Структурный синтез технических решений

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

КУРГАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра автоматизации производственных процессов

Курсовая работа

Тема: “Структурный синтез технических решений”

Дисциплина: Автоматизация производственных процессов

Курган 2014 г

АННОТАЦИЯ

Данный курсовой проект посвящен синтезу решений при создании автоматизированных объектов. В проекте приведены основные сведения систематизации решения творческих задач. Даны характеристики наиболее эффективного метода активизации поиска решений. Изложены принципы декомпозиции задач создания новых объектов и методика структурного синтеза оптимальных (по Парето) решений в виде множества характеристик, формирующих концепцию строения объекта. Рассмотрены особенного параметрического синтеза объектов. Приведена декомпозиционная схема и результаты синтеза решений задачи создания автоматической линии обработки деталей типа «серьга».

Пояснительная записка содержит 20 листов машинописного текста. Графическая часть составляет 3 листа А1.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. НАЗНАЧЕНИЕ ОБЪЕКТА

2. АНАЛИЗ ОБЪЕКТА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

2.1 Системный подход и общая схема системного проектирования

2.2 Декомпозиционный анализ задачи создания объекта

3. СИНТЕЗ СТРУКТУРНО-КОМПОНОВОЧНЫХ РЕШЕНИЙ ОБЪЕКТА

3.1 Выбор целевых условий

3.2 Выбор условий ограничения

3.3 Формирование оптимальной по Парето структуры объекта

4.РАЗРАБОТКА КОМПОНОВКИ ОБЪЕКТА

4.1 Формирование основных параметров объекта

4.2 Расчет производительности автоматической линии обработки деталей типа «серьга»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЯ

системный автоматический синтез

ВВЕДЕНИЕ

Автоматизация производственных процессов с каждым годом углубляется и расширяется в народном хозяйстве, и в частности в машиностроении. Современные механообрабатывающие цеха уже немыслимы без автоматических линий, установок, станков с ЧПУ, роботов и другого автоматизированного оборудования- все это значительно облегчило труд рабочих, снизило показатели травматизма на рабочем месте и т.д.

В данном курсовом проекте ставиться задача с помощью методов декомпозиционного анализа и синтеза разработать компоновку автоматической линии механической обработки детали типа «серьга».

Целевой функцией создания автоматической линии обработки деталей типа «серьга» являются комплексные операции одного передела при многооперационной работе вращающимся инструментом и протяжкой в нескольких позициях и перемещении заготовок шаговым транспортером.

1.НАЗНАЧЕНИЕ ОБЪЕКТА

Автоматическая линия по обработке скобы соединения траков 1Л294 представляет собой совокупность станков и механизмов, установленных в порядке последовательности выполняемых операций. Общий вид линии приведен на листах 2 и 3 графической части курсовой работы.

Для получения автоматического цикла все станки и механизмы линии объединены:

1).автоматически действующими транспортными устройствами;

2).единой системой гидропривода;

3).общей электрической схемой управления;

4).центральной системой смазки;

5).системой охлаждения.

Данная линия предназначена для обработки детали типа «Серьга 765 - 35 -20». Эта деталь представляет собой специализированную скобу, которая применяется для соединения двух траков. То есть, после того как пальцы траков прошли всю необходимую механическую и термообработку их подвергают прорезиниванию. Затем они поступают на линию запрессовки пальцев в траки, после чего необходимо соединить траки. Именно для этого и служит «серьга».

На линии производится сверление, зенкерование и протягивание отверстий 25, черновое и чистовое фрезерование паза, сверление отверстия 15, цекование 28 и снятие фасок и заусенцев. Линия является однопоточной, состоящей из 9 станков, загрузочного устройства, транспортера деталей, транспортера стружки.

В данной курсовой работе предстоит разбить линию на два участка, поставив при этом между ними накопитель типа - перекладчик тупиковый, а также обеспечить протягивание одновременно двух деталей на одном протяжном станке, спроектировав новое загрузочное устройство, которое позволит загружать в протяжной станок по две детали одновременно.

2. АНАЛИЗ ОБЪЕКТА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

2.1 Системный подход и общая схема системного проектирования

Решение сложных творческих задач при создании новых объектов, технологий, а также проектов, реализуемых в нетехнической сфере, базируется на итеративных последовательностях процедур анализа и синтеза.

Итеративный процесс “анализ - синтез” формирует создаваемый объект базируясь на философских диалектических категориях “часть и целое”, характеризующих общее движение познания, которое начинается с нерасчлененного представления о целом, затем переходит к анализу - расчленению целого на части и завершается воспроизведением (синтезом) объекта в форме конкретного целого.

При такой постановке решение проблемы создания нового объекта целесообразно представить в виде трех взаимосвязанных этапов.

Этап 1. Формирование общего желаемого (видимого) представления о создаваемом объекте, о его потребности (функции); структуризация проблемы создания объекта.

Этап 2. Декомпозиция (анализ) задачи создания объекта - разделение её на части, образуемые относительно независимыми признаками (свойствами) объекта, с указанием множеств альтернатив реализации этих признаков.

Этап 3. Синтез решений как “свертка” поискового пространства, образованного декомпозиционной схемой задачи создания объекта, полученной на этапе.

2.2 Декомпозиционный анализ задачи создания объекта

Потребности и цели создания объекта, структуризация целей и предполагаемых задач, решение которых ведет к достижению этих целей, формирует общее представление об объекте. Анализ объекта на втором этапе осуществляется путем декомпозиции поставленных задач в пространстве, в основном, неметрических структурных характеристик, обусловленных требованиями к объекту. Результатом такого анализа является декомпозиционная схема, при построении которой исходят из следующих двух положений:

Во-первых, декомпозиция осуществляется неформально и на первом уровне разбиения задачи, исходя из назначения и потребности объекта, определяются основные направления, формирующих концепцию его строения в виде множества структурных характеристик Х , образующих n блоков 1-го уровня декомпозиции.

Во-вторых, для каждой области (свойства) Х первого уровня на втором уровне декомпозиции формируются множества альтернатив Х Х, выбираемым на основе анализа известных решений.

Построенная на основе принципов и правил декомпозиции, любая декомпозиционная схема является n - мерным поисковым пространством Rn={ Х }, в котором каждое решение представлено вектором xRn, являющимся множеством из набора альтернатив Х вида:

X = { Х1, … , Хi , … , Хn }.

Геометрической интерпретацией Rn является его развертка на плоскость, состоящая из матричных блоков, образованных пересечением всех блоков 1-го уровня декомпозиции и альтернатив, образующих клетки матриц

RB = n ( n-1 ) /2.

Развертка n - мерного поискового пространства для задачи проектировании автоматической линии обработки «серьги» представлена на листе 1 графической части.

Общее количество вариантов структуры N определяется:

N = m1 m 2 … m n,

где m1 - количество альтернатив реализации первого признака.

Таблица 1

Декомпозиционная схема анализа задачи формирования структуры

автоматической линии обработки детали типа «серьга»

Х	1-й уровень декомпозиции	Х	2-й уровень декомпозиции
Х1	Объекты обработки	Х11 Х12 Х13 Х14	Детали тела вращения Детали и сб.единицы с элементами тел вращения на нескольких сторонах Детали и сб.единицы не тела вращения Получение сборочных единиц
Х2	Комплексность технологии	Х21 Х22 Х23	Операции различных переделов Комплексные операции одного передела Операции одного вида обработки в одном переделе
Х3	Одновременно Изготавливается изделий	Х31 Х32 Х33	Одна или несколько деталей Несколько однодетальных изделий Одна или несколько многодетальных изделий
Х4	Технологические возможности оборудования	Х41 Х42 Х43 Х44 Х45 Х46	Однооперационная работа Многооперационная вращающимся инструментом в одной позиции Многооперационная вращающимся инструментом и протяжкой в нескольких позициях Многооперационная вращающихся деталей Многооперационная вращающихся изделий Многопозиционная сборка, сварка и т.п.
Х5	Способ транспортирования изделий	Х51 Х52 Х53 Х54	Без спутника В приспособлении-спутнике на одноместном поддоне На полке движущегося конвейера На многоместном поддоне
Х6	Вид транспортера	Х61 Х62 Х63 Х64	Шаговый транспортер Транспортная тележка с адресованием Непрерывно движущийся конвейер Гравитационный транспортер
Х7	Вид склада -накопителя	Х71 Х72 Х73 Х74	Отсутствует Перекладчик тупиковый В виде лотков, стеллажей Стационарный многоярусный склад
Х8	Загрузочно-разгрузочные устройства	Х81 Х82 Х83 Х84	Отсутствуют Встроенные в оборудование механизмы питания Стационарные роботы-манипуляторы Манипуляторы работающие с движущимися объектами
Х9	Способ перенастройки оборудования	Х91 Х92 Х93 Х94	Перенастройка вручную Автоматическая по программе, с остановом оборудования Автоматическая на отдельных позициях без останова линии Автоматическая на отдельных позициях с остановом линии
Х10	Управление линией	Х101 Х102 Х103	Автоматическое децентрализованное Автоматическое централизованное Комбинированное, посредством многоуров
			невой АСУ
Х11	Охранные мероприятия	Х111 Х112 Х113	Без охранных средств Несанкционированный доступ к отдельным компонентам линии исключен Несанкционированный доступ к линии исключен

3. СИНТЕЗ СТРУКТУРНО-КОМПОНОВОЧНЫХ РЕШЕНИЙ ОБЪЕКТА

Заключительный третий этап выбора и принятия решения после проведения системного анализа создания нового объекта путем её декомпозиции существенно облегчается, но остается ещё непростым из-за большого числа комбинаций N, являющихся вариантами искомого решения. Задача синтеза состоит в том, чтобы в каждом из n - блоков первого уровня Х декомпозиционной схемы выбрать по одной альтернативе Х , подбор которых должен сформировать “наилучший” вариант.

Простейшим при выборе наиболее эффективного решения является традиционный способ, используемый при обработке морфологических таблиц и предусматривающий последовательное сокращение (свертку) множества вариантов путем отбрасывания наименее перспективных, нереализуемых, наиболее дорогих и других, кажущихся неэффективными, альтернатив. Однако этот способ при увеличении количества признаков и реализующих их альтернатив соответственно до n > 5 m > 2 становиться весма трудоемким, а выбранное решение, в значительной мере, - субъективным. Проблема состоит не только в выборе лучших альтернатив в отдельных блоках, но и в наилучшей их совместимости друг с другом.

3.1 Выбор целевых условий

Далее будет использован метод двухступенчатого ранжирования с присвоением оценок и при необходимости расчетом “весов” для выбираемых элементов, многократно апробированный при создании новых сложных объектов на уровне изобретений.

Предложенный метод предусматривает на первой ступени упорядочения выделение из n - блоков Х декомпозиционной схемы S - блоков, содержащих на уровне альтернатив Х наиболее важные характеристики, которые могут быть отражены в задании на создание объекта. Такие блоки Х обычно в количестве S = 2…4 несут S - целевых условий ( по одному условию для каждого блока), представленных альтернативами, реализующими эти блоки.

Тогда остальные g - блоков (g = n -s ) будут содержать на уровне альтернатив локальные решения типа условий - ограничения, а множество формирующее вариант синтезируемого решения X, составят два подмножества ХS и ХG

X = { XS, XG }, x Rn (1)

Набор условий XS, выбираемых на второй ступени упорядочения, определяет некоторую S - мерную цель синтеза:

XS = { XSi }, i = 1…S; = 1… m (2)

Выбранные локальные целевые условия XSi, как правило, неодинаково влияют на эффективность синтезируемого решения и поэтому должны быть ранжированы по их значимости и оценены с помощью некоторого параметра i, т.е.:

1 2 … S (3)

Значение оценочных параметров i устанавливается с соблюдением дополнительного условия, в качестве которого удобно использовать соотношение

1 + 2 + …+ S = 1 (4)

Для нашего проекта набор целевых условий это:

- Комплексные операции одного передела XS1 = X14: 1 = 0,3.

- Многооперационная работа вращающимся инст-

рументом в нескольких позициях XS2 = X31: 2 = 0,4.

- Шаговый транспортер XS3 = X164: 3 = 0,3.

Далее в соответствии с выражением (4) проверяем:

0,3 + 0,4 +0,3 = 1.

В итоге трехмерная цель синтеза:

XS = { X22, X43 , X61 } (5)

3.2 Выбор условий ограничения

Любой объект, процесс или проект нетехнической сферы деятельности человека характеризуется структурой и параметрами. Начальное представление о строении объекта несет его структура. С её формирования как облика проекта и начинается синтез. Проведя декомпозицию и выбрав в полученном поисковом пространстве Rn некоторую S - мерную цель, необходимо решить вторую часть задачи синтеза - сформировать g - мерное “решение - ограничение”.

На основе метода ранжирования определяем условия ограничения:

XG* = { XGj}, j = 1,…, g = n - s (6),

где XGj - альтернатива, реализующая j-й блок декомпозиционной схемы и удовлетворяющая всем S целевым условиям множества XS = { XSi }.

Если при выборе целевых условий XSi можно было использовать исходные данные, то при выборе условий ограничения XGj такие возможности уменьшились.

Оптимизация неформальных решений при нескольких целях традиционными методами неосуществима. В этом случае в качестве оптимизационного подхода целесообразно формировать паретовское множество альтернатив.

Итак, эффективное решение - ограничение XG*, в отличие от XG (6) определяется паретовским множеством наиболее предпочтительных альтернатив при “мягкой” конкуренции всех ранее выбранных целевых условий XGj. Для решения этой задачи предлагаются следующие шаги:

Каждой альтернативе XGj в блоках XGj по каждому условию XSi присваивается оценка iGj , например, по трехступенчатой шкале в виде кодов (оценок): “ лучшая альтернатива ( решение )” - код 1, “ альтернативы в блоке по отношению к данной локальной цели равнозначные” - код 2, “ в блоке есть лучшая альтернатива ” - код 3.

Каждой оценке в соответствие с её кодом присваивается численное значение по правилу:

Код Значение iGj

iGj = i,

iGj = i / m,

iGj = 0,

где mi - количество альтернатив Gj в блоке iGj.

В каждом блоке XGj выбираются оценки iGj с наилучшими численными значениями и соответствующие им альтернативы XGj по принципу:

max iGj XG1, …, max iGj XGg (8)

1,…,S 1,…,S

Формируется в виде множества X* эффективное решение - наилучший вариант.

Таблица 2

Результаты выбора решений-ограничений XGj целевыми условиями XSi

XSi	XGj
X22 X43 X61	X102 X12, X51 , X82, X112 X31, X72, X94 ,

Для нашего варианта условия ограничения:

XQ* = { X12, X31, X51, X72, X82, X94, X102, X112 }.

3.3 Формирование оптимальной по Парето структуры объекта

Согласно этому подходу альтернатива считается оптимальной по Парето, если всякая другая альтернатива, являющаяся более предпочтительной для одних целей, в то же время будет менее предпочтительна для остальных целей. Принцип оптимальности по Парето далее утверждает, что никогда не следует выбирать альтернативу, которая не является Парето - оптимальной. Лишь при таком (паретовском) выборе можно увеличить степень удовлетворения некоторых целей, не ущемляя при этом других целей. Таким образом, альтернатива паретовского множества обладает тем свойством, что дальнейшее увеличение степени предпочтения для достижения одних целевых условий возможно только за счет других. Проблема состоит в том чтобы выбрать наилучшие паретовские альтернативы во всех блоках g = n - S. И эта проблема всегда достаточна серьезна, однако сам подход ведущий к общему выигрышу, уже является практически важным достижением в решении противоречивых интересов в любой сложной ситуации. К тому же можно утверждать, что оптимальность по Парето является категорией нравственной.

Оптимальный по Парето вариант формируется в виде множества:

X* = { XSi ,XGj*} (9)

В развернутом виде с указанием всех целевых условий XSi и условий - ограничений ХGj множество (9) запишется так:

X* = { XSi ,…, XSs , ХG1,…, ХGg} (9)

Для нашего случая эффективное решение будет иметь вид:

X* = { X22, X43, X61 ; X13 , X 34, X51, X7 2, X82, X94, X102, X112 }.

4.РАЗРАБОТКА КОМПОНОВКИ ОБЪЕКТА

4.1 Формирование основных параметров объекта

В итоге мы имеем следующие результаты:

Автоматическая линия обработки деталей типа «серьга»

предназначается:

- для выполнения комплексных операций одного передела - X22

- при многосторонней работе вращающимся инструментом и протяжкой в не скольких позициях - X43

- с использованием для транспортировки заготовок шагового транспортера - X61

обеспечивает:

- обработку деталей и сборочных единиц с элементами тел вращения на нескольких сторонах - X12

- одновременное изготовление нескольких деталей - X31

- транспортирование изделий без спутника - X51

- накопление деталей в перекладчике тупиковом - X72

- загрузку - разгрузку устройствами, встроенными в механизмы - X82

- автоматическую перенастройку оборудования на отдельных позициях с остановом линии - X94

- автоматическое централизованное управление оборудованием - X102

- исключение несанкционированного доступа к отдельным компонентам линии - X112

4.2 Расчет производительности автоматической линии обработки детали типа «серьга»

Теория автоматизации машин ставит своей целью анализ объективных закономерностей развития автоматов и автоматических систем, анализ факторов влияющих на их производительность и производительность труда в зависимости от структурных и конструктивных параметров этих систем.

Главной из множеств этих характеристик является критерий производительности, как интегральный показатель учитывающий:

-интенсивность протекания процессов обработки;

-непрерывность процесса;

-степень автоматизации труда;

-безотказность работы автоматов (надежность);

-гибкость к перенастройке (мобильность).

автоматические линии представляют собой систему из автоматических рабочих машин, расположенных в технологической последовательности объединенных средствами транспорта и управления.

Период рабочего цикла складывается из производительно затраченного времени, т.е. времени на основные процессы и все остальное время, включающееся в холостые ходы и простой являющийся потерями.

ТЦ=tp+tx

Данная линия обработки деталей типа «серьга» представляет собой автоматическую линию последовательного агрегатирования, т.е. состоящую из последовательно агрегатированных рабочих машин. Линия разбита на два участка.

Производительность линии можно определить по формуле:

QqАЛ= ,

где q- число технологических позиции, q=9;

k0- технологическая производительность до дифференциации;

tп- нецикловые потери на одной позиции,

n- число участков, n=2.

где т - коэффициент технического использования

Для автоматических линий с жесткой связью, разделенных на участки коэффициент технического использования составляет 0,7

Время цикла данной линии 94 сек.

Тогда:

tп = 1.57 ( 1 - 0.7 ) / 0.7 = 0.17 мин.

Отсюда:

tуч = 90.17 / 2 = 0.75 мин.

Из циклограммы работы линии tx=0,41 мин., tp =1,03 мин. (на одной позиции).

k0 = 1 / tp

k0 - технологическая производительность

тогда k0 = 1 / 1,03 = 0,97 дет/мин

Т.о. производительность линии:

Учитывая то, что количество одновременно обрабатываемых деталей на данной линии 4, то на самом деле производительность автоматической линии обработки деталей типа «серьга» будет:

Исходная производительность данной линии составляет 110 деталей в час. Таким образом, применяя разделение автоматической линии обработки деталей типа ”серьга” на два участка, мы получаем повышение производительности данной линии приблизительно в 1,7 раза .

В итоге имеем, что годовая производительность проектируемой линии обработки детали типа “серьга” при двусменном режиме работы составит:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения курсового проекта с помощью методов декомпозиционного анализа и синтеза разработана компоновка автоматической линии обработки деталей типа «серьга», содержащая один протяжной станок и сложное загрузочное устройство для него, а также межоперационный накопитель.

В проекте также произведен расчет производительности проектируемой автоматической линии. Данный расчет показал, что производительность данной линии существенно выше, чем производительность существующего базового варианта.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Волчкевич Л.И. Автоматы и автоматические линии : [ Учеб.пособие для машиностроительных вузов ] / : Под ред. проф. Г.А.Шаумяна - М.: ”Высшая школа”, 1976 - 22 см.

Волчкевич Л.И. Кузнецов М.М. Автоматизация производственных процессов. М.,1978

Волчкевич Л.И. и Усов Б.А. Автооператоры. Изд.2-е перераб. и доп. М.,”Машиностроение” ,1974 .

Протяжные и фрезерно-отрезные станки. Проектно-конструкторские и научно-исследовательские работы 1962-1964 гг. Минск, “Полымя”, 1966, 368 с.

Пухов А.С. Синтез решений при создании автоматизированных технических объектов: Учебное пособие - Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2000. -121с.: ил

Размещено на Allbest.ru

...