. – №4 / ч.1. – С. 48-52.

Автором запропонована ідея визначення з’єднань другого та третього типів та методи автоматичної ідентифікації пластично деформованих з’єднань.

5. Кореньков В.М. Модель автоматизованого синтезу маршрутного технологічного процесу складання виробів // Вісник технологічного університету Поділля. – 2003. – №4 / ч.2. – С. 228–235.

6. DawygoraKorenkov W. Procedura wybory elementy bazowego w montowanym zespole // Technologia i automatizacia montazu. – 2001. – №4. – S. 2-6.

Автором запропонована ідея вибору базової деталі елементарної складальної одиниці на основі інформація про бінарні відношення обмеження рухливості.

7. Кореньков В.М. Шляхи визначення базової деталі для складальних одиниць та вузлів, що збираються // Машинобудівник-2000. Тези доповідей науково-технічної конференції студентів і молодих вчених. – Київ: НТУУ „КПІ”. – 2000. – С.11.

8. Кореньков В.М. Автоматизоване рішення задач синтезу технологічних процесів складання // Машинобудівник-2001. Тези доповідей науково-технічної конференції студентів і молодих вчених. – Київ: НТУУ „КПІ”. – 2001. – С.16-17.

9. Кореньков В.М. Модель автоматизованого синтезу структури технологічного процесу складання виробів // Машинобудівник-2002. Тези доповідей науково-технічної конференції студентів і молодих вчених. – Київ: НТУУ „КПІ”. – 2002. – С.11. 

АНОТАЦІЯ

Кореньков Володимир Миколайович. Автоматизований синтез маршрутних технологічних процесів складання. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування. – Національний технічний університет України “КПІ”, Київ, 2005.

Дисертація присвячена вирішенню питань підвищення якості та зменшення трудомісткості проектування маршрутних технологічних процесів складання шляхом розробки формалізованих процедур синтезу послідовностей складання та методів і алгоритмів автоматизованого проектування структури технологічних операцій.

У дисертаційній роботі наведені теоретичні дослідження, направлені на визначення та обґрунтування змісту і структури етапів, підпроцесів та процесів синтезу технології складання виробів. Запропоновані математичні моделі синтезу та аналізу проектних рішень, реалізовані у вигляді уніфікованих логічних та арифметичних процедур. Розроблені теоретичні положення, методи рішення, алгоритмічне та програмне забезпечення, які дозволяють на основі математичної моделі об’єкта складання визначити та оцінити за рядом кількісних критеріїв множину технологічно доцільних послідовностей складання (без повного перебору варіантів), а також автоматизувати процес формування структури та послідовності виконання технологічних операцій.

Ключові слова: технологічний процес складання, послідовність складання, складальний виріб, математична модель, САПР ТПС.

THE SUMMARY

Korenkov Vladimir Nikolayevich. The automated synthesis of route engineering processes of assembling. – the Manuscript.

The thesis is submitted for the degree Candidate of Science for specialty 05.02.08 – engineering techniques. – National Technical University of Ukraine, Kyiv, 2005.

The thesis is concerned with developing of formalized procedures of synthesis of sequences of assembly, methods and algorithms of automated planning of technological operation structures in order to rise quality and minimize labour-output ratio.

Theoretical research of the thesis is aimed at determination and grounding of the essence and structure of stages, processes and sub processes of synthesis of the rout engineering processes. Proposed mathematical models of synthesis and analysis of project decision are realized as unified logic and arithmetical procedures. Developed theoretical positions, methods of taking decision, algorithms and software allow on the basis of a mathematical model of an object of assembly to determine and estimate, using number of quantity criteria, the great number of technologically suitable sequences of assembly (without analysis of all variants) and to automatize the process of structuring and sequences of technological operations implementation.

Keywords: engineering process of assembly, assembly sequence, assembly product, mathematical model, CAAPP.

АННОТАЦИЯ

Кореньков Владимир Николаевич. Автоматизированный синтез маршрутных технологических процессов сборки. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 – технология машиностроения. – Национальный технический университет Украины “КПИ”, Киев, 2005.

Диссертация посвящена решению вопросов повышения качества и уменьшения трудоемкости проектирования маршрутных технологических процессов сборки за счет разработки формализованных процедур синтеза последовательностей сборки, методов и алгоритмов автоматизированного проектирования структуры технологических операций.

Проведенный анализ выполненных исследований показал, что основным свойством процесса проектирования последовательностей сборки является конечное число строго определенных вариантов структурных решений, зависящее лишь от количества деталей изделия и его конструкции. Выяснено, что из-за большого числа альтернатив, в общем случае, математические модели с полным перебором вариантов либо вероятностные модели не применимы для эффективной оценки и выбора технологически целесообразных последовательностей сборки. Кроме того, обнаружено отсутствие методов решения практических задач автоматизированного синтеза технологии сборки объектов машиностроения произвольных конструкций с любым числом элементов.

В результате исследований выявлены общие закономерности принятия проектных решений технологии сборки, представленные в виде условий доступа, базирования и нарушения целостности структурных элементов изделий. В работе предложены и обоснованы формально-логические зависимости, отображающие основные свойства конструкций и сборочных процессов, позволяющие полностью автоматизировать синтез последовательностей сборки. Установлена типовая структура этапов, подпроцессов и процессов синтеза, реализованных в виде логических и арифметических процедур, общей целью которых является формирование множества технически допустимых порядков сборки с последующим выбором подмножества технологически целесообразных вариантов, соответствующих требованиям конкретного производства.

Разработаны формульные выражения и алгоритмы, позволяющие выполнять декомпозицию изделий произвольных конструкций на структурные элементы с наперед заданными количеством деталей и параметрами, что дает возможность на ранних этапах проектирования исключить из анализа заведомо бесперспективные варианты. При этом синтез последовательностей сборки реализован как процесс генерирования всех допустимых альтернатив, для каждого структурного элемента изделия, и направленного поиска среди них оптимального варианта по критерию минимального количества перебазирований базовых элементов в процессе сборки. При формировании множества технически реализуемых порядков сборки учтены ограничения, обусловленные конструкцией конкретного изделия, а так же ограничения, обусловленные техническими возможностями сборочного оборудования. Разработаны методы определения состава, очередности и направлений установки деталей соединений обеспечивающих нераспадаемость, псевдонеразъемных соединений, конструктивных комплектов, основанные на использовании характерных особенностей данных структурных элементов (наличии охватывающих поверхностей контакта и замкнутых контуров контактных ограничений подвижности).

Предложен метод определения структуры и последовательности выполнения технологических операций, удовлетворяющих заданному уровню дифференциации, а также системе технических и организационных ограничений отдельного производства. Показана возможность автоматизированного формирования структуры размерных контуров, предназначенных для определения метода выполнения технологического процесса сборки.

Для подтверждения предложенных путей повышения качества и уменьшения трудоемкости проектирования технологии сборки разработан программный модуль, промышленные испытания которого показали, что в результате использования положенной в его основу методики сокращение сроков проектных работ составляет 1,62,5 раза, повышение качества принятия технологических решений достигается путем полного исключения ошибок на этапе разработки последовательностей сборки изделий, а обоснование выбора технологически целесообразных вариантов осуществляется за счет анализа всех допустимых альтернатив.

Ключевые слова: технологический процесс сборки, последовательность сборки, сборочное изделие, математическая модель, САПР ТПС.