Оптимизация технологических процессов механической обработки

ПРЕДИСЛОВИЕ

Научно-технический прогресс связан с усилением значения технологии произ­ водства при создании новых изделий. Особенно эта тенденция проявляется при разра­ ботке и функционировании гибких автоматизированных производств. Проектирова­ ние технологических процессов в этих условиях требует учета большого количества факторов, характеризующих множество элементов со сложными и разнообразными связями между ними и изменяющихся во времени и пространстве. При этом часто возникает задача выбора среди множества вариантов наиболее рационального по неко­ торому критерию и обеспечивающего заданные параметры качества изготовления из­ делий. В условиях ручного проектирования технологических процессов, как правило, не представляется возможным разрабатывать и анализировать большое число вариан­ тов, что связано со значительной трудоемкостью выполнения этих работ. Решение этой задачи становится возможным при создании систем САПР ТП [3,6,7]. Эти системы, наряду со значительным сокращением сроков проектирования, позволяют суще» ственно повысить качество проектных решений за счет оптимизации процессов на всех этапах технологического проектирования.

Оптимизация — это процесс нахождения экстремума некоторой количественной величины (параметра) проектируемого объекта, представляемой в виде функции. Если эта функция характеризует положительное свойство объекта, которым в рассматрива­ емой работе является технологический процесс или его элемент, то ищется максималь­ ное ее значение, если отрицательное — минимальное. Обычно в инженерной практике используется термин «оптимальное решение» или «оптимальный проект», под которым в этом случае понимается наилучшее из некоторого множества решение, удовлетво­ ряющее всем требованиям, предъявляемым к проектируемому объекту. Теория опти­ мизации в современном представлении [40] включает в себя совокупность фундамен­ тальных математических результатов и численных методов, ориентированных на на­ хождение наилучших вариантов из множества альтернатив и позволяющих избе­ жать полного перебора и оценки возможных вариантов. Процесс оптимизации лежит в основе деятельности, направленной на проектирование новых, более эффективных! и менее дорогостоящих технических объектов. Достижение этих двух главных целей любого процесса проектирования сопряжено с синтезом различных элементов, анали­ зом множества их состояний и выбором из них такого состояния, при котором обеспе­ чиваются наилучшие показатели функционирования технического объекта.

Большинство используемых методов оптимизации по своей сути инвариантны и мо­ гут использоваться при решении различных проектных задач. Поэтому в настоящее вре­ мя разработаны десятки численных методов оптимизации, оформленных в виде стан­ дартных процедур (алгоритмов) и хранящихся в библиотеках прикладных программ вычислительных центров, открытых для доступа различным пользователям. В этих

условиях перед проектировщиком встает задача правильного выбора метода и соответ­ ствующих наборов программ. Так, при расчете оптимальных режимов резания могут использоваться стандартные программы симплекс-метода или других методов линейно­ го программирования. Однако при этом достаточно сложной задачей может быть сты­ ковка принятой математической модели объекта и ее вида с соответствующими про­ граммами оптимизации.

Применительно к технологии машиностроения вопросы оптимизации технических решений усл’ожнены трудностью построения математических моделей рассматриваемых объектов, что связано с низким уровнем формализации существующих методов проек­ тирования технологических процессов. При этом главным недостатком существую­ щих методов оптимизации технологических процессов, как отмечается во многих ра­ ботах, является то, что для функции цели и технических ограничений не установлены зависимости, которые учитывали бы все.факторы и охватывали все возможные случаи. Даже с введением упрощений пока не удается получить общие математические модели технологических процессов изготовления любого типа деталей для различных произ­ водственных условий.

В предлагаемой работе разработан комплексный подход к решению задачи опти­ мизации технологических процессов. С этой целью на основе системно-структурногр анализа исследованы методы математического моделирования технологических про­ цессов, разработаны наиболее важные критерии оптимальности, выбраны виды техни­ ческих ограничений и предложены математические модели различных технологически объектов.

Под основной целью технологического процесса или его элемента обычно пони­ мается обеспечение заданных характеристик качества изделия наиболее производи­ тельным путем при минимальных затратах. Отсюда вытекает необходимость в построе­ нии двух главных критериев оптимальности: максимальной производительности ц минимальной себестоимости. В зависимости от вида и уровня оптимизации технологичег ского процесса могут использоваться и другие критерии, объединенные в группы эко­ номических, технико-экономических, технологических и эксплуатационных критериев.

Важной задачей при построении математических моделей технологических процес­ сов является выбор и описание технических ограничений, учитывающих действие раз­ личных факторов описываемого процесса и связанных с влиянием на него различных характеристик заготовки, параметров станка, приспособления и инструмента и друг гих условий обработки.

Вопросы оптимизации технологических процессов в большинстве случаев рассматг ривались при решении локальных задач и затрагивали главным образом оптимизацию режимов резания [42]. При комплексном подходе следует различать два вида опти­ мизации: структурную и параметрическую. Применительно к первому виду оптими: зацни в монографии рассмотрены вопросы выбора вида заготовок, маршрута и отдель: ных операций обработки, а также припусков и операционных размеров, оптимальной структуры технологической операции, определения рациональных систем станочных приспособлений и др. Предложена модель оптимизации выбора технологических ре­ шений при конструкторско-технологическом обеспечении износостойкости деталей машин, что позволяет прогнозировать качество изделий на этапе изготовления и экс­ плуатации. Для второго вида оптимизации, наряду с описанием известных подходов к расчету режимов резания методом линейного программирования, предлагается ряд новых методов с учетом технологической наследственности, многокритериальной и многопараметрической оптимизации режимов механической обработки с использова­ нием детерминированного и стохастического подходов.

Особую роль с развитием и широким использованием вычислительной техники при­ обретает выбор оптимальных технологических решений с использованием АБД. В этом случае ставится задача выбора наиболее прогрессивных методов обработки, ха­ рактеризуемых малооперационностью и обеспечивающих материало-, энерго- и трудо­ сбережения. На основе описания различных технологий в виде двух подсистем — энер­ гетической и информационной — могут быть созданы методы анализа и синтеза новых методов обработки.

Приведены алгоритмы оптимизации различных технологических задач, представ­ ленные в виде блок-схем, на основе которых разработаны и прошли опытную проверку

ППП. Приведенные методы проектирования, математические модели и алгоритмы мо­ гут быть рекомендованы для создания различных подсистем САПР ТП.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

П— штучная производительность, шт./мии

Я— ширина детали (заготовки), мм

СОЖ — смазочно-охлаждающая жидкость СПИД — станок — приспособление — инструмент

таль СПЭ — способ подвода энергии

ССП — системы станочных приспособлений СФО — схема движения формообразования

ТП — технологический процесс ТПИ — Томский политехнический институт

ТуПИ — Тульский политехнический институт ТПП — технологическая подготовка производства

ФО — процесс формообразования ФТЭ — физико-технологический эффект ФХМ — физико-химический механизм ЭМО — электромеханическая обработка

СИСТЕМНО-СТРУКТУРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

1. Системный анализ процессов механической обработки

При разработке технологических процессов или отдельных опера­ ций, расчете режимов резания и выполнении других технологических задач возникает множество возможных решений. При «ручном» про­ ектировании обычно отдельные решения выбираются на основе опыта технолога. Такой подход не может быть использован при создании САПР ТП, в основу которых должны быть положены математические модели процессов обработки.

Любой ТП изготовления изделия можно рассматривать как после­ довательное изменение состояния объекта производства — заготовки — от ее исходного состояния к конечному. При этом ТП представляется^как сложная система, в которой можно выделить входные параметры

Известное понятие «система» приобрело в последние годы в связи

сразвитием кибернетики и информатики особый смысл. В применении

кСАПР ТП под термином «система» понимается комплекс элементов Е и существующих между ними соотношений /?, образующих единую совокупность, действующую в рамках более сложной системы, в кото­ рую она входит, т. е. S = {£, R) [43]. Данное определение системы от­ ражает ее иерархическую структуру, из которой следует, что каждую систему можно разделить на подсистемы, сохраняя при этом имеющие­ ся связи с системой в целом, и рассматривать их в отдельности. Харак­ терной особенностью системного анализа является то, что при изучении части совокупности необходимо принимать во внимание всю совокуп­ ность.

Рассмотрев в наиболее общем виде системную модель технологии (рис. 1), выделим три входных потока: материя, энергия, информация. Под материей применительно к машиностроению будут пониматься ма­ териалы в жидком и твердом состоянии, предварительно прошедшие или не прошедшие какую-либо обработку. Поток материалов под воз­ действием потоков энергии и информации преобразуется в готовое изделие — результат, получаемый на выходе технологии и отличаю­ щийся от суммы входных потоков массой (часть материалов уходит в от­ ходы), физико-химическим состоянием и энергией (после обработки в из_ делии возникают внутренние напряжения и др.), а также количеством содержащейся в нем геометрической информации, выраженной в изме-

са формообразования, рассматриваемого в столь общих категориях. Пото­ ки материалов и энергии являются неотъемлемыми составляющими про­ цесса формообразования, причем первый отражает объект воздействия,

авторой — средство воздействия. При этом сущность процесса состоит

впередаче информации на объект (материал) с помощью энергии. Про­ цесс перенесения информации о готовом изделии или его отдельных эле­ ментах может представляться в виде схемы (рис. 2), состоящей из стадий подготовки информации на этапе ТПП, передачи информации посред­ ством подготовки операционных карт ТП, оснастки, инструмента и управляющих программ в случае использования станков с ЧПУ.

Если принять, что производственная деятельность предприятия яв­ ляется особой системой, то необходимо учесть, что в ней действуют два типа процессов — материальный и информационный. Производствен­ ный процесс или процесс изготовления относится к группе материаль­ ных и заключается в преобразовании исходного материала в состоя­ нии заготовки в состояние готового изделия. В этом случае преобразо­ вание происходит в соответствии с технологическим процессом, который относится к группе информационных и является в некотором смысле алгоритмом производственного процесса.

Сточки зрения описанной классификации разница между произ­ водственным и технологическим процессами заключается в том, что первый из них является физической реализацией второго.

Технологические системы как сложные объекты определяются сле­ дующими основными характеристиками: многомерностью, т. е. боль­ шим числом достаточно сложных составных частей; иерархичностью строения (в общем случае любой технологический процесс можно пред­ ставить совокупностью ряда подсистем, каждая из которых подразде­ ляется на еще более простые подсистемы); многосвязностью, выражаю­ щейся в большом количестве взаимосвязанных и взаимодействующих между собой подсистем на одном уровне и между равными иерархиче­ скими уровнями системы и с внешней средой; многокритериальностью (для ряда подсистем характерно принятие решений па основе несколь­ ких критериев оптимальности и глобальных критериев для исследуе­ мой системы в целом); наличием управления, разветвленной информа­ ционной сети и интенсивных потоков информации; сложностью функ­ ций, выполняемых системами, и направленными на достижение задан­ ной цели функционирования.