Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Гаврилюк Юрій Романович
УДК 621.91.06
СТРУКТУРНО-КОМПОНОВОЧНИЙ СИНТЕЗ
БАГАТОНОМЕНКЛАТУРНИХ АГРЕГАТНИХ ВЕРСТАТІВ
05.03.01- процеси механічної обробки, верстати та інструменти
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук.
Харків - 1998
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі технології машинобудування та металорізальних верстатів Харківського державного політехнічного університету.
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент
Карпусь Владислав Євгенович
Харківський державний політехнічний університет, доцент кафедри технології машинобуду вання та металорізальних верстатів.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Гапонов Володимир Степанович,
Харківський державний політехнічний університет, завідувач кафедрою деталей машин та прикладної механіки;
кандидат технічних наук, доцент
Мельниченко Олександр Анатолійович,
Українська інженерно-педагогічна академія, завідувач кафедрою металорізальних верстатів та теорії різання металів (м. Харків).
Провідна установа: Харківський науково-дослідний інститут
технології машинобудування, м. Харків.
Захист відбудеться 3 грудня 1998 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.12 у Харківському державному політехнічному університеті за адресою: 310002, м. Харків-2, вул. Фрунзе, 21.
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.
Автореферат розісланий 2 листопада 1998 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Узунян М.Д.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Агрегатні верстати (АВ), що поширені в українському машинобудуванні та в найбільш розвинених у промисловому відношенні країнах, є наслідком успішної реалізації принципу агрегатування у верстатобудуванні. Високий ступінь концентрації технологічних переходів, можливість повної автоматизації робочого циклу, широкі технологічні можливості та висока продуктивність забезпечують ефективне застосування АВ та автоматичних ліній (АЛ) з АВ на підприємствах крупносерійного та масового типу виробництва в різних галузях машинобудування. Виключною перевагою АВ є високий ступінь уніфікації агрегатів та пристроїв, з яких компонуються верстати, завдяки чому значно скорочуються строки та вартість проектування і виготовлення АВ, підвищується надійність та довговічність, полегшується ремонт і технічне обслуговування та інше.
Проте потенційні можливості, що закладені в принципі агрегатування, які базуються на властивості оборотності агрегатного металорізального устаткування, розкриті до цього часу далеко не повністю. У вітчизняному та світовому машинобудуванні набутий певний досвід застосування АВ та АЛ із АВ у багатономенклатурному виробництві, але, не дивлячись на існування технічних рішень, що підвищують гнучкість АВ та підтверджують ефективність їх застосування в серійному виробництві, зараз відсутні усталені конструкторсько-технологічні та наукові основи оптимального проектування багатономенклатурних АВ (БАВ).
Актуальність вирішення проблеми синтезу БАВ у відповідності до вимог гнучкості та продуктивності обробки підвищується у світлі структурної перебудови машинобудування України та переходу до переважно серійного виготовлення продукції. Тема дисертації є частиною напрямку наукових досліджень кафедри технології машинобудування та металорізальних верстатів, що пов’язані з підвищенням ефективності використання та проектування агрегатного металорізального устаткування, за Комплексними цільовими науково-технічними програмами України (КЦНТП-14 та КЦНТП-22).
Мета і задачі дослідження. Мета - подальше підвищення техніко-економічної ефективності АВ середнього розміру за рахунок управління ступенем їх переналагоджуваності шляхом введення необхідної технологічної надмірності при проектуванні основних вузлів та конструкторських компоновок багатономенклатурних агрегатних верстатів. Підвищення ефективності базується на розробці системи типових схем компоновок АВ, шпиндельного оснащення (ШО) та установочно-затискних пристроїв (УЗП) з різним ступенем переналагоджуваності, а також методикою структурного синтезу компоновок АВ та УЗП. Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються такі задачі:
обгрунтування структури та видів гнучкості АВ з розробкою класифікації та узагальненої структури БАВ;
систематизація та класифікація конструкцій УЗП та ШО БАВ з розробкою гами нових конструкторсько-технологічних рішень;
створення автоматизованої системи синтезу схем компоновок УЗП для обробки групи корпусних деталей на БАВ;
розробка методики багатокритеріальної оптимізації структури конструкторської компоновки БАВ;
реалізація розроблених методик у вигляді комплексу програм та перевірка ефективності запропонованої системи проектування схем компоновок УЗП для БАВ.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що на основі техніко-економічного аналізу машинобудування України та перспектив розвитку, узагальнення досвіду проектування, виготовлення та експлуатації агрегатного металорізального устаткування вперше розроблені основні принципи синтезу компоновок багатономенклатурних агрегатних верстатів середніх розмірів, які включають в себе способи, моделі та методику управління гнучкістю (переналагоджуваністю) цього устаткування.
Ці розробки базуються:
на науково обгрунтованій системі типових компоновок БАВ, а також способів підвищення їх гнучкості;
на математичних моделях структур технологічних та конструкторських компоновок БАВ середнього розміру, розроблених на основі багатокритеріальної оптимізації з використанням положень теорії нечітких множин, які дозволяють створити систему автоматизованого синтезу структури цих компоновок;
на запропонованих принципах оптимізації шпиндельного оснащення, яке використовується в багатономенклатурному агрегатному металорізальному устаткуванні;
на принципах структурного синтезу та реалізації компоновок УЗП для обробки груп корпусних деталей на БАВ середнього розміру.
Практична цінність і реалізація результатів в промисловості. На основі виконаних узагальнень, теоретичних досліджень та розроблених математичних моделей досягнено підвищення техніко-економічної ефективності АВ середнього розміру за рахунок суттєвого розширення їх технологічних можливостей, розробки методики проектування компоновок БАВ та створення гами вузлів, які забезпечують досягнення поставленої мети. Комплекс практичних розробок включає в себе:
методику багатокритеріальної оптимізації при проектуванні багатономенклатурних агрегатних верстатів на основі теорії нечітких множин;
методику вибору рівня гнучкості АВ середнього розміру, яка дозволяє на ранніх етапах проектування обгрунтувати напрямки та межі введення гнучкості в технологічну систему і раціональний рівень надмірності при цьому;
розрахунково-технічну методику конструювання основних цільових елементів, які розширюють гнучкість АВ (ШО та УЗП);
розробку нових агрегатів, механізмів та пристроїв (патенти України 17225А, 14576А, 14578А, 17405А, 17805А та 17380А), які розширюють гнучкість БАВ;
алгоритмічне та програмне забезпечення системи автоматизованого синтезу схем компоновок УЗП для обробки корпусних деталей та БАВ.
В рамках науково-виробничого об’єднання “Багатономенклатурний агрегатний верстат”, до якого входять кафедра “Технологія машинобудування та металорізальні верстати” Харківського державного політехнічного університету, завод агрегатних верстатів та СКБ агрегатних верстатів, проведені дослідження перспектив та можливостей використання БАВ на харківських машинобудівних підприємствах, впроваджені конструкторські розробки кафедри в проекти верстатів, підготовлені керівні технічні матеріали по проектуванню БАВ. Очікуваний економічний ефект складає 2,5 млн. гривень (частка автора 1 млн. гривень).
На умовах науково-технічного співробітництва з Харківським науково-дослідним інститутом технології машинобудування (ХНДІТМ) розроблені типові компоновки БАВ для створення централізованих виробництв уніфікованих штампів та прес-форм на основі розробленої ХНДІТМ системи уніфікації цього виду технологічного оснащення. Очікуваний економічний ефект складає 1,5 млн. гривень (частка автора 600 тис. гривень).
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися і отримали позитивну оцінку на науково-технічній конференції “Організація та технологія ремонту механізмів, машин, оснащення” (28-30 травня 1996 р., Крим); науково-технічній конференції “Ресурсо- та енергозбережні технології в промисловості” (4-6 вересня 1996 р., м. Одеса); міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні проблеми машинобудування та технічний прогрес” (10-13 вересня 1996 р., м. Донецьк); міжнародній конференції “Інтеграція освіти, науки та виробництва” (26-29 вересня 1996 р., м. Луцьк); міжнародній конференції “Оснащення” (20-21 березня 1997 р., м. Київ); міжнародній конференції “Технологічне забезпечення працездатності деталей машин, механізмів та інструмента” (18-20 березня 1997 р., м. Київ); міжнародній науково-технічній конференції “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я” (12-14 травня 1997 р., м. Харків); міжнародній науково-методичній конференції “Критичні технології, автоматизація проектування та виробництва виробів в машинобудуванні” (3-6 вересня 1997 р., м. Алушта).
Публікації. Основні результати дисертації викладені в шести тезах доповідей науково-технічних конференцій, шести патентах України та чотирнадцяти науково-технічних статтях, у тому числі п’яти інформаційних листках.
Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів і основних висновків, розміщених на 144 сторінках, 89 малюнків та 11 таблиць на 50 сторінках, списку літературних джерел з 196 найменувань на 19 сторінках і 3 додатків на 5 сторінках, усього 225 сторінок.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ
Скорочення строків технологічної підготовки та нестабільність об’єктів виробництва на підприємствах масового та крупносерійного типів висувають нові вимоги до гнучкості металорізального устаткування, як головної умови скорочення строків технічної підготовки виробництва при переході на виготовлення нових виробів за рахунок максимального використання наявного устаткування. При цьому підвищення гнучкості металорізального устаткування не повинне приводити до зниження його продуктивності, тобто необхідно зберегти високий рівень концентрації технологічних переходів і автоматизації технологічних операцій та процесів обробки деталей. Підвищення гнучкості технологічних систем масового та крупносерійного виробництва вимагає створення нових конструкцій технологічного оснащення, здатних забезпечити необхідну гнучкість основного технологічного устаткування.
Найбільш складними та трудомісткими у виготовленні є корпусні деталі (КД) машин, які складають більш ніж 13% всієї продукції механообробного виробництва. В масиві деталей, які обробляються на АВ малих та середніх розмірів, частина КД складає 24,7%, а більшість АВ великих розмірів призначені для обробки виключно КД. Аналіз співвідношення видів обробки КД в структурі технологічних процесів, що реалізуються на АВ та АЛ із АВ, показав, що переважними видами обробки є свердління, зенкерування, зенкування, розточування та нарізання різьби, на які в сумі припадає 85,1% всіх шпинделів.
АВ мають найбільші можливості в реалізації всіх видів концентрації технологічних переходів. Крім того властивість оборотності агрегатного устаткування, яке складається, в основному, з уніфікованих агрегатів, пристроїв та деталей, створює об’єктивну основу для розробки БАВ з різноманітним ступенем гнучкості при збереженні високої продуктивності, які з успіхом можуть бути використані в багатономенклатурному виробництві (крупносерійному та серійному). Аналіз досвіду створення та експлуатації АВ показав, що є окремі конструкторсько-технологічні розробки, які підвищують ступінь їх гнучкості, але відсутні наукові основи структурно-параметричного синтезу БАВ, а також достатня елементна база для їх створення.
Гнучкість БАВ забезпечується конструкторськими рішеннями при виборі структури компоновки верстата. Узагальнена функціональна структура БАВ, в яку входять тільки основні функціональні елементи та підсистеми, показана на мал. 1. Шляхи досягнення потрібної гнучкості БАВ необхідно аналізувати, починаючи з елементів, які безпосередньо взаємодіють з заготовкою (УЗП та ШО). На основі аналізу узагальненої функціональної структури та відомих компоновок БАВ запропонована класифікація БАВ (мал.2), основною класифікаційною ознакою якої є об’єкт переналагодження, тому що він суттєво впливає на структуру компоновки БАВ.
Мал. 1. Узагальнена структура багатономенклатурних агрегатних верстатів.
Принципово новим видом багатономенклатурного металорізального устаткування є АВ зі змінними шпиндельними коробками (ЗШК), які здатні забезпечити практично будь-який рівень гнучкості при максимальній концентрації технологічних переходів. Запропоновані класифікації багатономенклатурного агрегатного устаткування, АВ з ЗШК та їх магазинів створюють об’єктивні передумови для розробки різноманітних компоновок цього виду металорізального устаткування в залежності від потрібної гнучкості та продуктивності. На кафедрі технології машинобудування та металорізальних верстатів ХДПУ при участі автора розроблена гама компоновок АВ з ЗШК, які відрізняються за типом магазину та числом ЗШК.
Багатономенклатурні АВ
Пристрій переміщен-ня ШК
Шпиндель-на коробка
(ШК)
Пристрій переміщен-ня ШН
Шпиндель-на насадка
(ШН)
Шпиндель-ний вузол
(ШВ)
Пристрій переміщен-ня ШВ
Пристрій переміщен-ня СА
Транспор-тний агрегат (ТА)
Установочно-затискний пристрій (УЗП)
Силовий
агрегат
(СА)
Пристрій
зміни
ШК
Пристрій переміщен-ня УЗП
Гнучкий (ГАС)
Переналагоджувальний (ПАС)
Автоматично
Механізовано
Вручну
Ознака
Об’єкт
переналагод-ження
Ступінь
гнучкості
Вид пе-
реналаго-дження
Горизонтальна
Вертикальна
Нахильна
Різнотипна
Релейна
Однопозиційний
Багатопозиційний
Програмуємий
контролер (ПК)
ЧПК
Шпиндельне оснащення
Установочно-затискний пристрій
Силова
головка
Револьверна
головка
Поворотно-ділильний
стіл
Поворотний
барабан
Силовий стіл
Хрестовий
стіл
Вид компо-
новки
Число позицій
Система керування
Об’єкт подачи
Повздовжньо-поротний
стіл
Місце знаходження об’єкту
Мал. 2. Класифікація багатономенклатурних агрегатних верстатів.
Найбільша кількість спеціальних деталей в АВ припадає на долю УЗП, в зв’язку з чим трудомісткість їх виготовлення складає 20 ... 40% всієї трудомісткості виготовлення АВ, хоч кількість та маса цих деталей в АВ не перевищує 6 ... 15%. Розроблена на основі узагальненої функціональної структури та класифікації багатономенклатурних УЗП система автоматизованого синтезу схем компоновок (СК) УЗП (мал. 3) функціонує на інформаційному полі ряду масивів умовно-постійної інформації, яка створює банк знань в цій предметній галузі. Знання ці постійно уточнюються та вдосконалюються, тому підлягають зміні. Умовно-постійну інформацію САПР УЗП складають такі групи знань: бібліотека конструктивних елементів (БКЕ), бібліотека типових зображень (БТЗ) та бібліотека конструкцій-аналогів (БКА).
Основними етапами САПР СК УЗП є:
формування структурних формул (СФ) УЗП;
синтез конкурентних варіантів конструкцій УЗП на рівні схем компоновок;
багатокритеріальна оптимізація СК УЗП.
Мал. 3. Алгоритмічна структура системи автоматизованого синтезу СК УЗП.
Послідовне формування значущих полів СФ здійснюється по сформованій базі даних (БД), яка утворює БКЕ у вигляді таблиць відповідностей (ТВ). СФ УЗП складається з дев’яти полів, які розподілені на три групи дефісами. Перша група включає три поля, які визначають конструктивні ознаки установочних елементів. Друга - описує затискні елементи та містить п’ять полів. Останнє поле утворює третю групу, яка визначає вид корпуса УЗП. Структурна формула має вигляд:
.. - .... -
1 2 3 4 5 6 7 8 9
коди полів відповідають таким елементам: 1 - код настановного елементу, який реалізує базування по установочній базовій площині; 2 - код настановного елементу який реалізує базування по направляючій базовій площині; 3 - код настановного елементу, який реалізує базування по опорній базовій площині; 4 - код виду приводу затискного елемента; 5 - код механізму, що передає зусилля від приводу до підсилювача затискного елемента; 6 - код підсилювача затискного елемента; 7 - код механізму, що передає зусилля від підсилювача до виконавчого механізму затискного елемента; 8 - код виконавчого механізму затискного елемента; 9 - код типу корпуса УЗП.
За значеннями полів СФ здійснюється формування множини СФ шляхом перемноження відповідних варіантів, а також їх сортування. Графічне зображення формується для варіантів, що визнані перспективними. На цьому ж етапі в режимі діалогу розраховуються скалярні критерії оптимальності по кожному варіанту.
Синтез багатономенклатурних УЗП є багатокритеріальною задачею, тобто здійснюється з застосуванням кількох цільових функцій Ф, що залежать від ряду параметрів конструкції К пристрою:
Причому, параметри та показники якості конструкції із m елементів повинні задовольняти заданим обмеженням, які у самому загальному вигляді представляються такими співвідношеннями для області допустимих конструкцій D:
Основним критерієм оптимальності прийнята частина приведених витрат на річний випуск продукції заданої номенклатури, яка залежить від УЗП - СУЗП min. Технічні критерії: коефіцієнт ступеня гнучкості УЗП - GУЗП max; ймовірність безвідмовної роботи РУЗП max; похибка установки заготовок в пристрої у min.
Коефіцієнт гнучкості УЗП
де КТ - число типорозмірів деталей, які можна установлювати в УЗП, шт.; tHi - час переналагодження УЗП при переході на обробку деталей і-го типорозміру, хв.; БАВі - час циклу БАВ при обробці деталі і-го типорозміру, хв.; NПі - розмір партії деталей і-го типорозміру, шт.
Ймовірність безвідмовної роботи
де - параметр потоку відмов; р - час роботи УЗП, хв.
Залежність для визначення похибки установки при найпоширенішій схемі базування корпусних деталей по площині та двох отворах має вигляд
де - зазор в з’єднанні палець-отвір, мм; ІТd, ІТD - допуски на діаметри пальця та отвору відповідно, мм; l - відстань від циліндричного пальця до поверхні, що оброблюється, мм; t - коефіцієнт ризику в розрахунку розмірного ланцюга; m - число ланок розмірного ланцюга, шт;
ТАі - допуск на і-й елемент розмірного ланцюга, мм; Кі - коефіцієнт відносного розсіювання.
Система технічних та критеріальних обмежень на процес синтезу компоновок УЗП має вигляд
Де усі елементи конструкції УЗП ЕУЗП повинні знаходитися у бібліотеці конструкційних елементів, параметри елементів ПКЕ мають певні межі, а параметри пристрою повинні відповідати вимогам до параметрів верстата. Також існують обмеження на час переналадки пристрою, коефіцієнт його ступеня гнучкості та похибки установки заготовки у пристрої.
Багатокритеріальна оптимізація СК УЗП здійснюється методом послідовних поступок. Система оптимізаційних задач при цьому має наступний вигляд:
К1 = inf CУЗП (u),
К2 = sup GУЗП (u), при CУЗП (u) К1 + CУЗП ,
К3 = sup Р(u), при GУЗП (u) К2 - GУЗП ,
К4 = inf У (u), при Р(u) К3 - Р(u),
де u - конкретний варіант конструкції УЗП з множини U; СУЗП, GУЗП, Р(u) - поступки по критеріям, величина яких визначається при порівнянні критеріїв попарно та послідовно.
Розроблена система автоматизованого синтезу СК УЗП з використанням системи управління базами даних СLARION дозволяє зменшити трудомісткість проектування УЗП на рівні вибору схем компоновок на 5 ... 8%. Також, за участю автора на основі узагальненої функціональної структури та класифікації УЗП розроблена гама багатономенклатурних установочних пристроїв.
Забезпечення необхідного вихідного положення різальних інструментів (РІ) по відношенню до заготовки, яка установлена в УЗП, та передавання їм обертального руху здійснюється за допомогою ШО, до якого відносяться шпиндельні вузли (ШВ), шпиндельні насадки (ШН), шпиндельні коробки (ШК) та шпиндельні бабки (ШБ). ШО, яке переналагоджується, дає можливість змінювати положення РІ в осьовому та поперечному напрямках, можлива також зміна кутового положення осі. На основі запропонованої класифікації ШО АВ за участю автора розроблена гама конструкцій ШО з різним ступенем гнучкості (патенти України 14576А, 14578А, 17225А, 17380А, 17405А та 17805А), яка може використовуватися як на БАВ, так і на верстатах з ЧПК.
Вид ШО впливає на структуру технологічної компоновки БАВ, тому що визначає ступінь концентрації обробки, вид силового агрегату, кількість робочих позицій, просторову компоновку верстата та його показники (продуктивність, надійність, гнучкість, вартість верстата та собівартість обробки). Тому вибір найвигіднішої конструкції ШО необхідно розглядати в комплексі з синтезом компоновки БАВ, попередньо визначивши для подальшого розгляду технічно допустимі варіанти конструкцій ШО, які задовольняють технічним умовам та технологічним вимогам на обробку деталей групи. Сукупність прийнятих варіантів конструкцій ШО є вихідною базою для формування варіантів компоновки БАВ.
Основою побудови АВ є принципи диференціації та концентрації технологічних переходів. Вибір тієї чи іншої структури концентрації переходів на БАВ визначається конструкторсько-технологічними характеристиками деталей, які на ньому обробляються, та заданою продуктивністю. Властивість гнучкості БАВ забезпечується змінною структурою технологічної системи. Багатоваріантність конструкцій технічних засобів та шляхів реалізації необхідної гнучкості БАВ веде до зростання числа варіантів БАВ на базі прийнятої структурно-технологічної схеми обробки. Структура системи синтезу компоновки БАВ показана на мал. 4.
В структурі БАВ можна виділити три ієрархічних рівні: функціональних елементів; складальних одиниць та деталей; конструктивних елементів. На основі узагальненої функціональної та ієрархічної структури БАВ модель синтезу його компоновки можна подати у вигляді складного графа. Елементи структури БАВ є складовими першого рівня декомпозиції.
Графи, які складають другий рівень, побудовані за тим самим принципом, що й основний граф, і відображають структуру кожного елементу вищого рівня.
Третім рівнем декомпозиції є варіанти конструктивних елементів для реалізації кожного із елементів другого рівня. На мал. 5 зображений повний граф синтезу, де вершини центрального графа відповідають узагальненій структурі БАВ, а графи, які відображають структуру елементів другого рівня, формуються на основі узагальнених функціональних структур цих елементів. Кожен граф мультиграфа Эij являє собою граф-дерево обробки таблиць відповідностей вибору j-го конструктивного елементу другого рівня для i-го функціонального елементу першого рівня.
Структуру компоновки БАВ можна представити у вигляді інформаційної моделі
Мал. 4. Структура системи синтезу компоновки БАВ.
де Еі - вектор коду структурного елемента; Мі - вектор метричних характеристик елементу; Рі - вектор просторового розташування; GРі - вектор параметричної гнучкості; Gsi - вектор структурної гнучкості; m - число елементів в структурі.
Вибір оптимального варіанту компоновки БАВ здійснюється по системі критеріїв: приведені витрати на виготовлення річної виробничої програми виробів Спр min; питома інтенсивність формотворення на один РІ в БАВ max; коефіцієнт ступеню гнучкості GБАВ max; коефіцієнт готовності Г(t) max; ймовірність безвідмовної роботи БАВ на протязі планового періоду часу Р(t) max; запас верстата по продуктивності Q max.
Математичні залежності для визначення критеріїв наступні:
Тут Ен - нормативний коефіцієнт економічної ефективності; КБАВ - капітальні витрати на БАВ; СР - собівартість річного випуску деталей заданої номенклатури; КТ - число типів деталей; ТПЕРj - час переналагодження БАВ на обробку деталей j-го типорозміру; БАВj - час циклу БАВ при обробці деталей j-го типорозміру; NПj - розмір партії деталей j-го типорозміру; NKj - число різальних інструментів в комплекті для обробки деталей j-го типорозміру; nij, Soij -елементи режиму різання i-им різальним інструментом при обробці деталей j-го типорозміру; tpij - час різання i-им інструментом при обробці деталей j-го типорозміру; j - ваговий коефіцієнт для j-го виробничого завдання; Гj(t) - коефіцієнт готовності БАВ при виконанні j-го виробничого завдання; Pj(t) - ймовірність виконання j-го виробничого завдання протягом планового періоду часу t; QБАВ - проектна продуктивність БАВ; [QБАВ] - завдана продуктивність БАВ.
Мал. 5. Граф синтезу структури компоновки БАВ.
Система технічних та критеріальних обмежень синтезу компоновок БАВ має вигляд
Де усі елементи конструкції БАВ ЕБАВ повинні знаходитися у бібліотеці елементів, параметри елементів ПЕ мають певні межі, параметри верстата повинні відповідати заданим значенням, а неточність обробки О на верстаті не повинна перебільшувати допустимого рівня. Також існують обмеження на коефіцієнт ступеня гнучкості верстата, продуктивність обробки та величину капітальних вкладень і технологічної собівартості випуску. Обмеження по економічному критерію зручніше поділяти на його складові, з точки зору споживача.
Багатокритеріальна оптимізація здійснюється з використанням теорії нечітких множин, особливістю якої є розрахунок функцій приналежності i(j) для кожного з критеріїв по всіх варіантах компоновки БАВ. Функція приналежності розраховується окремо для максимізуємих та мінімізуємих критеріїв, які задовольняють умові включення варіанту в множину
для Кі min i(j) = 1 - ( Кij - Кi min ) / ( Кi max - Кi min ), при Кij Кi min + Кi ,
для Кі max i(j) = 1 - ( Кimax - Кij ) / ( Кi max - Кi min ), при Кij Кi max - Кi .
Оптимальному варіанту відповідає співвідношення:
A ( j opt ) = max min {1(j), 2(j), ... , 6(j)}.
Мал. 6. Деформації шпиндельної коробки.
За допомогою розробленої методики синтезу спроектовані схеми компоновок БАВ для обробки уніфікованих деталей штампів типу “плита”. Виконані перевірочні розрахунки на жорсткість шпиндельної коробки з рухомими шпиндельними блоками, яка забезпечує необхідну гнучкість БАВ, підтверджують необхідний рівень точності обробки (мал. 6).
Найбільш продуктивним є БАВ з поворотно-ділильним столом, на якому обробляються плити розміром до 400 х 400 мм. Продуктивність АВ з ЗШК і магазином у вигляді кільцевого стола (пат. 17938А) менша в 3,2 рази; АВ з ЗШК і магазином-складом (пат. 17846А) - в 5,5 рази; БВ мод. ИР500 ПМФ4 - в 8,3 рази. Розроблена гама компоновок БАВ, а також гнучкого шпиндельного оснащення та установочно-затискних пристроїв створює передумови для централізованого виробництва уніфікованих штампів і прес-форм.
ВИСНОВКИ
Аналіз узагальненої функціональної структури БАВ дозволив визначити основні функціональні елементи, які найбільше впливають на гнучкість верстата. Способи досягнення необхідної гнучкості БАВ треба аналізувати, починаючи з елементів, які безпосередньо взаємодіють з заготовкою, а саме з УЗП та ШО.
Система автоматизованого синтезу СК УЗП БАВ для обробки корпусних деталей на основі багатокритеріальної оптимізації значно зменшує трудомісткість та собівартість їх проектування та підвищує обгрунтованість прийняття рішень, дозволяє ефективно одержувати оптимальні компоновки УЗП з різним ступенем гнучкості та підтверджує відносну самостійність їх розробки по відношенню до структури БАВ.
Дослідження ШО показує, що потенційні можливості цього функціонального елементу верстата по підвищенню гнучкості БАВ середніх розмірів найбільші і дозволяють забезпечувати необхідну гнучкість устаткування з мінімальними економічними витратами, причому в зв’язку з суттєвим впливом конструкції ШО на компоновку БАВ вибір найвигіднішого варіанта ШО слід здійснювати в комплексі з оптимізацією СК верстата.
Автоматизована система синтезу компоновки БАВ базується на математичній моделі, яка адекватно відображає три рівні декомпозиції структури верстата і включає багатокритеріальну оптимізацію методами теорії нечітких множин.
Розроблена гама типових компоновок БАВ, а також конструкцій ШО та компоновок УЗП з різним ступенем гнучкості, більшість з яких захищена патентами України, є основою для наступної уніфікації типів компоновок та елементів БАВ.
Практична реалізація основних результатів дослідження у вигляді розробки гами БАВ для обробки деталей уніфікованих штампів підтверджує ефективність використання в серійному виробництві багатономенклатурного агрегатного металорізального устаткування, яке значно продуктивніше в порівнянні з іншими видами верстатів, у тому числі і з ЧПК.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ
1. Гаврылюк Ю.Р. Синтез структуры многономенклатурных агрегатных станков // Вестник Харьковского государственного политехнического университета. - 1998.- N9.- С. 43 - 46.
2. Карпусь В.Е., Гаврылюк Ю.Р. Компоновки агрегатных станков со сменными шпиндельными коробками // Машиностроитель .- 1997.- N11.- С. 11-13 (автор виконав аналіз елементів компоновок АВ з ЗШК, що складає біля 40%).
3. Карпусь В.Е., Гаврылюк Ю.Р. Повышение гибкости агрегатных станков // Машиностроитель .- 1997.- N9.- С. 43-48 (автор сформував систему критеріїв оптимальності та визначив напрямки розширення гнучкості АВ, що складає біля 40%).
4. Карпусь В.Е., Гаврылюк Ю.Р. Применение многономенклатурных агрегатных станков в производстве штампов и пресс-форм // Техника машиностроения.-1998. -N3. - С. 36-39 (автором розроблена конструкція ШК та розрахунково-технічна методика конструювання основних цільових елементів БАВ, що складає біля 40%).
5. Карпусь В.Е., Гаврылюк Ю.Р. Установочно-зажимные приспособления многономенклатурных агрегатных станков // Машиностроитель.-1998.-N1.-С.38-42 (автор розробив узагальнену структуру УЗП БАВ та деякі установочні пристрої, що складає біля 40%).
6. Карпусь В.Е., Гаврылюк Ю.Р. Шпиндельная оснастка многономенклатурных агрегатных станков // Машиностроитель .- 1998.- N3. .- С. 24-27 (автор розробив узагальнену структуру та деякі конструкції багатономенклатурного ШО, що складає біля 40%).
7. Пат. 14576А Україна, МКІ В 23 В 19/02, D 23 Q 5/32. Шпиндельний вузол / В.Є.Карпусь, Ю.В.Тимофієв, Ю.Р.Гаврилюк, В.Д.Хіцан. Заявл. 11.01.95; Опубл. 25.04.97. Бюл. N2 (автор розробив принцип дії вузла, що складає біля 30%).
8. Пат. 14578А Україна, МКІ В 23 В 19/02, D 23 Q 5/32. Шпиндельний вузол / В.Є.Карпусь, Ю.В.Тимофієв, Ю.Р.Гаврилюк, В.Д.Хіцан. Заявл. 11.01.95; Опубл. 25.04.97. Бюл. N2 (автор розробив схему вузла, що складає біля 30%).
9. Пат. 17225А Україна, МКІ В 23 В 19/02, D 23 Q 5/32. Шпиндельний вузол / В.Є.Карпусь, Ю.В.Тимофієв, Ю.Р.Гаврилюк, В.Д.Хіцан. Заявл. 11.01.95; Опубл. 31.10.97. Бюл. N5 (автор розробив основні структурні елементи вузла, що складає біля 30%).
10. Пат. 17405А Україна, МКІ В 23 В 39/16. Багатошпиндельна насадка / Ю.Р.Гаврилюк, В.Є.Карпусь, Ю.В.Тимофієв, В.Д.Хіцан. Заявл. 05.10.95; Опубл. 31.10.97. Бюл. N5 (автор розробив конструкцію насадки, що складає біля 40%).
11. Пат. 17380А Україна, МКІ В 23 В 39/16. Універсально-збірна шпиндельна оснастка / В.Є.Карпусь, Ю.В.Тимофієв, Ю.Р.Гаврилюк, В.Д.Хіцан. Заявл.23.10.95; Опубл.31.10.97. Бюл. N5 (автор розробив принцип дії оснастки, що складає біля 30%).
12. Пат. 17805А Україна, МКІ В 23 В 39/16. Універсально-збірна шпиндельна оснастка / В.Є.Карпусь, Ю.Р.Гаврилюк, Ю.В.Тимофієв, В.Д.Хіцан. Заявл.16.10.95; Опубл.31.10.97. Бюл. N5 (автор розробив основні елементи оснастки, що складає біля 30%).
АНОТАЦІЇ
Гаврилюк Ю.Р. “Структурно-компоновочний синтез багатономенклатурних агрегатних верстатів”. Дисертація у вигляді рукопису на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 - процеси механічної обробки, верстати та інструмент. Харківський державний політехнічний університет, Харків, 1998 р.
В роботі вперше розроблена концепція створення багатономенклатурних агрегатних верстатів та їх функціональних елементів, що мають різноманітні рівні переналагоджуваності, обгрунтована структура показника гнучкості та систем автоматизованого проектування компоновок установочно-затискних пристроїв і багатономенклатурних агрегатних верстатів. Розроблена гама конструкцій установочних пристроїв, шпиндельного оснащення та компоновок агрегатних верстатів зі змінними шпиндельними коробками.
Ключові слова: багатономенклатурний агрегатний верстат, установочно-затискний пристрій, шпиндельне оснащення, компоновка, багатокритеріальна оптимізація.
Гаврылюк Ю.Р. “ Структурно-компоновочный синтез многономенклатурных агрегатных станков ”. Диссертация в виде рукописи на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 - процессы механической обработки, станки и инструмент. Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 1998 г.
В работе впервые разработана концепция создания многономенклатурных агрегатных станков и их функциональных элементов, обладающих различными уровнями переналаживаемости, обоснована структура показателя гибкости и систем автоматизированного проектирования компоновок установочно-зажимных приспособлений и многономенклатурных агрегатных станков. Разработана гамма конструкций установочных приспособлений, шпиндельной оснастки и компоновок агрегатных станков со сменными шпиндельными коробками.
Ключевые слова: многономенклатурный агрегатный станок, установочно-зажимное приспособление, шпиндельная оснастка, компоновка, многокритериальная оптимизация.
Gavriluyk Y.R.. "Structural-layout synthesis of multimix unit-type machine tools". The thesis as the manuscript on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.03.01 - processes of machining, machine tools and tool. The Kharkov state polyteсhnical university, Kharkov, 1998.
In work the concept of creation of multimix unit-type machine tools and their functional elements having various levels adaptability for the first time is developed, the structure of a parameter of flexibility and computer-aided design systems of layout of locating-clamping devices and multimix unit-type machine tools is reasonable. The scale of designs of locating-clamping devices, spindle equipment and layout of unit changeable machine tools with multihead changer is developed.
Key words: multimix unit-type machine tool, locating-clamping devices, spindle equipment, layout, vector optimisation.