Забезпечення продуктивності багатономенклатурних механообробних виробництв на основі синтезу структур технологічних систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет

«Харківський політехнічний інститут»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Забезпечення продуктивності багатономенклатурних механообробних виробництв на основі синтезу структур технологічних систем

Біловол Ганна Володимирівна

УДК 621.9.05-52

Спеціальність 05.02.08 - технологія машинобудування

Харків - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Державному підприємстві Інститут машин і систем Міністерства промислової політики України і Національної академії наук України, м. Харків.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Тернюк Микола Емануілович,

Державне підприємство Інститут

машин і систем, м. Харків, директор

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Шелковий Олександр Миколайович,

Національний технічний університет

«Харківський політехнічний інститут»,

професор кафедри технології машинобудування

та металорізальних верстатів

кандидат технічних наук, доцент

Баранов Олег Олегович,

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний

інститут», доцент кафедри робототехнічних

систем і комплексів

Захист відбудеться 26 травня 2011 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.12 у Національному технічному університеті «Харківський політехнічний інститут» за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут».

Автореферат розісланий «22» квітня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.А. Пермяков

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Існуючий стан машинобудування в Україні не достатньо забезпечує необхідні показники конкурентоспроможності, продуктивності та якості техніки. Особливо це стосується багатономенклатурних виробництв, які є сучасною об'єктивною формою організації виробничої діяльності. Одним із напрямків підвищення ефективності таких виробництв є створення механообробних технологічних систем (ТС), що сполучають в собі суперечливі властивості високої продуктивності та гнучкості. Але створення багатономенклатурних механообробних виробництв високої продуктивності, що викликають фундаментальні зміни в технології та організації виробництва, поки теоретично не достатньо обґрунтовано.

Наявні фундаментальні дослідження з теорії продуктивності ТС дозволяють вирішувати багато питань підвищення продуктивності конкретних ТС за рахунок вдосконалення металорізального обладнання, інструментів, застосування більш точних заготовок. Систематизовані принципи забезпечення необхідної точності обробки, якості поверхні та інших характеристик виробів. Вирішені основні проблеми створення механообробних виробництв на базі верстатів з ЧПК та інших сучасних засобів автоматизації. В той же час питання забезпечення продуктивності багатономенклатурних механообробних виробництв та встановлення зв'язків і закономірностей синтезу ТС для таких виробництв вирішені не в повній мірі. На сьогодні рівень формалізації технологічних знань вказаних систем перебуває в початковій стадії. Тому виявлення технологічних способів підвищення продуктивності, створення на цій основі відповідного методу синтезу багатономенклатурних механообробних виробництв як систем високої продуктивності є актуальною науково-практичною задачею та визначило напрямок дисертаційного дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано відповідно до наукових планів Державного підприємства Інститут машин і систем Мінпромполітики і НАН України в межах НДР Міністерства промислової політики України «Розробка державної програми розвитку машинобудування України на 2006-2011рр.» (ДР №0104U004906) і «Розробка програмного та організаційного забезпечення системи прискореного інноваційного розвитку промисловості на основі сучасних інформаційних технологій» (ДР №0102U006926), в яких здобувач була виконавцем окремих етапів.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є теоретичне обґрунтування та розроблення системи синтезу багатономенклатурних механообробних виробництв шляхом виявлення і застосування множини технологічних способів підвищення їх продуктивності.

Для досягнення поставленої мети визначені наступні задачі:

- виконати аналіз існуючих методів проектування механообробних ТС, а також дослідити особливості структурного синтезу багатономенклатурних систем обробки металів різанням (ОМР) та існуючих підходів до підвищення їх продуктивності;

- розробити ієрархічні моделі структур циклів, функцій і процесів, характерних для багатономенклатурних механообробних ТС;

- теоретично обґрунтувати та виявити повну (в межах прийнятої класифікації) множину технологічних способів підвищення продуктивності ТС і визначити умови їх застосування з урахуванням виявленої ієрархії циклів;

- розробити моделі структур повнофункціональних елементарних ТС, які реалізують виявлені способи підвищення продуктивності;

- теоретично обґрунтувати, розробити і експериментально перевірити метод спрямованого синтезу багатономенклатурних механообробних ТС високої продуктивності.

Об'єкт дослідження - процеси технологічної підготовки і виготовлення виробів у багатономенклатурних системах ОМР.

Предмет дослідження - зв'язки і закономірності синтезу багатономенклатурних механообробних ТС високої продуктивності.

Методи дослідження. Методологічною основою роботи є системний підхід. Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях технології машинобудування, математичної логіки, функціональному аналізі. Методи систематики і класифікації залучались при систематизації технологічних способів підвищення продуктивності ТС та геометро-кінематичних схем методів механічної обробки. Математичне моделювання об'єктів типу «об'єкт» і типу «процес» здійснювалось за допомогою графових і предикатних моделей. Методи конкретизації та параметризації структур застосовувались для послідовного системного перероблення інформації при проектуванні ТС. Розроблення системи синтезу структур багатономенклатурних виробництв здійснювалось з використанням методу комплексної оптимізації ТС. Достовірність теоретичних розробок підтверджено результатами експериментальних досліджень, виконаних у виробничих умовах шляхом хронометражу.

Наукова новизна одержаних результатів. На теоретичних засадах технології машинобудування вперше виявлена множина технологічних способів підвищення продуктивності механообробних ТС та на її основі розроблено систему синтезу структур багатономенклатурних виробництв, що базується:

- на розробленій узагальненій моделі структур повнофункціональних елементарних технологічних систем та встановленій закономірності зміни цих структур в залежності від рівня технізації основних, допоміжних та управлінських функцій;

- на виявленій лінійній залежності між рівнем технізації і кількістю структурних елементів в технологічній системі за умови її модульної побудови, що дозволяє на ранніх стадіях проектування оцінювати рівень складності та потенційної надійності системи;

- на вдосконалених моделях структур циклів, функцій та процесів, характерних для багатономенклатурних ТС шляхом включення до їх складу ізохронного циклу та підготовчих циклів ранніх періодів, врахування яких створює можливості для подолання протиріччя між гнучкістю та продуктивністю;

- на вдосконаленому методі спрямованого синтезу багатономенклатурних механообробних ТС високої продуктивності, що відрізняється способом визначення загальних і конкретизованих структур та параметрів системи за допомогою регулярних алгоритмічних процедур.

Практичне значення одержаних результатів для машинобудівної галузі:

- запропонована повна (в рамках прийнятої класифікації) множина технологічних способів підвищення продуктивності ТС, що дозволяє виявляти резерви та розробляти заходи з підвищення продуктивності багатономенклатурних механообробних виробництв;

- розроблено методику застосування виявленої множини технологічних способів підвищення продуктивності багатономенклатурних механообробних ТС на ранніх стадіях проектування відповідних технічних засобів для таких систем;

- розроблено алгоритм вирішення задачі забезпечення продуктивності багатономенклатурних механообробних виробництв для проектування конкурентоспроможних ТС.

Результати роботи впроваджені на:

- ДП «110-ий Харківський автомобільний ремонтний завод» при розробці проекту багатономенклатурної автоматичної лінії (АЛ) високої продуктивності на базі модернізованих верстатів з ЧПК для обробки заготовок деталей типу «тіла обертання».

- Науково-технічній виробничій корпорації «Модернізація і розвиток» при проектуванні виробничої системи для механічної обробки гайок, що самозатягуються, для об'єднання «Укрметиз» (м. Димитров Донецької обл.), при впровадженні якої досягнуто зменшення тривалості допоміжних функцій до 12 разів та підвищення продуктивності системи до 4-х разів.

Особистий внесок здобувача. Положення і результати, що виносяться на захист дисертаційної роботи, отримані здобувачем самостійно. Серед них: виконання аналітичних та експериментальних досліджень, обробка та узагальнення отриманих результатів, участь у виробничому впровадженні. Постановка задач, аналіз і обговорення наукових результатів виконувались з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались на XIIій та XVій Міжнародних конференціях «Нові технології в машинобудуванні» (Харків, Рибаче, 2003, 2005 рр.); IХій, Хій та XІій Міжнародних НТК «Фізичні та комп'ютерні технології» (м. Харків, 2003, 2004, 2005рр.); ІІму Міжнародному з'їзді з ТММ (м. Харків, 2005р.), Міжнародному семінарі «Великі системи: теорія і практика» (Харків, 2007, 2008, 2010 рр.). У повному обсязі робота доповідалась на засіданні вченої ради ДП Інститут машин і систем і на науковому семінарі кафедри технології машинобудування та металорізальних верстатів НТУ «ХПІ».

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковано в 10 науковий працях, з яких 7 праць у наукових фахових виданнях ВАК України.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури та додатку. Повний обсяг дисертації становить 194 сторінки, з них 27 рисунків по тексту, 15 рисунків на 11 окремих сторінках, 9 таблиць по тексту, 8 таблиць на 8 сторінках, додаток на 6 сторінках та список використаних джерел із 146 найменувань на 15 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

продуктивність механообробний технологічний

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету та основні задачі дисертаційної роботи, визначені об'єкт і предмет дослідження, висвітлено наукову новизну, а також подано інформацію про апробацію та публікацію результатів теоретичних і експериментальних досліджень.

У розділі 1 проведено аналіз наукових публікацій щодо шляхів забезпечення продуктивності машинобудівних виробництв та рівнів їх гнучкості. Показано, що вирішення задачі підвищення ефективності виробництва пов'язане з багатономенклатурними механообробними ТС високої продуктивності.

Теоретичною основою дисертаційного дослідження є наукові розробки Артоболевського І.І., Васильєва В.М., Дащенка А.І., Капустіна М.М., Карпуся В.Є., Кліра Дж., Колеснікова Л.А., Костюка Г.І., Кошкіна Л.М., Митрофанова С.П., Михайлова О.М., Месаровича М., Соломенцева Ю.М., Суслова А.Г., Такахари Я., Тернюка М.Е., Тимофієва Ю.В., Цвєткова В.Д., Черпакова Б.І., Шаумяна Г.А., Шелкового О.М., Щедровицького Г.П. та інших. Досліджені різні аспекти вирішення задач підвищення продуктивності механообробних виробництв та забезпечення їх гнучкості, розглянуті загальносистемні питання моделювання, аналізу та синтезу технологічних об'єктів техносфери, сформульовані теоретико-методологічні основи сучасної технології машинобудування.

На основі аналізу публікацій з питань створення високопродуктивних ТС механообробки можна зробити висновок, що найменш дослідженою є методологія формалізованого синтезу як виробництв у цілому, так і їхніх структурних елементів. Головною складністю створення таких виробництв визначається проблема подолання протиріччя між продуктивністю і гнучкістю. Для створення відповідної методології та вирішення вказаної проблеми необхідно провести додаткові дослідження по моделюванню способів, засобів та умов створення нових ТС, здатних забезпечувати необхідну гнучкість при заданій продуктивності, а також по розвитку методів проектування багатономенклатурних механообробних виробництв.

Реалізація принципу комплексності вимагає врахування взаємозв'язків і взаємодії прийнятих рішень в усіх 27-ми блоках, зображеної на рис. 1 області. Повнота множини можливих рішень є однією з умов забезпечення високої ефективності системи. Ці аспекти зумовили потребу в теоретичному дослідженні з наступною експериментальною перевіркою отриманих результатів.

В дисертації задача забезпечення продуктивності багатономенклатурних ТС вирішувалась у двох аспектах: пошуковому, який передбачає визначення та реалізацію можливих резервів підвищення продуктивності та проектному, що вимагає досягнення оптимуму обраного критерію при обмеженні на продуктивність (серед інших обмежень).

В якості загального підходу до вирішення поставлених задач обґрунтовано застосування системного підходу з використанням методу комплексної оптимізації ТС в межах всієї області можливих рішень по функціях, структурах та часу (рис. 1).

У розділі 2 розроблені загальні структурно-процесні моделі способів підвищення продуктивності ТС, системно представлені базові поняття і моделі структур циклів, функцій та процесів, характерних для багатономенклатурних виробництв, які визначають послідовність функціонування та розвитку ТС у часі.

З врахуванням того, що основні витрати часу в багатономенклатурних системах пов'язані з підготуванням виробничих циклів, в пошуках ефективного рішення щодо мінімізації підготовчих циклів були досліджені цикли ранніх періодів. Встановлено, що в системах високої продуктивності підготовчі цикли необхідно організовувати за поточним принципом. Загальну модель структури циклів функціонування та розвитку ТС представлено на рис. 2. Індекси п, о, з відповідають підготовчим, основним та заключним етапам циклів на кожному ієрархічному рівні відповідно. Таке об'ємне представлення циклів є однією з умов отримання повної множини можливих рішень, необхідних для комплексної оптимізації при проектуванні ТС.

Включення в модель циклів більш високого рівня, ніж життєвий, потрібно для того, щоб врахувати можливі резерви підвищення продуктивності за рахунок появи в межах ізохронного циклу нових типів ТС. Відповідно до рис. 2 та існуючої системи атрибутів ТС в роботі враховано, що типи ТС можуть відрізнятися між собою видами фізичних ефектів (принципів дії) та структурними ознаками, що визначають рівень автоматизації системи.

В роботі запропоновані логіко-математичні моделі циклів. Для машинобудування типовими є життєвий та фазові цикли, в яких реалізуються функції, пов'язані із: науковими дослідженнями та маркетингом Д, проектуванням П, виготовленням В, сертифікацією С, збутом З, налагодженням та навчанням Н, функціонуванням Ф, а також обслуговуванням О, ремонтом Р, модернізацією М та утилізацією Л. Цільовим фазовим циклом є цикл Ф, загальна схема якого представлена моделлю

Ф = (ПЕОЕЗЕ)ЗБУ, (1)

де ПЕ, ОЕ, ЗЕ - початковий, основний та заключний етапи циклу; ЗБ, У - забезпечуючий та управлінський фазові цикли відповідно. Знак означає послідовне, а знак - паралельне виконання циклів (етапів).

Враховуючи, що забезпечуючий та управлінський цикли на кожному із фазових циклів змінюють свій характер, структура життєвого циклу у відповідності з введеними позначеннями представлена моделлю

ЖЦ=(ДЗБдУд)(ПЗБпУп)(ВЗБвУв)(СЗБсУс)(ЗЗБзУз) (НЗБнУн)(ФЗБфУф)(ОЗБоУо)...(ФЗБфУф)(РЗБрУр)

(НЗБнУн)(ФЗБфУф)(ОЗБоУо)…(МЗБмУм)

(НЗБнУн)(ФЗБфУф)(ЛЗБлУл). (2)

Символом ... позначені можливі повторення цілісних фрагментів життєвого циклу, наприклад, типу РНФ.

У відповідності із залежністю (1) структура системи функцій будується з тріадних ланцюгів, які включають по три складові: підготовчі, основні та заключні функції. Фрагмент такої системи зображено на рис. 3. Пунктирними лініями виділені зв'язані між собою умовою безперервності циклів тріадні ланцюги для основної функції , яка належить j-му ієрархічному рівню.

Побудова ієрархічних моделей, що включають ізохронні цикли розвитку техніки з врахуванням функцій, які реалізують підготовчі та заключні етапи, дозволила виявити та уніфікувати способи підвищення продуктивності на всій ієрархії циклів.

На основі зазначеного побудована загальна функціональна модель механообробних ТС, для якої конкретні моделі є окремими випадками. Фрагмент загальної функціональної структури механообробних ТС представлено на рис. 4. Верхні індекси j{н,с,п} відображають належність функції до надсистеми, системи та підсистеми відповідно, а нижні індекси (о), (д), (у) - до основних, допоміжних та інформаційно-управлінських функцій відповідно.



Аналіз представленої моделі показав, що для проектування ТС багатономенклатурних виробництв потрібно конкретизувати кожну із підсистем з урахуванням потоку засобів технологічного оснащення та інформаційно-управлінського потоку. Наявність таких потоків є головною структурною ознакою механообробних ТС для багатономенклатурного виробництва. Ці потоки матеріалізуються підсистемами (технічними засобами), що їх реалізують з високою швидкодією в межах підготовчих циклів ранніх періодів. Внаслідок цього створюються умови для подолання протиріччя між продуктивністю та гнучкістю ТС.

Із отриманої функціональної структури визначаються структури елементів багатономенклатурних механообробних виробництв шляхом постановки у відповідність кожній функції елемента, що її реалізує, з відповідним рівнем технізації (механізації, автоматизації, інтелектуалізації) та створені предикатні моделі для розрахунку показників продуктивності.

Використовуючи відомі залежності Г.А. Шаумяна щодо продуктивності автоматизованого виробництва та враховуючи ізохронний і фазові цикли (1)-(2) в роботі отримана параметрична модель для розрахунку продуктивності Q у багатономенклатурних виробництвах

 шт./хв, (3)

де і{п,о,у,р}, t - сумарні витрати часу на реалізацію підготовчо-заключних, основних, управлінських, налагоджувально-ремонтних функцій відповідно, хв; індекси П, О, З означають приналежність параметра до підготовчої, основної та заключної функції відповідно; m - характеристика об'єкта перетворень, що виконуються протягом робочого циклу, вимірюється у штуках; - загальний коефіцієнт використання системи. Цей коефіцієнт конкретизовано для кожного значення тривалості відповідного окремого j-го фазового циклу Тцj, j {Т,О,Н,Р}. При цьому враховано, величина визначається як добуток чотирьох окремих коефіцієнтів

, (4)

де Т - коефіцієнт технічного використання; - коефіцієнт організаційного використання; Н - коефіцієнт витрат часу на налагодження; Р - коефіцієнт витрат часу на ремонт системи (підсистеми). Залежність продуктивності від к, kП,О,З вказує на можливість її зменшення при малих значеннях даних коефіцієнтів на підготовчих циклах.

Отримані залежності дозволяють виконувати аналіз можливих резервів підвищення продуктивності системи та розробляти заходи по їх реалізації. Для цього необхідно мати множину технологічних способів підвищення продуктивності багатономенклатурних механообробних виробництв. Щоб її виявити в роботі виконано аналіз і систематизацію функцій ТС. Виділені основні Од, допоміжні (підготовчі, заключні та забезпечуючі) дії Дд. Між окремими функціями або їх складовими можуть бути простої Пр. Вказані функції та простої утворюють множину об'єктів Моб, які визначають тривалість циклу Тц

Моб = {Oд1, Oд2, ... ,OдL, Дд1, Дд2, ... , ДдM, Пр1, Пр2, ..., ПрN}, (5)

де індекси L, M, N - кількість основних, допоміжних функцій та простоїв відповідно.

В основу синтезу структур способів підвищення продуктивності покладено підхід, що ґрунтується на встановленні топологічних зв'язків між структурами способів та елементами цих множин. Для цього проведено структурування множини прийомів Мпр, які впливають на тривалість часу реалізації об'єктів множини Моб: виключення Вк, зменшення Зм та суміщення См

Мпр = {Вк, Зм, См}. (6)

Застосовуючи цю множину прийомів до множини об'єктів (5), отримана множина структур способів Мсп підвищення продуктивності ТС

Мсп = МпрМоб = {ВкОд1, ВкОд2, ... , ВкОдL, ЗмОд1, ЗмОд2, ... , ЗмОдL, СмОд1,СмОд2, ... , СмОдL, ВкДд1, Вк Дд2, ... , ВкДдМ, ЗмДд1, ЗмДд2, ... , ЗмДдМ, СмДд1, СмДд2, ... , СмДдМ, ВкПр1, ВкПр2, ... , ВкПрN, ЗмПр1,

ЗмПр2, ... , ЗмПрN, СмПр1, СмПр2, ... , СмПрN}. (7)

Практична реалізація цих способів визначається умовою непротиріччя, яке полягає в тому, що елементи ВкОд1, ВкОд2, ... , ВкОдL цієї множини суперечать меті створення системи, оскільки неможливим є виключення основної функції.

В межах прийнятої класифікації, множини Мпр та Моб є повними і охоплюють всі етапи підготовки та функціонування системи. Цим забезпечується повнота виявленої множини технологічних способів підвищення продуктивності ТС.

Таблиця 1

Множина структурних геометро-кінематичних схем методів механічної обробки в автоматизованих виробництвах

Зокрема, встановлено, що нові види і типи технологій механообробки виникають при застосуванні способу С_мЧО_д. Для синтезу методів механічної обробки, починаючи з нижчого ієрархічного рівня з врахуванням можливих рівнів концентрації технологічної дії, введених Кошкіним Л.М., розроблена впорядкована множина структурних схем таких методів (таблиця 1). При цьому виділені методи, які мають інтегроване (І) та диференційоване (Д) управління кінематикою елементів, що забезпечує технологічну дію в одно- (О) та багатономенклатурних (Б) виробництвах відповідно.

Для кожного способу мно-жини (7) розроблені свої заходи та умови, що забезпечують їх реалізацію на різних ієрархічних рівнях ТС: робоче місце, підрозділ (цех, лінія), підприємство.

У роботі проведена систематизація та класифікація структур отриманих способів. Виділені одно-, дво- і багатоелементні способи, серед яких: комбіновані та об'єднані способи. Визначені способи, які призводять до зміни видів і типів технологій механообробки, а також ті, що до таких змін не призводять.

Отримані способи підвищення продуктивності можуть бути застосовані при вирішенні таких задач як оптимізація ТС по критерію продуктивності, аналіз резервів підвищення їх продуктивності, оцінка ступеня досконалості по критерію швидкодії виконавчих механізмів ТС та інших.

В 3-му розділі розроблені структурно-об'єктні моделі ТС та описані способи забезпечення заданих функціональних і структурних властивостей багатономенклатурних механообробних виробництв. Це основні підготовчі моделі для загальної задачі синтезу таких виробництв.

В основу моделей покладено універсальний моделюючий блок, який відображає цільові та вимушені перетворення в системі з урахуванням впливу середовища

де: , {i, j} - -а система (підсистема) в момент часу tт, т {х, у}, стан якої відповідає верхньому індексу (kk), kk {xx, yy, vv, ww}, Sp - середовище; подвійною горизонтальною стрілкою позначено цільове перетворення, а одинарною ламаною - вимушене, яке виникає внаслідок зміни ресурсу перетворюючої системи Si при її дії на систему Sj, що перетворюється; одинарні похилі прямі відображають взаємодію системи (підсистеми) із середовищем. Модель (8) відображає загальну структуру взаємодіючих систем (підсистем) протягом двох фаз: початкової (індекси підсистем xx та vv ), та кінцевої (індекси підсистем уу та ww). Ця модель отримана шляхом підстановки у відповідність кожній функції свого елемента, який її реалізує, з врахуванням знаходження у середовищі, виходячи із визначення ТС.,

В якості елементарних структур, які не підлягають подальшому поділу і є універсальними складовими ТС обрані повнофункціональні елементарні системи як системи з мінімально необхідною кількістю елементів для різних рівнів технізації.

Вимога функціональної повноти підсистем зумовила включення до складу елементарних ТС людей-операторів і технічних засобів. Міра участі людей-операторів у виконанні речовинно-енерго-інформаційних перетворень визначає рівень технізації. Чим менша участь людей-операторів, тим вищий рівень технізації.

Для визначення залежності між рівнем технізації підсистем та кількістю технічних елементів в системах досліджені первинні елементи підсистем. Первинними технічними елементами технологічних структур є функціональні перетворювачі. Кількість видів таких елементів обмежена. Об'єднуючись певним чином між собою, вони утворюють усі види повнофункціональних ТС. Найпростішою структурою такої системи, яка має один технічний елемент у своєму складі, є система з перетворювачем - робочим органом (РО). Наступний крок - це система, де кількість технічних засобів збільшена на один перетворювач (ПРО), який розширює та посилює можливості РО.

В роботі показано, що подальше збільшення кількості технічних засобів за рахунок включення до складу підсистеми допоміжних перетворювачів одного і того ж виду не призводить до структурної відмінності. Група одновидових перетворювачів також є перетворювачем з тотожним видом. Вказаними двома технічними елементами за участю людини-оператора може забезпечуватися безпосереднє виконання основних (цільових) функцій, тобто в механообробному виробництві реалізовуватиметься функціонально-речовинний цикл. Моделі структур технічних засобів даного циклу задано наступним чином:

РО;

РО + ПРО (9)

Постачальником енергії та інформації для реалізації цього циклу за допомогою зазначених елементів є люди-оператори. Такі підсистеми належать до класу ручних. Перехід на новий рівень організації робіт вимагає введення до їхнього складу структурних новацій, пов'язаних з технізацією енергетичного циклу. Вид, тип та параметри енергії, яка подається на РО та ПРО, повинні бути з ними узгоджені. Це означає необхідність включення в підсистему елемента-перетворювача (погоджувача) з функціями робочого органу енергетичного циклу, який передає енергію для ПРО і РО. Виходячи із загальних законів збереження субстанцій та управління ними, в цю підсистему включені перетворювач-концентратор енергії, перетворювач-носій енергії та його перетворювач-регулятор. Усі нові технічні елементи: перетворювач з функціями робочого органу енергетичного циклу (РЕ), перетворювач-концентратор (КЕ), перетворювач-носій енергії (НЕ) і перетворювач-регулятор (УЕ), які у сукупності реалізують енергетичний цикл, повинні мати свої перетворювачі (підсилювачі, погоджувачі) ПРЕ, ПКЕ, ПНЕ і ПУЕ відповідно. Моделі структур технічних засобів для реалізації енергетичного циклу ТС задані в порядку зростання складності:

РЕ;

РЕ + ПРЕ;

РЕ + ПРЕ + ПКЕ;

РЕ + ПРЕ + ПКЕ + КЕ;

РЕ + ПРЕ + ПКЕ + КЕ + ПНЕ; (10)

РЕ + ПРЕ + ПКЕ + КЕ + ПНЕ + НЕ;

РЕ + ПРЕ + ПКЕ + КЕ + ПНЕ + НЕ + ПУЕ;

РЕ + ПРЕ + ПКЕ + КЕ + ПНЕ + НЕ + ПУЕ + УЕ.

В цих структурах врахована спрямованість потоку енергії - від НЕ, що управляється за допомогою УЕ, через ПУЕ до РЕ та ПРЕ.

Аналогічно побудовані моделі структур підсистем, які реалізують інформаційний (інформаційно-управлінський) цикл. При цьому врахована зміна спрямованості руху потоку субстанції, та те, що робочим органом інформаційних процесів є рецептор (датчик) - РІ. Цей елемент має свій перетворювач (по простору, часу, параметрах) - ПРІ. Далі йдуть перетворювач-концентратор КІ та його перетворювач-обчислювач ПКІ. З другого напрямку - від програмоносія НІ з перетворювачем ПНІ надходить інформація (в тому числі для оперативного управління) для об'єднання з інформацією від КІ. Об'єднана інформація, що надійшла з обох напрямків, перетворюючись потрібним чином, завдяки наявності ПКІ подається в елемент-регулятор енергії циклу. Процес подачі інформації узгоджується та управляється елементами ПУІ та УІ. Моделі структур підсистеми інформаційного циклу представлені у виді:

РІ;

РІ + ПРІ;

РІ + ПРІ + ПКІ;

РІ + ПРІ + ПКІ + КІ;

РІ + ПРІ + ПКІ + КІ + ПНІ; (11)

РІ + ПРІ + ПКІ + КІ + ПНІ + НІ;

РІ + ПРІ + ПКІ + КІ + ПНІ + НІ + ПК;

РІ + ПРІ + ПКІ + КІ + ПНІ + НІ + ПК + ПКІ.

Системи структурних моделей (9)-(11) відображають загальну структуру тотожних (ізоморфних) елементів ТС, які використовуються у складі підсистем ТС, що реалізують основні, забезпечуючі та управлінські функції відповідно.

В таблиці 2 наведені приклади конкретизованих технічних елементів-перетворювачів, що реалізують речовинний, енергетичний та інформаційний цикли в механообробних ТС.

Враховуючи адитивність структур щодо складу елементів, в роботі доведено, що залежність між кількістю елементів ТС та рівнем технізації є лінійною, і реалізується при модульній побудові ТС. Нелінійність з'являється від суміщення функцій, які реалізуються одними і тими ж елементами. В цьому випадку породжуються нові види елементів на рівнях надсистем, систем та підсистем.

Для розширення або змінення властивостей ТС в роботі запропоновані способи об'єднання елементарних підсистем в більш складні утворення.

Розроблені моделі структур, внаслідок їх типізації, дозволяють створювати уніфіковані структури ТС на ранніх стадіях проектування і пристосовані для використання у запропонованому методі синтезу технічних засобів.

Таблиця 2

Конкретизовані технічні елементи-перетворювачі для типових об'єктів ТС

Об'єкт (підсистема)	Конкретизовані технічні елементи-перетворювачі (клас елементів)
	РО, РЕ, РІ	ПРО, ПРЕ, ПРІ	ПКЕ, ПКІ	КЕ, КІ	ПНЕ, ПНІ	НЕ, НІ	УЕ, УІ	ПУЕ, ПУІ
Різець	Ріжуча частина	Державка	-	-	-	-	-	-
Токарно-гвинторізний металорізальний верстат	Різцетримач, кулачки патрона, піноль задньої бабки	Супорт, патрон	Шпиндель, ходовий вал, ходовий гвинт	Електродвигун	Коробки швидкостей та подач	Електромережа	Провідники	Вимикач
Електричний двигун	Хвостовик вала ротора	Вал ротора	Остов ротора	Обмотки ротора	Корпус статора	Обмотки статора	Провідник	Вимикач
АСУ процесом різання	Датчики параметрів різця	Канали передачі сигналів	Суматор	Обчислювальний прилад	Перетворювач	Програмоносій	Керуючий прилад	Вимикач

В розділі 4 розроблено, досліджено і експериментально перевірено метод спрямованого синтезу багатономенклатурних механообробних ТС високої продуктивності. Створено алгоритм формалізованого синтезу, який ґрунтується на виявлених у попередніх розділах залежностях між циклами, функціями і процесами та структурами ТС і рівнем їх технізації. Сформульовані принципи застосування способів забезпечення необхідної продуктивності ТС.

Запропонований метод синтезу має в основі загальну послідовність конкретизації моделей систем, що наведена на рис. 5.

Метод передбачає отримання системи загальних структур та їх послідовну конкретизацію. Відповідно до рис. 1, в залежності від об'єктів, що синтезуються, для ТС виділені основні види загальних структур:

- по тріаді розвитку: функції, перетворюючі ефекти та процеси;

- по тріаді ієрархії: надсистеми, системи та підсистеми;

- по тріаді субстанцій, що перетворюються: речовина, енергія та інформація.

При конкретизації структур запропоновано використовувати два види ієрархій. Перший з них передбачає виділення елементів на основі принципу включення, згідно якому кожен елемент нижчого ієрархічного рівня є частиною відповідного елементу вищого ієрархічного рівня (елементна ієрархія). Приклад ієрархії елементів для типових об'єктів (підсистем) ТС наведено в таблиці 2.

Другий вид ієрархії (ієрархія класів) засновано на ранжуванні класів об'єктів. Ієрархічний рівень класу визначається на основі принципу інформаційної співпідпорядкованості, а об'єкти є складовими елементами виділених класів.

Загальна схема конкретизації структур (рис. 6) передбачає послідовне переведення неконкретизованої структури в конкретизовану шляхом використання ієрархії класів.

Така процедура повторюється до досягнення необхідного рівня конкретизації. Цим створюється основа для формалізованої реалізації типових етапів синтезу технічних засобів ТС, що забезпечують їх високу продуктивність. Конкретизовані структури об'єктів параметризуються шляхом створення математичних моделей, що відбивають будову та умови взаємодії підсистем між собою та із середовищем згідно із залежністю (8). Параметри, в свою чергу, конкретизуються з урахуванням інформації про обмеження і критерії оптимальності.

На базі вказаних досліджень створено метод спрямованого синтезу багатономенклатурних механообробних ТС високої продуктивності. При цьому використана загальна постановка задачі комплексної оптимізації систем. Метод конкретизується розробленим алгоритмом оптимізаційного забезпечення продуктивності багатономенклатурних механообробних виробництв. Враховуються як виявлені у попередніх розділах залежності між структурами елементарних підсистем і рівнем їх технізації, так і сформульовані теоретичні принципи забезпечення необхідної продуктивності.

Схема загального алгоритму передбачає: визначення області застосування та призначення системи - визначення структури функцій системи (дивергенцію функцій) - вибір структури реалізуючих ефектів - проектування структури процесів - постановка у відповідність кожній функції (операції) структури елементарної повнофункціональної підсистеми з необхідним рівнем технізації - об'єднання цих структур в загальну структуру (конвергенція структур) - конкретизація структури - параметризація - конкретизація параметрів - перевірка можливості та доцільності застосування структури за обмеженнями та обраними критеріями. Схема реалізується ітеративно, спочатку для основних функцій, потім для допоміжних, далі - для управлінських. На основі діючих обмежень та принципів виключаються недопустимі варіанти рішень. В результаті отримується перший варіант загальної неконкретизованої структури, який у подальшому підлягає конкретизації. Але процедурі конкретизації передує виділення суттєвих ознак елементів та їх параметризація. Далі встановлюються показники характеристик вимушених перетворень при реалізації цільових функцій, які витікають із взаємодії підсистем між собою та з навколишнім середовищем згідно із залежністю (8). За цими показниками перетворення поділяються на допустимі та недопустимі. Цикл повторюється до отримання допустимих рішень.

Процедура синтезу і подальшого проектування є багатоваріантною у зв'язку з багатоваріантністю процедури функціональної диференціації, можливістю отримання одних і тих же перетворень функцій при застосуванні різних фізичних ефектів, що породжує нові типи техніки, та внаслідок можливості використання підсистем з різним рівнем технізації. Потрібний варіант структури вибирається на основі порівняння за критеріями оптимізації. При цьому враховуються також можливі стратегії виконання управлінських дій.

Наведена послідовність етапів проектування ТС дозволяє генерувати рішення для усіх 27-ми блоків області оптимізації ТС, наведених на рис. 1, які відповідають критерію повноти.

Для експериментальної перевірки адекватності отриманих моделей, основних положень методу і результативності алгоритму проведено синтез та впровадження механообробних автоматизованих ТС. Зокрема, отримані теоретичні результати застосовано для проектування структури багатономенклатурної АЛ механічної обробки заготовок деталей типу «тіла обертання». Ця лінія повинна створюватись шляхом модернізації базової поточної лінії з універсального обладнання. Відповідно до запропонованого алгоритму здійснено:

1. Аналіз номенклатури деталей-типопредставників, що підлягають обробці в багатономенклатурній АЛ і запропоновано застосування способу ЗмОд шляхом підвищення точності форми і розмірів заготовки.

2. Визначення особливостей постановки та вирішення задачі модернізації багатономенклатурної лінії механообробки.

Критерій оптимальності: С > min, де С - собівартість обробки деталей.

Основні обмеження: зростання продуктивності не менше ніж в 10 разів, а також забезпечення заданої якості деталей, використання наявних виробничих площ та існуючого на виробництві обладнання.

3. Синтез функціональної структури модернізованої АЛ. Розроблено два варіанти лінії. Перший забезпечує автоматичне переналагодження верстатів та токарну обробку деталей, а другий - додатково забезпечує реалізацію елементів самомодернізації АЛ за рахунок виготовлення, установки та використання змінних елементів установочних затискних пристроїв токарних верстатів для забезпечення обробки зовнішніх поверхонь деталей типу «диск» з різними діаметрами базових внутрішніх поверхонь. Синтез проведено шляхом конкретизації загальної моделі з врахуванням наявних обмежень.

4. Синтез структурної моделі модернізованої багатономенклатурної АЛ. Етап виконується шляхом постановки у відповідність кожному фазовому циклу функціональної структури відповідного елементу, який його реалізує.

5. Використання елементів множини технологічних способів підвищення продуктивності для забезпечення необхідного рівня зростання продуктивності, що реалізовувалось спочатку на рівні лінії, а потім на рівні окремих складових технологічного обладнання. Характеристики використаних способів та отриманих результатів наведені у таблиці 3.

Таблиця 3

Характеристики елементів АЛ та технологічних способів підвищення продуктивності

Базовий варіант	Запропонований варіант	Використаний спосіб підвищення продуктивності	Зростання продуктивності, рази
Організація потоку у двовимірному просторі	Організація потоку у тривимірному просторі	ЗмПр	1,11,3
Одноінструментна обробка ( )	Багатоінструментальна обробка ( )	СмОд	2,33,6
Круговий кроковий двигун та передача гвинт-гайка	Лінійний кроковий двигун	СмДд	2,13,4
Шпиндель на механічних опорах	Шпиндель на гідродинамічних опорах	ЗмОд	2,4 4,2
Інструмент для звичайних швидкостей різання	Інструмент для високих швидкостей різання
Типові нормативні траєкторії	Просторові траєкторії	ЗмДд	1,0 1,2
Однопотокова система керування	Багатопотокова система керування	Зм(Дд+Пр)	1,01,1
Привод с асинхронним двигуном та багатоступінчастою коробкою подач	Асинхронний двигун з механічним варіатором з системою керування	Зм(Од+Дд)	1,11,3
УСЬОГО:	11 16,1

6. Розроблення компоновочної схеми модернізованої багатономенклатурної АЛ із верстатів з ЧПК. Схеми базової потокової лінії та запропонованої АЛ представлені на рис. 7, де позначено: 1 - токарно-гвинторізний верстат; 2- конвеєр; 3 - мані- пулятор груповий; 4 - вбудовані завантажувально-розвантажувальні позиції (пристрої); 5 - маніпулятор міжгруповий; 6 - склад заготовок; 7- склад готових деталей; 8 - склад заготовок-пристосувань, що модернізуються; - робоче місце.

Запропонована система відрізняється від традиційних поєднанням підсистем додатковими потоками засобів технологічного оснащення, які надходять по конвеєру 2 і встановлюються маніпуляторами 3 і 5, та інформаційно-управляючим, що реалізується за допомогою ієрархічної системи керування (на схемі не показана).

7. Модернізацію токарно-гвинторізних верстатів з ЧПК, включених до складу багатономенклатурної АЛ.

На рис. 8 показано варіант схеми модернізації токарно-гвинторізного верстату, в якому передбачена реалізація технологічних способів підвищення продуктивності, зазначених в таблиці 3. На рисунку: БК - блок керування, СК - система керування.

Запропонована ТС має об'ємну більш розвинену схему маршрутизації потоків заготовок внаслідок різної висоти зон обробки верстатів. Це забезпечується шляхом використання багатокоординатних маніпуляторів.

Застосовані в цьому варіанті способи інтенсифікації та суміщення основних і допоміжних дій, зменшення тривалості простоїв при передачі заготовок між модулями та збільшення швидкодії системи за рахунок автоматизації допоміжних дій забезпечили зростання продуктивності ТС до рівня встановленого технічним завданням. Розроблена система на стадії технічного проекту прийнята до впровадження на ДП «110-ий Харківський автомобільний ремонтний завод».

На замовлення Науково-технічної виробничої корпорації «Модернізація і розвиток» (м. Харків) з використанням отриманих теоретичних положень була розроблена, виготовлена і впроваджена технологічна система для високопродуктивної механічної обробки гайок, що самозатягуюються. Згідно із залежністю (3) були виявлені резерви підвищення продуктивності системи. Вони полягали у зменшенні кількості операцій та тривалості підготовчого та заключного фазових циклів. Наявне на підприємстві виробництво на базі верстатів моделі 1Б240П-6К було модернізовано. Для реалізації резервів підвищення продуктивності було застосовано комбінований інструмент, нову коробку подач для встановлення шагу різьби та нові установочно-затискні патрони з універсальними кулачками.

Проведена експериментальна перевірка ефективності застосування способів підвищення продуктивності цієї системи підтвердила можливість скорочення тривалості допоміжних циклів до 12 разів та підвищення проектної продуктивності ТС - до 4-х разів. Система впроваджена в об'єднанні «Укрметиз» (м. Димитров Донецької обл.).

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячена вирішенню науково-практичної задачі забезпечення продуктивності багатономенклатурних механообробних виробництв на основі синтезу структур технологічних систем.

1. В результаті проведеного аналізу встановлено, що сучасні фундаментальні дослідження в галузі технології машинобудування забезпечують необхідні принципи і методи побудови механообробних виробництв багатьох видів. Разом з тим вони не достатньо пристосовані для проектування високоефективних багатономенклатурних ТС оскільки не конкретизують можливих резервів підвищення їх продуктивності.

2. Встановлено, що на склад структури та параметрів циклів, функцій і процесів, характерних для багатономенклатурних ТС, крім життєвого, впливають ізохронні цикли, протягом яких створюються нові типи таких систем, а також підготовчі цикли ранніх періодів, що пов'язані з підготовкою основних дій. Врахування таких циклів створює можливості для подолання протиріччя між продуктивністю та гнучкістю у багатономенклатурних ТС.

3. Виявлені нові елементи структури багатономенклатурних механообробних виробництв у складі потоку засобів технологічного оснащення й інформаційно-управляючого потоку, які змінюють вид системи та структуру її підсистем.

4. Показано, що повна (в межах прийнятої класифікації) множина технологічних способів підвищення продуктивності ТС базується на вісьмох простих способах, які можуть об'єднуватись у комбіновані. Це дозволяє виявляти резерви підвищення продуктивності багатономенклатурних виробництв, розробляти заходи з їх реалізації, синтезувати ТС із заданим рівнем продуктивності.

5. Показано, що структури багатономенклатурних механообробних виробництв складаються зі структур елементарних повнофункціональних систем, які можуть бути типовими. Встановлена властивість загальної структурної тотожності технічних елементів дозволяє створювати уніфіковані структури ТС.

6. Виявлено лінійну залежність між рівнем технізації та кількістю елементів у технологічній системі за умови її модульної побудови. Це дозволяє на ранніх стадіях проектування оцінити рівень складності та потенційної надійності системи, а також забезпечувати можливість переналагоджування багатономенклатурних механообробних ТС за допомогою структурно відмінних повнофункціональних технологічних систем, що мають різні рівні технізації.

7. Метод спрямованого синтезу багатономенклатурних механообробних ТС високої продуктивності дозволяє здійснювати проектування таких систем на рівні створення технологічних процесів, кластерів ефектів, а також знаходити рішення за допомогою регулярних детермінованих процедур на рівнях систем і підсистем.

8. Експериментальна перевірка розроблених теоретичних підходів, моделей та методу синтезу виконана при розробленні проекту АЛ високої продуктивності на базі модернізованих верстатів з ЧПК для обробки заготовок деталей типу «тіла обертання». Очікуване підвищення продуктивності в межах 11-16 раз. Проект прийнято до впровадження на ДП «110-ий Харківський автомобільний ремонтний завод». Спроектована ТС високої продуктивності для механічної обробки гайок, що самозатягуються, яка використовується в об'єднанні «Укрметиз» (м. Димитров Донецької обл.). Впровадження системи підтвердило скорочення тривалості допоміжних циклів до 12 разів та підвищення проектної продуктивності - до 4-х разів.