Камышин, Волгоградская область, Россия
УДК 621.9 Обработка резанием (снятием стружки).Резка (разделительные операции без образования стружки).Дробление и измельчение.Обработка листового материала.Изготовление резьбы и т.д. Способы (технология), инструменты, машины и приспособления
Представлен методический подход информационного обеспечения технологической подготовки систем механообработки, направленный на создания интеллектуальных систем автоматизированного проектирования и реализации технологических процессов с учетом реальной производственной ситуации. Внедрение автоматизированного проектирования технологических процессов сдерживается из-за отсутствия доступных научно-методических принципов и практических методик проектирования банков данных, отвечающих основным требованиям к обеспечению необходимого качества обработки информации и ориентации на потребности в решении задач в реальных производственных условиях. Основной причиной этого является недостаток исходной информации, которую можно в формализованном виде получить из конструкторской и технологической документации без дополнительного участия инженера. Включая данные по обрабатывающим станкам и средствам технологической оснастки, позволяющим на основе сопоставления имеющихся реальных технологических возможностей каждой единицы оборудования и характеристик деталей (заготовок) выполнять необходимые проектные процедуры по разработке технологических процессов. Разработана структура взаимосвязей между отдельными параметрами и характеристиками поверхностей обрабатываемой детали и средствами технологического оснащения, последовательность формализованного описания представленной схемы с использованием в качестве математического аппарата теории графов. Спроектированы элементы связей, описывающие: влияние используемого технологического способа на изменение показателей качества обрабатываемой поверхности в рамках отдельного технологического перехода; предельные размеры, качественные характеристики используемых в качестве базовых поверхностей и требования к их взаимному пространственному расположению для варианта выбранной технологической оснастки в системе координат оборудования; диапазоны рабочей зоны обработки, учитывающей совокупность параметров обрабатываемой и базовых поверхностей детали с элементами технологической оснастки. Результатом создания графа, на основе которого формируется база данных в реляционной форме, является четко структурированное информационное обеспечение для выполнения комплекса проектных процедур, ориентированное на анализ установочных и операционных размерных связей. Развитие методической базы информационного обеспечения создания систем автоматизированной технологической подготовки производств, обеспечивает учет, как реального состояния действующих систем, так и сложившуюся современную ситуацию в области управления разработкой технологических процессов.
машиностроительное производство, технологическая подготовка механообрабатывающего производства, установочные размерные связи, базы данных, системы автоматизированного проектирования
Введение
Развитие информационного обеспечения технологической подготовки комплексов механообработки в настоящее время становится одним из определяющих направлений научно-исследовательских работ, без которых невозможно создания интеллектуальных систем автоматизированного проектирования и реализации технологических процессов с учетом реальной производственной ситуации. В связи с объективным фактором специфических особенностей каждого конкретного производства, обусловленного номенклатурой и программой выпускаемой продукции, составом и состоянием оборудования, технологической оснастки, профессиональным уровнем кадров и организацией технологической подготовки производства, сложившуюся ситуацию в организации данных в целом можно охарактеризовать как недостаточно отражающую современным запросам общества [1 – 6]. Даже при использовании известных систем автоматизированного проектирования для выполнения отдельных технологических проектных процедур пользователи насыщают информационные базы на основе своих субъективных знаний и опыта. Это приводит зачастую к недостоверности, избыточности, противоречивости данных, что сказывается на качестве технологической подготовки и управлении реализацией производственных процессов.
Внедрение в вопросах проектирования технологических процессов информационной технологии сдерживается из-за отсутствия доступных научно-методических принципов и практических методик проектирования банков данных, отвечающих основным требованиям к обеспечению необходимого качества обработки информации и ориентации на потребности решения задач в реальных производственных условиях.
Материалы и методы
Процесс создания технологии основан на анализе исходных данных и данных, получаемых в ходе реализации технологии, которые являются основой для выработки управляющих решений. Известные в настоящее время исследования в данном направлении в решении приведенных вопросов связаны с двумя аспектами:
– формирования на основе статистического анализа структурных таблиц точности обработки, содержащих значения величин и оценки достоверности изменения технологических допусков в ходе многостадийной механической обработки, адаптированных под технологические возможности и технологические традиции конкретного механообрабатывающего производства для оптимального проектирования маршрутных технологий механической обработки поверхностей заданного качества [7– 9];
– обоснования структуры базы данных с локализацией информационных объектов, характеризующих отдельные проектные процедуры создания и реализации технологии, с формализованным описанием перечня информационных объектов и возможных взаимосвязей между ними [10 – 12].
Выполненные исследования позволили частично систематизировать подходы к информационному обеспечению технологической подготовки механообрабатывающих производств, однако не создали условий для разработки унифицированных методов сбора и обработки данных с последующим автоматическим заполнением и корректировкой баз, однотипных для различных производств. Одной из причин этого является недостаток исходной информации, которую можно в формализованном виде получить из конструкторской и технологической документации без дополнительного участия инженера. В статье [13] приведена методика формирования в виде графов с последующим созданием математической модели описания детали (заготовки), включающей всю информационную составляющую по данному объекту для выполнения проектирования технологического процесса.
Необходимость в таком же полном описании очевидна для обрабатывающих станков и средств технологической оснастки, позволяющих на основе сопоставления имеющихся реальных технологических возможностей каждой единицы оборудования и характеристик деталей (заготовок) выполнять необходимые проектные процедуры по разработке технологических процессов. Такое описание значительно сложнее и требует установления взаимосвязей между отдельными параметрами и характеристиками обрабатываемой детали и средств технологического оснащения, поэтому первоначально (рис. 1) представлено описание структурной схемы этих взаимосвязей. Построение схемы выполнялось с учетом требований обеспечения полноты необходимой информации применительно к системе планирования многономенклатурных технологических процессов как на стадиях разработки маршрутной [14], так и операционной технологии [15].
Информационные связи охватывают
анализ:
– влияния используемого технологического способа на изменение показателей качества обрабатываемой поверхности в рамках технологического перехода;
– предельных размеров качественных характеристик, используемых в качестве базовых поверхностей детали и требования к их взаимному пространственному расположению для варианта выбранной технологической оснастки в системе координат оборудования;
– диапазона рабочей зоны обработки, учитывающей параметры обрабатываемой и базовых поверхностей детали с элементами технологической оснастки.
Для формализованного описания представленной схемы с использованием в качестве математического аппарата теории графов выполнены исследования в следующей последовательности. Первоначально для описания связей между видами базовых и возможного множества обрабатываемых поверхностей разработан граф (рис. 2).
Граф MmD изображающий структуру и взаимосвязи базовых и обрабатываемых поверхностей включает:
– множество вершин S⊂(Bs
St) описывающих применяемые базовые поверхности
Bs =
, где
– код вида элементарной поверхности в соответствии классификатора системы планирования многономенклатурных технологических процессов, и обрабатываемые поверхности St = 
, где N – количество возможных видов обрабатываемых поверхностей при использовании рассматриваемого технологическом оборудовании и технологической оснастки;
– множество дуг U =
описывающих требования к взаимосвязям между поверхностями.
В зависимости от использования для отдельных проектных задач технологической подготовки производства граф можно записать как MmD = ( S, U), так и MmD = ( S, Г), где
Г – отображение множеств. Подграф
Abs ⊂ MmD , включающий базовые поверхности определяется множеством исходящих
дуг U
.
На следующем этапе создания графа
(рис. 3) каждая из дуг наполняется информацией: Ac – требования к точностным размерным параметрам, устанавливающим связь базовых поверхностей между собой
(Ac Bs1 – Bc2, Ac Bs2 – Bc3, Ac Bs1 – Bc3) и обрабатываемыми поверхностями (Ac Bs1 – St1, Ac Bs2 – St1, Ac Bs3 – St1 ; …. ; Ac Bs1 – StN, Ac Bs2 – StN, Ac Bs3 – StN ) в рамках рассматриваемого технологического перехода; Mt – требования к взаимному расположению базовых поверхностей между собой (Mt Bs1 – Bc2, Mt Bs2 – Bc3, Mt Bs1 – Bc3 ) и обрабатываемыми поверхностями (Mt Bs1 – St1, Mt Bs2 – St1, Mt Bs3 – St1; …. ; Mt Bs1 – StN, Mt Bs2 – StN,
Mt Bs3 – StN) в рамках рассматриваемого технологического перехода.
Для формализованного преобразования графического символьного изображения известен широкий набор математических аппаратных и программных средств. Учитывая требования универсальности и максимальной наглядности, обеспечивающих удобство последующей алгоритмизации проектных процедур, предлагается реляционная форма представления данных (рис. 4).
Дальнейшее описание графа (рис. 5) заключается в насыщении информацией, относящейся к диапазону значений базовых и обрабатываемых поверхностей: габаритные ограничения по расположению (Dm(Bs1)x , Dm(Bs1)y , Dm(Bs1)z; Dm(Bs2)x , Dm(Bs2)y , Dm(Bs2)z; Dm(Bs3)x , Dm(Bs3)y , Dm(Bs3)z; Dm(St1)x , Dm(St1)y , Dm(St1)z; ….. ; Dm(StN)x , Dm(StN)y , Dm(StN)z ) и расположение нулевых точек поверхностей в соответствии с принятыми положениями в системе планирования многономенклатурных технологических процессов (Po(Bs1)x , Po(Bs1)y , Po(Bs1)z; Po(Bs2)x , Po(Bs2)y , Po(Bs2)z; Po(Bs3)x , Po(Bs3)y , Po(Bs3)z; Po(St1)x , Po(St1)y , Po(St1)z; …… ; Po(StN)x , Po(StN)y , Po(StN)z) в трехмерной системе рабочей зоны координат станка. Базовых поверхностей: точности (Ac(Bs1), Ac(Bs2), Ac(Bs3)), отклонений от геометрической формы (Dv(Bs1), Dv(Bs2), Dv(Bs3)), шероховатости (Rg(Bs1), Rg(Bs2), Rg(Bs3)), твердости (Hr(Bs1), Hr(Bs2), Hr(Bs3)). Структура реляционной формы представления информации
(рис. 6 – 8).
Окончательное формирование графа (рис. 9) заключается в занесении информации, связывающей параметры поверхности заготовки (w) и обработанной поверхности (f) для каждого из множества возможных технологических переходов (Ac w-f(St1), Dv w-f (St1), Rg w-f (St1), Hr w-f (St1); Ac w-f(St2), Dv w-f (St2), Rg w-f (St2), Hr w-f (St2); …. ; Ac w-f(StN), Dv w-f (StN), Rg w-f (StN), Hr w-f (StN)). На рис. 10 представлена структура реляционного преставления технологических связей посредством последовательного изменения параметров поверхностей.
Разработанный граф содержит сведения, отражающие исчерпывающую информацию по принятию решений как о возможности выполнения конкретного вида обработки определенной поверхности, так и наличия необходимых базовых поверхностей у изготовляемой детали, с учетом реального наличия и состояния оборудования, средств технологического оснащения. Структура и описание его однотипна представлению данных об обрабатываемых деталях [13] и отражает методологию системы планирования многономенклатурных технологических процессов. Представленная система характеристических ограничений имеет открытую структуру, позволяющую их расширение и дополнение. Дополнительным аспектом является наличие в графе информации о предельных размерных характеристиках поверхностей и компоновки их расположениях на детали, соотнесенных к параметрам базовых поверхностей в координатах рабочей зоны станка. Это расширяет возможности и степень обоснованности принятия решений на этапе генерации вариантов последовательности обработки поверхности, и позволяет использовать инструментарий геометрического подхода для трехмерного пространства.
Заложенные при создании графического представления информационного обеспечения технологической подготовки производства предусматривало задачу кардинального снижения трудоемкости и сложности заполнения баз данных на предприятиях и максимальную унификацию на отраслевом уровне. Так работы по созданию структур взаимосвязей базовых и обрабатываемых поверхностей, учитывая известное множество используемого технологического оборудования и стандартной оснастки к ним, одинаково и может быть выполнено на отраслевом уровне (рис. 11).
Информация к точностным характеристикам этих связей, требования к базовым поверхностям и диапазоны значений базовых и обрабатываемых поверхностей так же имеет свойство универсальности и может быть сформирована производителями станочного оборудования, как методическая технологическая поддержка, или на отраслевом уровне. На долю технологических служб предприятий ложится только обязанность установления параметров взаимосвязи поверхности заготовки и обработанной поверхности для технологических переходов, т. е. непосредственная настройка с учетом реального состояния производства и подходов к его организации. Однако, даже этот этап можно выполнить без участия специализированного персонала, основываясь на нормативных, справочных и статистический данных.
Заключение
Результатом создания метода конструирования графа, на основе которого формируется база данных в реляционной форме, является четко структурированное информационное обеспечение выполнение комплекса проектных процедур технологической подготовки механообрабатывающих производств. Разработанная модель отображения атрибутами теории графов технологических возможностей механообрабатывающего оборудования включает в себя информационную модель установления связей между базовыми и обрабатываемыми поверхностями, назначения диапазонных значений размеров и характеристик поверхностей с учетом конструктивно-компоновочной структуры детали, параметров рабочей зоны оборудования, элементов оснастки, используемых при базировании. Структура создаваемой базы данных в значительной мере ориентирована на анализ установочных и операционных размерных связей, являющихся в значительной мере качественным критерием принятия проектных решений при технологической подготовке механообрабатывающего производства в автоматизированном режиме. Представленные материалы развивают методическую базу информационного обеспечения создания систем автоматизированной технологической подготовки механообрабатывающих производств, учитывающих как реальное состояние действующих систем, так и сложившуюся современную ситуацию в области управления разработкой технологических процессов.
1. Справочник технолога / под общей ред. А.Г. Суслова. М.: Инновационное машиностроение, 2019. 800 с.
2. Базров Б.М. Базис технологической подготовки машиностроительного производства: монография. М.: КУРС, 2023. 324 с.
3. Васильев А.С., Дальский А.М., Золотаревский Ю.М., Кондаков А.И. Направленное формирование свойств изделий машиностроения /под ред. А.И. Кондакова. М.: Машиностроение, 2005. 352с.
4. Суслов А.Г., Федонин О.Н., Петрешин Д.И. Фундаментальные основы обеспечения и повышения качества изделий машиностроения и авиакосмической техники. Вестник Брянского государственного технического университета. 2020; 2(87). С. 4–10.
5. He B., Bai K.J. Digital twin-based sustainable intelligent manufacturing: a review // Adv. Manuf. 2021. Vol. 9. P. 1–21.
6. Chakraborty S., Chowdhury R. Graph-theoretic-approach-assisted Gaussian Process for Nonlinear Stochastic Dynamic Analysis Under Generalized Loading // Journal of Engineering Mechanics. 2019. Vol. 145. № 12. P. 04019105.
7. Чигиринский Ю.Л., Крайнев Д.В., Фролов Е.М. Цифровизация машиностроительного производства: технологическая подготовка, производство, прослеживание // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2022. № 8 (134). С. 39– 48.
8. Чигиринский Ю.Л., Крайнев Д.В., Тихонова Ж.С. Трансформация информационной структуры как инструмент повышения эффективности многономенклатурного производства // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2024. № 4 (154). С. 29–40.
9. Ингеманссон А.Р. Основные положения методологии технологической подготовки производства и адаптивного управления в цифровых производственных системах для механической обработки // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2021. № 1 (248). С. 15–18.
10. Бочкарев П.Ю. Проектирование маршрутов многономенклатурных технологических процессов механообработки. Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 1996. 104 с.
11. Бочкарев П.Ю. Системное представление планирования технологических процессов механообработки // Технология машиностроения. 2002. № 1. С. 10–14.
12. Бочкарев П.Ю. Развитие теории и принципов планирования многономенклатурных технологических процессов механообработки и сборки // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2024. № 9 (159). С. 25–32.
13. Бочкарев П.Ю., Решетникова Е.П. Повышение качества технологической подготовки механообрабатывающих производств на основе расширенного анализа конструктивных характеристик деталей // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2023. № 2 (150). С. 30–36.
14. Иванов А.А., Бочкарев П.Ю. Оперативное планирование в многономенклатурном производстве. Методы и алгоритмы взаимодействия: монография // Saarbrucken: LAP LAMBERT, 2016. 270 с.
15. Митин С.Г., Бочкарев П.Ю., Азиков Н.С. Метод генерации структур технологических операций для оборудования сверлильной группы // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2018. № 2. С. 69–74.
