Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Производство большинства изделий машиностроения в настоящий момент является многономенклатурным и переналаживаемым. Новизна изделий и разработка конструкций по требованию заказчика зачастую требуют изготовление опытных образцов. Следовательно, для снижения затрат на их проектирование жизненно необходимо выполнять отработку конструкций изделий на технологичность на ранних этапах конструирования, как это рекомендует ГОСТ 14.201-83.

В процессе работы предприятия накапливается информационная база, у специалистов вырабатываются свои подходы и набор приёмов и методов решения технических задач [21]. Для студентов, не имеющих такого опыта, важна систематизация этих приёмов и методик, а также необходим инструмент, который бы предоставлял им возможность использовать имеющиеся наработки при выполнении отработки ими изделий на технологичность. технологичность конструкция ремонт

Наличие у современного конструктора автоматизированного инструмента оценки технологичности конструкции изделия (ТКИ) при его проектировании, позволит не только ускорить процесс разработки и последующего изготовления изделия, но и повысить качество проектирования его конструкции.

В результате это положительно скажется на снижении затрат на всех этапах жизненного цикла изделия: конструкторской и технологической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте и обеспечении безопасности конструкции при утилизации.

В настоящих методических указаниях рассмотрены следующие вопросы:

- анализ функций ТКИ в современном производстве и её классификация;

- совершенствование методик качественной и количественной оценки технологичности конструкции детали (ТКД) с целью их автоматизации;

- автоматизация процесса оценки ТКД;

- методические указания по выполнению автоматизированной оценки ТКД.

1. Основные положения отработки конструкции изделия на технологичность

1.1 ТКИ - основные функции и определения

Нижеследующая информация приведена на основе рекомендаций [7].

Технологичность конструкции изделия (ТКИ) - совокупность свойств изделия, определяющих приспособленность его конструкции к достижению оптимальных затрат при производстве, эксплуатации и ремонте для заданных показателей качества, объёма выпуска и условий выполнения работ [2].

ТКИ проявляется через свойства изделия на различных стадиях его жизненного цикла (рис. 1.1), включая маркетинговые исследования и изучение рынка, подготовку производства, изготовление, транспортирование, подготовку к функционированию, техническое обслуживание, ремонт и утилизацию, в виде затрат ресурсов, определяемых конструктивно-технологическими особенностями изделия. Поскольку данные свойства формируются в процессе конструирования изделия, обеспечение технологичности его конструкции становится неотъемлемой составной частью конструкторской подготовки производства.

Обеспечение технологичности конструкции изделия - функция подготовки производства, включающая комплекс взаимосвязанных мероприятий по управлению технологичностью и совершенствованию условий выполнения работ при производстве, эксплуатации и ремонте изделия.

В общем случае этот комплекс включает следующие мероприятия:

- отработка конструкции изделия на технологичность на всех стадиях разработки изделия, при подготовке производства и при изготовлении изделия (регламентируется [1]);

- совершенствование условий работ при производстве, эксплуатации и ремонте изделия и фиксация принятых инженерных решений в технической документации;

- технологический контроль конструкторской документации (регламентируется [3]);

- подготовка и внесение изменений в конструкторскую документацию по результатам технологического контроля, обеспечивающих достижение нормативных (базовых) значений показателей технологичности.

Рисунок 1.1 - Этапы жизненного цикла изделия

Определяющее влияние на содержание и объём работ по обеспечению ТКИ оказывают вид изделия, его новизна и сложность, стадия разработки.

Одной из главных задач обеспечения технологичности конструкции изделия является смещение центра тяжести отработки конструкции в зону ранних стадий проектирования, включающих в себя как маркетинговые исследования, так и собственно проектирование изделия, отвечающего требованиям рынка. Только в этом случае возможны разработка и постановка на производство изделий с высокими технико-экономическими показателями качества, снижение затрат на освоение производства, сокращение сроков подготовки производства, достижение высокой стабильности качества изготовления изделий, улучшение их свойств контроле-, монтаже- и ремонтопригодности, а также обеспечение возможности их утилизации в конце срока службы. В результате удаётся перераспределить эффект и затраты по стадиям разработки и получить ощутимую экономию ресурсов.

Отработка конструкции изделия на технологичность - часть работ по обеспечению технологичности, направленная на достижение заданного уровня технологичности и выполняемая на всех этапах разработки изделия [2].

Отработка конструкции изделия на технологичность, как одна из важнейших функций конструкторской подготовки производства, играет большую роль при создании, применении и обновлении современных конструкций изделия. Эта функция предусматривает взаимосвязанное решение соответствующих конструкторских и технологических задач на этапах опытно-конструкторских работ (ОКР) (главным образом на проектных стадиях) и направлена на достижение оптимальных материальных, энергетических и трудовых затрат и сокращение времени на производство, эксплуатацию и ремонт изделия.

Технологический контроль конструкторской документации - контроль конструкторской документации, при котором проверяется соответствие конструкции изделия требованиям её технологичности [2].

1.2 Классификация ТКИ на виды

Согласно [7, 17] ТКИ можно подразделить на виды:

1. по характеризуемым свойствам и методам воздействия:

- технологическая рациональность конструкции изделия;

- преемственность конструкции изделия;

2. по области проявления свойств:

- проектная;

- производственная;

- эксплуатационная;

- ремонтная;

- ТКИ при утилизации;

3. по виду затрат:

- материалоёмкость изделия;

- энергоёмкость изделия;

- трудоёмкость изделия;

- хроноёмкость изделия;

4. по числу характеризуемых свойств:

- частные;

- групповые;

- комплексные;

5. по способу выражения свойств:

- размерные;

- безразмерные;

6. по форме представления свойств:

- общие;

- структурные;

- удельные;

- относительные;

- сравнительные;

7. по стадии определения характеристик:

- прогнозируемые;

- базовые;

- достигнутые;

8. по значимости для оценки:

- основные;

- частные.

1.3 Виды технологичности по области проявления свойств

Классификация и основные определения приведены согласно [7, 16].

Рассматривая жизненный цикл изделия (ЖЦИ), можно классифицировать ТКИ по области проявления свойств, как уже было показано в п. 1.2 , а именно: проектная, производственная, эксплуатационная и ремонтная. Отдельным понятием выделяется ТКИ при утилизации.

Проектная технологичность конструкции изделия рассматривает свойства изделия, учитывающие требования маркетинга и эвристические технические решения.

На этом этапе проводятся комплексные маркетинговые исследования, включающие в себя следующие этапы:

- изучение требований рынка к товару: формулируются требования покупателей и конечных потребителей к потребительским свойствам изделия и соответствующему набору услуг, сопутствующих продаже и потреблению товара, т.е. подтверждение конкурентоспособности разрабатываемого изделия;

- изучение экономической конъюнктуры: сводится к определению текущих потребностей в данном изделии или близкому к нему по технико-экономическим показателям, прогнозу этих потребностей на ближайшую перспективу (3..5 лет), изучению потенциального предложения изделия по всем производителям и продавцам и в прогнозе цен;

- анализ рыночной сегментации: даётся характеристика потребителям, образующим сегмент рынка, для которого предназначается данное изделие, приводятся их социально-психологические особенности; также проводится анализ возможности расширения данного сегмента рынка за счёт привлечения потребителей из других сегментов;

- изучение фирменной структуры рынка: определяются основные организации, работающие на данный сегмент рынка (конкуренты), основные потребители (партнёры), а также организации, которые ещё не проявили заинтересованности в разработке или приобретении данного изделия;

- исследование форм и методов, принятых в практике торговли по данному товару на данном сегменте рынка: изучается характер сделок купли-продажи непосредственно от разработчика к потребителю либо косвенно, через организацию-посредника; также рассматриваются вопросы послепродажного обслуживания изделия, обучения персонала организации-потребителя, организации фирменного ремонта и утилизации.

В результате определяются спрос, а в соответствии с ним объём выпуска, - свойства изделия, отвечающие требованиям рынка и закладываемые при отработке на проектную технологичность.

Эвристические технические решения отражают наличие аналогов, патентов, изобретений, поиск научных исследований и решений. Результатами отработки эвристических технических решений являются эскизные чертежи и модель изделия.

Результатом же отработки проектной ТКИ являются рабочие чертежи, передаваемые на последующий этап ЖЦИ - этап подготовки производства, т.е. планирование и разработка процессов, закупки и т.д. На этом этапе закладывается производственная ТКИ.

Производственная технологичность конструкции изделия - это технологичность конструкции изделия при технологической подготовке производства, закупках, подготовке технологического оснащения, изготовлении, контроле, упаковке, хранении, а также реализации и монтаже вне предприятия-изготовителя.

Производственная ТКИ рассматривает свойства, учитывающие требования организации производства, технологии, метрологии и другие, обеспечивающие минимизацию трудоёмкости и затрат при изготовлении изделия.

Дальнейшая отработка производственной ТКИ характеризуется совместной работой конструктора и технолога; в этом проявляется связь этапов конструкторской и технологической подготовки производства. В ходе совместной работы производится окончательный технологический контроль конструкторской документации (КД): в случае необходимости внесения своевременных изменений в КД, происходит возврат на предыдущий этап с целью доработки и корректировки.

Эксплуатационная технологичность конструкции изделия - это технологичность конструкции изделия при подготовке его к использованию по назначению, техническом обслуживании, текущем ремонте.

Ремонтная технологичность конструкции изделия - это технологичность конструкции изделия при всех видах его ремонта, кроме текущего ремонта.

Различают ТКИ при плановых и неплановых ремонтах (при которых устраняются последствия повреждений и отказов).

ТКИ при утилизации проявляется в таких операциях как подготовка к списанию и разборке изделия, транспортировка, хранение и уничтожение. При подготовке к списанию и разборке основное внимание обращается на экологические характеристики изделия и его составных частей, как то: радиоактивность, разделение материалов по маркам, вес, размеры и др.

Исходя из вышеприведённой классификации ТКИ по области проявления свойств и разделения жизненного цикла изделия на определённые этапы, можно получить следующую схему (рис. 1.2).

Стоит отметить, что во многих работах, посвящённых оценке технологичности, прослеживается расхождение во мнении о том, к какому виду ТКИ отнести этап монтажа изделия и ввода его в эксплуатацию, а именно: к производственной или эксплуатационной.

По мнению авторов, допустимы оба варианта. Основным критерием при разграничении можно считать сложность работ и необходимость использования при монтаже труда специалистов предприятия-изготовителя. Тогда, в случае, когда монтаж изделия требует специфических знаний и навыков, его стоит отнести к производственной технологичности, т.к. осуществляться он будет силами предприятия-изготовителя. В противном случае, монтаж можно отнести к эксплуатационной ТКИ.



Рисунок 1.2 - Сопоставление этапов жизненного цикла изделия и видов ТКИ по области проявления свойств

На приведённом выше рис. 1.2 в явном виде монтаж отнесён к эксплуатационной ТКИ. Однако он также присутствует в одном из этапов, принадлежащих к производственной ТКИ, а именно «Производство и предоставление услуг». Имеется ввиду, что при необходимости предприятие-изготовитель само осуществляет монтаж и ввод в эксплуатацию поставляемого изделия.

1.3.1 Производственная технологичность

Рассмотрим производственную технологичность более подробно [7].

Производственная технологичность конструкции изделия выражает отдельные свойства или совокупность свойств, которые закладываются на ранних этапах конструкторской подготовки производства и которые изделие проявляет при технологической подготовке производства, а также как объект производства.

К свойствам, характеризующим технологическую рациональность конструкции изделия при его производстве, относятся, например, обрабатываемость, свариваемость, агрегируемость, монтажепригодность, контролепригодность.

Преемственность конструкции изделия как объекта производства характеризуют применяемость и повторяемость его компонентов (составных частей и связей между ними, конструктивных элементов деталей, применяемых материалов).

При обеспечении технологической рациональности и преемственности конструкции изделия важно учитывать вид изделия, этап производства, применяемый технологический метод.

В зависимости от перечисленных признаков различают:

- производственную технологичность конструкции детали, сборочной единицы, комплекса, комплекта;

- технологичность конструкции изделия при подготовке производства, в процессе изготовления, сборки и монтажа вне предприятия-изготовителя;

- технологичность конструкции изделия, получаемого литьём, штамповкой, сваркой, обработкой резанием и т.д.

Каждой разновидности производственной технологичности присущи своеобразные методические подходы к её обеспечению, определению состава исходных информационных данных, формированию системы показателей, характеризующих технологичность конструкции изделия, принятию инженерных решений.

1.4 Виды оценки ТКИ

Существуют два вида оценки технологичности: качественный и количественный [22].

Ввиду того, что проект посвящён оценке производственной технологичности конструкции детали (ТКД), то в дальнейшем под изделием будет пониматься именно деталь.

1.4.1 Качественная оценка производственной ТКИ

Под качественной оценкой производственной ТКИ понимается оценка соответствия принимаемых (или принятых) конструктивных решений при проектировании изделия и его составных частей требованиям оптимальных технологических процессов изготовления, технического обслуживания и ремонта [14].

Качественная оценка обычно предшествует количественной, выступая в роли предварительной оценки, используется для выбора конструктивных решений и не требует определения степени различия технологичности сравниваемых вариантов. Однако неопределённость и бессистемность оценки технологичности конструкций изделий, связанные с исключением какой-либо степени различия в качественной оценке, затрудняют её использование и делают в значительной мере субъективной.

Для качественной оценки технологичности используют функциональные признаки, обеспечивающие требуемый уровень качества продукции и снижение материальных и трудовых затрат.

Для получения чёткого представления о степени реализации технологических функций в конструкции изделия, используется понятие качества исполнения функции (КИФ). Под КИФ понимается отработанность конструкции изделия с точки зрения обеспечения какой-то определённой функции [21].

В процессе анализа КИФ решаются следующие задачи:

- устанавливается степень соответствия анализируемой конструкции изделия требованиям технологичности по рассматриваемым функциям;

- выявляются «слабые места», которые ограничивают качество объекта с точки зрения исполнения данной функции;

- разрабатываются предложения.

В результате оценка технологичности конструкции по качественным признакам производится посредством комплексного показателя качества реализации рассматриваемых функций.

Комплексный показатель ТКИ - это показатель технологичности, характеризующий несколько входящих в неё частных или комплексных свойств [2].

1.4.2 Количественная оценка производственной ТКИ

Количественная оценка технологичности выражается целым рядом показателей, регламентированных стандартами, методиками и другими нормативными документами. Применение численных методов позволяет устанавливать количественную разницу между вариантами [14, 21].

Выбор номенклатуры показателей технологичности является одним из центральных вопросов.

Стандартом [1] установлено, что для оценки ТКИ должно применяться минимальное, но достаточное для характеристики конструкции количество показателей.

Основными показателями, обязательными для определения согласно [1], при проведении количественной оценки технологичности деталей, изготовляемых механической обработкой, являются следующие:

- уровень технологичности конструкции детали по трудоемкости Кут;

- уровень технологичности конструкции детали по технологической себестоимости Кус.

Эти показатели, равно как и представленные в рекомендуемом перечне [1], использовать для оценки технологичности отдельных деталей достаточно сложно ввиду отсутствия требуемых для неё сведений о ТП на этапе конструкторского проектирования. Поэтому возникает необходимость воспользоваться частными показателями для оценки ТКД, каждый из которых характеризует одно из свойств изделия, здесь детали, входящее в технологичность, а именно [21]:

- коэффициент унификации конструктивных элементов;

- коэффициент стандартизации конструктивных элементов;

- коэффициент применяемости стандартизованных обрабатываемых поверхностей;

- коэффициент обработки поверхностей;

- коэффициент повторяемости поверхностей;

- коэффициент использования материала;

- коэффициент обрабатываемости материала;

- коэффициент точности обработки;

- коэффициент шероховатости поверхности;

- коэффициент применения типовых технологических процессов.

Уровень технологичности объекта по каждому из вышеперечисленных частных показателей определяется путём сравнения их с базовыми показателями, т.е. принятыми за исходные при оценке технологичности [2].

Неоднозначность оценки технологичности по группе показателей требует приведения этих показателей к единому комплексному показателю, как и в случае с качественной оценкой.

2. Методика проведения оценки ТКД по качественному признаку

2.1 Выбор и основные положения базовой методики

Как правило, сведения для качественной оценки технологичности являются достаточно разрозненными. Попытки их упорядочивания были предприняты такими известными авторами, как Амиров Ю.Д., Прялин М.А., Михельсон-Ткач В.Л., Маталин А.А. и др. Однако, в ходе анализа предлагаемых методик был выявлен ряд расхождений и противоречий, которые, в некоторой степени, устранены в работе Трухачёва А.В. [21]. Именно эта работа была взята за основу при выборе базовой методики проведения оценки ТКД по качественному признаку. В этой работе предлагается привести имеющиеся сведения к единой системе посредством классификации по функциональным признакам. В качестве таких функциональных признаков, обеспечивающих требуемый уровень качества продукции и снижения материальных и трудовых затрат, автор выделяет следующие функции [19, 21]:

Таблица 2.1 - Функциональные признаки качественной оценки технологичности детали

Функция	Функциональный признак
F1	Обеспечение свободного врезания и выхода режущего инструмента
F2	Обеспечение точности (рациональные условия базирования и простановка размеров)
F3	Обеспечение высокого уровня жёсткости детали и режущего инструмента
F4	Обеспечение унификации конструктивных элементов
F5	Обеспечение удобства составления программы для станков с ЧПУ
F6	Повышение эффективности использования станков с ЧПУ и ОЦ
F7	Снижение объёма ручных операций и слесарной доработки

Для учёта конкретного конструктивного исполнения анализируемой детали, необходимо выделить набор необходимых технологических функций, по которым будет проводиться качественная оценка технологичности детали.

Для каждой функции устанавливаются коэффициенты весомости (значимости) Ki каждой функции по сравнению с остальными [21]. Коэффициенты весомости Ki определяются экспертным путём по приоритету, а их суммарное значение Кi = 1, т.е. весовые показатели нормированы на единицу. В качестве экспертов могут выступать представители предприятия, на котором предполагается проводить оценку технологичности деталей. После опроса экспертов определяются действительные коэффициенты K для каждой функции.

В соответствии с рекомендациями [21] указанные функции реализуются в виде способов повышения технологичности.

Оценка каждого выбранного способа осуществляется в виде ответов «неудовлетворительно», «удовлетворительно», «хорошо». Ответы приводятся в соответствие с балльной шкалой, представляющей собой числовую оценку по каждому функциональному признаку (функции).

Затем, с учётом коэффициентов весомости, рассчитывается комплексный показатель качества реализации рассматриваемых функций (Ак), оценивающий технологичность детали по качественному признаку.

При Ак 3 общая балльная оценка считается удовлетворительной, если Ак 3, то общая оценка детали по качественным показателям будет неудовлетворительной.

2.2 Предлагаемые изменения

В ходе анализа базовой методики и её практического применения для автоматизации оценки ТКД в учебном процессе кафедры КТПМП в методику были внесены следующие изменения:

- исключены из рассмотрения устаревшие и неактуальные способы реализации функциональных признаков с точки зрения несоответствия их уровню развития науки и техники и современным условиям производства;

- перераспределены функциональные признаки и способы их реализации, на основании чего был введён критерий отбора по типу детали: деталь типа «тела вращения» и типа «корпусные»;

- наряду с типами деталей были введены ещё два дополнительных критерия отбора функциональных признаков и способов их реализации, а именно: тип производства (единичный, мелкосерийный, среднесерийный, крупносерийный и массовый) и вид используемого оборудования (универсальные станки с ручным управлением, станки с ЧПУ и обрабатывающие центры, специализированные полуавтоматы, специальные станки и автоматические линии);

- перераспределены некоторые способы реализации по функциям в виду несоответствия их задаче, решаемой в рамках определённой функции;

- пересмотрены формулировки способов реализации: некоторые из ранее предложенных способов являлись частными случаями других; исключены, по возможности, неточность и неоднозначность формулировок;

- ограничено количество способов реализации одного функционального признака (до 10 максимум) ввиду монотонности работы, так как при большом количестве способов снижается уровень внимательности пользователя;

- кроме весовых коэффициентов для функциональных признаков были введены весовые коэффициенты способов реализации внутри каждой функции;

- предложен вариант оценки, при котором функциональные признаки и способы их реализации, не имеющие отношения к рассматриваемому варианту конструкции детали и особенностям производства, исключаются из оценки; разработана методика пересчёта весовых коэффициентов для такого случая (см. п. 2.3).

Обновлённый перечень функциональных признаков и способов их реализации представлен в приложении I.

2.3 Расчёт общей балльной оценки ТКД

Расчёт комплексного показателя качества реализации рассматриваемых функций Ak, оценивающего технологичность детали по качественным признакам, осуществляется следующим образом [21]:

,

где A - балльная оценка каждой функции с учётом действительных коэффициентов весомости K внутри функции;

K - действительный коэффициент весомости для каждой функции;

n - количество рассматриваемых функций.

Определение значения балльной оценки каждой функции A в отличие от [21] производится подобно Аk с использованием весовых коэффициентов, по следующей формуле:

,

где Aj - балльная оценка j-го способа повышения технологичности, данная пользователем;

K - действительный коэффициент весомости каждого способа повышения технологичности;

m - количество способов повышения технологичности, рассмотренных пользователем при реализации i-го функционального признака.

Ввиду того, что предлагаемая методика предусматривает возможность исключения из оценки технологичности детали любого из представленных функциональных признаков, а так же способа реализации выбранной для оценки функции (способа повышения технологичности), необходимо ввести поправочные коэффициенты mи m для функциональных признаков и способов реализации соответственно. Предлагаемые коэффициенты вводятся с целью корректировать действительные коэффициенты, оставшиеся после исключения из рассмотрения функции или способы реализации для того, чтобы сохранить нормирование коэффициентов весомости на единицу. Поправочные коэффициенты могут быть найдены следующим образом:

; ,

где K (K) - действительные коэффициенты функций (способов повышения технологичности), используемых при расчёте оценки;

K (K) - действительные коэффициенты функций (способов повышения технологичности), исключённых из расчёта.

Как было указано выше, определение коэффициентов весомости функциональных признаков (Ki) и способов повышения технологичности (Kij) выполняется методом экспертной оценки. Ниже приводится методика статистической обработки результатов опроса экспертов.

При обработке результатов опроса, необходимо исключить грубые ошибки в каждом ряду значений коэффициентов. Появление этих ошибок вполне вероятно, а их наличие может ощутимо повлиять на результат дальнейших расчётов. Прежде чем исключить то или иное значение, необходимо убедиться, что это действительно грубая ошибка, а не отклонение вследствие статистического разброса.

Известно несколько методов определения грубых ошибок статистического ряда, предложенных в [16, 17]. Однако, более достоверными, на взгляд авторов, являются методы, базируемые на использовании доверительного интервала [17].

Пусть имеется статистический ряд малой выборки, подчиняющийся закону нормального распределения. При наличии грубых ошибок критерии их появления вычисляются по формулам:

; ;

; ,

где и - критерии, относящиеся к функциональным признакам;

и - критерии, относящиеся к способам повышения технологичности;

K (K) и K (K) - наибольшее и наименьшее значения из p значений коэффициентов рассматриваемых функциональных признаков (способов повышения технологичности);

() - среднеквадратичное отклонение значений коэффициентов функциональных признаков (способов повышения технологичности), определяемое по формуле:

; .

Значения и ( и ) сравниваются с максимальным значением max, выбираемым в зависимости от доверительной вероятности pд. Так, например, для опроса из 5 экспертов количество анализируемых значений p=5, при доверительной вероятности pД=0,9, как наиболее часто используемой и рекомендуемой, значение max=1,79.

Если () > max, то значение K (K) необходимо исключить из ряда как грубую погрешность. При () > max исключается величина K (K).

После исключения грубых ошибок из каждого ряда значений коэффициентов, находим действительные значения коэффициентов K(K) для каждого ряда. При этом необходимо помнить, что () . Поэтому для корректировки среднеарифметических значений K(K) в каждом ряду, необходимо ввести масштабный коэффициент ms. Тогда формулы для расчёта будут выглядеть следующим образом:

- для функциональных признаков:

;

,

где p - количество экспертных значений коэффициентов, оставшихся после исключения грубых ошибок;

.

- для способов повышения технологичности:

; ,

где p - количество экспертных значений коэффициентов, оставшихся после исключения грубых ошибок;

.

3. Методика проведения оценки ТКД по количественному признаку

Ниже в п.3.1-3.3 приведена методика оценки ТКД, предложенная в [19, 21], с изменённой методикой определения коэффициента обрабатываемости материала; в п.3.4 описана предлагаемая методика расчёта действительных коэффициентов весомости показателей на основе значений экспертов.

3.1 Определение фактических (достигнутых) показателей технологичности

1. Коэффициент унификации конструктивных элементов:

,

где Qуэ - число унифицированных конструктивных элементов;

Qэ - число конструктивных элементов в детали.

К конструктивным элементам детали относятся такие элементы, как: резьбы, галтели, фаски, проточки, канавки, отверстия, шлицы, элементы крепления и т.п.

2. Коэффициент стандартизации конструктивных элементов:

,

где Qcэ - число стандартизованных конструктивных элементов;

Qэ - число конструктивных элементов в детали.

3. Коэффициент применяемости стандартизованных обрабатываемых поверхностей:

,

где Dос - число поверхностей, обрабатываемых стандартным режущим инструментом;

Dоп - число поверхностей, подвергаемых механической обработке.

4. Коэффициент обработки поверхностей:

,

где Dоп - число поверхностей, подвергаемых механической обработке;

Dп - общее число поверхностей детали.

5. Коэффициент повторяемости поверхностей:

,

где Dн - число наименований поверхностей;

Dп - общее число поверхностей детали.

6. Коэффициент использования материала:

,

где Мдет - масса детали;

Мзаг - масса заготовки.

7. Коэффициент обрабатываемости материала [8, 12, 18]:

Под обрабатываемостью материалов в широком смысле этого слова понимают способность материалов подвергаться резанию по ряду технологических показателей. К ним относятся: допускаемая скорость резания, возникающие в процессе резания силы, шероховатость обработанной поверхности, тип стружки и условия её отвода из зоны резания и т.п.

Комплексное определение показателей обрабатываемости позволяет подобрать материал, не только удовлетворяющий эксплуатационным требованиям, предъявляемым к детали, но и обеспечивающий минимальную стоимость механической обработки резанием.

Поскольку производительность и себестоимость обработки зависят главным образом от допускаемой скорости резания, то для любого вида и характера обработки, независимо от специфических особенностей технологического процесса, основным показателем обрабатываемости является скорость резания. Считают, что лучшую обрабатываемость имеет тот материал, который при прочих равных условиях допускает более высокую скорость резания.

Количественно обрабатываемость оценивают коэффициентом обрабатываемости, представляющим собой отношение скорости резания, допускаемой при резании определённого материла, к скорости резания, допускаемой материалом, принятым за эталонный. Если коэффициент обрабатываемости больше единицы, то данный материал обрабатывается лучше, чем эталонный, а если меньше единицы - то хуже.

В качестве эталонного материала обычно принимают углеродистую конструкционную сталь 45, для которой коэффициент обрабатываемости считается равным единице.

Принимая во внимание вышесказанное, математическую зависимость для расчёта коэффициента обрабатываемости можно представить следующим образом:

,

где Vср - усреднённая скорость резания, допускаемая при обработке рассматриваемого материала;

V - усреднённая скорость резания, допустимая для базового материала (сталь 45).

В существующей справочной литературе [15, 18, 20] при определении скорости резания проводится чёткое разделение диапазонов рекомендуемых скоростей в зависимости от инструментального материала (быстрорежущего или твёрдосплавного) для любого обрабатываемого материла. Вследствие этого при расчёте коэффициента обрабатываемости необходимо принимать это во внимание и соотносить между собой скорости как рассматриваемого, так и эталонного материала при обработке режущим инструментом из одного и того же материала.

Принимая во внимание рекомендации [15, 18, 20] для определения и дальнейшего применения усреднённых коэффициентов обрабатываемости, целесообразно рассчитывать эти коэффициенты, руководствуясь усреднёнными значениями скоростей для предлагаемых в литературе их диапазонов при различных глубинах резания. Так усреднённое значение скорости резания для стали 45 при обработке инструментом из быстрорежущей стали составляет 30 м/мин, а при обработке твёрдосплавным инструментом - 107 м/мин.

8. Коэффициент точности обработки:

,

где Аср= - средний квалитет точности;

Аi - квалитет обработки;

n - число размеров соответствующего квалитета, получаемых обработкой резанием.

9. Коэффициент шероховатости поверхности:

,

где Бср= - среднее числовое значение параметра шероховатости;

Бi - числовое значение параметра шероховатости (предпочтительно по параметру Ra);

n - число обрабатываемых поверхностей с соответствующим числовым значением параметра шероховатости.

10. Коэффициент применения типовых технологических процессов:

,

где Qтп - число типовых технологических процессов;

Qп - общее число применяемых технологических процессов для группы деталей, участка, ГПМ или ГПС.

Определить уровень технологичности объекта по каждому из вышеперечисленных частных показателей можно после их расчёта и сравнения с нормативными (базовыми) по следующей зависимости:

,

где П - фактическое (достигнутое) значение одного из дополнительных показателей технологичности;

П - нормативное (базовое) значение рассматриваемого показателя технологичности.

3.2 Определение нормативных (базовых) показателей технологичности

Для сравнительной оценки технологичности конструкции деталей обычно используют базовые показатели технологичности, которые необходимо обеспечить в процессе конструкторской и технологической подготовки производства и которые обычно характеризуют современный уровень развития технологии.

Величина базового показателя технологичности оказывает существенное влияние на значения показателей уровня технологичности. Поэтому определение численных значений базовых показателей является важным подготовительным этапом отработки конструкции детали на технологичность.

Известен ряд методов определения значений базовых показателей технологичности, но большинство из них требует сложных расчётов и большого объёма исходной информации. В связи с этим наиболее удобно установить только верхнюю и нижнюю границы базовых показателей, определяемых по фактически достигнутым показателям на предприятии для аналогичных типов деталей. Нижний предел базового показателя определяется как среднее арифметическое фактически достигнутых значений, а верхний назначается на уровне достигнутых показателей для изделий высшей категории качества.

Интервал значений базовых показателей увязан с трёхбалльной шкалой («неудовлетворительно», «удовлетворительно» и «хорошо»). Крайние значения интервала соответствуют оценкам «неудовлетворительно» и «хорошо». Значения показателей в интервале от минимального до максимального значения соответствуют оценке «удовлетворительно».

Для расчёта комплексного показателя технологичности вербальные значения шкалы переводятся в численные, где «неудовлетворительно» соответствует 2, «удовлетворительно» - 3, «хорошо» - 4.

3.3 Определение комплексного показателя технологичности

Неоднозначность оценки технологичности конструкции по группе показателей требует приведения этих показателей к единому комплексному показателю, расчёт которого может осуществляться следующим образом [21]:

,

где Бi - численное значение балла, соответствующее численной величине частного показателя при сопоставлении с базовым значением этого показателя;

а - величина удельного влияния (значимости) частного показателя.

Коэффициенты весомости а определяются экспертным путём по их приоритету, а их суммарное значение а = 1, т.е. весовые показатели нормированы на единицу.

При Бк 3 общая балльная оценка считается удовлетворительной, если Бк 3, то общая оценка детали по количественным показателям будет неудовлетворительной. При неудовлетворительном значении любого частного показателя Бi и/или комплексного показателя БК составляется перечень недостатков, предопределяющих негативные значения показателей, и разрабатываются предложения по улучшению технологичности конструкции рассматриваемой детали.

3.4 Методика определения действительных коэффициентов весомости

Как было указано выше, определение коэффициентов весомости а для каждого показателя производится методом экспертной оценки, как и в случае качественной оценки (см. п. 2.3). В результате опроса экспертов получают p значений для каждого коэффициента, на основании которых рассчитываются действительные коэффициенты а.

Методика расчёта действительных коэффициентов а аналогична описанной в п. 2.3.

Критерии появления грубых ошибок вычисляются по формулам:

;

,

где 1 и 2 - критерии каждого отдельного показателя;

а и а - наибольшее и наименьшее значения из p значений коэффициентов рассматриваемых для каждого показателя;

а - среднее значение коэффициентов для каждого показателя;

- среднеквадратичное отклонение значений коэффициентов каждого показателя, определяемое по формуле:

,

где а - среднее значение коэффициентов для каждого показателя;

p - количество рассматриваемых значений (число экспертов);

а - значение коэффициента, определённое каждым экспертом в отдельности.

Действительные значения коэффициентов а для каждого ряда с учётом масштабного коэффициента ms равны:

;

,

где p - количество экспертных значений коэффициентов, оставшихся после исключения грубых ошибок;

.

4. Моделирование процесса обеспечения ТКИ

Процесс обеспечения ТКИ представляет собой совокупность взаимосвязанных действий по последовательному формированию и преобразованию конструкции изделия вплоть до достижения планируемых показателей в соответствии с установленной целевой функцией с учётом принятых ограничений.

Для его формализованного представления и реализации могут быть использованы различные виды моделей. Выбор вида модели зависит, прежде всего, от её назначения и используемых средств отображения и реализации процесса обеспечения ТКИ [22].

4.1 Виды моделей и особенности их применения

Модели процессов обеспечения ТКИ подразделяются по их назначению на типовые и рабочие, а по используемым средствам отображения процесса - на информационные и математические.

Методики, изложенные выше в п. 2 и п. 3, наиболее полно отвечают требованиям к типовой модели, которая отражает взаимосвязь типовых задач и процедур обеспечения ТКИ и разрабатывается для множества (группы, семейства и т.п.) однотипных исполнений изделия определённого вида. Она предназначена для разработки на её основе рабочей модели процесса обеспечения ТКИ конкретного исполнения [22].

Предлагаемые методики содержат набор типовых проектных решений задач обеспечения ТКИ для формирования типовой модели. На базе этих решений должны быть разработаны алгоритмы и программы для автоматизированного решения задач обеспечения ТКИ (см. пункты 5, 6), а также рекомендации по их применению при разработке рабочих моделей процесса обеспечения ТКИ.

Рассматриваемые методики предоставляют возможность установления функций ограничения, которые бы учитывали конструкцию конкретного изделия и условия функционирования определённой организации, посредством их варьирования в зависимости от типа детали, типа производства и используемого оборудования.

Следовательно, предлагаемые методики содержат также и некоторые признаки рабочей модели, которая отражает взаимосвязь всей совокупности задач и процедур, реализуемых при обеспечении конструкции конкретного изделия в соответствии с принятой целевой функцией.

Что же касается разделения по используемым средствам отображения процесса, то на базе вышеприведённых методик наиболее целесообразным будет построение математической модели (см. п. 4.2), отражающей процесс обеспечения ТКИ на параметрическом уровне.

Тенденция внедрения математических моделей в процессы обеспечения ТКИ связана с использованием в проектно-конструкторских организациях систем автоматизированного проектирования (САПР).

Применение математических моделей способствует значительному уменьшению общего потока информации об изделии, так как они отражают наиболее существенные его признаки с точностью, достаточной для достижения оптимального уровня затрат ресурсов на производство, эксплуатацию и ремонт изделия. Кроме того, создаются предпосылки для автоматизации обеспечения ТКИ, что уменьшает объём нетворческого труда разработчиков, существенно меняет содержание и повышает эффективность творческой части труда.

4.2 Математическое моделирование

Математическое моделирование обеспечения ТКИ - сложный процесс, предусматривающий разработку и комплексное применение математических моделей различных объектов, с которым разработчик имеет дело во всех сферах проявления ТКИ.

Математические модели должны описывать структуру каждого объекта моделирования, включая состав его элементов и их взаимосвязи, и количественные характеристики объекта. Для описания структуры моделируемого объекта используют структурные модели, а для расчёта количественных характеристик - количественные модели [22].

Изучение любого объекта (технического, управленческого, производственного) происходит в несколько этапов:

1. определение особенностей функционирования объекта, факторов, влияющих на его функционирование, степень их влияния, выбор критериев оптимизации, которые отражают цель рассматриваемой задачи;

2. описательное моделирование; определение основных связей и зависимостей между элементами процесса с точки зрения их влияния на оптимизируемый критерий;

3. выбор класса типовой математической модели;

4. собственно математическое моделирование; описательная модель переводится на формальный математический язык, все ограничительные условия записываются в виде системы равенств или неравенств, а критерии оптимизации - в виде функции.

5. выбор метода решения для созданной модели; в зависимости от модели, выбирается уже известный метод решения или создаётся новый;

6. выбор или написание программы для решения задачи на ЭВМ.

Использование компьютера наиболее целесообразно в том случае, когда требуется часто проводить расчёты или если модель имеет большое количество переменных, уравнений связи между ними или ограничивающих условий.

Первые два этапа, из перечисленных выше, были выполнены при разработке методик оценки технологичности по качественному и количественному признакам (см. п. 2, п. 3).

Что же касается класса типовой математической модели, то в данном случае наиболее целесообразно использовать линейную модель.

Линейная модель включает целевую функцию и систему уравнений и/или неравенств, представляющих собой систему ограничительных условий.

Линейные модели применяются для формализации сложных объектов, чаще на этапе предварительной оценки поведения этих объектов.

Методы решения линейных моделей называют линейным программированием.

Из всех методов исследования это наиболее простые методы, эффективные при решении многих производственных и коммуникационных задач.

Наиболее часто для решения подобных моделей применяется симплекс метод.

4.2.1 Формирование главной оптимизационной модели

Изделие, как объект производства, эксплуатации и ремонта представляет собой сложную техническую систему (И - систему), для которой характерны определённые внутренние признаки и связи с внешней средой - производственной системой (П - системой) или системами эксплуатации (Э - системой) и ремонта (Р - системой) [22].

Рассмотрим более подробно взаимодействие изделия и производственной системы.

Как и все вышеперечисленные системы, изделие (И - система) и производственная система (П - система) обладают внутренними признаками [22]:

- составом (И, П);

- структурой (|И|, |П|);

- поведением().

Таким образом, получаем:

И = (И, |И|, );

П = (П, |П|, ).

Центральной задачей при обеспечении ТКИ является такой подбор состава и структуры И - системы, при котором достигаются наиболее целесообразные параметры внешней среды, характеризующие её поведение. Решение этой задачи находится определением экстремальной цели при обеспечении ТКИ. Так для производственной внешней среды получаем следующую целевую функцию:

ZП : (И, |И|, ) extr.

В качестве параметров, характеризующих поведение внешней среды (), принимают затраты ресурсов на производство (трудовые, материальные, энергетические и др.).

Параметрами, характеризующими состав и структуру проектируемого объекта ((И, |И|), являются показатели технологической рациональности и преемственности его конструкции.

Целью математического моделирования и последующей автоматизации процесса обеспечения ТКИ является сокращение трудоёмкости и материальных затрат этого этапа проектирования. Тогда неравенство, отражающее ограничительное условие для поведения внешней среды будет следующее:

,

где Тавт и Труч - трудоёмкость (сроки выполнения работ) при автоматизированном и ручном режиме обработки информации соответственно;

Савт и Сруч - стоимость обработки информации при автоматизированном и ручном режиме обработки информации соответственно.

В соответствии с методиками (см. пункты 2, 3), состав и структура изделия в рассматриваемом случае характеризуются набором качественных и количественных показателей технологичности изделия (здесь детали).

В соответствии с п. 2.1 и 2.3 разрозненные показатели приводятся к комплексным (Ак и Бк) как в качественной, так и в количественной методиках оценки. Именно на комплексные показатели накладываются ограничения в соответствии с используемой внутренней балльной шкалой оценки:

; .

Тогда главная оптимизационная модель процесса оценки детали на производственную технологичность будет выглядеть следующим образом:

Целевая функция: ZП : (И, |И|, ) extr

Ограничения: ; .

4.2.2 Формирование модели поведения внешней среды

Как уже было упомянуто ранее, основными параметрами этой модели будут трудоёмкость (сроки выполнения работ) и стоимость обработки информации.

Пусть y1 - трудоёмкость, а y2 - стоимость при автоматизированном режиме обработки информации. Тогда целевую функцию рассматриваемой модели можно выразить следующим образом:

,

где a и b - поправочные коэффициенты, определяющие долю отдельной статьи затрат в общей смете затрат и приводящие показатели y1 и y2 к одной единице измерения.

Для ограничения для вышеуказанных параметров будут следующие:

; .

Тогда модель поведения внешней среды, будет следующая:

Целевая функция:

Ограничения: ; .

4.2.3 Формирование моделей состава и структуры изделия

В соответствии с предлагаемой методикой качественной оценки производственной технологичности деталей (см. п. 2), комплексный показатель определяют нахождением суммы произведений функционального признака (способа реализации) и его весового коэффициента. Однако, набор функциональных признаков (способов реализации) зависит от некоторых условий, а именно: тип детали, тип производства и вид оборудования.

Целевую функцию в этом случае можно представить следующим образом:

,

где {f1 … fn} - набор функциональных признаков (способов реализации) с учётом ограничительных условий;

{c1 … cn} - набор весовых коэффициентов в соответствии с полученным набором функциональных признаков (способов реализации).

Теперь необходимо определить ограничительные условия. Пусть N - полный набор имеющихся функциональных признаков (способов реализации); {d1, d2} - тип детали; {e1 … e5} - тип производства; {g1 … g5} - вид оборудования.

Тогда получаем:

{f1 … fn} = N - (D + E + G);

D = d1{f1 … fk} + d2{f1 … fm};

E = e1{f1 … fo} + … + e5{f1 … fp};

G = g1{f1 … fq} + … + g5{f1 … fr},

где D, E, G - наборы функциональных признаков (способов реализации), исключаемых из анализа при наложении ограничений по типу детали, типу производства и виду оборудования соответственно;

{f1 … fk}, {f1 … fm}, {f1 … fo}, {f1 … fp}, {f1 … fq}, {f1 … fr} - специфичные наборы функциональных признаков (способов реализации), присутствующие в анализе только при выборе определённого типа детали, типа производства и вида оборудования.

Параметры {d1, d2}, {e1 … e5}, {g1 … g5} могут принимать лишь два значения - 0 или 1 - в зависимости от выбранного типа детали, типа производства и вида оборудования. Кроме того, только один параметр в каждом наборе может быть равен 0 - тот, специфичный набор функциональных признаков (способов реализации) который обязательно должен присутствовать в анализе. 1 будет указывать на то, что эти специфичные наборы функциональных признаков (способов реализации) должны быть исключены из обработки.

Модель состава и структуры изделия при качественной оценке, будет следующая:

Целевая функция:

Ограничения: {f1 … fn} = N - (D + E + G);

D = d1{f1 … fk} + d2{f1 … fm};

E = e1{f1 … fo} + … + e5{f1 … fp};

G = g1{f1 … fq} + … + g5{f1 … fr}.

В соответствии с предлагаемой методикой количественной оценки производственной технологичности деталей (см. п. 3), комплексный показатель определяется нахождением суммы произведений балльной оценки каждого количественного показателя и его весового коэффициента. Балльная оценка показателей определяется при сравнении расчётного значения с интервалом базовых показателей. Именно базовые показатели и являются набором ограничительных условий в этом виде оценки.

Описание параметров разрабатываемой модели представлено в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Параметры модели - состава и структуры изделия при количественной оценке

№ п/п	Наименование	Параметры
1 2 3	Действительные показатели Весовые коэффициенты Базовые показатели: минимальные максимальные	{x1 … x10} {h1 … h10} {min1 … min10} {max1 … max10}

Тогда модель состава и структуры изделия при количественной оценке, можно представить следующим образом:

Целевая функция:

Ограничения: min1 < x1 max1;

min2 < x2 max2;

…………………

min10 < x10 max10.

На конечном этапе моделирования разрабатывается программное обеспечение для реализации полученной модели (моделей) (см. п. 6).

Оценка ТКИ (детали) осуществляется на основе анализа варианта модели изделия при заданном варианте модели производства. Затем, в случае необходимости, осуществляется разработка рекомендаций по содержанию и проведению изменения модели детали: отбор показателей ТКИ, подлежащих улучшению; установление отношений между значениями показателей ТКИ и характеристиками модели; группирование свойств элементов и характеристик модели; разработку рекомендаций по улучшению модели. На основе разработанных рекомендаций осуществляют корректировку моделей [22]. Программное обеспечение следует разрабатывать с учётом необходимости проведения такой корректировки.

5. Автоматизация процесса обеспечения ТКИ

Автоматизированное решение задач обеспечения ТКИ на основе математических моделей включает: установление состава математических моделей; разработку математических моделей; расчёт показателей и оценку ТКИ по моделям; разработку рекомендаций по содержанию и порядку изменения моделей с целью улучшения показателей ТКИ и повышения эффективности КПП, ТПП, производства, эксплуатации и ремонта изделия.

...