1,Цели, критерии и методика оптимизации технологических процессов

Важной характеристикой всякого метода проектирования является возможность получения технологических процессов (ТП), оптимальных для заданных условий. Поэтому современные методы и системы проектирования технологических процессов (ручные и автоматизированные) должны содержать этап оптимизации.

Математические методы оптимизации связаны с необходимостью разработки и применения математических моделей. Модель представляет собой отображение определенной системы, с помощью которой воспроизводятся наиболее существенные признаки реального технологического процесса или его элементов (операций, переходов и т.д.). Она может быть, представлена в виде графиков, формул, макетов и т.п. При построении математической модели, в зависимости от характера операций технологического процесса, может быть использован математический аппарат различной сложности. В простейших случаях модель описывается простым алгебраическим уравнением. В более сложных, когда требуется рассмотреть процесс в динамике, применяется аппарат дифференциальных уравнений. При построении математической модели важное значение имеет правильный выбор входных параметров, условий их ограничения и целевой функции.

Основными параметрами технологического процесса при обработке деталей на металлорежущих станках являются режимы резания (v,t,s), жесткость технологической системы, геометрические параметры и стойкость инструмента и др. Задачей моделирования является нахождение таких режимов и условий обработки, которые обеспечивали бы заданное качество обрабатываемых деталей (выполнение ограничений) в приводили бы целевую функцию к экстремальному значению. Главными ограничениями являются допустимые погрешности размеров, формы и взаимного расположения поверхностей, а также определенные требования к качеству поверхностного слоя (шероховатость, наклеп, остаточные напряжения).

Целевая функция является основным критерием выбора наивыгоднейшего (оптимального) варианта обработки из множества описываемых моделью и должна отражать количественное и качественное влияние каждого из параметров на критерий оптимальности. В качестве целевой функции при построении оптимальной операции и выборе оптимальных режимов обработки могут быть приняты наименьшая технологическая себестоимость, максимальная производительность (минимальная трудоемкость) и обобщенный показатель наименьших приведенных затрат. В последнем случае целевая функция для операции имеет вид [2, 4]

Спр опi = Cопi + ЕнКудi min,

где Cпр опi - приведенные затраты на i -ю операцию;

Сопi - технологическая себестоимость i -й операции

Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений;

Кудi -капитальные вложения по оборудованию и оснастке отнесенные к одной детали.

В некоторых случаях в качестве целевой функции принимают такие показатели, как максимально достижимая точность обработки, получение максимальной усталостной прочности обрабатываемой детали и др.

Решение задачи оптимизации многопараметрической модели технологического процесса состоит в определении экстремального значения целевой функции с учетом совокупности различных ограничений параметров.

Для отыскания экстремума функции применяют аналитические и алгоритмические методы.

В зависимости от того, каким путем достигается экстремальное значение целевой функции, различают структурную, параметрическую и комплексную оптимизацию.

Применительно к технологическим операциям механической обработки при структурной оптимизации экстремальное значение критерия достигается за счет варьирования методов обработки, оборудования, технологического оснащения, содержания операций. Примером структурной оптимизации, например, для обработки отверстия по 2-му классу точности (7-му квалитету), будет сравнение выполнения операции обработки отверстия путем развертывания или шлифования по критериям минимальной трудоемкости, технологической себестоимости или минимума приведенных затрат.

При параметрической оптимизации наивыгоднейший вариант достигается за счет изменения параметров процесса механической обработки, т.е. путем варьировании значений режимов резания (v,s,t), геометрии и стойкости инструмента. При обработке деталей на станках с адаптивным управлением оптимальные режимы обработки обеспечиваются встроенной системой автоматического управления за счет изменения подачи или жесткости технологической системы.

Наилучшие результаты дает комплексная оптимизация, при которой оптимальный вариант процесса или операции получают как за счет варьирования методов обработки, оборудования, оснащения, так и за счет изменения параметров процесса.

В предлагаемом учебном пособий излагается, в основном, методика структурной оптимизации операций при использовании общепринятых критериев максимальной производительности (минимальной трудоемкости), минимальной технологической себестоимости и минимума приведенных затрат.

Следует различать, оптимизацию технологического процесса и оптимизацию отдельных технологических операций. В подавляющем большинстве случаев экономическому анализу подвергают варианты отдельных операций, а не процесса в целом. Это связано с трудностями проведения анализа большого числа вариантов технологического процесса. В связи с этим в настоящем пособии излагается методика оптимизации отдельных технологических операций. При необходимости выполнения экономического анализа процесса или группы операций следует использовать уравнение для определения себестоимости ТП в целом.