Удосконалення технологічної підготовки виробництва за рахунок автоматизації процесу проєктування верстатних пристроїв

Abstract

Дисертацію присвячено розв’язано актуальне для технології машинобудування науково-прикладну проблему удосконалення технологічної підготовки виробництва за рахунок автоматизації процесу проєктування верстатних пристроїв. За допомогою комплексного аналізу відповідних характеристик розроблено нову структурно-функціональну модель, а також контекстну діаграму та декомпозицію процесу проєктування верстатних пристроїв. Для підвищення ефективності механічного оброблення складнопрофільних деталей типу кронштейни в умовах багатономенклатурного виробництва теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено концепцію застосування гнучких верстатних пристроїв для багатоцільових верстатів з ЧПК. Розроблено причинно-наслідкову діаграму Ішикави, за якою були визначені параметрами, які впливають на процес проєктування гнучкого верстатного пристрою, що дозволило визначати найсуттєвіші причинно-наслідкові зв’язки між параметрами та конструкцією верстатного пристрою під час процесу проєктування. Розроблено математичну модель процесу вибору компонувань верстатних пристроїв, яка дозволяє оцінювати значення визначальних параметрів шляхом розв’язання задачі оптимізації цільової функції у багатовимірному просторі. Визначені та проаналізовані критерії, які найбільше впливають на багатокоординатне механічне оброблення, та відповідно отриманих результатів побудований граф. Обґрунтовано, що в умовах багатономенклатурного виробництва з дискретними розмірами партій доцільно використовувати собівартість як критерій оптимальності. У вступі обґрунтовано вибір теми дисертації та наукових завдань, сформульовані мета та завдання дослідження, визначені наукова новизна й практичне значення одержаних результатів, а також подана інформація про апробацію, структуру та обсяг роботи. У першому розділі проведений аналіз сучасного стану технологічного стану машинобудівної галузі в сфері проєктування верстатних пристроїв який показав, що в сучасних умовах багатокоординатного оброблення необхідно прагнути мінімізувати кількість переустановлення заготовок під час оброблення, що сприяє підвищенню продуктивності за рахунок скорочення непродуктивних витрат часу. У другому розділі cформовані набори вхідних і вихідних даних, а також масиви довідкової та керівної інформації дозволили сформувати інформаційне забезпечення процесу проєктування гнучких верстатних пристроїв і обґрунтовано реалізовувати проєктні процедури у автоматизованому режимі. Розроблено причинно-наслідкову діаграму Ішикави, за допомогою якої визначено 6 груп із 33 параметрами, які впливають на процес проєктування гнучкого верстатного пристрою, що дозволило визначати найбільш суттєві причинно-наслідкові взаємозв’язки між параметрами та конструкцією верстатного пристрою під час процесу проєктування. Проаналізовано структурні етапи процесу проєктування гнучких ВП, а також визначені функціональні та інформаційні зв’язки між ними, що дозволило сформувати комплексний науковий підхід і реалізувати процес проєктування верстатного пристрою. У третьому розділі розроблено конструкторсько-технологічну класифікацію деталей типу кронштейни, що включає в себе конструкторські та технологічні ознаки та визначений типовий представник деталей даного класу, що дозволяє створити передумови для систематизації та обґрунтованого опису деталей типу кронштейни. На основі розробленої конструкторсько-технологічної класифікації створено методику кодування деталей типу кронштейнів, яка забезпечить пошук відповідних конструкцій верстатних пристрій в інформаційно-пошукових системах. Обґрунтовано, що в сучасних умовах машинобудування необхідно прагнути до інтенсифікації процесів механічного оброблення, на підставі цього запропонований новий технологічний процес, що дозволяє суттєво скоротити витрати допоміжного та додаткового часу, зокрема у 2,5 рази і 1,5 рази відповідно. При цьому частка основного часу у структурі норми часу збільшилася з 21% до 57% відповідно для типового і запропонованого технологічних процесів, що свідчить про збільшення продуктивності виготовлення деталей та зменшення витрат часу, пов’язаних із базуванням та закріпленням деталей. Розроблено метод розрахунку та прогнозування показників, що впливають на раціональний вибір компонування ВП за конструкторсько-технологічними ознаками складнопрофільних деталей. Це дозволяє точно і швидко здійснювати контроль основних параметрів для забезпечення інтенсифікації процесу оброблення. Запропонований підхід ґрунтується на комплексному науково-методологічному підході оцінювання кількісних значень формалізованих показників, що визначають вищезазначені конструкторсько-технологічні ознаки. Розроблено методику моделювання процесу вибору верстатного пристрою для деталей типу кронштейни залежно від масиву визначальних параметрів із застосуванням теорії множин, засобів багатопараметричного квазілінійного регресійного моделювання для оцінювання цих параметрів, а також штучні нейронні мережі. Особливу увагу приділено врахуванню точності визначення невідомих коефіцієнтів регресійної моделі і контролю над дотриманням заданої точності оцінювання параметрів, а достовірність запропонованого підходу щодо застосування регресійного аналізу та штучних нейронних мереж підтверджується високим значенням кореляційного моменту Пірсона. У четвертому розділі обґрунтовано, як критерій оптимальності доцільно використовувати собівартість в умовах багатономенклатурного виробництва з дискретними розмірами партій. Це обумовлено тим, що такий підхід дозволяє ефективно мінімізувати витрати при врахуванні технічних обмежень, таких як габаритні розміри деталі, обсяг партії, вартість верстатного обладнання та його потужність та здійснюється в два етапи. На першому етапі здійснюється мінімізація вартості інструментального та верстатного обладнання, на другому – загальна собівартість виготовлення деталі. На основі структури собівартості розроблено математичну модель процесу вибору компонувань верстатних пристроїв. Ця модель дозволяє оцінити значення ключових параметрів шляхом вирішення задачі оптимізації цільової функції у багатовимірному просторі. Достовірність розробленої математичної моделі підтверджується шляхом досягнення мінімального значення собівартості при мінімальній потужності верстатного обладнання та максимального обсягу партії. Це підтверджено на практичному прикладі виготовлення деталей типу кронштейни. Запропонований технологічний процес виготовлення деталей типу кронштейни призводить до зменшення собівартості на 16% для партії розміром 50 одиниць. Це досягається за рахунок зменшення кількості операцій, одиниць обладнання та верстатного оснащення. У п’ятому розділі в результаті застосування розробленого комплексного підходу, що полягає у використанні експертного методу попарного порівняння та теореми Перона–Фробеніуса, встановлено множину визначальних критеріїв, що впливають на ефективність багатокоординатного механічного оброблення, та побудовано відповідний направлений граф. У результаті чисельного моделювання доведено, що запропонована конструкція гнучкого верстатного пристрою задовольняє параметрам точності, зокрема величини пружних переміщень становлять 0,003–0,2 мм, а напруження – 41–562 МПа для переходів, що досліджувалися. Для порівняння, за аналогічних виробничих умов у спеціальному верстатному пристрої пружні переміщення знаходяться у діапазоні 0,0053–0,542 мм, а напруження – 159–658 МПа. Під час проведення модального аналізу власних частот коливань встановлено, що жорсткість гнучкого верстатного пристрою (565 Гц) порівняно зі стандартним верстатним пристроєм (672 Гц) більша, оскільки виникають менші коливання, і її достатньо для проведення механічного оброблення. Оскільки, перша критична частота (565 Гц) у гнучкому верстатному пристрої значно більша ніж частота процесу різання (120 Гц), то це свідчить про відсутність резонансу під час механічного оброблення. У результаті проведення гармонічного аналізу вимушених частот коливань встановлено, що амплітуда коливань у зонах оброблення поверхонь, що реалізується у гнучкому ВП (1,04–9,1 мкм) менша ніж у спеціальному верстатному пристрої (1,53–10,1) при рівних режимах різання, що свідчить про кращу точність, продуктивність та надійність верстатного пристрою та підтверджує працездатність гнучкого верстатного пристрою. Динамічна жорсткість гнучкого верстатного пристрою на 5% більша порівняно зі спеціальним верстатним пристроєм та означає, що система буде менш схильною до деформацій під час оброблення, що, в свою чергу, сприятиме більш точному і стабільному обробленню деталей.

The dissertation addresses a relevant scientific and applied problem in manufacturing technology—improving technological production preparation by automating the process of designing machine fixtures. Through a comprehensive analysis of the relevant characteristics, a new structural-functional model has been developed, along with a context diagram and a decomposition of the machine fixture design process. To enhance the efficiency of machining complex-profile parts, such as brackets, in multi-item production conditions, the concept of using flexible machine fixtures for multi-purpose CNC machines has been theoretically justified and experimentally validated. An Ishikawa cause-and-effect diagram was developed to identify parameters affecting the design process of flexible machine fixtures, allowing for the determination of the most significant cause-and-effect relationships between parameters and fixture design. A mathematical model for selecting machine fixture layouts has been developed, enabling the evaluation of key parameter values by solving an optimization problem in a multidimensional space. The criteria with the greatest influence on multi-coordinate machining have been identified and analyzed, leading to the construction of a corresponding graph. It has been substantiated that in multi-item production with discrete batch sizes, cost-effectiveness should be used as the optimality criterion. The introduction substantiates the choice of the dissertation topic and scientific tasks, formulates the purpose and tasks of the research, defines the scientific novelty and practical significance of the obtained results, as well as provides information about the approval, structure and scope of the work. In the first section, an analysis of the current state of the technological state of the machine-building industry in the field of designing machine tools was carried out, which showed that in modern conditions of multi-coordinate processing, it is necessary to try to minimize the number of re-installation of workpieces during processing, which contributes to increasing productivity by reducing non-productive time spent. In the second section, the created sets of input and output data, as well as the arrays of reference and control information, made it possible to form information support for the process of designing flexible machine tools and reasonably implement design procedures in an automated mode. Ishikawa's cause-and-effect diagram was developed, with the help of which 6 groups with 33 parameters that influence the design process of a flexible flexible fixture were determined, which made it possible to determine the most significant cause-and-effect relationships between parameters and flexible fixture construction during the design process. The structural stages of the flexible fixture design process were analyzed, as well as the functional and informational connections between them were determined, which made it possible to form a comprehensive scientific approach and implement the flexible fixture design process. In the third section, a design and technological classification of bracket-type parts is developed, which includes design and technological characteristics and a typical representative of parts of this class is determined, which allows creating prerequisites for the systematization and justified description of bracket-type parts. On the basis of the developed design and technological classification, a method of coding bracket-type details has been created, which will ensure the search for relevant fixtures designs in information and search systems. It is substantiated that in the modern conditions of mechanical engineering, it is necessary to strive for the intensification of machining processes, on the basis of this, a new technological process is proposed, which allows to significantly reduce the costs of auxiliary and additional time, in particular by 2.5 times and 1.5 times, respectively. At the same time, the share of the main time in the structure of the time norm increased from 21% to 57%, respectively, for the typical and proposed technological processes, which indicates an increase in the productivity of manufacturing parts and a decrease in time spent related to basing and fixing parts. A method of calculation and forecasting of indicators affecting the rational choice of flexible fixture layout based on the design and technological features of complex profile parts has been developed. This allows you to accurately and quickly control the main parameters to ensure the intensification of the processing process. The proposed approach is based on a complex scientific and methodological approach to evaluating the quantitative values of formalized indicators that determine the above-mentioned design and technological features. A methodology for modeling the process of selecting a machine tool for bracket-type parts has been developed depending on an array of determining parameters using set theory, multiparameter quasi-linear regression modeling tools for estimating these parameters, as well as artificial neural networks. Special attention is paid to the accuracy of the determination of the unknown coefficients of the regression model and control over compliance with the specified accuracy of parameter estimation, and the reliability of the proposed approach to the application of regression analysis and artificial neural networks is confirmed by the high value of the Pearson correlation moment. In the fourth chapter, it is substantiated that it is appropriate to use the cost price as a criterion of optimality in the conditions of multi-item production with discrete batch sizes. This is due to the fact that this approach allows you to effectively minimize costs, taking into account technical limitations, such as the overall dimensions of the part, the volume of the batch, the cost of the machine tool and its capacity, and is carried out in two stages. At the first stage, the cost of tools and machine tools is minimized, at the second stage, the total cost of manufacturing the part is minimized. On the basis of the cost structure, a mathematical model of the process of choosing the layouts of machine tools has been developed. This model allows you to estimate the values of key parameters by solving the problem of optimizing the objective function in a multidimensional space. The reliability of the developed mathematical model is confirmed by achieving the minimum value of the cost price with the minimum power of the machine tool and the maximum volume of the batch. This is confirmed by a practical example of the manufacture of parts such as brackets. The proposed manufacturing process of bracket-type parts leads to a 16% cost reduction for a batch of 50 units. This is achieved by reducing the number of operations, equipment units and machine tools. In the fifth chapter, as a result of the application of the developed complex approach, which consists in the use of the expert method of pairwise comparison and the Peron–Frobenius theorem, a set of determining criteria affecting the efficiency of multi-coordinate machining is established, and a corresponding directed graph is constructed. As a result of the numerical simulation, it was proved that the proposed design of the flexible fixture meets the accuracy parameters, in particular, the values of the elastic displacements are 0.003–0.2 mm, and the stresses are 41–562 MPa for the studied transitions. For comparison, under similar production conditions in a special fixture, elastic movements are in the range of 0.0053–0.542 mm, and stresses are in the range of 159–658 MPa. During the modal analysis of the natural frequencies of oscillations, it was found that the stiffness of the flexible fixture (565 Hz) compared to the standard fixture (672 Hz) is greater, because smaller oscillations occur, and it is sufficient for mechanical processing. Since the first critical frequency (565 Hz) in the flexible fixture is much higher than the frequency of the cutting process (120 Hz), this indicates the absence of resonance during machining. As a result of the harmonic analysis of forced vibration frequencies, it was established that the amplitude of oscillations in the surface treatment zones, which is implemented in the flexible fixture (1.04–9.1 μm) is smaller than in the special fixtures (1.53–10.1) at equal modes cutting, which indicates better accuracy, productivity and reliability of the fixture and confirms the workability of the flexible fixture. The dynamic stiffness of flexible fixture is 5% higher compared to special fixture and means that the system will be less prone to deformations during processing, which, in turn, will contribute to more accurate and stable processing of parts.