Повышение эффективности изготовления деталей со сложнопрофильными поверхностями на основе разработки комплекса контрольно-измерительных процедур в системе планирования многономенклатурных технологических процессов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат наук Решетникова Евгения Павловна

• Решетникова Евгения Павловна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Решетникова Евгения Павловна

ВВЕДЕНИЕ

1 Исследование основных подходов к технологической подготовке производства и автоматизация их проектных решений с учетом особенности обработки деталей со сложнопрофильными поверхностями

1.1 Анализ традиционных подходов к разработке технологических процессов при технологической подготовке производства деталей механообрабатывающих производств

1.2 Формирование понятия «детали со сложнопрофильными поверхностями» и анализ существующих классификаций деталей со сложнопрофильными поверхностями в механообрабатывающем производстве

1.3 Особенности разработки технологических процессов для изготовления деталей со сложнопрофильными поверхностями

1.4 Учет размерных характеристик заготовок при разработке технологических процессов изготовления деталей со сложнопрофильными поверхностями

1.5 Особенности контрольно - измерительных процедур при изготовлении деталей со сложнопрофильными поверхностями

1.6 Технологическая подготовка производства и автоматизация ее проектных процедур с учетом особенностей обработки деталей со сложнопрофильными поверхностями

1.7 Выводы

2 Разработка математических моделей комплекса контрольно -измерительных процедур в системе планирования многономенклатурных технологических процессов

2.1 Разработка комплекса контрольно - измерительных процедур деталей со сложнопрофильными поверхностями

2.2 Разработка методики анализа размерных параметров деталей со сложнопрофильными поверхностями

2.3 Группирование деталей производственной системы механообрабатывающих производств с позиции измерения

2.4 Формализация проектных процедур для формирования рационального комплекта контрольно - измерительных средств в рамках системы планирования многономенклатурных технологических процессов

2.5 Выводы

3 Разработка алгоритмов и программного обеспечения комплекса контрольно - измерительных процедур в системе планирования многономеклатурных технологических процессов

3.1 Разработка алгоритмов для реализации методики координатного измерения деталей со сложнопрофильными поверхностями

3.2 Программные процедуры анализа отклонений геометрической формы и расположения поверхностей деталей со сложнопрофильными поверхностями88

3.3 Программные процедуры для формирования рационального комплекта контрольно - измерительных средств производственной системы

3.4 Выводы

4 Оценка работоспособности разработанного комплекса контрольно -измерительных процедур

4.1 Практические рекомендации для оценки работоспособности разработанных моделей и программного обеспечения комплекса контрольно -измерительных процедур

4.2 Технико - экономический расчет комплекса контрольно - измерительных процедур в рамках системы планирования многономенклатурных технологических процессов

4.3 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Детали производственной системы для проведения

промышленного эксперимента

Приложение Б. Измерение размерных параметров заготовки №1 «Корпус»

Приложение В. Измерение размерных параметров заготовки №2 «Корпус»

Приложение Г. Измерение размерных параметров заготовки №3 «Корпус»

Приложение Д. Фрагмент программной процедуры «Генерация возможных вариантов контрольно - измерительных инструментов в системе автоматизированного планирования многономенклатурных технологических

процессов»

Приложение Е. Фрагмент программной процедуры «Назначение оптимального комплекта контрольно - измерительного инструмента в производственной

системе»

Приложение Ж. Акт использования результатов работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности изготовления деталей со сложнопрофильными поверхностями на основе разработки комплекса контрольно-измерительных процедур в системе планирования многономенклатурных технологических процессов»

ВВЕДЕНИЕ

Одно из приоритетных направлений развития механообрабатывающей промышленности России - создание конкурентоспособного мировым тенденциям производства, обеспечивающего минимальные временные затраты на его проектирование с обеспечением высоких требований качества, надежности и эксплуатационного ресурса изготавливаемой продукции. Развитию указанных особенностей механообрабатывающих предприятий и получению высокого экономического эффекта при производстве их продукции способствует выпуск продукции широкой номенклатуры. Что в свою очередь требует грамотной организации производственного процесса их изготовления и разработки эффективных технологических процессов обработки (ТП) для каждой отдельной единицы продукции производственной системы.

Особое место в номенклатуре разнотипных деталей многономенклатурной механообрабатывающей промышленности занимают детали со сложнопрофильными поверхностями. Для данного типа деталей необходим нетрадиционный способ организации производства в связи с высокой трудоемкостью их изготовления и повышенным требованиям к точности поверхностей данных деталей, надежности и производительности процесса их изготовления. Поэтому актуальна разработка инновационного способа планирования производственного процесса деталей со сложнопрофильными поверхностями, который позволит спрогнозировать эффективность работы производственной системы по их изготовлению и обеспечить требуемое качество поверхностей деталей.

Предлагаемый подход заключается в инновационном способе организации производственного процесса деталей со сложнопрофильными поверхностями, осуществленном на основе разработки комплекса контрольно - измерительных процедур (ККИП), обеспечивающем принятие эффективных технологических решений при разработке ТП обработки деталей на основе учета реальных размерных характеристик поверхностей их заготовок и состояния

производственной системы. Предлагаемый подход актуален для совершенствования разработки ТП обработки изделий в условиях быстроменяющейся производственной ситуации.

Разработанный ККИП реализуется в системе автоматизированного планирования производственного процесса, которая является перспективным решением в области обеспечения заданной точности изготовления деталей при условии сокращения сроков проектирования их технологической подготовки. В качестве системы автоматизированного планирования производства в данной работе служит система автоматизированного планирования многономенклатурных технологических процессов (САПлТП), основой которой является разработка альтернативных вариантов ТП механообработки изготавливаемых изделий с последующим выбором из них рационального ТП, наиболее соответствующего текущей производственной ситуации.

Таким образом, выполненная работа по совершенствованию планирования и организации производственного процесса деталей со сложнопрофильными поверхностями, путем его автоматизации соответствует приоритетным направлениям развития современных механообрабатывающих производств и направлена на выполнение существующих тенденций цифровизации производства.

Актуальность темы исследования. Повышение эффективности изготовления выпускаемой продукции в производственной системе определяется качественным планированием и организацией производственного процесса. Современная тенденция перехода механообрабатывающей промышленности к многономенклатурному производству диктует необходимость смены устоявшегося характера организации производства и требует автоматизации его планирования.

Предлагаемый подход состоит в разработке рациональных единичных технологических процессов в мелкосерийном производстве на основе информации о реальных размерных параметрах каждой отдельной заготовки детали на начальном этапе создания ТП, и на применении рационального

комплекта контрольно-измерительных средств (СИ) для оценки заданной точности изготовления детали на завершающем этапе реализации разработанного ТП.

Для реализации предлагаемого подхода разработан комплекс контрольно-измерительных процедур с учётом особенностей измерения сложнопрофильных поверхностей, создание которого обеспечивает интеллектуализацию производства.

Степень разработанности. Вопрос организации производственного процесса механообрабатывающих производств рассмотрен в трудах многих отечественных ученых, а именно Б. С. Балакшина, В. С. Корсакова, А. А. Маталина, С. П. Митрофанова, А. П. Соколовского, А. Б. Яхина и др. Также большой вклад в развитие систем проектирования современных механообрабатывающих производств внесли работы известных ученых: Б. М. Базрова, В. Ф. Безъязычного, Бочкарева П.Ю., С. А. Томилина, Ю. Л. Чигиринского.

Труды под руководством Балакшина Б.С. [7-9] являются частью основополагающих работ в области машиностроения. Его исследования в области технологии машиностроения освящают способы разработки экономичных технологических процессов, обеспечивающих получение требуемого качества машин, также в них освещены вопросы механизации и автоматизации производственных процессов в машиностроении. Даны технологические основы увеличения производительности труда на машиностроительных заводах. Рассмотрены вопросы технологичности конструкции деталей и машин, типизации технологических процессов.

В своих трудах Корсаков В.С. [59-60] рассматривает комплекс вопросов, связанных с точностью механической обработки, анализирует влияние различных технологических факторов на возникновение первичных погрешностей и вводит определение суммарной погрешности.

Маталин А.А. [72] в свою очередь работал в области машиностроения и занимался вопросом разработки технологических методов повышения долговечности машин.

Митрофанов С.П. [92] и Соколовский А.П. [129] исследовали вопросы разработки технологических процессов обработки изделий машиностроения. Так профессор Митрофанов С.П. разработал метод проектирования групповых ТП, которые предназначены для параллельного изготовления группы деталей отличающихся своей конфигурацией. Разработанный групповой ТП направлен на изготовление каждой единицы продукции по общей технологической схеме. Создание групповых ТП основывается на объединении деталей в общий класс по видам обработки и создании комплексной детали, включающей в себя основные элементы всех деталей объединенных в группу.

Профессор Соколовский А.П. также предложил метод разработки ТП обработки изделий объединенных в группу по общим конструктивным признакам. Однако, он предложил разработку типового ТП, при котором в каждой подгруппе деталей обозначается типовой представитель, для которого составляется общий маршрут изготовления. Типовой представитель выделенной группы деталей - это деталь, обработка которой требует наибольшего количества основных и вспомогательных операций, характерных для каждой группы.

Развитием в области повышения качества разработки ТП обработки изделий машиностроения занимаются и современные ученые. Под руководством профессора Бочкарева П.Ю. [18 - 22, 77 - 87, 90 - 91104 - 107, 110 - 124,] разработаны теория и принципы создания системы планирования гибких технологических процессов в условиях многономенклатурных механообрабатывающих производств.

Проведенный анализ литературных источников подтвердил, что ведется интенсивная работа по созданию современных систем планирования производства и его технологической подготовки (ТПП).

Однако недостаточно исследовалась связь учета реальных размерных параметров поверхностей заготовки и эффективности разработки ТП изготовлении деталей, особенно со сложнопрофильными поверхностями, что

позволяет предложенный ККИП, направленный на разработку рационального ТП механической обработки деталей.

В то же время учёт реальных размеров поверхностей заготовок изделия позволяет обоснованно назначить эффективные технологические базы, рациональные маршрут, режимы обработки и комплект оснастки. Важной задачей является также определение рационального комплекта контрольно-измерительных средств при реализации многономенклатурного производства с учётом реальной производственной ситуации.

Объект исследования - технологические процессы изготовления деталей со сложнопрофильными поверхностями в условиях многономенклатурного производства.

Предмет исследования - комплекс контрольно-измерительных процедур при изготовлении деталей со сложнопрофильными поверхностями и его взаимосвязь с технологическими процессами их обработки, а также рациональный комплект контрольно-измерительных средств в условиях действующей производственной системы.

Целью работы является совершенствование процесса производства деталей со сложнопрофильными поверхностями на основе разработки комплекса контрольно-измерительных процедур, обеспечивающего учёт размерных взаимосвязей поверхностей заготовок при разработке технологических процессов их обработки и формирование рационального комплекта контрольно-измерительных средств в условиях действующей производственной системы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Обоснование теоретических положений принятия эффективных технологических решений на этапах разработки ТП для деталей со сложнопрофильными поверхностями на основе учета взаимосвязи реальных размерных параметров, взаимного расположения поверхностей и отклонений от геометрической формы поверхностей их заготовок и текущего состояния производственной системы в САПлТП.

2. Разработка комплекса контрольно-измерительных процедур и методики анализа размерных параметров и их взаимосвязей для деталей со сложнопрофильными поверхностями, как структурного элемента ТП, для совершенствования его разработки в САПлТП. При этом эффективные технологические решения принимаются на основе реальных данных о размерных параметрах заготовки и текущего состояния производственной системы, что приводит к сокращению ее временных затрат.

3. Формализация проектных процедур для формирования рационального комплекта контрольно-измерительных средств в рамках САПлТП.

4. Разработка алгоритмического и программного обеспечения комплекса контрольно-измерительных процедур деталей со сложнопрофильными поверхностями в рамках САПлТП.

5. Проведение экспериментальных исследований о влиянии измеренных реальных размерных характеристик заготовок деталей со сложнопрофильными поверхностями и назначения рационального комплекта контрольно -измерительных средств на эффективность технологического процесса их обработки.

6. Разработка практических рекомендаций для производственной системы обработки деталей со сложнопрофильными поверхностями, направленных на повышение эффективности их изготовления.

Методы и средства исследования. Теоретические исследования проведены с применением научных основ технологии машиностроения, при помощи математического аппарата теории вероятности и математической статистики, комбинаторного анализа. Экспериментальные исследования анализа размерных параметров поверхностей заготовки на основе разработанной методики координатного измерения, а также формирования рационального комплекта контрольно-измерительных средств осуществлены на основе данных о производственной системе промышленного отдела предприятия. При разработке программного обеспечения использована программная среда MatLab R2014a.

В первой главе осуществлен обзор существующих методов разработки технологических процессов при технологической подготовке производства деталей, оценены особенности разработки технологических процессов обработки деталей со сложнопрофильными поверхностями, показана важность учета размерных параметров заготовок данных деталей на этапе проектирования и также проанализированы особенности разработки контрольно - измерительных операций при их изготовлении.

По результатам обзора источников научно-технической литературы выявлено, что традиционная ТПП представляет собой набор отдельных процедур, направленных на решение задач конкретного этапа производства, назначаемых исходя из технологии производства принятой на механообрабатывающем предприятии, что не позволяет обеспечить взаимосвязь этапов производственного процесса и повысить эффективность производственной системы в условиях широкой промышленной разновидности изготавливаемых изделий. Тенденция же перехода к многономенклатурному производству, отвечающему приоритетным направлениям развития механообрабатывающей промышленности, требует создания автоматизированных систем планирования производства, обеспечивающих согласованность этапов планирования и реализации производственного процесса.

Поэтому важно и необходимо исследование по заявленной теме, которая актуальна и направлена на разработку инновационного способа планирования производства, отличительным свойством которого является взаимосвязанность этапов планирования производства и его реализации.

Во второй главе приведены научное обоснование разработанного комплекса контрольно - измерительных процедур в системе планирования многономенклатурных технологических процессов. Показана важность разработки комплекса контрольно-измерительных процедур деталей со сложнопрофильными поверхностями в САПлТП, разработана методика измерения деталей со сложнопрофильными поверхностями путем назначения рационального числа координатных точек измеряемых поверхностей, также

формализована процедура формирования рациональных комплектов контрольно -измерительных средств для реализации контрольно - измерительных процедур технологических процессов изготовления деталей.

Третья глава посвящена разработке алгоритмического и программного обеспечения комплекса контрольно - измерительных процедур и методике проверки его работоспособности.

В четвертой главе представлена оценка работоспособности комплекса контрольно - измерительных процедур в системе планирования многономенклатурных технологических процессов.

Научная новизна.

1. Установлено, что разработку рационального технологического процесса изготовления детали в условиях многономенклатурного производства необходимо осуществлять на основе данных о действительных размерных параметрах поверхностей ее заготовки и складывающейся ситуации в производственной системе, что приводит к повышению эффективности производства.

2. Разработано математическое и алгоритмическое обеспечение для реализации комплекса контрольно-измерительных процедур при изготовлении деталей со сложнопрофильными поверхностями, учитывающего сложность их измерения и позволяющего получить достоверные данные о действительных размерных параметрах заготовки.

3. Разработано математическое и программное обеспечение процедуры формирования рациональных комплектов контрольно - измерительных средств, включающей генерацию множества возможных вариантов контрольно -измерительных средств и отсев их по критерию однородности, необходимое при реализации системы планирования многономенклатурных производств.

Соответствие паспорту специальности. Научная работа соответствует требованиям паспорта специальности 05.02.08 - «Технология машиностроения»: п.3 - Математическое моделирование технологических процессов и методов изготовления деталей и сборки изделий машиностроения; п.5 - Методы

проектирования и оптимизации технологических процессов; п.8 - Проблемы управления технологическими процессами в машиностроении.

Теоретическая значимость работы состоит в создании научных принципов комплекса контрольно-измерительных процедур, математических моделей, методик и алгоритмов, обеспечивающих формализацию процессов разработки рациональных технологических процессов обработки деталей со сложнопрофильными поверхностями, на основе учета действительных размерных параметров поверхностей их заготовок, а также формализацию проектных процедур для формирования рационального комплекта контрольно-измерительных средств в рамках САПлТП.

Практическая ценность и реализация работы состоит в разработке и алгоритмизации комплекса контрольно-измерительных процедур САПлТП, включающего в себя предложение способа группирования деталей производственной системы с позиции сложности их измерения, разработку методики координатного измерения деталей со сложнопрофильными поверхностями, как структурного элемента для создания рационального ТП обработки деталей со сложнопрофильными поверхностями с целью обеспечения заданной точности их изготовления, и разработку алгоритма назначения рационального комплекта контрольно-измерительных средств в текущих условиях производственной системы механообрабатывающего производства. Результаты работы прошли практическую апробацию в условиях промышленного отдела предприятия при этом подтверждена работоспособность разработанных методик и алгоритмов. Установлено, что введение контрольно-измерительных процедур на проектном этапе разработки ТП и учет реальных размерных параметров заготовки способствует разработке эффективного ТП, а методика назначения рационального комплекта средств контрольно-измерительного инструмента производственной системы - уменьшению времени выполнения контрольно-измерительных процедур и общего их количества. В результате зарегистрировано сокращение временных затрат на 25% и дефектной продукции производственной системы в среднем на 5%.

Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается их внутренней непротиворечивостью и соответствием теоретическим положениям технологии машиностроения, корректным использованием математического аппарата кластерного анализа, теории множеств, комбинаторного анализа и аппарата генетического алгоритма. Разработанные математические модели и алгоритмы использовались в условиях действующей производственной системы, подтверждена удовлетворительная сходимость результатов.

На защиту выносится:

1. Подход к организации производственного процесса деталей со сложнопрофильными поверхностями на основе разработанного ККИП, базирующийся на учете действительных размерных параметров заготовок и обеспечивающий формирование рационального маршрута технологического процесса обработки.

2. Формализованный метод группирования деталей с позиции сложности их измерения, базирующийся на объединении поверхностей этих деталей по их конструктивной сложности при помощи аппарата кластерного анализа.

3. Методика координатного измерения деталей со сложнопрофильными поверхностям с применением координатно-измерительных машин, служащая структурным элементом при разработке рационального ТП обработки детали и способствующая автоматизации процесса анализа действительных размерных параметров поверхностей заготовок.

4. Разработанный метод генерации возможных вариантов контрольно-измерительных средств в комплекты и назначение рационального из них с учетом складывающейся производственной ситуации в производственной системе в рамках САПлТП.

Апробация результатов работы. Материалы диссертационной работы представлялись на международных научных, научно-технических конференциях «XXXIX Гагаринские чтения» (МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского), Москва, 2013-

2014 гг., конкурс У.М.Н.И.К.-2013 в рамках международной научной конференции ММТТ-26, «Инновации. Технологии. Производство», г. Рыбинск, 2015 г., «Высокие технологии в машиностроении», г. Самара, 2016 г., «Современные высокоэффективные технологии и оборудование в машиностроении (МТЕТ-2016)», г. Санкт-Петербург 2016 г., «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации (АКТТИ-2016)», г. Пермь, 2016 г., "Механики XXI веку", г. Братск, 2017 г., IX МНТК «Инновационные технологии в машиностроении: от проектирования к производству конкурентоспособной продукции (ТМ-2017)», г. Волгоград, 2017 г., «Авиакосмические технологии» (АКТ-2017), г. Воронеж, 2017 г., «Механики XXI веку», г. Братск, 2018 г., «Юность и Знания -Гарантия Успеха (МЛ-30)», г. Курск, 2018 г., «Инженеры Будущего-2019», г. Оренбург, 2019 г.

Результаты работы поддержаны грантом У.М.Н.И.К. (конкурс в рамках XXVI международной научной конференции «Математические Методы в Технике и Технологиях - ММТТ-26») № 467ГУ1/2013 «Информационная технология измерения сложных поверхностей на мобильных КИМ».

Результаты работы поддержаны грантом РФФИ (конкурс инициативных научных проектов, выполняемых молодыми учеными) № 16-38-00449 мол_а «Разработка универсальной методики измерения параметров формы и расположения поверхностей деталей гороскопических приборов на основе кластерного анализа и моделирования Монте-Карло».

Публикации. По результатам диссертации опубликовано свыше 50 работ, в том числе 1 монография, 6 статей в журналах рекомендованных перечнем ВАК РФ и 1 в издании, индексируемом в международной базе Scopus. По материалам диссертации получено 6 свидетельств о государственной регистрации программ ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертационное исследование состоит из введения, 4 глав, заключения, изложено на 207 страницах машинописного текста, включающих в себя 121 страниц основного текста, иллюстрированных 32 рисунками, содержит 14 таблиц, списка использованных источников, включающего 165 наименований, и приложений, расположенных на 64 страницах.

1 Исследование основных подходов к технологической подготовке производства и автоматизация их проектных решений с учетом особенности обработки деталей со сложнопрофильными поверхностями

1.1 Анализ традиционных подходов к разработке технологических процессов при технологической подготовке производства деталей механообрабатывающих производств

Эффективность изготовления выпускаемой продукции на производстве определяется качественным планированием и организацией всего производственного процесса. Технологическая подготовка производства содержит большой объем технических и организационных задач для достижения необходимого качества изготавливаемой продукции, а именно ее технических и экономических параметров заданных на начальном этапе проектирования. Эти задачи направлены на увеличение производительности труда, сокращение себестоимости продукции, повышение рентабельности производства, уменьшение временных затрат на процесс производства продукции. Грамотная технологическая подготовка при планировании и организации производства в первую очередь обусловлена соответствующими методами управления этим производством. А именно проектные процедуры, принимаемые на начальном этапе проектирования, охватывающие изготовление детали от процесса проектирования до выпуска готового изделия во многом определяют получаемый результат.

Показатели параметров качества продукции, формируемые в процессе производственного цикла, наиболее значимы при проектировании производства продукции и служат основными критериями при формировании технологического процесса ее изготовления. Формирование технологического процесса обработки деталей (рисунок 1.1) - один из преимущественно важных этапов технологической подготовки производства.

Рисунок 1.1 - Последовательность разработки технологического процесса обработки деталей

механообрабатывающих производств

Исходная информация при проектировании ТП представлена в виде рабочей конструкторской документации изготавливаемой продукции, технических требований, регламентирующих точность изготовления, параметров шероховатости обрабатываемых поверхностей [72, 134]. Значительное влияние при проектировании ТП оказывает информация о заготовке получаемой детали. Выбор заготовки исходит из минимальных затрат себестоимости ее изготовления. Использование сложной заготовки (наиболее приближенной по конструктивным параметрам и точности к готовой детали) основа для экономии используемого материала и интенсификации технологических процессов

механообрабатывающей промышленности [125]. Для таких заготовок требуется наиболее дорогостоящий функциональный набор средств ее обработки: технологического оборудования, режущего инструмента, оснастки и контрольно -измерительного инструмента, поэтому с целью обеспечения эффективного производственного цикла изготовления деталей сложной конструктивной формы

важна эффективность принятия управленческих решений особенно в области разработки технологических процессов ее обработки, а именно использование современных подходов к разработке ТП для действующей производственной ситуации.

В эволюционном процессе развития промышленности сформированы следующие подходы к организации технологических процессов и их виды (рисунок 1.2) [3, 6, 21, 58, 92]:

- формирование ТП на основе разработки единичной технологии производства [89] применяется при разработке для определенной продукции одного типоразмера и исполнения, в соответствии с имеющимся оборудованием на производстве независимо от типа производства. Преимуществом при таком подходе выделяется возможность наиболее эффективной механической обработки поверхностей детали за счет учета производственных условий конкретной производственной системы. Недостатком же является значительные затраты времени, которые превышают время реализации самих технологических операций;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Решетникова Евгения Павловна, 2020 год

Таблица 1.1 - Обзор литературных источников

Автор Год выпуска и название источника Состояние вопроса исследования Преимущества Недостатки

Соколов Т.Н. 1939 г. «Электроавтоматическое копирование по шаблону и модели на металлообрабатывающих станках» Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Освещены вопросы автоматического копирования поверхностей деталей по шаблону на металлообрабатываю щих станках, в том числе копировальных. Разработана оригинальная система электропривода копировального фрезерного станка системы Келлера Не затронут вопрос контроля обрабатываемой поверхности

Соколов Т.Н., Дружинск ий И.А. 1949г. «Автоматическое копирование на металлорежущих Рассмотрены вопросы программирования обработки деталей на Положено начало развитию теории автоматического управления

станках» металлорежущих станках процессами обработки резанием на механообрабатываю щем оборудовании

Соколов Т.Н., Дружинск ий И.А. 1954г. «Автоматическое управление процессами копирования на металлорежущих станках» Предложена новая система электроавтоматическ ого копирования по шаблону на металлорежущих станках Развитие теории автоматического управления процессами обработки резанием на механообрабатываю щем оборудовании

Корсаков ВС. 1961 г. «Точность механической обработки» Отражен комплекс вопросов, связанных с точностью механической обработки; анализируется влияние различных технологических факторов на возникновение первичных погрешностей и приводится определение суммарной погрешности. Рассматриваются пути повышения точности обработки. Рассмотрен вопрос точности обработки деталей типа тел вращения Не освещен вопрос исследования точности обработки деталей со сложнопрофильны ми поверхностями

Дружинск ий И.А. 1965г. «Методы обработки сложных поверхностей на металлорежущих станках» Освещены вопросы обработки сложных поверхностей на металлообрабатываю щих станках, в том числе копировальных. Значительное место отведено анализу и кинематике образования сложных поверхностей, а также проектированию специального оборудования. Рассмотрены вопросы выбора метода обработки сложнопрофильных поверхностей, полно проработан аспект аналитического описания геметрической формы сложно технических деталей, рассмотрены методы контроля сложнопрофильных поверностей Вопросы выбора обрабатывающего оборудования, обработки и контроля деталей рассмотрены с возможностью применения копиров и станков с ручным управлением. Не затронут вопрос возможности автоматизации обработки и контроля деталей сложнопрофильны ми поверхностями.

Бобров АН, Перченок ЮГ. 1979г. «Автоматизирован ные фрезерные станки для обьемной обработки» Изложены особенности устройства и работы автоматизированных фрезерных станков, предназначенных для обработки сложных пространственных поверхностей, рассмотрены различные методы автоматической обработки, описаны принципы построения систем управления копировально-фрезерных станков и систем программного управления, освещены основные конструктивные решения этих станков. Исследован вопрос оборудования для механической обработки сложнопрофидьных поверхностей Неполно представлен вопрос анализа геометрии сложно технических поверхностей

Шарин Ю.С. 1983г. «Обработка на станках с ЧПУ» Отражены особенности механической обработки на станках с ЧПУ (полуавтоматический цикл, числовая форма представления управляющей информации, одноинструменталь-ная обработка, проектирование технологического процесса, выбор заготовок, выбор баз, назначение режимов резания). Приведены основные сведения о режущем инструменте (предъявляемые требования, применяемые материалы, геометрия режущих поверхностей, сменные Рассмотрен вопрос механической обработки на станках с ЧПУ деталей различной геометрической формы Не уделено внимание обработке сложно технических деталей требующих несколько переустановов во время механической обработки. Не рассмотрен вопрос по использованию CAD моделей при разработке программ ЧПУ

многогранные

пластины) и

размерной настройке

инструмента на

станке (точность

обработки, способы

настройки,

динамическая

настройка,

применяемые

приборы). Показаны

особенности

обработки на

токарных,

фрезерных,

сверлильных,

расточных и

многооперационных

станках.

1997г.

«Теория и

принципы создания

системы Разработаны теория и

планирования гибких принципы создания системы Рассмотрена проблема Не освещен

технологических планирования гибких планирования и вопрос исследования точности обработки деталей со сложнопрофильны ми поверхностями

Бочкарев П.Ю. процессов в условиях многономенклатур технологических процессов в условиях многономенклатур- разработки технологических процессов обработки

ных производственных ных производственных в многономенклатур-

систем систем ном производстве

механообработки» механообработки

Диссертация

доктора

технических наук

В работе изложены Развиваемый подход Теория

основные положения в теории формообразования

теории формообразования поверхностей при

формобразования поверхностей механической

поверхностей при деталей изложен с обработке

2001г. механической позиции решения основана на

«Формообразовани обработке деталей: задачи синтеза разработанном

Радзевич е поверхностей резанием (лезвийным наивыгоднейшего автором

СП. деталей. Основы и абразивным способа обработки дифференциально

теории» инструментом), поверхности детали -геометрическом

поверхностным на металлорежущем методе

пластическим дефор- станке, в том формообразова-

мированием и др. числе сложных ния поверхностей

Рассмотрены поверхностей при механической

вопросы геометрии деталей на обработке деталей

поверхностей деталей многокоординатных исходным

и инструментов, кинематики их относительного движения в процессе обработки.

станках с ЧПУ. Изложение ведется с позиций разработанного автором дифференциально-геометрического

метода формообразования поверхностей при

механической обработке деталей. Результаты исследований составляют основу математического обеспечения системы автоматизации программирования (САП или системы класса САМ -Computer-AidedMachining) обработки сложных поверхностей деталей на многокоординатных станках с ЧПУ.

является то, что обрабатываемая поверхность детали рассматривается как первичная, а применяемые для

ее обработки методы и средства (в том числе и применяемый инструмент) — как вторичные, что не в полной мере удовлетворяет современным условиям гибкого

производства с быстроменяющейся номенклатурой деталей.

Томилин С.А.

2005г. «Математическое моделирование процесса базирования заготовок крупногабаритных корпусных изделий на первой операции механической

обработки» Диссертация на соискание степени

кандидата технических наук

Работа посвящена решению научной проблемы в области технологии производства крупногабаритных изделий энергетического машиностроения, состоящей в разработке как теоретических положений, так и практических рекомендаций, позволяющих повысить точность геометрических форм крупногабаритных корпусных изделий посредством специального распределения

Рассмотрена проблема выбора способа базирования при разработки технологических процессов обработки деталей

Предлагаемый метод сбора точек контроля поверхностей заготовки, с целью

назначения технологических баз, при использовании которых будет

назначен минимальный припуск на обработку резанием требует

знание конкретных точек на поверхности

заготовки, полученных на предприятии-изготовителе данной заготовки,

припуска базированием при механической обработке резанием поверхностей их заготовок. что в современных условиях машиностроитель ных предприятий является не вполне рациональным способом.

Обобщая представленную информацию в таблице 1.1, сделан вывод о том, ведется интенсивная работа по вопросу обработки деталей со сложнопрофильными поверхностями, которой занимались многие великие ученые и продолжают их дело в настоящее время многие ученые, что говорит об актуальности данной задачи. Однако отсутствие значительного развития в области повышение качества принятия решений на этапе начального проектирования систем планирования ТПП, не позволяет создание автоматизированных систем технологической подготовки производства, отвечающих современным требованиям развития производства.

Также недостаточно исследована связь учета реальных размерных параметров поверхностей заготовки и эффективности разработки технологического процесса их обработке при ТПП деталей, особенно со сложнопрофильными поверхностями.

Анализ литературных данных, определяющих современный уровень исследования по теме научной работы показал, что тематика, охватывающая особенности технологической подготовки деталей со сложнопрофильными поверхностями и автоматизацией проектирования технологических процессов их обработки, актуальна, что подтверждают графики, представленные на рисунке 1.11. Это обусловлено с тенденцией перехода производства к многономенклатурному и повышению уровня качества поверхностей деталей, что отражает требования по сокращению габаритных и массовых характеристик изделий.

Рисунок 1.11 - Публикационная активность в области особенностей ТПП и механической обработки деталей со сложнопрофильными поверхностями

Стремительное развитие информационных технологий и все большее применение перспективных технологических и контрольно - измерительных средств для изготовления деталей и анализа их точности после обработки обусловило рост интереса к сокращению сроков технологической подготовки производства путем ее автоматизации.

Комплексная автоматизация производства является основным техническим направление развития промышленности. Цель автоматизации ускорение темпов производительности труда, улучшение качества продукции и повышение ее конкурентоспособности и сокращение сроков выпуска новой продукции [3, 42, 81 -82, 84, 87, 90, 104, 147].

Автоматизации способствует повсеместное распространение современных информационных технологий и тенденция проектирования

высокопроизводительного и высокоэффективного производства, имеющего возможность стремительного перехода на выпуск новой продукции при переналадке производства на другой тип продукции. В связи с этим актуальным и принципиально новым на сегодняшний день является создание системы, которая позволит, автоматизировано планировать производственный процесс на основе разработки альтернативных вариантов технологических процессов механообработки изготавливаемых изделий с последующим выбором из них оптимально соответствующего действующей производственной ситуации.

Разработка ТП для автоматизированного производственного процесса характеризуется особенностями:

-автоматизированные ТП включают как непосредственно механическую обработку деталей, так и другие виды обработки (давлением, термообработка, также транспортировка и складирование).

- проработка технологии обработки требует комплексного и детального подхода. Степень подробности технологических решений соответствует уровню подготовки управляющих программ для технологического оборудования.

- разрабатываемые технологические решения многовариантны.

- возрастает степень интеграции работ, осуществляемых технологическими подразделениями.

В своей работе «Автоматизация проектирования технологических процессов» [1] В. И. Аверченков и Ю. М. Казаков предлагают выделить три этапа развития автоматизации проектирования технологии.

Первый этап описывается нахождением решения задач конструкторско-технологического проектирования: создаются разнообразные формализованные языки анализа конструкции и технологии; находят решения задач анализа графического изображения чертежей и ввода их в ЭВМ, перевод чертежей в текстовое описание на алгоритмических языках; объемное моделирование деталей с помощью ЭВМ, вычисления их площадей и объемов; минимизации исходной геометрической информации.

Для второго этапа характерно нахождение решений групп задач проектирования. Программные комплексы позволяют создание объединенного ряда систем проектирования технологических процессов механической обработки и оснастки, посредством которых находится решение задач проектирования для отдельных типов деталей относительно простой конфигурации.

На третьем этапе решаются задачи по созданию автоматизированных систем проектирования технологий обработки. Системы такого рода являются комплексными; в них входят системы различного технологического назначения, обеспечивающие работу различных технологических служб.

Современные требования к сокращению сроков технологической подготовки требуют принципиально новые подходы к проектированию ТП.

Одним из подходов к созданию технологических процессов являющихся основой автоматизированной системы планирования технологических процессов является метод синтеза проектных решений, разработанный в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А. профессором П.Ю. Бочкаревым [19 - 21, 84 - 86]. Данный метод представляет сочетание с известными методиками создания технологических операций на базе типового, группового и модульного подходов и ведет к значительному сокращению времени проектирования операций и ТП в целом. Суть метода состоит в том, что автоматизация проектирования технологических операций должна осуществляться для определённой производственной системы и проектные решения должны основываться на реальных данных об ее состоянии. Созданные таким образом ТП обладают свойством гибкости за счёт наличия многовариантных решений задач проектирования, что в условиях многономенклатурного производства является неоспоримым преимуществом по сравнению с существующими системами автоматизированного проектирования ТП.

САПлТП [19, 21, 22, 81, 84, 89] представляет собой многоуровневую иерархическую систему, которая нацелена на учет особенностей обрабатываемой номенклатуры в производственной системе и реально складывающейся производственной ситуации.

Рисунок 1.12 - Система планирования многономенклатурных технологических процессов

Система планирования состоит из двух страт: реализации технологических процессов и проектирования технологических процессов. В качестве входной информации на страту «проектирование ТП» поступают данные об обрабатываемых деталях, технологических характеристиках и степени готовности производственной системы. На страте «реализации ТП» определяются показатели эффективности работы производственной системы, которые наряду с информацией об изменении производственных условий поступают в виде обратной связи на страту проектирования. При изменении производственной ситуации (отказе оборудования, выходе из строя инструмента или оснастки, изменении номенклатуры деталей), из ранее сформированного множества ТП выбираются варианты, соответствующие действующим производственным условиям.

В страту проектирования ТП включаются шесть эшелонов:

1) разработка принципиальной схемы обработки элементарных поверхностей деталей;

2) определение рационального объединения обработки элементарных поверхностей деталей в технологические операции;

3) выбор состава технологического оборудования;

4) выбор средств технологического оснащения;

5) определение рациональной структуры и оптимальных параметров технологических операций;

6) формирование управляющих переходов.

Страта реализации ТП содержит в себе три эшелона:

1) определение рациональных потоков деталей и заготовок на базе спроектированных ТП;

2) сбор и обработка данных, характеризующих технологическую надежность производственной системы;

3) анализ изменений в производственной ситуации и определение уровня корректировки ТП.

Преимущество САПлТП заключается в многовариантности, т.е при проектировании процесса изготовления деталей формируются несколько возможных вариантов ТП. Это позволяет быстро реагировать на изменение производственных условий и исключить потери времени на перепроектирование.

1.7 Выводы

1. Основной задачей совершенствования технологической подготовки для обработки деталей сложной формы является разработка подхода к технологической подготовке механообрабатывающих производств, базирующихся на оценке реальных размерных характеристик заготовки.

2. Существенным резервом повышения эффективности разработки технологических процессов механообработки деталей является взаимосвязь принятия технологических решений и учет реальных размерных характеристик заготовок деталей и состояния производственной системы.

3. Способом повышения точности измерения деталей со сложнопрофильными поверхностями являются применение современных перспективных контрольно-измерительных средств, способствующих повышению эффективности процесса измерения, а также обоснованный выбор технологических контрольно - измерительных средств и методики измерения при изготовлении деталей, способствующей повышению производительность производственной системы.

2 Разработка математических моделей комплекса контрольно -измерительных процедур в системе планирования многономенклатурных

технологических процессов

2.1 Разработка комплекса контрольно - измерительных процедур деталей со сложнопрофильными поверхностями

Задача повышения эффективности изготовления деталей со сложнопрофильными поверхностями одна из важных и актуальных на сегодняшний день. Для обеспечения высокого качества данной продукции требуется создание особого способа проектирования их производства. Современные информационные технологии позволяют предложить перспективный способ планирования сответствующего производства.

Разработка комплекса контрольно-измерительных процедур в автоматизированной системе проектирования технологических процессов механообработки является одним из подходов создания инновационного способа планирования производственного процесса деталей и качественным решением проблемы достижения заданной точности поверхностей деталей в условиях быстроменяющейся ситуации в рамках производственного процесса.

Отличительная особенность разработанного ККИП (рисунок 2.1) -взаимосвязь принятия технологических решений и учет реальных размерных характеристик заготовок деталей и состояния производственной системы, что является существенным резервом повышения эффективности разработки технологических процессов механической обработки деталей.

Для разработки ККИП необходимо решение ряда следующих задач:

- разработка методики измерения размерных параметров поверхностей и их взаимосвязей заготовок изготавливаемых деталей, как структурного элемента технологического процесса, для совершенствования его разработки в рамках САПлТП.

- формализация проектных процедур для формирования рационального комплекта контрольно - измерительных средств в рамках САПлТП.

разработка алгоритмического и программного обеспечения комплекса контрольно-измерительных процедур деталей со сложнопрофильными поверхностями в рамках САПлТП.

Рисунок 2.1 — Организационная последовательность комплекса контрольно-

измерительных процедур

Основное преимущество разработки технологического процесса деталей со сложнопрофильными поверхностями с помощью предлагаемого ККИП базируется на учете реальных размерных характеристик заготовок каждой из обрабатываемых деталей, а не усредненных требований к их конструктивным характеристикам, что способствует обеспечению заданной точности детали и сокращению себестоимости его изготовления [120].

Принятие эффективных технологических решений при разработке технологического процесса обработки деталей производственной системы

Процедура анализа действительных параметров поверхностей заготовки на проектном этапе позволяет осуществлять управляющее воздействие на разработку ТП обработки каждой уникальной единицы продукции, тем самым обеспечить составление рациональной структуры технологических операций и самого ТП для текущих условий производственного процесса.

Получение реальных размерных характеристик каждой из заготовок с целью разработки единичного технологического процесса в мелкосерийном производстве возможно как универсальными средствами измерения, так и автоматизированными, например, КИМ. Разрабатываемый ККИП предполагает в основном применение автоматизированных средств измерения [23, 31, 100], так как он в основе своей предназначен для деталей со сложнопрофильными поверхностями, измерение которых технически сложный и трудоемкий процесс. Следовательно, применение КИМ, являющимся современным перспективным средством способным решать различные технически сложные задачи контрольно-измерительных процедур, эффективно и целесообразно для деталей со сложнопрофильными поверхностями.

Использование КИМ для контрольно-измерительных процедур с помощью ККИП подразумевает создание 3Э-модели заготовки по имеющемуся ее чертежу. По разработанной 3Б-модели заготовки формируется программа для анализа реальных размерных параметров поверхностей заготовки, по результатам которой корректируется исходный чертеж заготовки и создается рабочий чертеж с действительными размерными параметрами поверхностей. По данному чертежу в САПлТП принимаются эффективные технологические решения: разрабатывается маршрут технологических операций, выбирается метод обработки поверхностей, определяются схемы базирования, и назначается комплект технологической оснастки и режущего инструмента для осуществления сформированной структуры технологических операций.

Смысловое раскрытие схемы ККИП в части установлении влияния результатов измерения конкретных поверхностей заготовок на особенности разработки ТП и учет данных результата измерения на отдельных этапах САПлТП представлено на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 — Влияние оценки реальных размерных характеристик заготовки на разработку технологического процесса ее обработки

Основополагающие работы по технологии машиностроения [43, 62, 72, 118 - 119, 140 - 143, 150] обозначают, что разработка технологического процесса механообработки основа для изготовления деталей, представляющая собой совокупность приемов и способов обработки заготовок орудиями производства с соответствующими технологическим особенностям в целях получения готовой продукции требуемой точности [148]. Рисунок 2.2 показывает, что реальные параметры поверхностей заготовок деталей, отклонения их геометрической формы и взаимное расположение оказывают влияние на разработку технологического процесса их обработки.

Полученное качество поверхностей и точность их взаимного расположения заготовок на заготовительных операциях определяют последовательность и структуры технологических операций их обработки. Так точность конкретного размерного параметра поверхности заготовки позволяет определить метод ее обработки. Величина припуска, полученная на заготовительных операциях, определяет последовательность переходов технологической операции, например, большая величина подлежащего резанию припуска требует дополнительных технологических переходов, т.е. увеличение маршрута технологических операций. Неточность размеров и отклонение от заданной геометрической формы у заготовок отрицательно сказываются на работоспособности зажимных устройств и установочных приспособлений, тем самым полученные реальные параметры поверхностей заготовок позволяют определить наиболее оптимальную схему базирования на технологическом оборудовании. Также полученные размерные характеристики поверхностей заготовок определяют формирование комплекта технологической оснастки и режущего инструмента, так как отклонения геометрических форм поверхностей вызывают нарушение заданных режимов резания, перегрузку и вибрации режущего инструмента и рабочих органов технологического оборудования и являются причиной поломки инструмента и приводят к браку.

Таким образом, реальные данные о размерных параметрах поверхностей заготовки позволяют разработать рациональный технологический процесс механической обработки детали для текущих условий производственной системы в САПлТП [20 - 21, 79, 120], обеспечивающий наиболее выгодную схему базирования каждой заготовки и эффективную последовательность операций ее технологической обработки на основе учета технологической наследственности и назначением целесообразной величины припуска поверхностей, а также обеспечивающий назначение рационального комплекта технологической оснастки и контрольно-измерительных средств.

2.2 Разработка методики анализа размерных параметров деталей со

сложнопрофильными поверхностями

Разработка методики координатного измерения осуществлена для анализа реальных размерных параметров поверхностей заготовок для разработки рационального ТП их обработки. Методика координатного измерения является структурным элементом разрабатываемого рационального ТП.

Измерение сложнопрофильных деталей достаточно трудоемкий процесс, требующий наиболее интеллектуальных средств измерений, таких как координатно - измерительные машины. Место координатно-измерительных машин в системе размерного контроля год от года возрастает [48, 51, 57, 136]. Причиной является универсальность и высокая производительность данных средств, которые позволяют в автоматическом режиме определять размерные характеристики и геометрические отклонения от заданных размеров и формы деталей подлежащих измерению.

В случае анализа размерных параметров поверхностей детали на КИМ методика измерения (МИ) включает в себя:

- определение рационального количества координатных точек поверхности заготовки для получения достоверного результата измерения ее размерных параметров.

- грамотное расположение координатных точек на поверхности заготовки. Определение рационального количества координатных точек

Сформированная методика измерения направлена на определение рационального количества собираемых точек на анализируемых поверхностях заготовки.

Сбор количества точек при процедуре измерения - потенциал для повышения точности и производительности не только процесса измерения, но и производительности производственного процесса в целом, поэтому собранное пользователем количество точек должно способствовать сокращению времени измерения и увеличению его производительности.

Оценка рационального количества точек Ырац для получения достоверного результата измерения необходимой размерной характеристики поверхности проведена с помощью применения теории вероятности.

Анализ размерного параметра поверхности заготовки (габаритные размеры, диаметральные и радиусные параметры поверхностей, взаимное расположение поверхностей и т.д.) возможно максимальным числом координатных точек на анализируемой поверхности (Жм), которое определяется зависимостью параметра заменяющего геометрического элемента поверхности (линия, плоскость, цилиндр, конус и т.д.) к величине шага измерительного наконечника КИМ (таблица 2.1).

^ , (2.1)

где Ым - максимальное количество точек поверхности; ^ - размерные характеристики, составляющие анализируемую поверхность, /=1,2...г, г - общее количество размерных характеристик; кИНт/„- минимальный шаг измерительного наконечника автоматизированного контрольно - измерительного средства. Например: - для окружности я-Б

N__ = -

kИН mm

где D - номинал размерного параметра измеряемой поверхности;

- для плоскости

N =-L-,

max 1 ?

kИН min

где S - площадь измеряемой поверхности;

- для поверхности сложной формы, заданной кривой уравнения y=f (x) на

отрезке [a;b]

b _

jyl 1 + (y ')2 dx

N„„ = ■

a

' max

k

kИН min

b

где JV1 + (y )2 dx - площадь измеряемой поверхности.

a

Измерение размерного параметра максимально возможным количеством координатных точек для анализируемой поверхности повышает достоверность контрольно - измерительной процедуры, но при этом возрастает трудоемкость и себестоимость контрольно - измерительной процедуры. Поэтому расчет рационального числа точек особо важная задача совершенствования технологических контрольно-измерительных процедур.

Расчет рационального числа координатных точек (ЫраЦ) при измерениях осуществлен методом статистических испытаний, позволяющим установить значение действительного размерного параметра поверхности с помощью количества точек анализируемой поверхности, определенным случайным образом.

Таблица 2.1 - Результаты вычисления максимально возможного количества точек для поверхности заданной размерной характеристики

Диаметр наконечника КИМ, мм 0,01

Размерный параметр поверхности (диаметр), мм 0 1 1,5 1,9 2 2,5 5 7 8,5 10 15 20

Количество точек, шт 0 100 150 190 200 250 500 700 850 1000 1500 2000

Рациональная величина определена в области значений (Яр; Ям), N -рекомендуемое количество точек КИМ (принято на основе положений теоретической метрологии, что каждую типовую поверхность можно представить минимально возможным числом точек [31]), N - максимально возможное количество точек анализируемой поверхности (рисунок 2.3).

Распределение величины количества координатных точек подчиняется закону нормального распределения, так как результирующая погрешность измерения представляет собой сумму большого числа погрешностей, влияние каждой из которых на результирующую погрешность имеет один порядок [97].

На основе теории вероятности [36] построена зависимость частости размерного параметра поверхности измеряемой заготовки детали от количества координатных точек, собираемых при его анализе, и определено их рациональное количество для обеспечения точности снимаемого размерного параметра

(рисунок 2.3). Величина рационального количества точек назначается с применением метода перебора [53], количество итераций которого ограничено (назначается в зависимости от требований связанных с надежностью изделия, в которое входит деталь и технико-экономической целесообразностью ее изготовления).

«,0 -

3,5

3.0 ^Хд

§ »-

Рисунок

Анализ рисунка 2.3 подтвердил, что количество координатных точек подчиняется закону нормального распределения. Значение хср характеризует положение центра группирования значений, а среднее квадратическое отклонение определяет интервал, в котором находится рациональная величина количества точек для анализируемого параметра, так как она является мерой рассеивания количества точек для достоверного определения размерного параметра поверхности заготовки заданной точности. Таким образом, можно утверждать, что значение величины рационального количества точек лежит в интервале (Ыр; Жм) и определяется минимальной границей о.

На основании данной гипотезы решена зависимость количества координатных точек с учётом того, что назначаемая их величина не выйдет за

Количество 1

2.3 - Определение рационального числа координатных точек поверхности

детали

границы принятой доверительной вероятности ад (ад - доверительный интервал оценки достоверности результата, принят 99,73% [14, 34].

Рекомендации по расположению координатных точек на поверхности заготовки

Методика координатных измерений включает в себя и рекомендации по назначению расположения координатных точек [67]. В настоящее время наиболее распространен и используем метод равномерного расположения координатных точек на измеряемых поверхностях. Равномерное расположение координатных точек достаточно корректно для элементарных поверхностей (плоскость, цилиндрическая, коническая), для сложнопрофильных поверхностей такое расположение контрольных точек повлечет наибольшее их сосредоточение в условиях экстремумов поверхности, что послужит причиной ошибочного снятия характеристики анализируемой поверхности.

Предложено решение задачи расположения конечного множества контрольных точек, а именно их рационального количества Ырац, с помощью комбинаторного анализа [56] на основе условия, что способы их расположения (к) считаются различными, если они состоят из одинакового количества точек (рационального Ырац, полученного ранее), но расположены в различном порядке (например, по спирали, квадрату, окружности, пересечением прямых и т.д.)

Из полученного числа выбирается способ расположения контрольных точек, соответствующий текущим условиям процедуры измерения (максимальное покрытие контрольными точками анализируемой поверхности), с наименьшими временными затратами на процедуру измерения

где p(NM) - замкнутый профиль анализируемой поверхности заготовки (аналитическая зависимость поверхности анализируемой заготовки); А - скорость сбора точек оператором автоматизированного СИ (А = const);

k = (N0- 1 ) ! ,

(2.2)

(2.3)

Хк - время анализа параметров поверхности при определенном способе расположения контрольных точек.

Далее выявленное расположение точек накладывается на анализируемую поверхность Пд(Ым, Я) (замкнутый цикл набора точек поверхности порядка к, проходящий через каждую вершину этой траектории один раз) с конкретными размерными характеристиками и находится способ расположения точек анализируемой поверхности при условии, что время перехода от одной точки к другой минимально, скорость перехода принята постоянной:

N N

рац рац

^ Nрац И № ^ Ш1П

'=1 3=1

£ = 1, V/ = 1, N0

Пз

=1

п

£ п' = 1, VI = 1, N0

3=1

П'3 6 (0,1)

[1, в цикле есть переход из ' в ]

(2.4)

3 10, перехода нет из ' в 3

где - искомый способ расположения точек анализируемой поверхности;

Я с Nрац х Nрац - множество ребер, соединяющих точки анализируемой

поверхности, которые и составляют замкнутый цикл обхода поверхности измерительным наконечником КИМ;

Nрац = {п1, п2, п3......, пк} - множество точек рационального их количества на

анализируемой поверхности;

Ху - время перехода от одной точки ребра цикла к другой.

Таким образом, определяется набор точек анализируемой поверхности, составляющий наиболее подходящее для текущих условий процедуры измерения их расположение. Нахождение рационального числа точек при координатных измерениях методом статистических испытаний [131] является приемлемым для обработки массива данных координатных точек полученных при измерении, так

<

как простая процедура вычислительного алгоритма позволяет разработать программу измерения, позволяющей с максимальной производительностью и снижением трудоемкости контрольно - измерительных процедур получать реальные размерные параметры поверхностей заготовок обрабатываемых деталей. Формирование геометрической модели заготовки

Геометрическая модель заготовки в представленной методике измерения служит для описания конструктивной формы анализируемой заготовки, рассматриваемой в виде совокупности точек пространства, и представлена в виде аналитического эквивалента геометрического образа каждой из ее поверхностей по совокупности измеренных точек [65, 146].

Рисунок 2.4 - Разработка геометрической модели заготовки Неизвестные параметры геометрической модели определяются на основе многопараметрической оптимизации функционала Ф, представляющего собой сумму квадратов невязок [117]

N

Ф = Е|Е и> (А, В, С, О) - п

I=1 V а=1

(2.5)

где щ - базисные функции поверхностей, h=1...w; w - общее количество базисных функций, A - группа параметров, описывающих номинальную геометрию поверхности; B - группа параметров, описывающих отклонения формы от номинальной геометрии поверхности; C - группа параметров, задающих положение заготовки в локальной системе координат; D - группа параметров, задающих координатные связи данной поверхности с другими

2

поверхностями на заготовке; т{ - радиус-векторы измеренных точек поверхности, ¡=1 ...Ым, Ым - максимально возможное количество точек профиля заготовки.

Для качественной оценки результатов анализа каждой из поверхностей конкретной заготовки учитывается, что совокупность их точек имеет направленность, отличающуюся от идеального профиля, описанного математически, что ведет к отклонению геометрической формы поверхности. Поэтому при создании геометрической модели на номинальную геометрию ее поверхностей накладываются отклонения формы, для математического описания которых применяются степенные ряды, тригонометрические ряды и кубические сплайны [117].

Предложены следующие способы расчета характеристик отклонения геометрической формы поверхности [44, 112 - 114].

1. Для контроля отклонения от круглости поверхностей заготовки предлагается эффективный численный метод. Его сущность заключается в минимизации ширины кольцевой зоны, представляющей собой зону двух окружностей соответственно описанной и вписанной в профиль заготовки в ее сечении. Вначале профиль заготовки описывается в полярной системе (ф, г) с варьируемыми координатами (х0, у0) центра относительно исходного центра 0. Затем находится отклонение от круглости А (ширина кольцевой зоны), которая минимизируется

А = (г,тах - г,тт} ^ шт, (2.6)

где Гутах, т>|ш - максимальное и минимальное значение радиусов профиля заготовки на у-м шаге варьирования координат центра (х0у, уо/), 7=1. п, п - общее количество шагов варьирования.

2. Контроль профиля продольного сечения заготовки представляет собой учет таких особенностей реального ее профиля, как конусообразность, седлообразность и бочкообразность. Для их описания предлагается использовать полиномы первой и второй степени, построенные по методу наименьших квадратов (МНК).

Уравнение полинома первой степени (прямой)

F = a1 + b1 • xt, (2.7)

Второй степени (парабола)

F = a2 + b2 • x + c • xf , (2.8)

где a1, b1, a2, b2, c - коэффициенты зависимостей (а1 - тангенс угла наклона прямой к оси заготовки, с характеризует вогнутость (с = -1), либо выпуклость (с = 1) профиля заготовки, их расчет выполняют на основе минимизации функций F1, F2 квадратичных невязок, согласно МНК, имеющих вид

NM 2 NM 2

Fl = Xa + bi • Хг - y] ^ min , F2 = + b2 • x + c • x2 - y ] ^ min, (2.9)

i=1 i=1

где x, yi - координаты i-й измеренной точки профиля заготовки в декартовой системе координат (x0y), координата x измеряется вдоль оси заготовки, а y -радиус (диаметр) профиля заготовки, i=1...NM, NM - максимально возможное количество точек профиля заготовки.

Расчетные коэффициенты не позволяют ответить на вопрос о характере профиля исследуемой заготовки, поэтому важен количественный анализ указанных коэффициентов на основе их сравнения. Так как, если воспользоваться величиной невязки, у параболы в основном будет меньшее значение по сравнению с прямой, хотя при этом величина конусообразности может в разы превышать величину бочкообразности и седлообразности. Количественная оценка параметров

• конусообразность (А1)

Д1 = a^L, (2.10)

где L - габаритная характеристика заготовки (длина);

• бочкообразность или седлообразность (А2)

Д = max{y+i -y}• sin(arctgai), (2.11)

где i=1...NM, где NM - максимально возможное количество точек профиля заготовки. Сравнение значений А1 и А2 совместно со знаком коэффициента с позволяет выявить вид частного отклонения профиля заготовки и количественно его оценить.

2.3 Группирование деталей производственной системы механообрабатывающих производств с позиции измерения

Одной из важных задач является обеспечение требований к точности размеров, формы и расположения поверхностей деталей при обработке деталей. При анализе существующих методик измерения деталей со сложными поверхностями [24, 41, 49, 135] была выявлена необходимость формирования классификации поверхностей производственной системы

механообрабатывающего производства для увеличения производительности измерений геометрических параметров поверхностей заготовок с целью получения значений их реальных размерных параметров.

С целью повышения эффективности обработки результатов измерения и производительности труда при минимизации материальных средств на производство деталей решена задача группирования их поверхностей и самих деталей производственной системы с позиций общности и возможности технологического измерения. Для этого применен аппарат кластерного анализа [46], его использование обусловлено тем, что кластерный анализ - один из методов многомерного анализа, предназначенный для группировки (кластеризации) совокупности элементов, которые характеризуются многими факторами, и получения однородных групп (кластеров). Задача кластерного анализа состоит в представлении исходной информации об элементах в сжатом виде без ее существенной потери.

Предложенный способ группирования поверхностей деталей рассматриваемой производственной системы осуществлен с позиции сложности их измерения [118 - 119]. Суть способа группирования состоит в описании анализируемых поверхностей с помощью 46 классификационных признаков, характеризующих поверхности заготовки с позиций их функционального назначения и возможности измерения различными типами СИ, это такие признаки как: вид поверхности, нахождение поверхности на заготовке (наружная, внутренняя), наличие периодических элементов, требования по точности,

габаритные размеры, их возможное сочетание на заготовке (общее число поверхностей, число измеряемых поверхностей, измеряемые размерные характеристики, отклонения формы и расположения поверхностей и т.д.), минимальное число точек при измерении автоматизированными СИ для идентификации.

Процедура кластеризации проведена методом Варда [26, 46], который направлен на объединение близко расположенных кластеров (объединение поверхностей заготовок в группы)

п п

®и = ' '+1 • ^ ^ тах, (2.12)

П + П+1 ' '+1

где I и J -группы поверхностей, полученные при кластерном анализе; щ -

поверхности анализируемых заготовок (элементы группирования), /=1,2.....и, и -

общее количество анализируемых поверхностей; - Евклидово расстояние

(используется при кластерном анализе в качестве меры близости), дает представление о близости вариантов в пространстве признаков

=

1 2

1 •! (^,П' - ^„ )2 , (2.13)

к=1

где Ъ - общее число анализируемых признаков поверхностей; гкуЫ -соответственно значения к признака для щ и щ элемента, к=1....2.

По итогам процедуры кластерного анализа сформирована дендрограмма с помощью программного пакета для статистического анализа [16] (рисунок 2.5 (а)), по которой можно сделать заключение, что наиболее рациональным разбиением на кластеры является классификация на уровне V =6, где формируются 2 группы поверхностей (рисунок 2.6 (а)) с позиции сложности измерения: простые и сложные, в которых в свою очередь выделены следующие: элементарные поверхности (цилиндрические, конические, плоскость, сферические);

- фасонные поверхности в виде тел вращения;

- фасонные поверхности плоские;

- поверхности с периодическим профилем (винтовые, шлицевые, зубчатые);

- поверхности, описываемые сложной функцией и выполняющие специальное функциональное назначение (поверхности с аэродинамическими свойствами).

а)

Рисунок 2.5

б)

- Способ группирования конструктивных элементов заготовки (а) и самих заготовок (б) с помощью аппарата кластерного анализа

V

V

г ■

£

1« 12 10 8 6

1

ч 1

1

ч 1

Л ч.

\

1 ||Ш ■

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Расстояние между кластерами

а)

б)

Рисунок 2.6 - Зависимость количества кластеров от расстояния между ними: а) для поверхностей заготовок, б) для самих заготовок

Выделение групп поверхностей способствовало группированию самих заготовок с данными поверхностями. Данная процедура проведена также с применением кластерного анализа, основным критерием которой послужила степень сложности измерения (рисунок 2.5 и 2.6 (б)).

Количественная оценка коэффициента сложности измерения поверхностей заготовок произведена на основе зависимости

I к

к=1 -

IV (2.14)

Я 9=1

где К - суммарное значение показателя процесса измерения анализируемых поверхностей детали, /=1....к, к - общее количество коэффициентов (рассчитывается по таблице 2.2);

- возможное средство измерения, которое можно использовать для анализа каждого параметра поверхностей q-ой детали q=1...Q, Q - количество деталей в партии).

Таблица 2.2 - Расчет показателей измерения поверхностей заготовки

Наименование Формула Примечание

1 Коэффициент трудоемкости контрольно- измерительной процедуры Т тг _ ким тр гр У где Тким и Ту- соответственно трудоемкость измерения достигнутая с помощью КИМ и с помощью универсальных средств измерения

2 Коэффициент себестоимости контрольно- измерительной процедуры С ТГ ким Ккс — г Су где Ским и Су- соответственно себестоимость измерения с помощью КИМ и с помощью универсальных средств

3 Коэффициент унификации элементов ТТ О-уэ. Куэ — 0, где Qу.э. - число унифицированных конструктивных элементов поверхностей -резьбы, отверстия, галтели, фаски; Qэ - общее число конструктивных элементов поверхностей в изделии.

4 Коэффициент точности контрольно-измерительной процедуры КТ - 1 - А Аср где Аср - средний квалитет поверхности контрольно-измерительной процедуры; А -квалитет точности обработки; П - число размеров соответствующего квалитета. У А х пг 1х щ + 2 х щ + ... +19 х и19 ср У щ Щ + Щ + ... + п19

5 Коэффициент применения автоматизированных СИ ТГ _ 0аСИ КаСИ — р. где Оаси - число применяемого автоматизированного СИ; 0СИ - общее количество применяемых СИ

у К — К + К + К + Кт + К г„ / у г тр кс у.э Т аСИ

Расчет и анализ коэффициента сложности с позиции измерения позволяет

создание методики группирования деталей сложной геометрии в

производственной системе с перспективой использования на машиностроительных предприятиях. Это позволит уменьшить затраты на

измерения деталей с обеспечением требуемого качества измерения, что способствует увеличению производительности труда.

2.4 Формализация проектных процедур для формирования рационального комплекта контрольно - измерительных средств в рамках системы планирования многономенклатурных технологических процессов

Эффективному использованию временных ресурсов производственной системы способствует целесообразное использование контрольно-измерительных средств при реализации ТП механической обработки детали, поэтому важна задача назначения рационального комплекта контрольно-измерительных средств в производственной системе при реализации контрольно - измерительных процедур технологических процессов.

Предлагаемая автоматизированная подсистема назначения рационального комплекта СИ является частью системы САПлТП, и подсистема берет необходимую информацию о моделях разработанных и используемых технологических процессов обработки деталей в производственной системы с предыдущих этапов [115].

При проектировании комплекта контрольно - измерительных средств производственной системы важен учет неопределенности входной информации (стохастической), зависящей от складывающейся производственной ситуации, а именно информация о конструкторско - технологических характеристиках обрабатываемых объектов производства, номенклатуре работоспособного и находящегося в простое контрольно - измерительного инструмента, отвечающего требованиям точности контрольно - измерительных процедур конкретной детали, это обуславливает случайный характер изменения производственной ситуации.

Процесс решения задачи назначения рационального комплекта СИ разделен на три этапа:

-на первом генерируется множество всех возможных вариантов СИ в комплекты;

- на втором производится отсев нерациональных вариантов СИ в комплектах из сформированного множества;

-на третьем - выбор рационального комплекта для реализации контрольных операций в соответствии с действующими производственными условиями.

Рисунок 2.7 — Формализация выбора контрольно-измерительных средств для оценки размерных характеристик деталей со сложнопрофильными поверхностями

Генерация множества возможных вариантов СИ в набор для проектируемой производственной системы осуществлена посредством аппарата теории множеств [5]. Исходными данными для генерации служат:

1) множество возможных сочетаний поверхностей для контрольно — измерительных процедур из базы данных САПлТП;

2) множество вариантов СИ, имеющихся в производственной системе, на основе базы данных САПлТП.

Множество комплектов К всех возможных вариантов СИ формируется с учетом сложившейся производственной ситуации, при условии соответствия множества размерных свойств поверхностей деталей {Пд}, технических

характеристик СИ {мг} и вариантов СИ {уг}, реализующих контрольно -измерительные процедуры

К={П (2.15)

где м2, ... , Км2, ... му), Кп(м}, м2, ... мп) - отдельные комплекты, с

собственным набором СИ; му, - соответственно технические свойства СИ, входящих в комплект, ¡=1...ы, и - общее количество свойств комплекта Кьу=1...q, q - общее количество свойств комплекта Ку, п=1...г, г - общее количество свойств комплекта Кп.

Область их пересечения является областью возможных решений и

представляется множеством К(К, Ку,.....Кп) (рисунок 2.8), т.е. выбирается

множество комплектов (К), набор СИ которых наиболее удовлетворяет требованиям контроля (соответствие функциональных возможностей и технических характеристик СИ контролируемой поверхности (тип поверхности, размеры поверхности, требуемая точность контроля и т.д.).

Информация о технологической операции

ТО /

Рисунок 2.8 - Генерация множества вариантов СИ производственной системы

Процедура генерации СИ в комплекты построена на положении, что каждый СИ из множества К обладает определенными свойствами удовлетворяющими требованиям контрольно - измерительной процедуры, либо не обладает им м/ [56]

К ,j W2 . . . w2j >n) = К — К J, n(w1; w2 ,. . . Wj,j >n). (2.16)

Процедура не включения СИ в комплект, проведена для СИ, чей набор технических характеристик [w,] не соответствует параметрам поверхностей анализируемой детали

Ki(w[, w2 ... w-) = К - K(w±) - K(w2)-----K(w{) + K(wlt w2) +

+К (w1 , w3) H-----1- К ( w1,wj) H-----1- К (wj _ 1,Wj) — К ( w1,w2 , w3)--------(2.17)

- К (Wj _2,Wj _ 1,Wj) + • • • + (—1 ) 1К(W1,W2,. . ■, Wj),

где знак «+» - если число учитываемых свойств четно, «-» - если нечетно. Также получено для комплектов Kj(wj, w2, ... wj) и Kn(w1, w2, ... wn):

^■(wi, w2 . . . wj) = К — К (w1 ) — К (w2)-----К( wj) + К (w1 , w2) +

+К (w1 , W3) H-----H ^W^ Wj) +----H ^Wj _ 1 , Wj) — К (w1 , w2, w3) — • • • (2.18)

—К( Wj_ 2, Wj_ 1, Wj) + • • •+ ( — 1 ) ;К(Wi,W2, . ■ ■, Wj)

Кп(\л/[, и/2 ...<) = К — К(ш±) - К(и?2)-----К(и/п) + ш2) +

+К(и^ , и/3) Н-----1- К( и^, и/;) Н-----1- К(и/п _ и/п) — К(и^, и/2, и/3 )---- (2.19)

+ •••+ (-1)П/С(ш1,ш2, ...,И/П) На втором этапе из сформированного множества комплектов (К) производится отсев вариантов СИ по критерию однородности, который обеспечивает требование взаимозаменяемости СИ при контрольно — измерительной процедуре. В соответствии с критерием однородности [18, 53] выбраны типоразмеры СИ, каждый из которых может применяться на как можно большем количестве различных операций контроля

u ,q, z

Z k,jn (W1> W2'- W,jn ) * 0

•j ,n=\ u,q, z

Z k, j W W2 ' Wi, j „ ) ^ mm

(2.20)

i ,j ,n=1

и, д, г

где X К у,» (^1 =

М ,п=1

^ ,й) * 0 _

условие не менее одного инструмента должно

быть в комплекте и использоваться для измерения параметров поверхностей деталей, к (м1, м2, ... м), ку (м1, м2, ... му), кп (м1, м2, ... м)- отдельные СИ, входящие в каждый из множества комплектов К(К, К, Кп) с собственным набором СИ; му, мп - соответственно технические свойства СИ, входящих в комплект, /=1... и, и - общее количество свойств комплекта К (к1, к2, ... к),у=1... q - общее количество свойств комплекта Ку(к1, к2, ... к), п=1...г, г - общее количество свойств комплекта Кп (к1, к2, ... кп).

Для оставшихся после процедуры отсева вариантов СИ выполняется процедура формирования рационального комплекта СИ (рисунок 2.9) в соответствии с производственной ситуацией.

Рисунок 2.9 — Формирование комплекта контрольно - измерительных средств

производственной системы

Для формализации третьего этапа применяется генетический алгоритм [32, 46, 160]. Применение генетических методов для решения комбинаторных задач

оптимизации полезно при необходимости большого объема вычислительных затрат, так как генетический алгоритм позволяет выбрать решение за меньшее время, чем другие известные детерминированные или эвристические алгоритмы поисковой оптимизации.

Каждый из сформировавшихся комплектов К"(К"и K'j,.....K"n) набор СИ

K"(k1,.,kz) с технико - экономическими характеристиками, и из них выбраны те варианты, которые образуют рациональный комплект СИ таким образом, что суммарное время контроля с помощью выбранных СИ минимально:

Tk = Z ^min

P(K") = Zkm ■ wk ^max

m=1

z

Z km ■ h < Tk

m=1

km е{0,1}, m = liz

(2.21)

[1, если СИ входит в комплект : < , т [0, если СИ не входит в комплект'

где Р(К") - рациональный комплект СИ для текущей производственной ситуации; кт - каждый отдельный СИ, входящий в каждый из оставшихся после процедуры отсева вариантов комплектов, т=1, 2..г, г - общее количество СИ на данной контрольно - измерительной процедуре; {мк} - технические характеристики СИ; Хк - время работы отдельным СИ.

Если требуемый результат не достигнут, то на основе сформированных ранее вариантов комплектов СИ образуется новое множество (поколение). Это множество снова проходит отбор по указанным выше критериям и если результат не достигнут, так повторяется циклически. Количество итераций ограничено временем работы алгоритма. По окончании работы алгоритма образуется множество СИ, отвечающее заданным критериям, которое и составляет рациональный комплект СИ для реализации контрольно - измерительных процедур.

V

2.5 Выводы

1. Обоснована необходимость создания комплекса контрольно -измерительных процедур деталей со сложнопрофильными поверхностями в системе планирования многономенклатурных технологических процессов.

2. Развита методика разработки технологических процессов механообработки деталей на основе разработанного ККИП путем принятия эффективных технологических решений при разработке ТП обработки в соответствии с учетом реальных размерных характеристик поверхностей заготовок.

3. Разработана методика измерения деталей со сложнопрофильными поверхностями, на основе назначения рационального числа координатных точек измеряемых поверхностей и их расположения, как часть технологического процесса обработки каждой из деталей, способствующая сокращению временных затрат действующей производственной системы.

4. Формализована процедура формирования рациональных комплектов контрольно — измерительных средств производственной системы для осуществления контрольно - измерительных процедур при реализации технологических процессов изготовления номенклатуры деталей, обеспечивающая заданную точность и повышение эффективности производства.

3 Разработка алгоритмов и программного обеспечения комплекса

контрольно - измерительных процедур в системе планирования многономеклатурных технологических процессов

3.1 Разработка алгоритмов для реализации методики координатного измерения деталей со сложнопрофильными

поверхностями