Теоретичні основи компонетики агрегатованих технологічних систем

У рамках творчого співробітництва кафедри технології машинобудування і металорізальних верстатів НТУ“ХПІ” із ДП ХМЗ“ФЕД” деякі результати досліджень в області компонетики АТСМ були використані при переналагодженні АВ на ділянці товарів народного споживання (деталей сантехарматури). Зміна дизайну і, відповідно, конструктивного виконання основної деталі - корпуса змішувача вимагали переналагодження-перекомпонування спеціальних АВ, що експлуатуються на заводі. Методика композиційного проектування, що запропонована, для груп однотипних деталей дозволяє скоротити час і трудомісткість технологічної підготовки виробництва при зміні об'єкту виробництва на 10-15%.

Проведені дослідження і розробка основних методологічних положень компонетики АТСМ дозволяють зробити висновок про те, що агрегатування залишається одним з ефективних і надійних принципів створення високопродуктивного технологічного устаткування, і не тільки спеціального. Забезпечення гнучкості багатопозиційних АТСМ принципово можливо. Для цього потрібна розробка й освоєння переналагоджуваних агрегатних верстатів. Для можливості переналагодження технологічне устаткування повинне мати функціональну надмірність, що для багатопозиційних багатоінструментних АТСМ виражається в необхідності забезпечення на етапі їхнього створення структурної надмірності.

Так, АТСМ із круговим транспортуванням заготовки, володіючи можливістю здійснення на них технологічних процесів, що включають велику кількість технологічних переходів, саме таку структурну надмірність і мають. Задача компонування цього високопродуктивного устаткування ускладнюється необхідністю розміщення (укладання) у просторі робочої зони можливо більшої кількості інструментальних шпинделів, а в компонуємому просторі верстата відповідно вузлів і агрегатів, що забезпечують роботу цих шпинделів.

Для можливості переналагодження на обробку деталей із групами співвісних поверхонь запропонована концептуальна компоновочна схема АВ із круговим транспортуванням заготовки, якій має центральну колону, що укомплектований одношпиндельними силовими агрегатами. На одинадцятьох операційних станціях розміщені двадцять сім позицій обробки, кожна з яких обслуговується одним силовим агрегатом. Таке компонування на відміну від традиційного периферійного компонування дозволяє здійснювати послідовну обробку на 5, 11, 16, 22 або 27 позиціях обробки.

Для запропонованого компонування АВ збільшеним методом проведена порівняльна оцінка економічної ефективності його використання при обробці однотипних корпусних деталей гідроарматури.

У додатку представлені таблиці допоміжного характеру, що є частиною інформаційного забезпечення методик проектування, деякі результати практичного використання проектних процедур, а також акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено методологічні основи композиційного проектування багатопозиційних АТСМ за критеріями компактності й економічності, що дозволяє підвищити техніко-економічні показники, розширити технологічні можливості, зменшити габарити і металоємкість при оптимізації технологічного впливу в процесі обробки і просторово-структурних характеристик устаткування.

2. На основі системного аналізу процесу проектування багатопозиційних АВ встановлено, що існуючий декомпозиційний підхід до проектування, для якого характерний емпіричний чи евристичний вибір структури АВ на ранніх етапах проектування і децентралізована розробка елементів, що компонуються, через складність забезпечення координуючих впливів на локальні проектні рішення, не дозволяє надійно забезпечити оптимальне рішення на рівні системи в цілому. Потрібен перехід на іншу технологію проектування - спрямоване формування оптимальної структури АВ із заданими властивостями елементів, що можуть змінювати свої параметри і конструктивне виконання в інтересах оптимізації системи, що розробляється. Такий підхід зветься композиційним проектуванням і покладений в основу розроблених методик проектування АТСМ.

3. Відмінною рисою обробки на багатопозиційних АТСМ із круговим транспортуванням заготовки є висока концентрація операцій при малому питомому об'ємі зони обробки, що дозволяє для спільного рішення задач зниження металоємкості конструкції та оптимізації концентрації операцій ввести комплексний показник компактності - питома концентрація операції.

4. Представлення простору, що займає АВ, об'ємом компонування, за принципом декомпозиції розбитого на кінцеве число об'ємів функціональних зон з їх описом математичними моделями, дозволило вирішувати задачу синтезу просторового компонування АТСМ, як задачу компактного укладання елементів, що компонуються.

5. Пошук кращого варіанту суміщення (укладання) частин, що компонуються, у свою чергу, виконується при мінімізації об'ємів функціональних зон за рахунок структурно-параметричної оптимізації оснащених силових агрегатів і установчо-затискних пристроїв.

6. Для спрямованого формування просторового компонування багатопозиційних АТСМ із круговим транспортуванням заготовки доцільне використання математичного апарату афінних перетворень. Для цього модель функціональних зон доповнена геометричною моделлю компонування АТСМ у виді сукупності систем координат (деталі, пристрою, інструменту, силового агрегату), що покладена в основу методики автоматизованого синтезу компонування.

7. Рішення задачі мінімізації радіусу транспортування заготовки, як підзадачи мінімізації габаритного радіусу АТСМ із круговим транспортуванням заготовки, вимагає зменшення об'єму зони обробки, що можливо тільки за рахунок удосконалювання конструкції установчо-затискного пристрою. Для моделі типового компонування УЗП розроблена методика структурно-параметричної оптимізації, що дозволяє підвищувати компактність конструкції.

8. Забезпечення гнучкості технологічного устаткування, створюваного за методом концентрації операцій на основі принципу агрегатування, можливо як за рахунок їхнього перекомпонування, так і за рахунок переналагодження. Для можливості переналагодження устаткування повинне мати функціональну надмірність, що для багатопозиційних багатоінструментних АТСМ виражається в необхідності забезпечення на етапі їхнього створення обґрунтованої структурної надмірності. Для можливості переналагодження при обробці деталей із групами співвісних поверхонь запропонована концептуальна компоновочна схема АВ надлишкової структури із круговим транспортуванням заготовки, якій має центральну колону.

9. Застосований у методиці синтезу компонувань АТСМ спосіб опису деталі і компонування у виді інформаційного коду, що виконує при проектуванні роль протоколу, дозволяє для технологічного устаткування, що не має повних аналогів, вести облікову базу-архів компоновочних рішень для великої номенклатури деталей. Побудована на її основі інформаційно-пошукова система може бути корисна як виробникам такого устаткування, так і потенційним споживачам.

10. Практична реалізація основних результатів дослідження дозволяє підвищити продуктивність і якість проектних процедур синтезу компонувань багатопозиційних АТСМ, а також підвищити техніко-економічну ефективність і розширити технологічні можливості даного класу устаткування. Розроблене інформаційне й алгоритмічне забезпечення може бути покладене в основу підсистеми САПР агрегатних верстатів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Тимофеев Ю.В., Пермяков А.А., Приходько О.Ю. Систематизация компоновок агрегатных станков. //"Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье". Сборник научных трудов ХГПУ. - Харьков:ХГПУ. - 1998. -Вып. 6. - С.215-218.

2. Пермяков А.А., Алехин В.А., Приходько О.Ю. Об оптимальной концентрации операций при ограниченном объеме зоны обработки в агрегатированных технологических системах. //Вестник ХГПУ. - Харьков:ХГПУ. - 1998. - Вып.27. - С.120-124.

3. Пермяков А.А. Информационное описание компоновок агрегатных станков при проектировании. //Вестник ХГПУ. - Харьков:ХГПУ. - 1999. - Вып.32. - С.146-150.

4. Пермяков А.А., Алехин В.А., Слипченко С.Е. О структуре формирования габаритного радиуса агрегатных станков с целью его минимизации. //Вестник ХГПУ. - Харьков:ХГПУ. - 1999. - Вып.43. - С.10-13.

5. Мельниченко А.А., Пермяков А.А. Математическая модель геометрической точности агрегатного станка. //Вестник ХГПУ. - Харьков:ХГПУ. - 1999. - Вып.54. - С.34-39.

6. Тимофеев Ю.В., Пермяков А.А., Алехин В.А., Тань Яо Хуэй Особенности компоновки рабочих органов агрегатных станков в системах с кольцевым транспортированием заготовки. //Вестник ХГПУ. - Харьков:ХГПУ. - 1999. - Вып.59. - С.71-72.

7. Тимофеев Ю.В., Мельниченко А.А., Пермяков А.А. Промышленный эксперимент и методика экспресс-анализа параметров в агрегатном станкостроении. //Вестник ХГПУ. - Харьков:ХГПУ. - 1999. - Вып.60. - С.3-7.

8. Пермяков А.А., Приходько О.Ю. Цикловая производительность агрегатных станков при различных вариантах совмещения технологических переходов. //Вестник ХГПУ. - Харьков:ХГПУ. - 1999. - Вып.65. - С.97-99.

9. Тимофеев Ю.В., Пермяков А.А. Управление эффективностью многоинструментальных наладок агрегатных станков на ранних стадиях проектирования. //Резание и инструмент в технологических системах. - Харьков:ХГПУ. - 1999. - Вып.53. - С.159-166.

10. Мельниченко А.А., Пермяков А.А. Математическая модель статической жесткости шпинделя силовой головки агрегатного станка. //Резание и инструмент в технологических системах. - Харьков:ХГПУ. - 1999. - Вып.54. - С.17-21.

11. Науменко В.П., Пермяков А.А., Сычев Ю.И., Кондратюк О.Л., Корж О.В. Математическое моделирование статических и динамических характеристик шпиндельных узлов металлорежущих станков. //Вестник ХГПУ. - Харьков:ХГПУ. - 1999. - Вып.75. - С.44-48.

12. Пермяков А.А. Формирование пространственной компоновки многопозиционного агрегатного станка на основе афинных преобразований. //Вестник ХГПУ. - Харьков:ХГПУ. - 2000. - Вып.77. - С.97-99.

13. Науменко В.П., Пермяков А.А. Моделирование динамической жёсткости вала-шпинделя силовой головки агрегатного станка на основе МКЭ. //Вестник ХГПУ. - Харьков:ХГПУ. - 2000. - Вып.78. - С.37-40.

14. Хицан В.Д., Пермяков А.А. Критерии оценки технико-экономического уровня компоновок специальных агрегатных станков. //Вестник ХГПУ. - Харьков:ХГПУ. - 2000. - Вып.80. - С.44-46.

15. Пермяков А.А., Яковенко И.Э., Фадеев А.В. Анализ применимости конструкций установочно-зажимных приспособлений агрегатных станков среднего размера. //Вестник ХГПУ. - Харьков:ХГПУ. - 2000. - Вып.81. - С.37-39.

16. Пермяков А.А., Тимофеев Ю.В., Приходько О.Ю. О композиционном проектировании агрегатированных технологических систем. //Авиационно-космическая техника и технология. Труды Государственного аэрокосмического университета им.Н.Е.Жуковского "ХАИ". - Харьков:ХАИ. - 2000. - Вып.14. - С.51-53.

17. Пермяков А.А, Гаврылюк Ю.Р. О подходе к компоновке агрегатного станка для реализации групповой обработки. //Вестник ХГПУ. - Харьков:ХГПУ. - 2000. - Вып.82. - С.50-52.

18. Громов В.В., Пермяков А.А., Скидан Н.П., Хицан В.Д. Аналіз залежності параметрів технологічної компоновки від базових параметрів верстата. //Вестник ХГПУ. - Харьков:ХГПУ. - 2000. - Вып.83. - С.28-31.

19. Пермяков А.А., Тимофеев Ю.В., Яковенко И.Э. Оптимизация проектирования и производства УЗП на основе унификации компоновочных решений. //Вестник ХГПУ. - Харьков:ХГПУ. - 2000. - Вып.110. - С.70-74

20. Пермяков А.А. Выбор вариантов компоновки агрегатного станка на основе комплексного показателя компактности. //Вестник ХГПУ. - Харьков:ХГПУ. - 2000. - Вып.118. - С.28-30.

21. Пермяков А.А., Тимофеев Ю.В., Яковенко И.Э. Организация поточной сборки агрегатированного оборудования. //Вестник национального технического университета “Харьковский политехнический институт”. - Харьков:НТУ “ХПИ”. - 2001. - Вып.10. - С.137-140.

22. Пермяков А.А. Концептуальные компоновки переналаживаемых агрегатных станков избыточной структуры //Вестник национального технического университета “Харьковский политехнический институт. - Харьков:НТУ “ХПИ”. - 2002. - Вып.6. - С.62-65.

23. Тимофеев Ю.В., Пермяков А.А., Приходько О.Ю., Яковенко И.Э. Принципы оптимизации компоновок агрегатных станков. //Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. Сборник научных трудов ХГПУ. - Харьков:ХГПУ. - 1997. - С.351-354.

24. Тимофеев Ю.В., Пермяков А.А., Приходько О.Ю. Информационная модель объекта обработки в САПР агрегатных станков. //Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. Сборник научных трудов ХГПУ. - Харьков:ХГПУ. - 1998. - Вып.6. - С.219-223.

25. Пермяков А.А. Геометрические критерии оптимальности компоновок агрегатных станков с кольцевым транспортированием. //Вестник ХГПУ - Харьков:ХГПУ. - 1999. - Вып.32. - С.151-153.

26. Пермяков А.А., Алехин В.А. Алгоритм размещения многошпиндельной обработки в многопозиционных агрегатированных системах при обработке отверстий, образующих плотную укладку. //Вестник ХГПУ. - Харьков:ХГПУ. -1999. - Вып.54. - С.18-21.

27. Пермяков А.А., Приходько О.Ю., Фадеев А.В. О структуре процесса проектирования и компоновке агрегатированных технологических систем металлообработки. //Вісник інженерної академії України. - К.:ІАУ. - 2000. - (специальный выпуск). - С.136-139.

28. Громов В.В., Пермяков О.А., Скидан Н.П. Класифікація технологічних компоновок металорізальних верстатів. //Вісник інженерної академії України. - К.:ІАУ. - 2001. - №3 (частина 1). - С.256-258.

АНОТАЦІЇ

Пермяков О.А. Теоретичні основи компонетики агрегатованих технологічних систем.

Дисертація у вигляді рукопису на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.08 - технологія машинобудування. Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2002 р.

В роботі вперше розроблена методологія композиційного проектування багатопозиційних агрегатованих технологічних систем із круговим транспортуванням заготовки, що дозволяє підвищити техніко-економічні показники, зменшити габарити і металоємність за рахунок оптимізації просторово-структурних характеристик технологічного устаткування, що створюється за принципом агрегатування, на основі нового комплексного критерію - питомої концентрації обробки. На основі розробки узагальненої моделі, принципів спрямованого синтезу просторового компонування АТСМ на базі апарату афінних перетворень координатних систем елементів, що компонуються, оптимізації компоновочних рішень за критеріями компактності й економічності на різних стадіях деталізації проекту розроблені методика і комплекс інформаційного та алгоритмічного забезпечення автоматизованого проектування виділеного класу технологічних систем.

Ключові слова: технологічна система, технологічна компоновка, питома концентрація операції, установочно-затискний пристрій, агрегатування, компактність та економічність, багатокритеріальна оптимізація, композиційне проектування, афінні перетворення.

Пермяков А.А. Теоретические основы компонетики агрегатированных технологических систем.

Диссертация в виде рукописи на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.08 - технология машиностроения. Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2002 г.

В работе впервые разработана методология композиционного проектирования многопозиционных агрегатированных технологических систем с круговым транспортированием заготовки, позволяющая повысить технико-экономические показатели, уменьшить габариты и металлоемкость за счет оптимизации пространственно-структурных характеристик технологического оборудования, создаваемого по принципу агрегатирования, на основе нового критерия - удельной концентрации операции. Отличительной особенностью технологических систем, рассматриваемых в данной работе, является высокая концентрация операций при малом удельном объеме зоны обработки. Удельная концентрация операции, определяемая числом технологических переходов приходящихся на единицу объема зоны обработки, по сути является комплексным показателем компактности сложноструктурных АТСМ и используется при их проектировании для оценки конкурирующих вариантов совмещения технологических переходов во времени и пространстве (технологических и конструкторских компоновок).

В основу разработанных методик синтеза оптимальных компоновок АТСМ в отличие от традиционного декомпозиционного подхода, для которого характерен эмпирический или эвристический выбор структуры системы на ранних этапах проектирования, положена технология композиционного проектирования - направленное формировании оптимальной структуры системы с заданными свойствами компонуемых элементов, которые могут менять свои параметры и конструктивное исполнение в интересах оптимизации разрабатываемой технологической системы. Для реализации композиционного проектирования разработана база знаний, содержащая обобщенную модель компоновки многопозиционной агрегатированной технологической системы с круговым транспортированием заготовки и модели компонуемых элементов. Пространственно-структурно-параметрическая оптимизация и выбор компоновочных решений на любом этапе проектирования (синтез инструментальной наладки, установочно-зажимного приспособления и т.д.) выполняются по критериям компактности и экономичности. Для направленного формирования пространственной компоновки АТСМ с круговым транспортированием заготовки используется математический аппарат афинных преобразований. Модель АТСМ в виде совокупности систем координат детали, приспособления, инструмента, силового агрегата положена в основу методики автоматизированного синтеза компоновок АТСМ. С целью сокращения времени проектирования и, в первую очередь, сокращения времени ввода исходных данных о детали установлено, что полное описание геометрии детали, представленной проекционным чертежом, не требуется. Следует однозначно описывать только обрабатываемые поверхности детали. Причем, достаточно задать для каждой обрабатываемой поверхности параметры формообразующих линий: диаметра или ширины обработки для образующей производящей линии; координаты точек начала и конца обрабатываемой поверхности для направляющей производящей линии. Процесс формирования компоновки АТСМ (взаимной пространственной увязки узлов и элементов реализующих процесс обработки детали) состоит из последовательности следующих этапов: на основе анализа рабочего чертежа объекта обработки определяется положение системы координат детали; задается положение обрабатываемых поверхностей в системе координат детали; на основе выбора схемы базирования детали, задается положение системы координат детали в системе координат приспособления; после разработки маршрута обработки детали и формирования технологической компоновки АТСМ, на основе выбранной схемы транспортирования детали задается положение системы координат установочно-зажимного приспособления в системе координат АТСМ; для всех обрабатываемых поверхностей детали определяются все их положения в системе координат АТСМ на основе афинных преобразований координатных систем. Координаты точек начала и конца резания обрабатываемых поверхностей определяют пространственное положение инструментальных осей оснащенных силовых агрегатов в каждой позиции обработки. Получаемые координаты расположения компонуемых частей АТСМ в единой системе координат позволяют окончательно формировать компоновку АТСМ. Наилучший вариант компоновки многопозиционной АТСМ с круговым транспортированием заготовки определяется на основе многокритериальной оптимизации. В качестве основного критерия принята удельная концентрация операции. Дополнительными критериями являются удельный объем зоны обработки (отношение объема зоны обработки и объема компоновки) и технологическая себестоимость обработки детали в АТСМ. Систему ограничений составляют производительность АТСМ и себестоимость ее изготовления. На основе разработки обобщенной модели, принципов направленного синтеза пространственной компоновки АТСМ на базе аппарата афинных преобразований координатных систем компонуемых элементов, оптимизации компоновочных решений по критериям компактности и экономичности на разных стадиях детализации проекта разработан комплекс информационного и алгоритмического обеспечения, который может быть положен в основу системы автоматизированного проектирования рассматриваемого класса технологических систем.

Ключевые слова: технологическая система, технологическая компоновка, удельная концентрация операции, установочно-зажимное приспособление, агрегатирование, компактность и экономичность, многокритериальная оптимизация, композиционное проектирование, афинные преобразования.

Permyakov А.А. Theoretical bases of arrangement the unit-building technological systems.

The dissertation as the manuscripts on competition of a scientific degree of the doctor of engineering science on a speciality 05.02.08 - technology of machine building. National engineering university "The Kharkov polytechnic institute", Kharkov, 2002.

The methodology of composition projection of multi-position unit-building technological systems with circle transportation of detail permitting to increase technological indexes, to decrease dimensions and metal consumption at the expense of optimization of space-structural performances of the process equipment created by a unite-building principle, on the basis of a new complex criterion - specific concentration of the operation in work for the first time is developed. On the basis of development of the generalized model, principles of the directed synthesis of space arrangement of unit-building technological systems on the basis of method transformations of coordinate systems of composed elements, optimization of arrangement solutions by criteria of compactness and profitability at different stages of detailing of the project the principles and complex of information and algorithmic support of a computer-assisted design of the chosen class of technological systems is developed.

Key words: the technological system, technological arrangement, specific concentration of the operation, adjusting-clamping device, unite-building principle, compactness and profitability, multi-criteria optimization, composite projection, method transformations of coordinate systems.

Размещено на Allbest.ru