3. Выбор технических характеристик станков

3.1. Уточнение служебного назначения станков

Любой станок или станочная система предназначены для обработки определенного множества деталей. Уточнение понятия множества деталей, для которых обработка экономически целе­сообразна именно на данном станке, достаточно сложная задача и решается средствами вычислительной техники на основе методов исследования операций.

Обрабатываемые на станках детали характеризуются сово­купностью параметров, основными из которых являются форма, размеры, материал и точность обработки. Форму деталей можно определить совокупностью поверхностей, ее ограничивающих, причем отдельные обрабатываемые поверхности принято называть операционными элементарными поверхностями (ОЭП) или эле­ментарными технологическими поверхностями (ЭТП). Разработана классификация элементарных поверхностей на основе схемы, условно изображенной на рис. 14. При этом выделяется определен­ное число групп элементарных поверхностей, из которых обра­зуется подавляющее большинство машиностроительных деталей, обрабатываемых на станках и станочных системах.

Рис. 14. Схема классификации обрабатываемых деталей

Статистический анализ множества деталей, обрабатываемых в машиностроении, свидетельствует о том, что почти половина наименований всех деталей — тела вращения (рис. 15), на тру­доемкость изготовления которых приходится до 25...30%. Другую большую группу деталей машиностроения образуют базовые детали; на их долю приходится примерно 15% наименований и до 50% трудоемкости изготовления. Прочие детали, главным образом небольшие по габаритам, при значительном числе наиме­нований составляют небольшую долю всей стоимости изготовления деталей машиностроения.

Рис. 15. Типичные детали машиностроения

Исходные данные о совокупности деталей и совокупности опе­рационных элементарных поверхностей используют для после­дующего уточнения различных технологических операций, необ­ходимых для изготовления всего рассматриваемого множества де­талей. При уточнении служебного назначения станков общего назначения можно использовать понятие о представительных деталях. На основе имеющихся статистических данных о распре­делении всего ассортимента деталей их можно объединить в группы по некоторым общим признакам и каждую группу обраба­тываемых деталей условно заменить одной представительной деталью, геометрические и технологические параметры которой являются средневзвешенными для всей группы.

Технологический процесс обработки, который служит основой для выбора технических характеристик станка, анализируют для каждой детали как совокупности ОЭП по следующим особен­ностям:

последовательности обработки и числу переходов,

виду и числу режущих инструментов,

режимам резания (скорости рабочих движений, силы и мощности резания).

Построение тех­нологического процесса для обрабатываемой детали является многовариантной задачей, требующей оптимизации. Выбор оптимального технологического процесса осуществляют на основе минимизации приведенных затрат на обработку детали. Приве­денные затраты, приходящиеся на одну операцию, рассматривают как целевую функцию, зависящую от многих параметров: набора режущего инструмента, выбора режимов резания и т. д. Целевую функцию и все накладываемые на нее ограничения (например, по предельным режимам обработки) заменяют соответствующей ма­тематической моделью — системой уравнений, решение которой и дает возможность минимизировать целевую функцию

С = f (v, s, n₁, n₂...) → min,

где v, s, n_l, n₂... — соответственно скорость резания, подача, число переходов, число режущих инструментов и другие пара­метры.

Оптимизация вариантов технологических процессов возможна также на основе использования методов идентификации. Сопоставление вариантов технологических процессов осуществ­ляют путем перебора различных значений параметров в условиях, характерных для передовых предприятий. Моделирование реаль­ного технологического процесса осуществляется на основе пред­ставления этого процесса как оператора с преобразованием вход­ных параметров (формы и размеров деталей, условий производ­ства) в выходные параметры (себестоимость обработки, время изготовления детали). Случайные отклонения, характерные для производства, рассматриваются как шумы.

Следует иметь в виду, что задача нахождения минимума при­веденных затрат для выбора оптимального технологического про­цесса, и тем более для уточнения характеристик станка, является задачей стохастической, так как целевая функция существенно меняется в зависимости от случайных значений входных пара­метров (ассортимента деталей, условий производства). Для оты­скания глобального экстремума такого рода многоэкстремальной функции можно использовать один из методов теории вероятностей (например, метод Монте-Карло) или применять классический метод перебора на сетке.

Для использования методов теории вероятностей нужны статистические данные о законах распределения входных пара­метров в условиях, близких к тем условиям, в которых будет работать проектируемый станок. Данные о фактическом исполь­зовании некоторых типов станков в различных отраслях машино­строения характеризуют законы распределения обрабатываемых деталей, распределения числа операций, необходимого для полной обработки деталей, числа инструментов и приспособлений, масштаба производства и т. д.

Пользуясь статистическими данными о входных параметрах, можно определить и ограничить целесообразную область использования проектируемого станка, т. е. оптимизировать его служебное назначение.

Область использования станка оптимизируется в связи с тем, что расширение границ его целесообразного использования не­сколько повышает производительность, но вместе с тем удорожает станок.

Станки общего назначения по своим основным параметрам и характеристикам, а соответ­ственно и области целесообразного использования разбивают на типоразмеры, образующие некоторый ряд.

Размерные ряды станков целесообразно выбирать также на основе технико-экономического анализа и оптимизации. Решение задачи оптимизации размерного ряда станков может быть сведено к решению задачи нелинейного программирования, если известны распределения параметров деталей по всему их множеству, пред­назначенному для обработки на всех типоразмерах ряда станков. В этом случае задача сводится к минимизации приведенных затрат.

Минимум при­веденных затрат находят в зависимости от числа типоразмеров параметрического ряда станков m при применении вычислитель­ной техники.