Проектирование структуры технологических процессов на основе синтеза

Процесс автоматизации проектирования структуры технологических процессов (ТП) достаточно сложен в виду множества разработанных, но слабо формализованных правил проектирования и динамичности схем их применения. Вследствие этого разработанные в настоящее время системы используют эвристические алгоритмы формирования структур. Данные алгоритмы, как правило, ориентированы на небольшое количество возможных производственных операций и не позволяют сделать данные системы адаптивными и широко тиражируемыми, а решения, которые формирует система, требуют корректирования. Для проектирования структуры необходимо ввести в систему большое количество информации о производственной среде и изготавливаемом изделии. Режим диалога, встроенный в систему, позволяет вводить исходную информацию, корректировать принятые решения и производить ряд других операций. Однако в том случае, если алгоритмы не предназначены для конкретной производственной ситуации, невозможно достичь повышения эффективности проектирования структуры ТП даже при использовании диалогового режима. Оперативное внесение изменений и дополнений в разработанную систему проектирования также не всегда возможно.

Обзор литературы

Под ТП понимается система, для которой характерны понятия структуры и параметров [1]. Структурный аспект добавляется к определению ТП, поскольку на уровень развития технологии влияют не только методы обработки, но и структуры. На основе этого уточняются технологические понятия. Дальнейшее развитие понятие структуры ТП получило в работах В. Д. Цвет-кова1. По его мнению, данная структура состоит из 3-х основных составляющих: функциональной (которая определяет порядок переходов из одного состояния детали в другое), пространственной и временной. В. В. Борзенков, в свою очередь, описывает топологические свойства макроэлементов, структуры деталей в системе автоматизированного проектирования (САПР) ТП [2].

Выбор структуры в частично автоматизированном режиме стал возможным только в начале 1980-х гг., когда мощность ЭВМ позволила частично решить данную проблему. Большое количество работ посвящено выбору структуры в автоматизированном режиме; многие из них получили практическое применение. Например, А. А. Саратов разработал оригинальный алгоритм структурно-параметрического синтеза производственного расписания, оптимизированный по критерию минимизации издержек производства при задержке выполнения заказов [3]. Н. В. Беляков разработал методику выбора комплектов технологических баз на операциях механической обработки машиностроительных деталей [4–5]. В. Н. Бровцин предложил метод адаптивного управления и структуры настраиваемых моделей технологических процессов сельскохозяйственного производства [6]. З. Т. Акашев описывал методологию совершенствования и выбора структу-

MORDOVIA UNIVERSITY BULLETIN 1^1 ры технологических процессов горнодобывающих предприятий [7].

Одной из первых работ в области формализации накопленных знаний является диссертация А. А. Саратова2, в которой автор продемонстрировал взаимосвязь между выбором технологических баз и последующим синтезом геометрической схемы ТП. Данная схема состоит из совокупности поверхностей (заготовки, готовой детали, предварительно обработанных поверхностей), а также соотношений и размеров, которые связывают поверхности между собой. ТП в геометрическом отношении может быть представлен в виде результата последовательного совмещения режущих и установочных элементов инструмента и приспособления с обрабатываемыми и базирующими поверхностями детали. Продолжением данного подхода стали работы В. В. Кузьмина и Д. Е. Максимовского [8–9], которые рассматривали способы выбора технологических баз для корпусных деталей в автоматизированном производстве с использованием САПР ТП.

Материалы и методы

В статье предложен метод проектирования структуры ТП на основе синтеза. В основе полученных научных результатов лежат фундаментальные положения теории базирования, технологии машиностроения, теории графов, теории моделей, методологии проектирования ТП механической обработки, логики предикатов и исчисления высказываний.

Результаты разработанного метода рекомендуется использовать при проектировании структуры ТП в автоматизированном режиме в САПР ТП.

Результаты исследования

Выбор структуры ТП для корпусных деталей на основе синтеза пред- ставляет собой многовариантную задачу в силу особенностей их геометрической структуры: деталь ограничена большим количеством обрабатываемых и необрабатываемых поверхностей π. Поэтому количество комплектов технологических баз (КТБ), формируемых на поверхностях π, достаточно велико по сравнению с деталями типа тела вращения. В последнем случае КТБ формируются однозначно (либо ось центровых отверстий при обработке в центрах, либо поверхности торцов при обработке в патроне с переуста-новом), а технологические базы при первых операциях назначаются в зависимости от типа производства (либо на универсальных, либо на фрезерно-центровальных станках). По сути, решение задачи разработки структуры ТП на основе синтеза в первую очередь должна сводиться к выбору технологических баз детали, для которой разрабатывается структура [10].

При выборе КТБ необходимо учитывать многочисленные ограничения и критерии, которые определяют набор свойств. К важнейшим из них относятся:

‒ лишение заготовки детали 6-и степеней свободы при установке в приспособлении по выбранным поверхностям КТБ;

‒ наиболее удобная и экономичная конструкция приспособления;

‒ обеспечение заданной точности замыкающих звеньев (размеров на чертеже с допусками) для составляющих звеньев размерных цепей, которые определяются выбранными технологическими базами;

‒ свойство оптимальности по критерию количества переустановов.

Выбор оптимального варианта зависит от многочисленных факторов: серийность и уровень автоматизации производства, точность технологической системы (станок и технологическая оснастка), се- бестоимость и цикл обработки, точность размеров заготовки, структура поверхностного слоя главных поверхностей.

Рассмотрим перечисленные ограничения и критерии при выборе КТБ на примере корпусной детали (рис. 1).

Р и с. 1. Деталь типа корпус

F i g. 1. Body type part

Сформулируем задачу выбора (КТБ) в виде экстремальной задачи на графе.

Пусть задан граф

G = { PU,         (1)

где P – множество вершин, отражающих состояния поверхностей в процессе обработки от заготовки до окончательной обработки; U – множество дуг, отражающих размерные связи между поверхностями (конструкторские, технологические, размеры припусков и заготовки).

Конструкторские размеры и припуски являются замыкающими звеньями размерных цепей, а технологические размеры и заготовки – составляющими. Подчеркнем, что любому замыкающему звену соответствует только одна размерная цепь.

В графе G выделим на основе моделирования возможных КТБ подграф G_T ∈ G , который отражает возможности обработки поверхностей с различных технологических баз (или технологический подграф).

Требуется найти граф G _TÏ ∈ G _Ò , обладающий свойством оптимальности по критерию W, который определяет число его уровней.

Рассмотримсвойстваподграфа G_ТП = = { P_ТП,U_ТП }, необходимые для постановки экстремальной задачи на графах.

• 1.    Множество вершин подграфа G_ТП и графа G_Т совпадают, т. е. P_ТП = P_Т .

• 2.    В каждую вершину подграфа G_ТП , кроме вершин заготовки, входит одна дуга технологического размера или размера заготовки.

• 3.    Ни одна дуга, принадлежащая составляющим звеньям, не может соединять вершины, принадлежащие одной и той же поверхности.

• 4.    Для каждого замыкающего звена существует только одна размерная цепь.

• 5.    Свойство оптимальности по критерию W ( G_ТП ), определяющее минимальное число его уровней (число пе-реустановов), т. е.

• 6.    Обеспечение заданной точности конструкторских размеров выполняется путем проверки выполнения неравенства: допуски на конструкторские размеры не должны быть меньше суммы допусков на составляющие звенья размерных цепей, замыкающих конструкторский размер.

Свойства 1–4 являются основными свойствами подграфа G_ТП .

Для формулировки экстремальной задачи на графах требуется установить дополнительные свойства подграфа G_ТП .

W (G_m ) = minW (G_m ( k )) . (2)

G Tn ^{G G}T

Для проверки этого условия необходимо выполнить следующие этапы алгоритма:

‒ для каждого конструкторского размера (замыкающего звена) определить размерную цепь;

‒ определить по чертежу показатели точности g конструкторских размеров;

‒ определить по справочной информационной базе показатели точности технологических размеров, размеров заготовки (другими словами, выполнить взвешивание дуг составляющих звеньев показателями точности относительного положения поверхностей в результате обработки поверхности p_j на основе технологической базы p_i ), а также показатели точности линейных размеров, обеспеченных технологическими методами обработки на различных этапах (черновое, получистовое, чистовое, финишное);

‒ выполнить суммирование f погрешностей составляющих звеньев размерной цепи алгебраическим методом (если обработка поверхностей выполняется на основе одной технологической базы, то погрешности базирования компенсируются);

‒ выполнить проверку условия f < g , т. е. погрешность замыкающего звена, указанная на чертеже, должна быть больше суммы погрешностей составляющих звеньев соответствующей размерной цепи; если условие не выполняется, то ТП не удовлетворяет свойству 6.

Математическая постановка задачи оптимизации выбора технологических баз õ в зависимости от перечисленных выше факторов используют критерий оптимальности W ( x ) по количеству пе-реустановов и ограничения Ω( x ). Оптимизация структуры ТП с формальной точки зрения зависит от расположения μ составляющих звеньев размерных цепей относительно замыкающих звеньев. При этом структура замыкающих звеньев является фиксированной для рассматриваемой задачи, а расположение μ определяется выбором подграфа G_ТП . Структура замыкающих звеньев G_Z применительно к корпусной детали показана на рис. 2.

А2

Р и с. 2. Структура замыкающих звеньев применительно к корпусной детали ( А – конструкторские размеры; Z – размеры межпереходных припусков)

F i g. 2. The structure of closing links in relation to a body part ( А – design dimensions;

Z – dimensions of intertransport allowances)

Обсуждение и заключения

Разработана математическая постановка задачи выбора КТБ на основе синтеза структуры ТП, представленного в виде классической задачи выделения из заданного технологического графа G_Т подграфа G_ТП с заданными свойствами:

На основе анализа исходного графа методами размерного анализа можно обосновать следующие рекомендации:

‒ при выборе структуры ТП на основе синтеза нецелесообразно использовать различные технологические базы (смену баз) на необработанных поверхностях;

‒ при выборе структуры ТП на основе синтеза и использовании критерия оптимальности (неравномерности припуска главных поверхностей) в качестве технологических баз при первых операциях целесообразно использовать главные поверхности в состоянии заготовки.

Поступила 14.12.2017; принята к публикации 11.01.2018; опубликована онлайн 20.03.2018

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Mechanical engineering 83

Submitted 14.12.2017; revised 11.01.2018; published online 20.03.2018

About the authors:

All authors have read and approved the final version of the manuscript.