Характерные черты различных технологических процессов

При массовом производстве:

1) единичные процессы с детальной проработкой;

2) высокая степень специализации;

3) полная синхронизация операций;

4) поточные методы организации труда;

5) однопредметные автоматические линии;

6) транспортная связь с жестким ритмом;

7) высокая степень автоматизации;

8) низкая универсальность;

9) отсутствие гибкости.

Серийное производство:

1) процессы с неполной детальной проработкой – основное отличие от массового производства;

2) средняя степень специализации;

3) многопредметные автоматизированные линии;

4) низкий уровень автоматизации;

5) высокая универсальность;

6) низкая гибкость;

7) повышенная квалификация оператора.

Мелкосерийное производство:

1) укрупнение операций;

2) позиционные методы организации труда;

3) универсальное оборудование;

4) операторы высокой квалификации.

8.2. Модели и алгоритмы автоматизированного проектирования тех­нологических процессов

Проектирование технологических процес­сов включает в себя разработку принципиальной схемы технологи­ческого процесса, проектирование технологического маршрута об­работки изделия, технологических операций и переходов, получение управляющих программ для станков с ЧПУ. Исходные данные для проектирования технологического процесса следующие: 1) конст­рукторская документация в виде рабочих чертежей изделия или опи­сания конструкции изделия на специализированном входном языке; 2) допустимые варианты технологической оснастки, инструмента, приспособлений для реализации технологических операций и другая нормативная и справочная информация; 3) плановые задания на объем выпуска изделия. Основной задачей при проектировании тех­нологического процесса является синтез и оптимизация структуры маршрутной, операционной технологии и последовательности пере­ходов в зависимости от требуемой детализации технологического процесса. Для получения окончательного варианта технологического процесса рассчитываются и оптимизируются параметры техноло­гического процесса (показатели технологичности, технико-экономи­ческие параметры и др.).

Основой автоматизации проектирования технологических про­цессов является комплекс математических моделей (ММ), позволяющих получать формали­зованное описание конструкции изделия и основных этапов, эле­ментов и параметров технологического процесса.

Структурные модели применяются наиболее часто, так как объекты моделирования дискретны. Конкретный вид моделей оп­ределяется спецификой проектируемого технологического процес­са и содержанием решаемых задач. Рассмотрим примеры моделей для описания изделий, синтеза технологических процессов, расче­та оптимальных параметров технологического процесса.

8.2.1. Описание структуры и конструкторско-технологических свойств изделия

Для описания структуры и конструкторско-технологических свойств изделия в сборочно-монтажном производстве выделяются типовые элементы его структуры, что позволяет свести описание конструкции любого изделия к композиции типовых элементов. В результате для каждого класса изделий разрабатываются ММ типовых элементов сборки, которые рассматриваются как типовые элементы структуры изделия [1,8]. Например, на рис. 8.1, а показан типовой элемент сборки в сборочно-монтажном производстве печатных плат - резистор , ус­тановленный на печатной плате и закрепленный пайкой . Описание типового элемента сборки задается на множестве эле­ментов конструкции изделия и пространственных связей между ними с помощью графа сопряжений (рис. 8.1, б). Вершинами гра­фа являются элементы конструкции , входящие в состав типо­вого элемента сборки, а ребрами - поверхности связей элемен­тов конструкции . Поверхность связи - это часть по­верхности сопряжения типо­вого элемента сборки, имею­щая определенное функцио­нальное назначение, конст­руктивное исполнение и обладающая рядом признаков и количественных параметров (напри­мер, поверхности сопряже­ния, базирования, сцепления, маркировки, крепления и т. д.). Под элементом конструкции - понимается неделимый на части без воз­действия разрушающего усилия материальный элемент или компо­нент (деталь, вещество, материал), имеющий известное функцио­нальное назначение, конкретную область применения и обладаю­щий качественными и количественными свойствами. Граф сопря­жений описывает структуру изделия в сборке.

Важная форма пространственной взаимосвязи элементов сбор­ки - размерная связь, характеризующаяся параметрами геомет­рических контуров формы и положения, определяющих взаимное положение в пространстве отдельных контуров и самих элемен­тов сборки. Размерные связи описываются размерными цепями, которые представляются как графы размеров. Вершинами таких графов являются поверхности, линии и точки, соединяемые раз­мерами, а сами размеры являются ребрами графа. Простая раз­мерная цепь соответствует простому циклу в графе размеров. Каждому простому циклу, включающему замыкающее звено раз­мерной цепи, соответствует алгебраическое уравнение простой размерной цепи. Число таких уравнений при сложной структуре размерных связей равно числу простых циклов в графе размеров. На рис. 8.2, а приведен пример размерных связей деталей при сборке, на рис. 8.2, б - соответствующий граф размеров.

Разработка совокупности математических моделей типовых элементов сборки и размерных связей позволяет дать формализо­ванное описание структуры и свойств изделий вычислительной аппаратуры как объектов сборочно-монтажного производства. Та­кие модели являются базой для разработки состава и последова­тельности технологических операций и переходов для типовых эле­ментов сборки и формирования на этой основе рационального варианта технологического маршрута для сборки изделия в целом.

Рис. 8.2. Элемент конструкции платы (а) и граф размеров (б)

Моделью деталей при механообработке является схема обработки детали. Схема представляет собой совокупность контуров операционных эскизов заголовки детали и промежуточных контуров, получаемых на отдельных последовательно выполняемых уровнях обработки деталей. На рис. 8.3, а показаны
операционные эскизы заготовки 1 и готовой детали 2.

	а)		б)

Рис.8.3. Операционный эскиз заготовки и готовой детали (а) и инструментальный участок контура(б)

Каждый кон­тур состоит из множества элементарных геометрических участков, представляющих собой пары точек и линий , соединяющих эти точки (отрезок прямой, дуга окружности и т.п.). Точки называются опорными.

Контур может быть замкнутым и незамкнутым в зависимости от конкретной операции. Контур детали и операционных эскизов задается в системе координат ОХY, выбранной с таким расчетом, чтобы геометрические параметры элементарных участков контура были определены с наименьшей трудоемкостью. Обрабатываемые поверхности каждого контура разделяются на инструментальные участки 3 (рис. 8.3,6), обраба­тываемые одним инструментом при определенных режимах обра­ботки. Каждый операционный контур представляется в итоге сум­мой инструментальных участков. Рассмотренные модели деталей являются базой для разработки маршрутных и операционных карт технологического процесса механообработки деталей. Например, возможные варианты маршрута обработки детали можно предста­вить в виде графа G (S,U), множество вершин S которого характе­ризует состояние контуров операционных эскизов (межоперацион­ные размеры, их точность, шероховатость поверхности и др.), мно­жество дуг U - методы обработки, с помощью которых происходит переход от контура к контуру . Любой путь на графе из состоя­ния отображающего контур заготовки в состояние , соответ­ствующее контуру детали, будет представлять собой один из ва­риантов маршрута обработки детали.

8.2.2. Синтез технологических процессов

Для синтеза технологических процессов приме­няются табличные, сетевые, перестановочные модели технологи­ческого процесса или его этапов. Табличная модель описывает одну конкретную структуру технологического процесса, сетевая - множество структур с неизменным порядком следования его эта­пов, перестановочная - множество структур технологического про­цесса при изменении порядка следова­ния этапов технологического процесса. Эти модели представляются в виде графа, который определяет состав и последовательность (маршрут) выполнения этапов, операций, переходов и рабочих ходов при обработке и сборке изделия [8].

Рис. 8.4. Деталь (а) и таб­личная модель индивидуаль­ного технологического мар­шрута (б): -подрезка торца; - точе­ние; -сверление; -от­резка детали

Рис. 8.5. Перестановочная модель технологического процесса изготовле­-

ния детали, где цеха:

-литейный; -кузнечный - меха-

­нический; -термический; - механо-

­сборочный; - покрытий; -общей

сборки; - испытаний и упаковки

Вершины графа соответствуют элементам технологического процесса (этапам, операциям, переходам, рабочим ходам), дуги характеризуют последовательность выполнения этих элементов. В целом модель технологического процесса является многоуровневой. На верхнем уровне моделируется состав и вза­имосвязи основных этапов технологического процесса, на нижних уровнях — более подробный состав операций, переходов и рабочих ходов. Графы взаимосвязи операций моделей нижнего уровня яв­ляются результатом развертки графов взаимосвязи операций верх­него уровня. При математическом моделировании технологический процесс рассматривается как система технологических операторов , характеризующих процессы производства. Одному оператору может соответствовать этап технологического процесса, группа опе­раций, операция, переход и т. п. На рис. 8.4 показана деталь и таб­личная модель маршрута ее обработки на токарном станке, на рис. 8.5 - перестановочная модель основных операций на верхнем уровне проектирования технологического процесса (расцеховка изготовляемого изделия). На рис. 8.4 приведен пример индивиду­ального технологического маршрута. Для организации процедур синтеза технологических процессов проводится классификация различных деталей и получение для каждой выделенной группы (под-группы) обобщенного технологического маршрута. Обобщенный маршрут представляет собой упорядоченное множество операций для обработки однотипных групп деталей. На его основе можно синтезировать индивидуальные маршруты для конкретных деталей с учетом геометрических, технологических и других особенностей. С повышением уровня типизации технологических процессов и унификации изделий разработка обобщенных технологических маршрутов деталей значительно упрощается.

8.3. Оптимизация технологических процессов производства

8.3.1. Постановка задачи оптимизации технологических процессов производства

Для поддержания конкурентоспособности необходима оптимизация и автоматизация процесса производства. Следовательно, необходимы математические модели процессов. Эти модели связывают параметры процессов с критериями качества. Для каждого нового производства, оборудования, изделия необходима своя модель [3].

Проектирование процесса начинается с:

1) выбора оборудования (параметры оборудования влияют на качество);

2) выбора ассортимента изделий.

Исходными данными для проектирования являются ассортимент, объем выпуска продукции, сроки и т. д.

Выходными данными являются число рабочих мест, номенклатура и характеристики оборудования, состав и структура процессов сборки изделий, распределение операций по рабочим местам и порядок их выполнения на рабочем месте.

В модель включаются следующие соотношения:

1) для определения размеров партии;

2) для режимов работы оборудования;

3) операционного времени;

4) себестоимости;

5) точности;

6) надежности выполнения операций.

Критерий эффективности модели – себестоимость процессов, сроки выпуска, неравномерность загрузки рабочих мест и качество изделий.

Проектирование процесса – выбор одного из допустимых процессов.

Для решения этого вопроса существует несколько определений:

1) существует эффективное решение, если множество значений допустимых параметров замкнуто и критерии качества – это непрерывные функции от параметров;

2) решение эффективно, если среди сравнимых с ним нет безусловно лучшего;

3) два решения сравнимы, если все критерии одного решения не хуже соответствующих критериев другого изделия (процесса);

4) из двух решений лучше то, у которого хотя бы один критерий намного лучше соответствующего критерия другого процесса (решения);

5) для эффективных решений между альтернативными критериями существует взаимозависимость: улучшение одного критерия приводит к ухудшению других (хотя бы одного);

6) для получения этой взаимозависимости необходимо получить предельное улучшение любого критерия при фиксированных значениях остальных;

7) в результате оптимизации взаимозависимость между критериями остается неизменной.

2 наиболее часто применяемых критерия:

- стоимостной;

- критерий времени (по времени производства).

Многовариантная оптимизация связана с выбором оборудования, распределением операций, выбором размера партии и порядка выполнения на местах.

8.3.2. Расчет оптимальных параметров технологического процесса

Для расчета оптимальных параметров технологи­ческого процесса используются различные функциональные моде­ли, как правило, в виде аналитических зависимостей от управляе­мых параметров технологического процесса [9]. Примером аналити­ческой модели служит зависимость скорости резания от парамет­ров технологического процесса при наружном точении на токар­ном станке:

где - коэффициенты; - стойкость инструмента; m - по­казатель относительной стойкости инструмента; t - глубина реза­ния; s - подача; - показатели степени, заданные таблично.

Для сложных операций и этапов технологического процесса аналитические зависимости для выходных параметров неизвест­ны. Для их получения используются методы планирования экспе­римента и корреляционно-регрессионного анализа. Аналитические модели, полученные таким способом, применимы только для хо­рошо отлаженных технологических процессов, когда не может проявиться нестабильность его параметров. В общем случае не­известная функция для выходного параметра аппроксимирует­ся полиномом:

(8.1)

где -теоретические коэффициенты регрессии, опре­деляемые в результате проведения ряда экспериментов; -уп­равляемые параметры (выделенные факторы).

Основные этапы получения выражений вида (8.1) следующие: 1) ранжирование факторов по степени влияния и отсеивание малозначимых (как правило, оставляют 6. ..8 факторов). Для это­го привлекается широкий круг экспертов и проводится матема-тико-статистическая обработка результатов их опроса; 2) экспе­риментальное отсеивание малозначимых факторов и выделение (2...3) основных. Определение коэффициентов регрессии. На этом этапе применяются методы, основанные на использовании инфор­мации, полученной в результате реализации ряда экспериментов для определения выходного параметра в нескольких точках факторного пространства. Как правило, применяются методы активного (планируемого) эксперимента; 3) проверка адекватности полученной модели.

Эффективность оптимизации в значительной мере определя­ется правильным выбором критериев и целевых функций. Основ­ной целью в данном случае является разработка технологическо­го процесса, позволяющего с наименьшими затратами изготовить изделие и обеспечить его заданное качество. Основную группу критериев составляют стоимостные: где р- число переходов (операций); - затраты на выполнение i-го перехода (операции).

Рис. 8.6. Классификация методов синтеза технологических процессов

Критерии другой группы оценивают варианты опера­ций по затратам времени. К ним относятся критерии максималь­ной производительности; минимального времени на холостые пе­ремещения инструмента и на подготовительно-заключительные операции и т. п. Важный критерий — максимальная производи­тельность используемого оборудования (особенно это относится к станкам с ЧПУ). В отдельных случаях используются частные критерии, например, максимально возможная точность обработ­ки детали и т. п. Выбранные критерии оптимизации параметров технологического процесса дополняются системой ограничений, связанных с конкретными технико-экономическими требованиями.

Классификация методов синтеза технологических процессов приведена на рис. 8.6.

8.4. Структура и характеристики технологических систем

В технологическую систему входит оборудование, средства контроля, управления, транспортные средства, инструменты, объекты производства и сами люди.

В технологической системе предприятия выделяются следующие подсистемы:

1) технико-экономических показателей;

2) технологической подготовки производства;

3) материально-технического снабжения;

4) оперативно-календарного планирования;

5) подсистема сбыта готовой продукции;

6) подсистема кадров;

7) подсистема финансов;

8) подсистема бухгалтерского учета.