Moskva, Moscow, Russian Federation
The article addresses formalizing the process of selecting aggregate machine configurations at the conceptual design stage; analyses existing approaches to automating the creation of aggregate machine layouts. The authors use mental maps to describe the parameters of the workpiece and its manufacturing process, which influence the aggregate machine layout. The paper describes the procedure for establishing relationships between workpiece parameters and dimensions of standard aggregate machine units; provides a mathematical description of the process of selecting aggregate machine layouts based on workpiece parameters using elements of set theory and combinatorics. The aim is to develop an automated system for selecting visualized aggregate machine layouts at the conceptual design and technical proposal stages. Research methods include morphological analysis, synthesis, and observation. The article contains designs and schematics to facilitate the software implementation for the further preparation of the automated system. As a result, the authors have depicted mental maps depicting the relationships between workpiece parameters and standardized unit dimensions of aggregate machines, present a mathematical description of the automatic selection process for aggregate machine layouts. The findings state that this article represents one step in developing an automated system for selecting aggregate machine layouts.
set theory, automated system, aggregate machine, automation, mental map
Введение
Для повышения конкурентоспособности отечественной продукции машиностроения перед организациями-производителями металлорежущего станочного оборудования стоит важная задача по увеличению производительности, модернизации структуры и расширению номенклатуры изготавливаемых станков. Данное обстоятельство в равной степени актуально и для технологического оборудования для крупносерийного и массового производства, такого как агрегатные станки (АС). Существенным преимуществом данного вида станков является их высокая производительность по сравнению с универсальным оборудованием, постоянство качества выпускаемых деталей, возможность использования меньшего количества персонала более низкой квалификации и сравнительно невысокая стоимость станков. В частности, этот вид оборудования находит активное применение как на предприятиях Союзного государства (МТЗ, МАЗ, БЕЛАЗ, КАМАЗ и др.), так и в мире в целом (предприятия автомобильного сектора промышленности, производство трубопроводной арматуры и пр.).
За счет реализации модульного принципа проектирования технологического оборудования, примененного в рассматриваемых станках [1], при их конструировании возможен подход к созданию компоновок по параметрам обрабатываемых деталей. Элементы данного подхода рассматривались такими авторами как: Перегудов Л.В., Врагов Ю.Д., Аверьянов, Лехмус М.Ю. и др. Согласно базовой, для теории компонетики металлорежущих станков (МС), работе Врагова Ю.Д. [2] – компоновка станка является самостоятельным объектом изучения и отражает свои свойства на все ключевые технико-экономические характеристики проектируемого оборудования. В свою очередь, качество компоновки МС определяется решениями, принятыми на этапе технического предложения и эскизного проектирования. Формализацию описания компоновок металлорежущих станков на основе семизначного кода для отражения пространственного положения и типов элементов компоновки предложил в своей работе Лехмус М.Ю. [3]. Помимо этого, автор рассмотрел систему формализации описания требований отбора, систему структурного синтеза и систему пространственного синтеза компоновок металлорежущих станков. Данный научный задел может быть применен при структуризации компоновок АС и создании системы визуализации компоновок АС.
В другой диссертации [4] Перегудов Л.В. рассматривает вопрос теоретических основ формирования множества множеств структур АС и формализованные модели их взаимосвязей со структурой технологического процесса, производительностью, надежностью и параметров формы обрабатываемых поверхностей деталей, что позволяет осуществлять выбор наиболее рационального варианта компоновки АС при минимуме затрат.
Диссертация Гельштейна Я.М. [5] посвящена разработке методологического обеспечения процесса автоматизированного проектирования компоновок АС посредством разработки критериев поиска и анализа рациональных компоновок. Одной из решенных задач исследования стало разработанное программное обеспечение проектирования и выбора наиболее подходящего варианта компоновки АС. В более современном исследовании [6] автор рассматривает применение модульного подхода при проектировании станков с ЧПУ для единичного мелкосерийного производства. В рамках работы разработана методика унификации основных модулей станочного оборудования с ЧПУ, основанная на выделении ключевого агрегата и параметризации технологических модулей, обеспечивающую их аппаратную совместимость. В работе [7] предложена математическая модель модульного проектирования станков с ЧПУ на основе спроса потребителей, основанная на анализе требований клиентов. С помощью рассматриваемой функции качества выявляется базовая структура станков, путем дальнейшего применения нечеткой кластеризации и построения диаграммы динамической кластеризации выполняется уточнение структуры станка.
Тем не менее, в работе предлагается применение и расширение рассмотренных выше подходов в части автоматизированного выбора визуализированных компоновок АС по параметрам обрабатываемой детали.
Материалы, модели, эксперименты и методы
Для полного понимания связей характеристик детали и технологического процесса (ТП) её изготовления с компоновкой АС, на рис. 1 представлена диаграмма связей, известная также как интеллект-карта или ментальная карта [8].
Рис. 1. Диаграмма связей между параметрами обрабатываемой детали и компоновкой АС
Fig. 1. Diagram of relationships between workpiece parameters and the configuration of a transfer machine
На рассматриваемой диаграмме представлены следующие ключевые параметры, определяющие компоновку АС:
- объем выпуска деталей (Q, шт/год);
- ориентация поверхностей заготовки в рабочей зоне станка;
- режимы резания, усилие резания (F, H);
- габаритные размеры детали: длина (L, мм), ширина (B, мм), высота (H, мм);
- масса заготовки (M, кг);
- получаемая шероховатость, требуемая по чертежу (Ra, мкм);
- получаемые показатели качества, требуемые по чертежу (IT).
Прежде всего, вид компоновки зависит от требуемых объемов выпуска станка, т.к. для средне- и крупносерийного производства существуют разные подходы к написанию технологических процессов изготовления изделий, проектированию схем наладки инструмента и самого технологического оборудования. Так как в крупносерийном и массовом производстве преимущественно обрабатываются детали несложной геометрической формы, то в рабочей зоне станка деталь размещается исходя из ориентации обрабатываемой поверхности относительно плоскости поворотного делительного стола АС (параллельно плоскости стола, перпендикулярно плоскости стола, под углом к плоскости стола). Режимы резания в АС определяют узлы, отвечающие за основное главное движение резания и за движение подачи – узлы резания (сверлильные, фрезерные, расточные бабки и т.д.) и силовые столы. Так как при невозможности выполнить требование ТП при обработке узлом АС выбранного габарита, выбирается следующий по габариту узел. Габаритные размеры детали определяют все основные узлы АС, т.к. при выборе агрегатов и базовых элементов станка проводится проверка на возможность размещения заготовки детали на базовых узлах АС (средняя станина, поворотный делительный стол) и возможность её обработки узлами резания. Масса заготовки учитывается при подборе средней станины и поворотного делительного стола для проверки условия по допустимой грузоподъемности указанных узлов. Требования к качеству и точности поверхностей не являются определяющими в случае АС. Так как узлы АС изготавливаются классами точности «Н» и «П», что не позволяет обрабатывать на готовых станках особо точные детали. Однако не все указанные параметры будут рассматриваться далее в автоматизированной системе выбора компоновок АС. Такая характеристика как объем выпуска учитывается конструктором при выборе компоновки и перечная узлов, предлагаемых системой, поэтому компоновка по параметру «объем выпуска» самой системой не определяется. Требования к качеству и точности поверхностей в системе не используются по причине ограничений точности узлов АС, описанной выше.
Для описания процедуры выявления связей между параметрами детали и характеристиками узлов АС при выборе компоновок, подготовлена ментальная карта, изображенная на рис. 2.
Рис. 2. Ментальная карта процедуры выявления связей между параметрами детали и характеристиками узлов АС
Fig. 2. Mind map of the procedure for identifying relationships between workpiece parameters and transfer machine unit characteristics
Согласно представленной карте, в начале осуществляется установление массогабаритных характеристик деталей, объема выпуска, исходя из требований технического задания (ТЗ) и конструкторской документации (КД). Далее выполняется анализ технологического процесса изготовления детали, определяются обрабатываемые поверхности, их количество и расположение в рабочей зоне станка. Затем определяются базовые центральные узлы – поворотный делительный стол и средняя станина. Происходит установление связей и наложение зависимостей между размером установочной технологической базой детали, её массой и размером планшайбы поворотного делительного стола. Между присоединительным стыковочным размером стола и средней станины устанавливаются связи и накладываются зависимости. На последнем этапе осуществляется выбор узлов резания, узлов подачи и станин под данные узлы. Выполняется установление связей и наложение зависимостей между габаритами обрабатываемой плоскости, усилием резания и габаритом узла резания. Накладываются зависимости на присоединительные размеры узла резания и узла подачи, узла подачи и боковой станины.
Результаты
|
Ранее в [9] было выдвинуто описание множества конструкций АС в виде И-ИЛИ-дерева. В указанной работе проводилось группирование унифицированных узлов АС, исходя из их взаимозаменяемости между собой. Далее предлагается к рассмотрению множество возможных компоновок АС, подготовленное с помощью методов морфологического анализа и синтеза, рис. 3. |
|
|
Рис. 3. Множества возможных компоновок АС Fig. 3. Sets of possible transfer machine configurations |
Пусть S – непустое множество всех возможных вариантов компоновок АС, сконструированных из унифицированных узлов [10].
, (1)
где k – число таких компоновок.
Подмножество P – множество эквивалентных компоновок АС, являющихся решением технологической задачи.
, (2)
где n – количество всех эквивалентных компоновок, удовлетворяющих решению поставленной технологической задачи.
Множество P включает в себя компоновки, позволяющие обработать деталь с учетом её габаритных размеров, массы, ориентации обрабатываемых поверхностей.
Подмножество B – конечное множество вариантов решения проектной задачи, утвержденные варианты компоновок.
, (3)
где m – количество всех выбранных компоновок, удовлетворяющих решению поставленной проектной задачи.
B является множеством компоновок, утвержденных ответственным конструктором, с учетом требований ТЗ по объему выпуска Q, размещения станка в цеху, соблюдения условий занимаемой площади оборудования и т.д.
Таким образом, согласно [11] справедливо следующее:
.
Соответственно, каждый элемент множества B должен удовлетворять обозначенным выше условиям, рис. 4.
Как следствие, для множества возможных компоновок S справедливы общие правила комбинаторики. Для конкретного АС число компоновок будет рассчитываться по следующей формуле:
, (4)
где 
– количество узлов одного типа; p – число используемых в компоновке узлов АС.
Приведем в пример расчет количества вариантов компоновок одностороннего АС со средней станиной и поворотным делительным столом вертикальной или горизонтальной компоновки, который может выполнять или сверлильные, или фрезерные, или расточные операции, или же использовать многошпиндельную коробку. Для расчета будут использованы данные БД [12].
, (5)
где 
– число видов поворотных делительных столов; 
– число видов средних станин; 
– число видов боковых станин или подставок; 
– число видов силовых столов; 
– число видов узлов резания.
В свою очередь, для выбора эквивалентных компоновок, являющихся решением технологической задачи, обратимся к производственной функции Кобба-Дугласа [13]:
,
где 
– суммарное количество основных средств (станков); 
– суммарное количество труда.
|
При внедрении АС в условиях крупносерийного или массового производства суммарный объём основных средств (K) как правило увеличивается за счёт приобретения унифицированных узлов и систем автоматизации, а потребность в труде (L) снижается благодаря уменьшению количества ручных операций. При оптимальной компоновке АС это приводит к росту производительности (Q). Следовательно, вид компоновки технологического оборудования оказывает влияние на доступные производственные мощности. При более высоких объемах (в массовом и крупносерийном производстве) выпусках применяют принцип дифференциации технологических переходов, в среднесерийном производстве для повышения универсальности технологических модулей применяют принцип концентрации переходов. |
|
|
Рис. 4. Элемент множества B Fig. 4. Element of set B |
Соответственно, для количества узлов резания АС имеет место следующее утверждение:
, (6)
где 
– требуемый объем выпуска; 
– количество унифицированных узлов резания; 
– количество одновременно выполняемых технологических переходов одним узлом резания: 
– крупносерийное и массовое производство; 
– среднесерийное производство.
То есть при формировании компоновки АС фактор планируемого объема выпуска играет важную роль. Компоновки станков, обеспечивающие фактическую обработку детали, могут не соответствовать требуемой производительности или же обеспечивать объемы выпуска, но занимать чрезмерно большую производственную площадь.
Заключение
Предложенный подход к выбору визуализированных компоновок агрегатных станков является основой для последующей разработки автоматизированной системы, позволяющей сократить трудоемкость проектирования АС на стадиях эскизного проектирования и технического предложения.
Рассмотренное математическое описание выбора создания компоновок АС формализует процесс выбора и утверждения компоновки АС с помощью элеметов теории множеств и комбинаторики.
С помощью приведенных выше утверждений, возможна дальнейшая программная реализация рассмотренных подходов в рамках автоматизированной системы подготовки визуализированных комопоновок АС по параметрам обрабатываемой заготовки.
1. Aver'yanov O.I. Modul'nyy princip postroeniya stankov s ChPU. – M.: Mashinostroenie, Moskva. – 1987. – 232 s.
2. Vragov Yu.D. Analiz komponovok metallorezhuschih stankov: (Osnovy komponetiki). – Moskva: Mashinostroenie, 1978. – 208 s.
3. Lehmus M.Yu. Avtomatizirovannyy sintez komponovok metallorezhuschih stankov: dissertaciya ... kandidata tehnicheskih nauk: 05.03.01. – Moskva, 1992. – 120 s.
4. Peregudov L.V. Osnovy teorii sinteza strukturnyh komponovok agregatnyh stankov: dissertaciya ... doktora tehnicheskih nauk: 05.03.01. – Tashkent, 1989. – 409 s. + Pril. s. 410-525.
5. Gel'shteyn Ya.M. Povyshenie effektivnosti proektirovaniya komponovok agregatirovannyh mnogooperacionnyh stankov: dissertaciya ... kandidata tehnicheskih nauk : 05.03.01. – Moskva, 1984. – 368 s.
6. Krylova A.A. Issledovanie i razrabotka modul'nogo tehnologicheskogo oborudovaniya dlya edinichnogo i melkoseriynogo proizvodstva: dissertaciya ... kandidata tehnicheskih nauk: 05.11.14 / Krylova Anastasiya Andreevna; [Mesto zaschity: FGAOU VO «Nacional'nyy issledovatel'skiy universitet ITMO»]. – Sankt-Peterburg, 2021. – 309 s.
7. Li F., Li X., Xie H. Modular design research of computer numerical control machine tools oriented to cus-tomer requirements // Advances in Mechanical Engineering. – 2020. – T. 12. – № 4.
8. Revenkov A.V., Reznikova E.V. Teoriya i praktika resheniya tehnicheskih zadach: ucheb. Posobie / A.V. Revenkov, E.V. Reznikova. – 2-e izd., ispr. i dop. – M.: FORUM, 2009. – 384 s.
9. Dalechin A.S., Feofanov A.N. Rol' avtomatizirovannoy sistemy vybora komponovok agregatnyh stankov na stadii eskiznogo proektirovaniya // Vestnik MGTU «Stankin». – 2025. – № 2 (73). – S. 126-133.
10. Bron L.S., Zayceva A.M., Tokareva S.V. Unificirovannye uzly agregatnyh stankov i avtomaticheskih liniy. – Moskva: NIImash, 1983 – 136 c.
11. Averchenkov V.I. Osnovy matematicheskogo modelirovaniya tehnicheskih sistem: ucheb. posobie / V.I. Averchenkov, V.P. Fedorov, M.L. Heyfec; M-vo obrazovaniya i nauki Ros. Federacii, Bryan. gos. tehn. un-t. - Bryansk: Izd-vo BGTU, 2004. – 269.
12. Svidetel'stvo o gosudarstvennoy registracii bazy dannyh № 2025620903 Rossiyskaya Federaciya. Baza dannyh vizualizirovannyh unificirovannyh uzlov agregatnyh stankov: zayavl. 13.02.2025: opubl. 25.02.2025 / A.S. Dalechin, A.N. Feofanov; zayavitel' Federal'noe gosudarstvennoe byudzhetnoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego obrazovaniya «Moskovskiy gosudarstvennyy tehnologicheskiy universitet «STANKIN»
13. Kleyner G.B. Proizvodstvennye funkcii: Teo-riya, metody, primenenie. – Moskva: Finansy i statistika, 1986. – 238s.
