Синтез раціональної послідовності складання виробів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анотація

Робота присвячена питанням скорочення тривалості виробничого циклу завдяки побудові раціонального варіанту послідовності складання. Одержала подальший розвиток теорія проектування технологічних процесів складання. Розроблено метод синтезу раціональних варіантів послідовності складання виробів, що враховує ряд технологічних закономірностей послідовності складання і дозволяє мінімізувати тривалість виробничого циклу.

Ключові слова: якість виробу, складання, раціональний синтез, тривалість виробничого циклу.

Аннотация

Работа посвящена вопросам сокращения длительности производственного цикла путем синтеза рациональной последовательности сборки изделий. Выполнен количественный анализ вариантов и разработаны математические модели конструкторско-технологических ограничений на последовательность сборки изделий. Для синтеза возможных вариантов последовательностей сборки разработаны математические модели. При построении математических моделей используется теория графов, теория матриц и математическая логика для описания хода решения задачи.

Ключевые слова: качество изделия, сборка, рациональный синтез, длительность производственного цикла.

Annotation

The thesis is devoted by a question of abbreviation of duration of a production cycle by construction of rational variant of balance of assembly. In operation the theory of projection of technological processes of assembly has received the further development. The method of synthesis of rational variants of balance of assembly of workpieces is developed which takes into account a series of technology factors of balance of assembly and allows to minimize duration of a production cycle. The mathematical model of an article and industrial system is developed which takes into account assembly of a circuit, presence of referencing, selection of nodal folding both simultaneous installation of details and assembly units on base. The algorithm of synthesis of balance of assembly of an article is developed which differs by that on the basis of a system approach the complex of the factors is taken into account which allow to generate the given quality of an article and to minimize duration of a production cycle. The results of operation are introduced on manufacture and in educational process.

Key words: quality, assembly, rational synthesis, duration of a production cycle.

1. Синтез раціональної послідовності складання виробів

На прискорення темпів економічного росту значний вплив здійснює технічна реконструкція підприємств, що передбачає підвищення технічного рівня машин, приладів. Ріст темпів технічної реконструкції в значній мірі досягається удосконаленням виробничих процесів. Аналіз виробництва показав відставання складальних процесів від заготівельних і механооброблюючих. Більший відсоток усіх видів робіт при виготовленні продукції займає складання, але разом з тим відзначається її низький рівень механізації і автоматизації. Так, трудоємність складання виробів: у машинобудуванні - 25-40%, у приладобудуванні - 40-70%; рівень механізації: у машинобудуванні - 25-30%, у приладобудуванні - 12-15%; при цьому автоматизовано не більше 5-6% складальних операцій [1,3].

Одним із шляхів підвищення рівня складальних виробництв, є розробка раціональних технологічних процесів складання (ТПС). Ефективність ТПС у значній мірі залежить від раціонального синтезу послідовності складання. Від послідовності складання залежить також тривалість виробничого циклу, продуктивність, собівартість [2]. При цьому важливо проектувати таку послідовність складання, що приводила б до скорочення тривалості виробничого циклу, так як це дає змогу збільшити продуктивність праці, знизити собівартість продукції, прискорити обіг коштів, вкладених у виробництво, зменшити обсяг виробничих площ на підприємстві. Крім того тривалість циклу може виступати в якості самостійного часового критерію оцінки виробничого процесу [6]. Важливо не тільки максимально скорочувати тривалість циклу, але і визначати резерви його скорочення, виходячи з можливостей конструкції виробу і виробничої системи. Задача визначення послідовності складання є конструкторсько-технологічною, що і визначає складність її рішення. Тому необхідно враховувати не тільки конструкторські особливості виробу, що визначають властивості конструкції, взаємозв'язок між її елементами, але і технологію виконання операцій, види устаткування, структуру виробничого процесу [1,5]. Разом з цим до виробу, що складається, повинні пред'являтися вимоги по забезпеченню заданої якості (точності, герметичності і т.д.). Не можна забувати і про вплив складальної виробничої системи на стан навколишнього середовища, зокрема на здоров'я працюючих людей. Тому, при побудові раціональної послідовності складання необхідно враховувати ряд конструкторських, технологічних і екологічних факторів. Їх врахування і розробка на їхній основі раціональних ТПС дає можливість підвищити якість технологічного проектування, виготовляти вироби заданої якості, раціонально використовувати трудові, виробничі, енергетичні ресурси підприємства [2,4].

У результаті теоретичних і практичних досліджень по аналізу і синтезу технологічних процесів складання виробів виявлено шляхи скорочення тривалості виробничого циклу і збереження заданої високої якості виробів. У даному напрямку розглянуто і проаналізовано роботи Вищої технічної школи (Німеччина), технічного університету (м. Дрезден, Німеччина), Національного технічного університету (МВТУ ім. Баумана, Росія), Московського станкоінструментального інституту, Національного технічного університету (Харківського політехнічного інституту), Національного технічного університету (Київського політехнічного інституту), Національного аерокосмічного інституту Росії та інших.

При аналізі існуючого положення використані труди відомих у даній області вчених: Арпентьева Б.М., Бєляніна П.Н., Гавриша А.П., Гусєва А.А., Захарова М.В., Зєнкіна А.С., Корсакова В.С., Лебедовського М.С., Павлова В.В., Своятицького Д.Я., Тимофієва Ю.В., Фєдотова А.І., Челіщева Б.Е. та ін.

Виконаний аналіз показав, що, не дивлячись на виконання відомих робіт, необхідний подальший розвиток теорії технологічного проектування складальних процесів з урахуванням впливу конструкторсько-технологічних факторів на послідовність складання виробів.

У роботі виявлено технологічні основи синтезу і розроблено формалізований метод синтезу раціональної послідовності складання виробу.

Аналіз технологічних схем складання (ТСС) виробів дозволив встановити зв'язок між їх структурним видом і кількістю теоретично можливих варіантів послідовностей складання виробів. Встановлено, що кількість теоретично можливих варіантів послідовностей складання для:

- послідовного структурного виду:

Vт.пос.=N! (1)

де N - кількість складальних елементів (СЕ) у виробі;

- мінімально-паралельного структурного виду:

Vт.min.-п.=, (2)

де R - кількість рівнів графу

ТСС (R=(N-2)/2);

- максимально-паралельного структурного виду:

Vт.max.-п.= * * *…*, (3)

де R=log2N+1.

Аналіз формул (1), (2), (3) показав різкий зріст значень Vт.пос., Vт.min.-п., Vт.max.-п. при збільшенні N. Тому для великої кількості деталей у виробі не раціонально будувати всі теоретично можливих варіантів послідовностей складання виробу. Враховуючи цей фактор, на етапі побудови послідовності складання необхідно використовувати обмеження, відсіюючи непотрібні варіанти, і одержувати множину практично реалізуємих на виробництві послідовностей складання.

Це дозволить зберегти ресурси ЕОМ і скоротити час проектування ТПС.

У роботі у якості таких обмежень використовуються: обмеження зв'язків (матриця базування B(n,n), матриця розмірних зв'язків R(n,n)), матриця доступу Ds(k,k), таблиця характеристик складальних елементів (СЕ), матриця, що враховує точність виконання з'єднань Soed (k, 2), матриця технологічних обмежень, що відображає набір, технологічні можливості операційних комплексів і їх взаємозв'язок, матриця екологічних обмежень E(k,k) і правила їх застосування.

У роботі враховано слідуючі конструкторсько-технологічні фактори, що впливають на раціональну послідовність складання виробу: технологічні можливості складальних операційних комплексів і їх взаємозв'язок транспортними засобами; маса, габаритні розміри СЕ, ієрархічна будова виробу; точність деталей і складальних одиниць; обмеження доступу на переміщення одних деталей іншими до місця установки; різна кількість рухів, у тому числі переорієнтації і переустановів у процесі складання; наявність загальних баз деталей і складальних одиниць; види складальних з'єднань і геометрична форма складальних елементів; вплив складального процесу на стан навколишнього середовища і працюючих людей.

При визначенні варіанту послідовності складання виробу враховується його ієрархічна побудова. Урахування ієрархічної побудови виробу дозволило значно спростити хід рішення задачі. Це дало можливість розробити алгоритм визначення раціональної послідовності складання для однієї складальної одиниці (СО), що складається з деталей, і поширити його на більш складні СО, до складу яких крім деталей входять СО. При поширенні рішення на всю структуру виробу, необхідно дотримуватись таких правил:

- якщо одна СО є складовою частиною іншої, то вхідна збирається раніше тієї, у яку вона входить;

- при складанні складної СО, що має у своєму складі дві і більше простіших СО, застосовуються спеціальні правила рангування. Рангування СО засноване на теорії розмірного аналізу і дозволяє визначити порядок входження більш простих СО у більш складну;

- при визначенні послідовності складання складної СО, СО нижчого рівня, що входять до її складу, приймаються за окремі неподільні конструктивні елементи.

Вивчення властивостей і взаємодій між елементами виробу дозволило виділити ряд технологічних факторів, що впливають на послідовність складання. Оскільки задача вирішується в автоматичному режимі, ці фактори знайшли своє математичне вираження у вигляді, зручному для представлення в пам'яті ЕОМ.

У конструкції зібраного виробу (СО) існує бінарний взаємозв'язок елементів, завдяки наявності зв'язків між їхніми поверхнями. Якщо між двома деталями або СО існує загальна база або зв'язок базування, то вони сполучаються по загальному контуру. Серед безлічі зв'язків базування виділяються основні і допоміжні. Допоміжні зв'язки реалізуються як наслідок реалізації основних.

Основні зв'язки базування, які має виріб, представлено у виді матриці В(n,n), де n - кількість СЕ, що ввійшли в дану СО. Елемент матриці

На рис. 1 представлена матриця і граф базування для виробу, що складається з десяти деталей.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Математична модель зв'язків базування в конструкції виробу: а) - матриця базування; б) - граф базування

Використання матриці базування дозволяє реалізовувати при складанні задане конструктором розташування СО у виробі.

У конструкції орієнтація одних деталей відносно інших визначається не тільки безпосереднім їхнім контактом, але і розмірними зв'язками, які необхідно враховувати для побудови раціональної послідовності складання виробу.

Математична модель, що відображає розмірні зв'язки в СО, представляється у вигляді матриці розмірних зв'язків R[n][n], де n - кількість деталей, що входять у даний складальний розмірний ланцюг (СРЛ). При цьому елемент матриці:

У матриці розмірних зв'язків змінна z приймає різні значення у залежності від методу досягнення точності замикаючої ланки:

z=2 - метод повної взаємозамінності;

z=3 - метод неповної взаємозамінності;

z=4 - метод групової взаємозамінності;

z=5 - метод пригону;

z=6 - метод регулювання;

z=7 - із застосуванням компенсуючих матеріалів.

Використання представленої інформації дозволяє з множини СЕ, що базуються по даному базовому СЕ, вибирати ті, котрі пов'язані з ним розмірними зв'язками, розглядати можливість їх складання у першу чергу, виявляти СРЛ у виробі і враховувати існуючі технологічні правила їх урахування при розробці раціональної послідовності складання.

На рис. 2 представлена матриця і граф, що відображає розмірні зв'язки в СО з 10 СЕ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Математична модель розмірних зв'язків: а) - матриця розмірних зв'язків; б)- граф розмірних зв'язків

Дослідження показали: якщо виріб має кілька СРЛ, то складання потрібно починати з того розмірного ланцюга, який містить більшу кількість розмірних ланок, до забезпечення точності з'єднання яких пред'являються більш високі вимоги. У противному випадку, при складанні в першу чергу розмірних ланок, що мають великі погрішності розмірів, сумарна погрішність при складанні більш точних ланок різко зростає. Це приводить до необхідності застосування більш точних і дорогих засобів технологічного оснащення.

Для врахування точності окремих деталей і СО при визначенні послідовності складання використовується матриця точності деталей і СО (Soed(k,2)), що беруть участь в утворенні з'єднання. Використання даної матриці при рішенні дозволяє визначати ступінь точності розмірів, здійснювати їх реалізацію в послідовності, що залежить від цієї точності.

Відомо, що ручні і механізовані процеси складання вимагають великих витрат часу, засобів, трудових ресурсів на виконання робіт і, як правило, найчастіше якість виконаних операцій низька.

У зв'язку з цим, у першу чергу серед деталей і СО пріоритетом на послідовність складання користуються ті з них, що мають більш високий бал технологічності за методикою д.т.н., проф. Федотова А.І.

При побудові послідовності складання необхідно також враховувати масу і габаритні розміри СЕ. У першу чергу необхідно здійснювати складання тих СЕ, що мають велику масу і великі габаритні розміри. Це пояснюється тим, що СЕ великих мас і великих габаритних розмірів важко переміщати і з'єднувати з необхідною точністю.

Крім того, збільшення маси і габаритів СЕ спричиняє збільшення маси і розмірів використовуваного устаткування.

Для врахування маси, габаритних розмірів та рівня технологічності складальних елементів використовується таблиця їх характеристик.

Значний вплив на послідовність складання спричиняють обмеження доступу.

Дана інформація може бути представлена двома способами: у вигляді матриці, що задає порядок входження СЕ у виріб і у вигляді матриці, що задає порядок виконання з'єднань.

При рішенні задачі використовується матриця доступу , задана з'єднаннями, де - кількість складальних з'єднань у даній СО.

При побудові матриці доступу Ds (k, k) немає необхідності виділяти ведучий (базовий) СЕ в СО (виробі) і відносно нього відсліджувати обмеження на можливість установки (з'єднання) інших СЕ.

Схема доступу Ds (k, k), задана з'єднаннями, дозволяє враховувати ряд інших обмежень, пов'язаних з технологією виконання деяких операцій, з можливостями засобів технологічного оснащення і впливом складального процесу на стан навколишнього середовища і працюючих людей.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 Математична модель конструкторських обмежень на виконання з'єднань у виробі: а) - матриця доступу; б) - граф доступу

На послідовність складання впливають характеристики виробничої системи: технологічні можливості операційних комплексів і їх взаємозв'язок транспортними засобами. Матриця взаємозв'язків операційних комплексів (ОК) T(p,p), де p - кількість ОК задіяних при складанні виробу

Технологічні обмеження містять інформацію про можливості наявного устаткування, технологію виконання окремих видів робіт. Побудова технологічних обмежень регламентується різними інструкціями, керівними матеріалами, що є узагальненням накопиченого досвіду і знань про виробництво, тому їх використання при рішенні даної задачі дозволяє уникнути суб'єктивізму при прийнятті рішення.

Використання матриці Т(p, p) дозволяє враховувати структуру виробничої системи при рішенні задачі, і, отже, підвищити якість рішення, проводити відпрацювання на технологічність варіанта складання у процесі його проектування.

На рис. 4 представлені матриця і граф технологічних обмежень:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4 Технологічні обмеження: а) - матриця технологічних обмежень; б) - граф технологічних обмежень

Для виявлення операційних комплексів, які задіяні для виконання операцій складання виробу, використовується математична модель, що відображає зв'язок номера ОК з номером складального з'єднання (або групи з'єднань).

Сполучною ланкою між номерами складальних з'єднань і номерами СЕ, що їх утворюють, є матриця зв'язків S(n,n).

Для врахування екологічно шкідливих операцій при визначенні послідовності складання використовується матриця екологічних обмежень E(k, k).

Використання матриці екологічних обмежень дозволяє враховувати фактори шкідливого впливу деяких складальних операцій на стан здоров'я людей і навколишнє середовище. При цьому ці операції виносяться в кінець виконання технологічного процесу складання, якщо це дозволить конструкція виробу, і видаються рекомендації по виконанню їх на окремих складальних дільницях.

Математична модель, що містить екологічні фактори складальних процесів представлена на рис. 5.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5 Математична модель екологічних обмежень: а) - матриця екологічних обмежень; б) - граф екологічних обмежень

Розроблені математичні моделі дозволяють враховувати технологічні можливості складальних операційних комплексів і їх взаємозв'язок транспортними засобами; масу і габаритні розміри деталей, ієрархічність будови виробів; точність окремих деталей і складальних одиниць; обмеження доступу на переміщення одних деталей іншими до місця установки; кількість переорієнтації і переустановів у процесі складання; наявність загальних баз деталей і складальних одиниць; види складальних з'єднань і геометричну форму складальних елементів; вплив складального процесу на стан навколишнього середовища і працюючих людей.

З використанням матриць: базування B(n, n), доступу Ds(k, k), розмірних з'язків R(n, n), матриці, що відображає точність виконання з'єднань Soed (k, 2), таблиці характеристик СЕ та метриці екологічних обмежень Е(k, k) синтезується множина раціональних варіантів послідовностей складання виробу Raz {R1, R2,…,RZ}. Кожна з послідовностей, що ввійшла до складу цієї множини розглядається на можливість реалізації в існуючій технологічній системі (рис.6).

Відпрацювання на виробничу технологічність множини варіантів послідовностей складання проводиться з використанням матриці технологічних обмежень T(p, p), матриці взаэмозв'язку номера ОК з номером складального з'єднання та матриці зв'язків S(n, n).

Ті варіанти складання виробу, які можуть бути реалізовані в заданій виробничій системі формують підмножину практично реалізуємих варіантів складання Real {r1, r2,…,rx}: RealRaz.

Рис. 6 Блок-схема алгоритму відпрацювання на виробничу технологічність множини варіантів послідовностей складання виробу

Далі проводиться оцінка на раціональність по тривалості виробничого циклу кожного з варіантів складання, який ввійшов у підмножину Real {r1, r2,…,rx} і формується підмножина раціональних по тривалості виробничого циклу варіантів складання виробу

{z1, z2,…,zr}: RealRaz.

При оцінці раціональності структурного виду послідовності складання виконуються наступні дії:

1) будується граф ТСС для кожного з варіантів складання, що ввійшли до складу підмножини Real {r1, r2,…,rx}.

2) розраховується фактичне значення

3)

(R - кількість рівней графу ТСС, N - кількість СЕ у виробі) для кожної ТСС;

4) перевіряється, чи належить розраховане числове значення проміжку:

1 (4)

У випадку, коли числове значення належить даному проміжку, то послідовність складання, для якої розрахований поповнює підмножину {z1, z2,…,zr}. Якщо жоден з не потрапив в область раціональності (4), то видаються рекомендації щодо зміни структури конструкції виробу або виробничої системи.

Оскільки виріб має ієрархічну структуру проводиться раціональність як окремих вузлів, що складають виріб, так і усього виробу в комплексі.

На основі врахування представлених вище факторів, розроблено метод синтезу раціональних послідовностей складання виробу, блок-схема алгоритму якого представлена на рис. 7.

Оскільки при визначенні послідовності складання виробу виділяються групи деталей (СО) по горизонталі і по вертикалі (рис. 8), у роботі були проведені дослідження, що дозволили встановити слідуюче:

1. Якщо в даній СО всі з'єднання виконуються послідовно, то проводити складання СО слід по виділеним у ній групам "по вертикалі", так як це приводить до скорочення тривалості циклу складання за рахунок мінімізації кількості позицій.

2. Якщо відомо, що деякі з'єднання, що виконуються при складанні СО, можуть виконуватися одночасно, необхідно окремо дослідити складання по групам "по горизонталі" і "по вертикалі" на тривалість виконання.

При цьому, якщо в результаті було виявлено, що Тц.гор>Тц.вер., то складання слід проводити по групам "по вертикалі", у противному випадку, якщо Тц.гор<Тц.вер.- по групам "по горизонталі".

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7 Блок-схема алгоритму

Рис. 8 Виділення груп по горизонталі і по вертикалі у виробі, що складається з 11 СЕ (А, В, С, Д, А1, Б1, С1 Д1 В2, Д2 - позначення виконуємих з'єднань)

виробничий цикл складання конструкторський

На основі проведених досліджень встановлено, що комплексне врахування факторів, які здійснюють вплив на синтез послідовності складання, дозволяє не тільки скоротити тривалість виробничого циклу, а й покращити якість виробів, що збираються шляхом врахування складальних розмірних ланцюгів.

Теоретичні дослідження і практичні експерименти показали, що використання технологічних правил при синтезі послідовності складання дозволяє значно скоротити кількість варіантів складання, які переглядаються з ціллю вибору раціонального.

Висновки

Таким чином проведені дослідження дозволяють удосконалювати діючі технологічні процеси складання і проектувати раціональні технологічні процеси виробництв, що знов створюються.

Отримані результати дають основу для синтезу раціональних технологічних процесів складання виробів з урахуванням ряду конструкторсько-технологічних правил, що обмежують перебір варіантів і дозволяють мінімізувати тривалість виробничого циклу:

1. При аналізі і синтезі послідовності складання виробів кількість варіантів складання, як правило, велике, що приводить до необхідності розробки спеціальних правил для їхнього зменшення.

2. Врахування конструкторсько-технологічних факторів при синтезі раціональної послідовності складання, таких як: наявності базування між складальними елементами, обмеження доступу одних деталей іншими до місця установки, можливості виділення вузлового складання, можливості одночасної установки кількох деталей на базову, кількості установів і позицій, складальних розмірних ланцюгів, точністних параметрів деталей, можливостей обладнання, що виконує складання, екологічних обмежень і правил безпечного виконання роботи при складанні; дозволяє не тільки скоротити кількість синтезованих варіантів, але і підвищити якість процесу складання виробів.

3. Розроблені математичні моделі виробів і виробничих систем з використанням теорії матриць і графів, забезпечують їх сумісність при рішенні задач аналізу і синтезу технологічних процесів складання.

4. Розроблений на основі системного підходу алгоритм синтезу раціональної послідовності складання виробів, враховує не тільки комплекс факторів, що забезпечують високу якість виробу, але і високу якість технологічного процесу, що дозволяє мінімізувати тривалість виробничого циклу за рахунок максимального виділення вузлового складання, скорочення кількості установів і позицій, використання можливості одночасної установки кількох базуємих деталей на базову, екологічні вимоги і вимоги техніки безпеки.

5. На основі проведених досліджень встановлено, що комплексне врахування факторів, які здійснюють вплив на синтез послідовності складання, дозволяє не тільки скоротити тривалість виробничого циклу, а й покращити якість виробів, що підлягають складанню шляхом врахування складальних розмірних ланцюгів.

Список літератури

1. Алексеев А.В. Разработка технологических процессов автоматизированной сборки изделий машиностроения: Учебное пособие.- М.: МГТУ, 1989. - 38 с.

2. Белянин П.Н., Челищев Б.Е., Гонсалес-Сабатер А. Математическая теория технологии сборки: Доклады АН СССР. - 1979. - Т.246, №6. - С. 1310-1313.

3. Захаров Н.В., Тимофеев Ю.В. Разработка технологических процессов сборки: Учебное пособие. - Киев.: УМКВО, 1992.-152с.

4. Арпентьев Б.М., Куцын А.Н., Созонов Ю.И. Прогрозирование качества функционирования технических систем // Вестник Национального технического университета «ХПИ». - 2001. - Вып. 10. - С. 41-49.

5. Базров Б.М. Время и эффективность производства // Техника. - М.: Знание. - 1992.- №9.- С. 56-57.

6. Балакшин Б.С. Теория и практика технологии машиностроения.- М.: Машиностроение, 1992. - 606 с.

Размещено на Allbest.ru