Підвищення технологічності виробів на основі складально-орієнтованого проектування
Технологічний перехід складання, придатний до автоматизованого аналізу технологічності. Обмеження на інтеграцію деталей, кінематична функція механізму. Залежність типу з’єднання деталей складального виробу від множини їх бінарних відношень рухливості.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 30.07.2015 |
| Размер файла | 2,7 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Національний технічний університет України
„Київський політехнічний інститут”
УДК 658.512:658.52.011.56
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Підвищення технологічності виробів
на основі складально-орієнтованого проектування
Спеціальність 05.02.08 - технологія машинобудування
Лашина Юлія Вікторівна
Київ - 2011
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі технології машинобудування Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут».
Науковий керівник:
доктор технічних наук, доцент
Пасічник Віталій Анатолійович
Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», м. Київ,
завідувач кафедри інтегрованих технологій машинобудування
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор
Зенкін Анатолій Семенович
Київський національний університет технології та дизайну, м. Київ,
завідувач кафедри метрології, стандартизації та сертифікації
кандидат технічних наук, доцент
Кирилович Валерій Анатолійович
Житомирський державний технологічний університет, м. Житомир,
доцент кафедри автоматизації та комп'ютеризованих технологій
Захист відбудеться «15 березня 2011 р.» о «1500» годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.11 у Національному технічному університеті України «КПІ» за адресою: м. Київ, пр. Перемоги, 37, корп. 1, ауд. 214.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України “КПІ” за адресою: м. Київ, пр. Перемоги, 37.
Автореферат розісланий «14» лютого 2011 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
доктор технічних наук, професорМайборода В.С.
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Більшість сучасних підприємств намагається керувати процесами створення своєї продукції, використовуючи підхід «Ощадливе виробництво» (Lean Manufacturing). Основною метою такого підходу є скорочення витрат виробництва, а одним з інструментів реалізації - «Паралельне проектування» (Concurrent Engineering), яке передбачає одночасне та взаємообумовлене проектування конструкції виробу та технологічних процесів виготовлення.
Створення високопродуктивного обладнання з числовим програмним керуванням та систем автоматизованого проектування технологічних процесів оброблення (CAM) дозволило досягти значного скорочення витрат, пов'язаних із виготовленням деталей виробу, що в свою чергу призвело до зростання відносної частки складальних процесів у загальних витратах праці, виробничому часі та собівартості виробу.
На сьогоднішній день, одним з найбільш ефективних інструментів скорочення витрат, пов'язаних із складальним виробництвом, є застосування методів підвищення технологічності виробу на основі складально-орієнтованого проектування його конструкції (DFA - Design for Assembly). Метод DFA поєднує в собі як набір певних правил та рекомендацій по проектуванню конструкцій нових виробів, так і процедури аналізу існуючих виробів з метою їх перепроектування.
Сучасні дослідження свідчать про те, що машинобудівна продукція містить в середньому 50% «зайвих деталей», тобто деталей, які можуть бути виключені шляхом перепроектування, а тому і процеси складання таких виробів виявляються значно дорожчими, аніж це необхідно.
Наразі методи аналізу конструкцій здебільшого існують у виді автономних процедур, які не повною мірою використовують існуючі моделі складального виробу (СВ) і процесів складання і є орієнтованими на отримання початкових і проміжних даних від людини, що не відповідає сучасній концепції автоматизації та інтеграції засобів підтримки життєвого циклу виробу.
Тому актуальною є науково-технічна задача підвищення ефективності механоскладального виробництва шляхом підвищення технологічності виробів на основі створення формалізованих процедур автоматизованого аналізу конструкції на базі інтегрованого математичного опису складального виробу і переходів складання з можливістю інтеграції в комплекс програмних засобів підтримки технологічного підготовлення складального виробництва.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок досліджень дисертаційної роботи відповідає: 2006-2008 р.р. д/б № 2915-п - «Розробка технологічних основ комп'ютерно-інтегрованого проектування і управління процесами оброблення і складання в машинобудуванні» (№ державної реєстрації 0106U002734); 2009-2010 р.р. д/б № 2266-п - «Розробка системи автоматизованого проектування технологічних операцій оброблення складних поверхонь на верстатах з ЧПК» (№ державної реєстрації 0109U000818), які виконувались на кафедрі технології машинобудування НТУУ «КПІ» у відповідності з тематичним планом Держбюджетних науково-дослідних робіт НТУУ «КПІ», який затверджено департаментом координації наукових досліджень вищих навчальних закладів та зведеного планування Міносвіти та науки України в 2000 році за пріоритетним напрямом «Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології» по науково-експертній Раді за фаховим напрямом «Машинобудування».
Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є підвищення ефективності механоскладального виробництва шляхом підвищення технологічності виробів на основі складально-орієнтованого проектування.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі основні задачі:
1. Розробити інформаційне представлення складального виробу та технологічних переходів складання, придатне до автоматизованого аналізу технологічності.
2. Дослідити обмеження на інтеграцію деталей та можливості їх аналізу.
3. Розробити метод автоматизованого підвищення технологічності складального виробу.
4. Дослідити залежність типу з'єднання деталей складального виробу від множини їх бінарних відношень рухливості. Розробити залежності для ідентифікації типу з'єднання по математичній моделі виробу.
5. Розробити метод пошуку мінімальної кількості деталей складального виробу, необхідної для забезпечення кінематичних функцій механізму.
6. Розробити методичне і програмне забезпечення, які реалізують методи вдосконалення конструкції виробу з точки витрат на складання і впровадити їх у виробництво.
Об'єкт дослідження - механоскладальне виробництво.
Предмет дослідження - технологічність складального виробу.
Методи дослідження. Розробка процедури цілеспрямованого підвищення пристосованості виробів до процесів складання проводилась на основі положень системного аналізу, технології машинобудування, елементів комбінаторики та алгебри логіки. При формалізації логічних залежностей, придатних для опису математичного представлення виробу та дослідження його кінематичної структури використовувались положення аналітичної геометрії, теорії графів, апарату числення предикатів. Апробація розроблених методів та алгоритмів виконувалась з використанням комп'ютерного моделювання.
Наукова новизна одержаних результатів:
1. Вперше розроблено інтегрований математичний опис складального виробу як ієрархічно впорядкованої сукупності елементів конструкції та технології складання, представлений у виді матриці послідовності складання з векторами атрибутів технологічних операцій складання, економічних показників їх реалізації, що в сукупності утворюють конструкторсько-технологічне рішення, придатне для прогнозуючої оцінки ефективності його конструкції.
2. Вперше проведена структуризація обмежень на інтеграцію деталей складального виробу на групи функціональних і технологічних. В кожній з груп виявлена множина обмежень, дослідження якої реалізується на основі моделі бінарних відношень обмежень рухливості, що в сукупності створило передумови автоматизації скорочення кількості деталей у виробі.
3. Вперше систематизовані критерії оцінки можливості інтеграції групи деталей в одну та встановлена послідовність використання даних критеріїв для скорочення кількості деталей складального виробу.
4. Вперше розроблені рівняння з використанням математичної логіки для визначення типу з'єднання (рухоме, нерухоме) і класу кінематичної пари по моделі бінарних відношень обмежень рухливості (БВОР).
5. Вперше запропоновано оцінювати відсутність відносного руху між групою деталей, що підлягають інтеграції, на основі виділення функціонально необхідних деталей та кінематичних ланцюгів складального виробу по моделі БВОР.
Практичне значення одержаних результатів:
1. Розроблено алгоритм цілеспрямованого пошуку нового конструктивно-технологічного рішення зі зменшеною кількістю елементів складального виробу та зміненою конструкцією з'єднань та деталей, який гарантує, що знайдене рішення за економічними показниками не поступається початковому та забезпечує збереження необхідної функціональності виробу.
2. Створена нова методика та програмне забезпечення «DFA Expert» аналізу структури виробничих витрат на виготовлення виробу та подальшого вдосконалення його конструкції, застосування яких дозволяє підвищувати ефективність технології виготовлення виробу в цілому.
3. Наявність можливості імпорту даних про конструкторсько-технологічне рішення, описаного у текстовому файлі, дозволяє, окрім автономного режиму роботи, реалізувати інформаційну інтеграцію «DFA Expert» з іншими системами автоматизованого проектування виробів і технології.
4. Розроблено алгоритм пошуку кінематичних ланцюгів механізму, який забезпечує дотримання функціонального обмеження відсутності відносного руху між об'єднуваними деталями в процесі роботи механізму.
5. Методика підвищення технологічності виробу шляхом складально-орієнтованого проектування його конструкції та програмне забезпечення «DFA Expert» апробовані та впроваджені на ТОВ «ЛБЮ-Тех».
Особистий внесок здобувача. Здобувач особисто розробив: математичний опис конструкторсько-технологічного рішення; процедуру цілеспрямованого пошуку деталей, що можуть бути об'єднані без зменшення функціональності виробу; основні процедури та об'єкти прикладного програмного забезпечення «DFA Expert». Здобувачем формалізовані етапи виділення деталей, які можуть бути інтегровані в одну; запропонований метод пошуку кращого конструктивно-технологічного рішення; отримані формальні логічні залежності визначення типів кінематичних пар у з'єднанні деталей та формалізована процедура аналізу кінематики складального виробу на основі моделі у виді БВОР. Постановка задач досліджень, формулювання основних положень, опрацювання структури і змісту роботи, розробка принципів функціонування програмного забезпечення «DFA Expert» виконувались разом з науковим керівником.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи були заслухані, обговорені та отримали схвалення на наступних конференціях: 3-х закордонних: VI міжнародна науково-технічна конференція «Техніка і технологія складання машин - ТТСМ-2008» (Польща, м. Жешув, 28-30 травня 2008), V міжнародна науково-технічна конференція «Модульні технології та конструкції в машинобудуванні - МТК-2009» (Польща, м. Жешув, 26-29 травня 2009), ІІ Ogуlnopolska Konferencja Naukowo-Nechniczna «Poі№czenia montaїowe PM-2010» (Польща, м. Жешув, 25-28 травня 2010); 7-ми міжнародних: ІІІ Міжнародна науково-технічна конференція «Інформаційно-комп'ютерні технології 2006» (Житомир, 7-9 грудня 2006 р.), IV Міжнародна науково-технічна конференція «Інформаційно-комп'ютерні технології 2008». (Житомир, 11-13 грудня 2008), «Прогресивна техніка і технологія - 2009» Міжнародна науково-технічна конференція. (Севастополь, 22-24 червня 2009), XI Міжнародна науково-практична конференція «Прогресивна техніка та технологія - 2010» (Київ, 18-21 травня 2010), VIII Міжнародна науково-технічна конференція «Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку» (Краматорськ, 1-4 червня 2010); «ІІ Міжнародна науково-практична конференція «Сучасні наукові дослідження - 2006» (Дніпропетровськ, 20-28 лютого 2006 р.), VI міжнародна конференція молодих науковців «Інформатика та механіка» (Кам'янець-Подільський, 6-8 травня 2008 р.) та 1-й Всеукраїнській - «VII Всеукраїнська молодіжна науково-технічна конференція «Машинобудування України - очима молодих» (Одеса, 29-31 жовтня 2007 р.).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 наукових праць, серед них: 8 статей в провідних фахових виданнях, 4 - у закордонних виданнях, 1 свідоцтво на право інтелектуальної власності.
Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 119 найменувань та додатків. Повний обсяг дисертації 196 сторінок, включаючи 102 рисунки, 5 таблиць і 6 додатків.
основний зміст роботи
У вступі представлена актуальність і доцільність виконання досліджень, сформульовані мета і задачі досліджень, наголошено на науковій новизні і практичному значенні роботи, виділено особистий внесок.
В першому розділі проаналізовані методи аналізу та підвищення пристосованості виробу до процесів складання, розглянуті особливості математичного представлення деталей, з'єднань, складальних одиниць та технологічних процесів складання, досліджені методи оцінки придатності виробу до процесів складання та перспективи подальшого їх розвитку.
Пристосованість конструкції до вимог технологічних процесів виготовлення прийнято визначати терміном «технологічність» і, якщо аналіз технологічності з точки зору процесів оброблення суттєво видозмінив свій сенс, завдяки появі високопродуктивного обладнання з ЧПК, нових різальних інструментів, то для процесів складання він стає все більш актуальним як засіб скорочення витрат та підвищення ефективності виробництва.
Основи функціонування підсистеми відпрацювання деталей та вузлів на технологічність в загальній системі автоматизованого технологічного підготовлення виробництва були закладені в наукових працях А.П. Гавриша, Н.М. Капустіна, В.С. Корсакова, М.П. Новікова, Л.С. Ямпольського.
Дослідженнями Амірова Ю.Д., Яновського Г.А., Павлова В.В., Ніколаєнко А.И. визначені показники кількісної оцінки технологічності та методи їх розрахунку.
Питання впливу особливостей конструкції виробу на технологічні процеси його складання знайшли своє відображення в роботах: В.К. Замятіна, А.С. Зенкіна, С.В. Лапковського, М.Е. Попова, А. М. Попова, А.Г. Холодкової. технологічність деталь складальний рухливість
Аналіз існуючих рішень в галузі математичного опису складального виробу виявив, що для вирішення задачі формалізованого аналізу обмежень на інтеграцію деталей найбільш придатною є модель у вигляді функцій відображення, запропонована в роботах Давигори В.М., Пасічника В.А., Коренькова В.М.
За кордоном технологічність з точки зору складання визначається поняттям DFA (Design for Assembly). Найбільшого розвитку отримали три основних методи DFA: Boothroyd Dewhurst System (G. Boothroyd, P Dewhurst), Lucas DFA Technique (Barnes C.J., Dalgleish G.F., Jared G.E.M., Swift K.G., Tate S.J.) та Hitachi Assemblability Evaluation Method (Miyakawa S., Ohashi T.).
При оцінці часу виконання складальних операцій методи DFA аналізу використовують ідентичні геометричні та фізичні характеристики деталей, а також схожі технологічні параметри операцій, отже, можна використати одну з систем оцінювання, так як їх валідність вже підтверджена чисельними виробничими дослідженнями.
Недоліком існуючих методів DFA аналізу є неповне представлення обмежень на інтеграцію деталей, орієнтоване на аналіз людиною.
За матеріалами першого розділу сформульовані задачі дослідження.
У другому розділі «Формалізація підвищення технологічності виробів до процесів складання» наведено теоретичні дослідження, спрямовані на моделювання конструкторсько-технологічного рішення, створення процедур цілеспрямованого скорочення кількості деталей у конструкції, формалізацію обмежень на інтеграцію деталей, розроблення процедури автоматизованого аналізу пристосованості виробу до процесів складання та вибору варіанту конструкції.
Інформаційне забезпечення, необхідне для проведення аналізу пристосованості виробу до складання. Вихідною інформацією для проведення аналізу пристосованості виробу до технологічних процесів складання (ТПС) є його тривимірна модель, створена в одній з CAD систем, синтезована на її основі модель БВОР СВ та послідовність складання.
Математичне представлення об'єкту складання. Будь-який СВ, спроектований конструктором, може бути описаний ієрархічно впорядкованою множиною деталей а та складальних одиниць А:
(1)
Конструкторське рішення СВ та математичне представлення СВ у вигляді БВОР є початковою інформацією для створення дерева процесу складання СВ, яке являє собою представлення об'єкту складання з урахуванням процесу складання.
Математичне представлення процесу складання. Для опису послідовності встановлення елементів СВ пропонується використовувати матрицю послідовності складання (МПС), кожен рядок і стовпчик якої відповідає абсолютному індексу елемента (деталі або складальної одиниці) у СВ. Елемент МПС sij = T, якщо після встановлення елемента аі може бути встановлений елемент аj в напрямку Т{X,Y,Z,…}, в усіх інших випадках sij = 0, тобто:
(2)
де qn - стан СВ на n-му етапі процесу складання, належить множині Q усіх можливих станів СВ; Hcn - склад деталей СВ на n-му етапі процесу складання, є підмножиною усіх деталей виробу А.
Тип і порядок операцій, які виконуються під час встановлення, пропонується задавати як вектор атрибутів (ВА) елементів та зберігати у одновимірному масиві, в якому вид і послідовність дій з кожним елементом визначається множиною індексів типів переходів:
,
де Оi - технологічний перехід.
Рис.1 МПС та ВА
Рис. 2 Представлення КТР
До ТПС, окрім операцій встанов-лення елементів СВ, входять операції, які виконуються над попередньо встановленими деталями.
Запропоновано в дерево процесу складання виробу у якості окремих вузлів додавати псеводеталі op, до яких і будуть співставлені дані складальні операції. Тоді, складальний виріб може бути представлений наступним чином:
(3)
Дерево процесу складання СВ може бути використано лише для опису послідовного складання. Для роз-повсюдження запропонованого пред-ставлення ТПС на послідовно-паралельні та паралельні складальні процеси пропонується поряд з деревом процесу складання представляти графічний опис процесу у виді часових обмежень процесу (на рис. 2 показані вертикальними пунктирними лініями).
Сукупність даних про конструк-торські та технологічні характеристики виробу назвемо конструкторсько-технологічним рішенням (КТР).
Загальний порядок аналізу виробу з метою підвищення його пристосованості до складання. Основним завданням цілеспрямованого підвищення пристосованості виробу до процесів складання повинно бути дослідження можливості скорочення кількості деталей виробу без втрати його функціональності. Після скорочення кількості деталей СВ слід проаналізувати відповідність реалізації з'єднань вимогам технологічності. Завершальним етапом повинно бути підвищення пристосованості окремих деталей до процесів складання.
Процедура цілеспрямованого скорочення кількості деталей СВ. Обмеження процесу скорочення деталей виробу зумовлені вимогами до кінцевого продукту.
Множина обмежень на інтеграцію деталей М формалізована та розділена на підмножини: - технологічних обмежень; - функціональних обмежень; МА -підмножину обмежень, що можуть бути проаналізовані в автоматизованому режимі та MM - множину обмежень, які мають бути проаналізовані людиною. Отже, вся множина обмежень на інтеграцію деталей СВ (рис. 3) може бути представлена так:
(4)
Рис. 3 Структуризація множини обмежень на інтеграцію деталей
Запропонована послідовність аналізу даних обмежень, результатом виконання якої є множини деталей, які можуть бути замінені інтегрованими деталями із дотриманням усіх вимог, що висуваються до виробу.
Порядок аналізу та вибір варіанту конструкції виробу. Пошук кращого КТР заснований на утворенні певної множини рішень, поєднаних ієрархічними відношеннями. Розроблений алгоритм реалізації методу цілеспрямованого підвищення пристосованості виробу до процесів складання та вибору варіанту конструкції, основу якого складає циклічне порівняння отриманих рішень між собою з точки зору вартості технологічного процесу складання та прийняття рішення про базовий варіант для наступної ітерації або ж про зупинення пошуку, гарантує, що нове конструкторсько-технологічне рішення не буде гіршим ніж попереднє за часовими та вартісними показниками.
У третьому розділі «Синтез кінематичної структури виробу та її аналіз в задачах підвищення технологічності складання» наведено теоретичні дослідження, спрямовані на формалізацію зв'язків між ступенями вільності твердого тіла, типами з'єднань та БВОР деталей у виробі; виявлення кінематичних ланцюгів та синтез кінематичної схеми механізму на основі математичної моделі СВ.
Обмеження може бути ураховано в автоматизованому режимі, якщо буде створена процедура формального виявлення множин деталей, що являють собою нерухому ланку механізму та деталей, що представляють собою рухомі ланки на основі аналізу БВОР між деталями виробу.
Умова існування з'єднання між двома деталями ai та aj:
,(5)
де - поступальні і - обертальні початкові БВОР на множині координатних напрямів tT, де T={X,Y,Z}.
Умова утворення нерухомого з'єднання парою деталей аi і аj :
(6)
Умова утворення рухомого з'єднання парою деталей аi і аj :
(7)
При визначенні кінематичної пари наявність можливості взаємного руху деталей будемо позначати Мt, якщо він має поступальний характер і Rt, якщо він має обертальний характер, причому tT, де T={m,n,k}. Три координатні напрямки на двох множинах можливих рухів утворюють множину усіх можливих ступенів вільності з'єднання:
(8)
Множина рухів Rt залежить від множини Мt - наявність ступенів вільності твердого тіла (відсутність обмежень рухливості) по двох взаємно перпендикулярних напрямках свідчить про обов'язкову наявність обертального ступеня вільності навколо нормалі до площини, утвореної цими двома напрямками:
(9)
Всі варіанти комбінацій можливих рухів у з'єднанні двох деталей та їх зв'язок з теорією механізмів і машин представлені в табл. 1. Комбінації можливих рухів, які суперечать (9) визначають заборонений стан моделі БВОР.
Кількість та напрямок можливих рухів у з'єднанні двох деталей визначають тип кінематичної пари. Характер з'єднання між деталями може бути однозначно ідентифікований на основі моделі його БВОР, що відповідають трьом поступальним та трьом обертальним напрямкам.
Формалізація виявлення кінематичних ланцюгів у СВ на основі інформації, представленої у БВОР. Формальною ознакою з'єднання, утвореного трьома і більше деталями, є наявність у моделі БВОР замкненого ланцюга контактних обмежень в одному з координатних напрямків:
,(10)
де N - кількість деталей СВ.
Таблиця 1. Результати аналізу можливих рухів у з'єднанні двох деталей
Ознакою наявності ступенів вільності у такому з'єднанні є порушення зв'язності підграфу контактних обмежень на множині деталей, що утворюють з'єднання, в одному з координатних напрямків.
Задача виявлення кінематичного ланцюга зводиться до виділення з множини А усіх деталей СВ множини функціонально необхідних деталей та віднесення кожної з деталей множини до певної множини деталей, що являють собою конструктивну реалізацію кінематичної ланки. Ознакою приналежності деталі множині є її входження до двох замкнених ланцюгів контактних обмежень:
(11)
Результатом виконання запропонованого алгоритму пошуку кінематичних ланцюгів є математична модель нового виробу, в якому кожна кінематична ланка представлена однією деталлю. Множина обмежень рухливості інтегрованої деталі утворюється шляхом об'єднання множин БВОР деталей, що входять до її складу.
Кожна інтегрована деталь фактично представляє собою множину деталей, які можуть бути об'єднані в одну з урахуванням обмеження . Така модель дозволяє виявити гранично мінімальну кількість деталей СВ, необхідну для забезпечення кінематичної функції механізму.
У четвертому розділі «Дослідження структури витрат на виготовлення продукту та методів їх розрахунку» визначено, що для вирішення задачі порівняння КТР необхідно використовувати процесно-орієнтований розрахунок витрат. Розроблено інформаційне представлення СВ , придатне для такого розрахунку.
Процесно-орієнтований розрахунок витрат. Прямі витрати на виготовлення (А.Cost) певного продукту А з точки зору виробничих процесів розділені на дві групи: А.Cost.M - вартість виготовлення деталей виробу; А.Cost.А - вартість складання виробу. Cумарні витрати пов'язані із виготовленням продукту можуть бути визначені за формулою:
А.Cost = А.Cost.M+ А.Cost.А (12)
Визначення вартості виготовлення продукту. Вартість виготовлення складальної одиниці (СО) може бути розрахована як сума вартостей виготовлення деталей, що входять до її складу:
, (13)
де k - рівень декомпозиції, m - номер у підскладанні, Nm - кількість деталей СО.
Технологічний процес виготовлення деталі може бути представлений у вигляді певної послідовності операцій обробки її поверхонь ai.VectorOpj, для яких необхідно визначити вартість реалізації ai.VectorOpj.Cost. Тоді,
, (14)
де Nop - кількість операцій у технологічному процесі виготовлення деталі.
Визначення вартості складання продукту. В основі розрахунку витрат, пов'язаних із складанням, покладений метод вимірювання часу. Таким чином, необхідно ТПС СВ розділити на окремі операції встановлення і віднести кожну з них до носія витрат - окремої деталі. Зазначимо, якщо елементом ai СВ є складальна одиниця, то для неї слід визначати два параметри: ai.Time - загальний час, необхідний для встановлення СО у СВ; ai.Time.AU - час складання вузла ai.
Операція встановлення деталі, в свою чергу, може складатися з декількох технологічних переходів складання, заданих у виді вектору атрибутів: ai.AttrVector.
Розрахунок часу ai.AttrVectorj.Time виконання технологічного переходу встановлення ai.AttrVectorj являє собою експертний розрахунок сумарного впливу двох складових. Перша складова: ai.AttrVectorj.HTime - основний час, друга складова: AttrVectorj.ITime - допоміжний час. Відповідно до викладеного, оперативний час виконання переходу встановлення деталі може бути розрахований за формулою:
(15)
де NAO - кількість технологічних переходів складальної операції встановлення деталі ai.
Для розрахунку прямих витрат на заробітну платню, віднесених на технологічний перехід, необхідним параметром є розряд робітника, який його виконує: ai.AttrVectorj.WRat,. тоді:
, (16)
де - вартість виконання секунди операції, що залежить від розряду виконавця.
Вартість встановлення кожної деталі та СО у СВ розраховується наступним чином:
, (17)
де ai.OpNum - кількість переходів, що виконуються при встановленні деталі. Прямі витрати на процес складання виробу можуть бути розраховані наступним чином:
(18)
Дослідження структури витрат на виробництво складального виробу повинно виконуватись шляхом побудови дискретної залежності показників вартості від конкретних елементів складального виробу. Точки, що відповідають найбільшим значенням функції, визначають деталі, переконструювання яких може призвести до значного скорочення витрат. З іншого боку, точки, що відповідають найменшим значенням функції, визначають деталі, скорочення вартості процесів виготовлення і складання яких буде мати несуттєвий вплив на загальну вартість виробу.
У п'ятому розділі «Практична перевірка і впровадження результатів дослідження» представлена методика вирішення задачі підвищення пристосованості виробу до процесів складального виробництва із використанням програмного забезпечення «DFA Expert», а також результати застосування даної методики і програмного забезпечення при виробництві приладу «Polimag» на ТОВ «ЛБЮ-Тех».
Програмне забезпеченя DFA Expert (свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір № 34342) є частиною програмного комплексу автоматизації технологічного підготовлення складального виробництва (рис. 5).
DFA Expert має одновіконний інтерфейс (рис. 6), у центральній частині якого відображається поточне КТР, а у лівій частині відображається дерево існуючих рішень. КТР складального виробу описується за допомогою дерева складання, елементами якого є деталі та складальні операції.
Створення проекту починається з визначення КТР0. Інформаційне наповнення КТР0 може виконуватись користувачем вручну або за допомогою процедури імпорту з модулю синтезу ПС (рис. 5) текстового файлу, який містить інформацію про структуру виробу, порядок складання, а також геометричні характеристики деталей. Визначення часу встановлення деталі або складальної одиниці у виріб ai.Time виконується шляхом визначення вектору атрибутів ai.AttrVector деталі з наступним розрахунком часових параметрів виконання кожного елементу вектору атрибутів Оi.opTime за допомогою вікна діалогу з користувачем. Вартість складання СО розраховується автоматично.
Рис. 5 Взаємодія підсистем проектування виробу та технології
Інтерфейс дослідження структури витрат на виробництво продукту дозволяє аналізувати окремо витрати на виготовлення деталей продукту та витрати на встановлення їх у складальний виріб.
Рис. 6 Структурні елементи головного інтерфейсу DFA Expert
Відповідно до розподілу витрат на складання виробу та згідно процедури цілеспрямованого скорочення кількості деталей СВ, на основі КТР0 створюються нове КТР0-1, для якого може бути згенерований протокол ТПС.
Ефективність використання запропонованої методики і програмного забезпечення апробована на ТОВ «ЛБЮ-Тех» (м. Київ) при перепроектуванні приладу «Polimag».
Для початкової конструкції СВ «Polimag» була створена тривимірна модель (рис. 7, а), за допомогою програмного забезпечення Extrass та модулю синтезу ПС дані з тривимірної моделі були імпортовані в середовище DFA Expert. Початкова конструкція СВ «Polimag» містить 280 деталей, визначені витрати на виробництво деталей становлять 1191,04 грн. В результаті виконання аналізу виробу та процесу його складання у середовищі DFA Expert визначені прямі витрати на складальні процеси: 236,24 грн (19,83% від загальних прямих витрат).
В результаті застосування методики вирішення задачі підвищення пристосованості виробу до процесів складального виробництва створено нове КТР0-1 (рис. 7, б), кількість деталей якого складає 151. Згідно протоколу порівняння варіантів перепроектування СВ «Polimag» призвело до скорочення: кількості деталей на 46,1%, часу і вартості складання на 60,7%, вартості виготовлення деталей на 5,8%, загальної вартості на 14,9%.
Початкова конструкція Кількість деталей: 280 Витрати: на оброблення 1191,04 грн на складання 236,24 грн загальні витрати 1427,28 грн
Нова конструкція Кількість деталей: 151 Витрати: на оброблення 1121,63 грн на складання 92,95 грн загальні витрати 1214,58 грн
Рис. 7 Тривимірна модель і витрати, що відповідають: а) КТР0; б)КТР0-1
Розраховані прямі витрати на складальні процеси становлять: 92,95 грн, попередньо розрахована сумарна вартість виготовлення деталей при розмірі партії 1000 шт становить: 1121,63 грн.
Очікуваний економічний ефект впровадження нової конструкції приладу для партії 1000 шт. складає 212700 грн.
ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ
1.У дисертаційній роботі виконано теоретичне узагальнення і нове розв'язання науково-технічної задачі підвищення ефективності механоскладального виробництва шляхом підвищення технологічності виробу на основі складально-орієнтованого проектування його конструкції.
2.Вперше створені теоретичні основи підвищення технологічності виробів на основі складально-орієнтованого проектування, які полягають в:
?розробленні інформаційного представлення складального виробу, як сукупності конструкторських, технологічних та економічних характеристик його деталей і складальних одиниць;
?розробленні інформаційного опису технологічних переходів складання у виді конструкторсько-технологічних характеристик з'єднання та економічних показників його реалізації;
?структуризації обмежень на інтеграцію деталей складального виробу на групи функціональних і технологічних;
?виявленні в кожній з груп множини обмежень, дослідження якої реалізується на основі моделі бінарних відношень обмежень рухливості;
?створенні методу автоматизованого підвищення технологічності складального виробу.
3.Доведено, що вид з'єднання (рухоме, нерухоме) деталей та клас кінематичної пари однозначно ідентифікуються по бінарним відношенням обмеження рухливості. Вперше розроблені: рівняння для визначення типу з'єднання двох деталей по моделі бінарних відношень обмежень рухливості та метод виявлення груп деталей, які є конструктивною реалізацією однієї кінематичної ланки.
4.Для автоматизації оцінювання критерію відсутності відносного руху між деталями, що об'єднуються, розроблений метод пошуку мінімальної кількості деталей складального виробу, необхідної для забезпечення кінематичної функції механізму.
7.Створена нова методика та програмне забезпечення «DFA Expert» аналізу структури виробничих витрат на виготовлення виробу та подальшого вдосконалення його конструкції, застосування яких дозволяє підвищувати ефективність технології виготовлення виробу в цілому.
8.Ефективність застосування методики та комп'ютерної програми «DFA Expert» підтверджена практичною апробацією результатів дисертаційної роботи на ТОВ «ЛБЮ-Тех» при проектуванні нової конструкції виробу «Polimag». Очікуваний економічний ефект впровадження нової конструкції приладу для партії 1000 шт. складає 212700 грн.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Пасічник В.А. Моделювання машинобудівного виробництва у середовищі Galaxy / В.А. Пасічник, Р.В. Галайда, Ю.В. Ковальова // Вісник Хмельницького національного університету. - 2006. - № 5 (85). - С.14-23 (здобувачем розроблений алгоритм оптимізації завантаженості верстатів за критеріями максимальної продуктивності та мінімальної собівартості).
2. Пасічник В.А. Урахування можливості кінематичних рухів елементів складальної одиниці при виявленні послідовності розкладання-складання / В.А. Пасічник, Ю.В. Лашина // Вісник Житомирського державного технологічного університету / Технічні науки. - 2006. - № 4 (39). - С.71-76 (здобувачем удосконалений алгоритм аналізу складальної одиниці в частині його розповсюдження на такі СО, які розкласти й скласти можна тільки із застосуванням допоміжних рухів).
3. Пасічник В.А. Виявлення кінематичних з'єднань у складальній одиниці на основі інформації про бінарні відношення обмеження рухливості / В.А. Пасічник, Ю.В. Лашина // Труды Одесского политехнического университета: Науч. и произв.-прак. сб. по техн. и ест. наукам. - Одесса, 2008. - Вып. 1(29). - С.31-35 (здобувачем доведена можливість робити висновки про характер кінематичних відношень між двома деталями на основі математичної моделі СО у вигляді БВОР).
4. Лашина Ю.В. Підвищення технологічності виробу з точки зору складання шляхом формалізованого скорочення кількості деталей / Ю.В. Лашина, В.А. Пасічник // Вісник ЖДТУ. - Житомир.: ЖДТУ, 2008. - №4 (47). - С. 39-44 (здобувачем розроблений алгоритм цілеспрямованого пошуку деталей, що можуть бути об'єднані без зменшення функціональності виробу).
5. Пасічник В.А. До питання виявлення кінематичних ланцюгів у складальних виробах / В.А. Пасічник, Ю.В. Лашина, В.М. Кореньков // Вісник НТУУ «КПІ» - К.: 2009. - №56 / Машинобудування. С. 134-140 (здобувачем формалізована процедура аналізу кінематики складального виробу).
6. Пасічник В.А. Cинтез технологічного процесу складання виробу на основі інформації про бінарні відношення обмежень рухливості / В.А. Пасічник, Ю.В. Лашина // Вісник НТУУ «КПІ» - К.: 2009. - №57 / Машинобудування. С. 75-81 (здобувачем запропонований математичний опис складальних переходів у виді вектора атрибутів).
7. Пасічник В.А. Метод цілеспрямованого перепроектування складальних виробів та його реалізація у «DFA Expert» / В.А. Пасічник, Ю.В. Лашина // Вісник НТУУ «КПІ» - К.: 2010. - №59 / Машинобудування. С. 258-263 (здобувачем запропонований метод пошуку кращого конструктивно-технологічного рішення).
8. Лашина Ю. В. Формалізація обмежень на інтеграцію деталей в складальному виробі / Ю. В. Лашина, В. А. Пасічник // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник наукових праць. - Краматорськ. - 2010. - №26 - С.177-182 (здобувачем формалізовані етапи виділення деталей, які можуть бути інтегровані в одну).
9. Кореньков В.М. Процедура целенаправленного DFA-анализа сборочных единиц / В.М. Кореньков, В.А. Пасічник, Ю.В. Лашина // Technika i technologia montazu maszyn. - 2008. - z.72. - С. 81-87 (здобувачем запропоновано автоматизувати аналіз обмежень на інтеграцію деталей, пов'язаних із кінематикою виробу).
10. Korenkow W. Procedura ukierunkowanej analizy DFA dla jednostek montaїowych / W. Korenkow, W. Pasiecznik, J. Јaszina // Technologia i automatyzacja montaїu. Ogolnopolski Kwartalnik Naukowo-Techniczny Nr 4 (62) pazdziernik - grudzien 2008. P. 11-14. (здобувачем виявлені основні напрямки підвищення пристосованості виробу до процесів складання).
11. Pasiecznik W. Formalizacja identyfikacji kinematycznych i silowych іaсcuchуw w wyrobach montaїowych / W. Pasiecznik, W. Korenkow, J. Јaszina // Moduіowe technologie i konstrukcje w budowie maszyn - MTK '09, Rzeszуw 2009. - P. 15-22 (здобувачем розроблені логічні залежності типу з'єднання від БВОР деталей СВ).
12. Пасечник В. А. Анализ и усовершенствование конструкций изделий с использованием программного обеспечения «DFA Expert» / В.А. Пасечник, Ю.В. Лашина // Poі№czenia montaїowe. - 2010. - z. 79. - Р.17-25 (здобувачем розроблена модель взаємодії підсистем проектування виробу та технології).
13. Пасічник В. А. Моделювання складальних одиниць на основі інформації про взаємні обмеження рухливості / В.А. Пасічник, Ю.В. Ковальова // Матеріали ІІ Міжнародної науково-практичної конференції „Сучасні наукові дослідження - 2006”, Дніпропетровськ.- 2006 / Том 16. Технічні науки / Наука і освіта. - С.81-84. (здобувачем розроблена процедура формування ВВОР і їх перетворення у БВОР).
14. Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір. Комп'ютерна програма «DFA Expert» / Ю. В. Лашина, В. А. Пасічник // №34342 від 02.08.2010 (здобувачем розроблені основні процедури і об'єкти програми).
АНОТАЦІЯ
Лашина Юлія Вікторівна. Підвищення технологічності виробів на основі складально-орієнтованого проектування. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 - технологія машинобудування. - Національний технічний університет України «КПІ», Київ, 2010.
Дисертація присвячена вирішенню питань підвищення ефективності механоскладального виробництва шляхом підвищення технологічності конструкцій виробів на основі розробки методів і процедур складально-орієнтованого проектування.
У дисертаційній роботі наведені теоретичні дослідження, спрямовані на моделювання конструкторсько-технологічного рішення, створення процедур цілеспрямованого скорочення кількості деталей у конструкції, формалізацію обмежень на інтеграцію деталей, формалізацію зв'язків між ступенями вільності твердого тіла, типами з'єднань та БВОР деталей у виробі.
Вирішена задача виявлення кінематичних ланцюгів у СВ та синтезу кінематичної схеми механізму на основі математичної моделі СВ.
Розроблені теоретичні положення, методи, алгоритмічне та програмне забезпечення, які дозволяють на основі інтегрованого математичного опису виробу оцінити структуру витрат на його виготовлення та виконати цілеспрямований пошук нового конструктивно-технологічного рішення, який гарантує, що знайдене рішення за економічними показниками не поступається початковому, та гарантує збереження необхідної функціональності виробу.
Ключові слова: складальний виріб, технологічність, технологічний процес складання, математична модель, проектування, DFA аналіз.
THE SUMMARY
Lashyna Y.V. The Improvement of Product's Assemblability Based On Assembly Oriented Design. - Manuscript.
The Thesis for the acquisition the degree of the Candidate of Engineering in speciality 05.02.08. - Production Engineering. - National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, 2010.
The Thesis deals with solution of the following scientific problem: the enhancement of efficiency of the production by means of the development of procedures for formalized analysis and improvement of products assemblability.
The theoretical researches for modeling an engineering and design concept, the development of procedures for purposeful decreasing the product's part count, the formalization of constraints on integrating parts, the formalization of the relationships between degrees of freedom, types of joints and binary relations of movement restriction are presented in this Thesis. The scientific problem of detection the kinematical chains in the product and synthesis of kinematics based on mathematical model of product is solved.
The theoretical propositions, methods of solution, algorithms and software for estimation of cost structure based on mathematical model of product as well as for purposeful searching of new engineering and design concept, which guarantees that the computed solution isn't worse than previous one and also guarantees that the product's functionality is saved, are developed.
Keywords: assembly, assembly unit, assemblability, assembly process, production, mathematical model, design, DFA analysis.
АННОТАЦИЯ
Лашина Ю. В. Повышение технологичности изделий на основе сборочно-ориентированного проектирования. - Рукопись.
Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.08 - технология машиностроения. - Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт». Киев, 2010.
Диссертация посвящена решению вопросов повышения эффективности механосборочного производства посредством повышения технологичности конструкций изделий на основе сборочно-ориентированного проектирования.
Одним из наиболее эффективных инструментов повышения эффективности современного механосборочного производства является использование методов улучшения технологичности изделия на основе сборочно-ориентированного проектирования его конструкции (DFA - Design for Assembly). Метод DFA объединяет в себе как набор определённых правил и рекомендаций по проектированию конструкций новых изделий, так и процедуры анализа существующих изделий с целью их перепроектирования.
Методы анализа конструкций в основном существуют в виде автономных процедур, которые не в полной мере используют существующие модели сборочного изделия (СИ) и процессов сборки и являются ориентированными на получение начальных и промежуточных данных от человека, что не соответствует современной концепции автоматизации и интеграции средств поддержки жизненного цикла изделия.
Поэтому актуальной является научная задача повышения эффективности механосборочного изделия путём создания процедур автоматизированного повышения технологичности изделия на основе сборочно-ориентированного проектирования с возможностью интеграции в комплекс программных средств поддержки технологической подготовки сборочного производства.
В диссертационной работе разработано интегрированное математическое описание сборочного изделия в виде иерархически упорядоченной совокупности элементов конструкции и технологии сборки. Данное математическое описание включает: технологический процесс, представленный в виде матрицы последовательности сборки с векторами атрибутов технологических операций сборки, а также экономические показатели их реализации. Конструкторские, технологические и экономические характеристики сборочного изделия в совокупности образуют конструкторско-технологическое решение, пригодное для прогнозирующей оценки эффективности его конструкции.
Впервые формализовано множество ограничений на интеграцию деталей сборочного изделия. Данное множество разделено на подмножества функциональных и технологических ограничений, в которых выделены ограничения, анализ которых может быть автоматизирован на основе модели бинарных отношений ограничений подвижности (БООП), что создало условия для автоматизации сокращения количества деталей изделия.
Разработан метод сокращения количества деталей изделия, который основан на последовательном выявлении: отсутствия относительного движения между деталями изделия в процессе работы механизма; деталей, требующих частой замены или регулировки; возможности изготовления деталей из одного материала; возможности реализации последовательности сборки и доступа инструмента в зону сборки; технологической возможности изготовления деталей; неизменности передачи механизмом сил, моментов и скоростей и позволяет выявить множества деталей, которые могут быть заменены одной интегрированной деталью.
Для автоматизации анализа ограничения отсутствия относительного движения между объединяемыми деталями формализовано выявление типа соединения (подвижное, неподвижное) и класса кинематической пары на основе модели БООП, а также решена задача выявления кинематических цепей в СИ и синтеза кинематической схемы механизма на основе БООП.
Разработанные теоретические положения, методы, алгоритмическое и программное обеспечение позволяют на основе интегрированного математического описания изделия оценить структуру затрат на его изготовление и выполнить целенаправленный поиск нового конструкторско-технологического решения, которое по экономическим показателям не уступает исходному, а также обеспечивает сохранение необходимой функциональности изделия.
В работе представлена новая методика повышения технологичности сборочного изделия, а также новое программное обеспечение «DFA Expert», являющееся эффективным инструментом поддержки принятия решений при выборе варианта конструкции изделия и позволяющее оценить новое конструкторско-технологическое решение, как с точки зрения сборочных процессов, так и с точки зрения процессов изготовления.
Результаты работы апробированы и внедрены на ООО «ЛБЮ-Тех» при поиске нового конструкторско-технологического решения сборочного изделия «Polimag». Ожидаемый экономический эффект для партии 1000 шт. составляет 212700 грн.
Ключевые слова: сборочное изделие, технологичность, технологический процесс сборки, математическая модель, проектирование, DFA анализ.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Поняття та головні характерні ознаки технологічної конструкції. Відпрацювання конструкції виробу на технологічність: етапи, напрямки, значення. Технологічні вимоги до конструкції складальних одиниць та рекомендації з поліпшення їх технологічності.
реферат [685,1 K], добавлен 08.07.2011Дані для проектування технологічного процесу складання. Ознайомлення зі службовим призначенням машини. Розробка технічних вимог до виробу та технологічний контроль робочих креслень. Встановлення типу виробництва та організаційної форми складання.
реферат [264,8 K], добавлен 08.07.2011Технологічність конструкцій заготовок. Оцінка технологічності. Рекомендації до забезпечення технологічності конструкцій заготовок. Штампування поковок на горизонтально-кувальних машинах. Номенклатура поковок, одержуваних на ГКМ. Точність поковок.
контрольная работа [1,7 M], добавлен 26.03.2009Аналіз технологічності конструкції деталі Стійка. Вибір заготовки та спосіб її отримання за умов автоматизованого виробництва. Вибір обладнання; розробка маршрутного процесу та управляючих програм для обробки деталі. Розрахунок припусків, режимів різання.
курсовая работа [2,0 M], добавлен 10.01.2015Нерухомі та рухомі з’єднання деталей. З’єднання різьбовими шпильками, болтами і гвинтами. Основні методи вкручування шпильок. Затягування гайок і гвинтів. Зміщення деталей шпонкового з’єднання при складанні. Схема нерухомого конічного з’єднання.
реферат [676,5 K], добавлен 06.08.2011З’єднання з гарантованим натягом на пресах або шляхом теплової дії на з’єднувані деталі. Нагрівання великогабаритних деталей. Схеми з’єднань з нагріванням охоплюючої чи охолодженням деталей. З’єднання, що одержуються методами пластичної деформації.
реферат [565,2 K], добавлен 07.08.2011З'єднання деталей одягу за допомогою швів. Різновид ручних, оздоблювальних і машинних швів, їх характеристика та способи накладення. Клеєне з'єднання деталей одягу. Клеї БФ-6, ПВБ-К1 і клейові тканини: їх характеристика та способи з'єднання деталей.
реферат [786,7 K], добавлен 09.11.2008Аналіз виробничої програми, визначення типу та організаційної форми виробництва. Наближені формули для визначення норм часу при обробці поверхні. Вимоги до технологічності форми деталей з метою забезпечення механічної обробки продуктивними методами.
контрольная работа [25,5 K], добавлен 20.07.2011Розробка модельного ряду молодіжних жакетів. Обґрунтування вибору методу технічного моделювання та методики конструювання моделі молодіжного жакету. Розкладка деталей крою швейного виробу. Вивчення основних способів з’єднання деталей швейного виробу.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 31.10.2014Аналіз технологічності конструкції деталі типу "Стакан". Вибір параметрів різальної частини інструментів. Перевірка міцності та жорсткості корпусу різця. Розробка інструментального налагодження. Вибір обґрунтування послідовності обробки поверхонь деталі.
курсовая работа [302,9 K], добавлен 04.11.2012
