Совершенствование оценивания производственной технологичности в системе планирования многономенклатурных технологических процессов

На правах рукописи

БОКОВА ЛАРИСА ГЕННАДЬЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОЦЕНИВАНИЯ
ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ В СИСТЕМЕ ПЛАНИРОВАНИЯ МНОГОНОМЕНКЛАТУРНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.02.08 – Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2013

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Бочкарёв Пётр Юрьевич
Официальные оппоненты:	Аверченков Андрей Владимирович, проректор по инновационной работе и международному сотрудничеству, доктор технических наук, профессор кафедры «Компьютерные технологии и системы» ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет» Виноградов Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»
Ведущая организация:	Институт проблем точной механики и управления РАН, г. Саратов

Защита состоится 27 ноября 2013 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.02 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке
ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Автореферат разослан « 25» октября 2013 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета А.А. Игнатьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Понятие технологичности конструкции является одним из базовых понятий технологии машиностроения и основой обеспечения использования конструкторско-технологических резервов для решения задач, связанных с повышением технико-экономических показателей изготовления изделий. Сложность оценки технологичности во многом является субъективной, зависящей от опыта и знаний отдельных конструкторов и технологов, что не учитывает существенно расширяющиеся возможности современного оборудования и не позволяет обеспечить эффективность его эксплуатации.

Процесс обеспечения технологичности изделия, отражающий связь между конструктивными особенностями изделия и уровнем затрат при его производстве, является противоречивым и не имеет полного описания его проведения.

Каждая конструкция несёт в себе информацию о технологии её изготовления в конкретных производственных условиях. То, что в одних определённых условиях, характеризуемых, например, специализацией цехов, наличием того или иного оборудования и средств технологического оснащения, может быть рациональным, технологичным, в других может оказаться неприемлемым. К производственным условиям следует отнести также программу выпуска, в зависимости от которой и разрабатывается технологический процесс изготовления изделия. Конструкция, технологичная в условиях единичного или мелкосерийного производства, оказывается нетехнологичной в условиях массового производства, и наоборот.

Актуальность работы обусловлена тем, что в настоящее время отсутствуют методы количественной оценки технологичности изделий, учитывающие возможности использования оборудования для их изготовления и позволяющие создать формализованные процедуры обеспечения технологичности конструкции.

Значительную роль в жизненном цикле изделия играют решения, принятые на этапах конструкторско-технологической подготовки при оценке производственной технологичности, позволяющей определить соответствие запланированного для обработки комплекта деталей возможностям производственной системы. Только полное использование всех специфических особенностей каждого из технологических процессов позволяет достичь наибольшей его производительности и эффективности. Во многом возможность наиболее экономичного изготовления деталей при требуемом качестве и заданном объеме выпуска и серийности обеспечивает технологичность их конструкции.

Целью данной работы является повышение качества обработки деталей и эффективности функционирования многономенклатурных производственных систем на основе разработки дополнительных количественных показателей оценки производственной технологичности.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Выявление и описание взаимосвязей между производственной технологичностью и её влиянием на технологические составляющие обработки.
2. Обоснование состава дополнительных количественных показателей оценки производственной технологичности для использования в системе планирования многономенклатурных технологических процессов.
3. Создание моделей, позволяющих на стадии оценки деталей на технологичность сделать заключение о возможности рационального обеспечения заданных в конструкторской документации параметров в конкретной производственной системе:
• модель оценки возможности изготовления заданной номенклатуры деталей;
• модель оценки использования технологических возможностей оборудования;
• модель оценки степени использования функциональных возможностей оборудования с позиции увеличения концентрации и обеспечения условий для формирования рациональных структур технологических операций;
• модель прогнозирования загрузки технологического оборудования по конструктивным характеристикам обрабатываемых деталей;
• модель прогнозирования многовариантности обработки деталей.
4. Разработка методик для количественной оценки дополнительных показателей производственной технологичности механообрабатывающих производств, учитывающих специфику технологической подготовки единичного, мелко- и среднесерийного производства и ориентированных для использования в системе планирования многономенклатурных технологических процессов.
5. Разработка алгоритмического и программного обеспечения подсистемы количественной оценки производственной технологичности в системе планирования многономенклатурных технологических процессов.

Методы и средства исследования. Для исследования и реализации поставленных в работе задач использовались основные положения технологии машиностроения, математический аппарат теории матриц, математической логики, теория и методы построения систем массового обслуживания, кластерный анализ. При разработке программных средств использовались методы структурного и объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна заключается:

в выявлении взаимосвязей между производственной технологичностью и её влиянием на технологические составляющие обработки заданной номенклатуры деталей в конкретной производственной системе;

в обосновании дополнительных количественных показателей производственной технологичности и разработке моделей их оценки в системе планирования многономенклатурных технологических процессов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели, определяющие на основе анализа связей между конструктивными элементами деталей и свойствами производственной системы рациональность их изготовления.
2. Разработанные дополнительные количественные показатели производственной технологичности и методы их оценки в условиях многономенклатурного производства.
3. Алгоритмы отработки деталей на производственную технологичность в системе планирования многономенклатурных технологических процессов.

Практическая ценность и реализация результатов работы заключается в разработке алгоритмического и программного обеспечения подсистемы оценки дополнительных количественных показателей производственной технологичности. Результаты выполненных исследований в виде методик и программного обеспечения используются в конструкторско-технологической подготовке производства ОАО «Саратовский агрегатный завод», а также нашли применение в учебном процессе при проведении занятий по дисциплине «Технология машиностроения».

Апробация результатов диссертации проводилась на 8 научно-технических конференциях: «Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы» (Волжский, 2006), «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-20» (Ярославль, 2007), «Инновации, качество и сервис в технике и технологиях» (Курск, 2009), «Общество в эпоху перемен: формирование новых социально-экономических отношений» (Саратов, 2009), «Проблемы геометрического компьютерного моделирования в подготовке конструкторов для инновационного производства» (Саратов 2010), «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2010), «Системы проектирование технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM – 2012)» (Москва, 2012), «Актуальные проблемы транспорта и энергетики и пути инновационного поиска решения» (Астана, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получено 11 свидетельств о регистрации программ для ЭВМ и баз данных.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников из 161 наименования и 9 приложений. Основной текст диссертации изложен на 203 страницах, иллюстрированных 41 рисунком, и содержит 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертации, выделены направления исследований, указывается научная новизна, приводятся основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены известные подходы к вопросам обеспечения технологичности, представлен анализ хронологической эволюции понятий, относящихся к ним как к одному из основополагающих разделов технологии машиностроения.

Исследованиям различных аспектов технологичности изделий посвящены труды известных отечественных ученых Амирова Ю.Д., Аверченкова В.И., Базрова Б.М., Балакшина Б.С., Балабанова А.Н., Безъязычного В.Ф., Бойцова В.В., Войчинского А.М., Гусева А.А., Кононенко В.Г., Курбанова М.М., Леонтьева И.А., Лурье Г.Б., Михельсона-Ткача В.Л., Сатель Э.А., Яновского Г.А. и других, в которых рассматриваются задачи обеспечения и оценки технологичности и возникающие при этом проблемы. В работах приводятся методы проведения качественной и количественной оценки технологичности конструкции изделий и классификация показателей такой оценки.

Обобщая современное состояние в данной научной области, можно сделать заключение, что процесс обеспечения технологичности изделий является противоречивым и сложноформализуемым, поэтому реализация оценки технологичности проектного решения возможна только после создания моделей, адекватно отражающих связь между конструктивными элементами изделий и свойствами производственных систем и реализованных в виде систем автоматизированного проектирования.

На основании проведенного анализа литературы сделаны следующие выводы: 1) значительную роль во всем жизненном цикле изделия играют решения, принимаемые на этапах конструкторско-технологической подготовки производства и, в частности, при оценке производственной технологичности; 2) система обеспечения технологичности конструкции изделия должна предусматривать возможность принятия решений как по конструкции, так и по условиям его производства; 3) задача формирования в процессе отработки оптимальной конструкции изделия с точки зрения технологичности в полной мере до настоящего времени не решена, а задача отработки конструкции изделия на производственную технологичность с учетом конкретных условий производства не ставилась; 4) система проектирования должна быть гибкой, обеспечивающей в кратчайшие сроки комплексное решение проектно-конструкторских и технологических задач, в наибольшей степени этим требованиям отвечает концепция планирования многономенклатурных технологических процессов, позволяющая автоматизировать количественную оценку на технологичность с учетом условий действующих производственных систем.

Вторая глава посвящена обоснованию необходимости разработки и созданию формализованных моделей для определения дополнительных количественных показателей производственной технологичности в условиях многономенклатурных производственных систем механообработки.

На основе сформулированных требований к оценке производственной технологичности, учитывающих условия конкретной производственной системы и ориентацию на особенности многономенклатурных систем механообработки, выявленных взаимосвязей между производственной технологичностью и ее влиянием на технологические составляющие обработки, обоснован состав дополнительных показателей оценки производственной технологичности для использования в системе планирования многономенклатурных технологических процессов: показатель возможности изготовления заданной номенклатуры деталей; показатель использования технологических возможностей производственной системы; показатель технологичности детали по однородности технологического оборудования; показатель прогнозирования уровня загрузки технологического оборудования при обработке заданной номенклатуры деталей; показатели многовариантности принятия решений при проектировании и реализации технологических процессов.

Для определения возможности изготовления заданной номенклатуры деталей разработана матричная модель, позволяющая на стадии оценки на технологичность сделать заключение о возможности рационального обеспечения заданных параметров деталей в конкретной производственной системе.

На основе базы данных технологических возможностей оборудования системы планирования многономенклатурных технологических процессов формируется матрица максимально достижимых показателей качества обработки для каждого вида элементарных поверхностей на каждой из групп оборудования

(l=1,2,…, L; k=1,2,…, K),

(1)

где Am – группа технологического оборудования; l – номер вида элементарной поверхности; L – общее число элементарных поверхностей, возможных для обработки на имеющемся оборудовании в рамка рассматриваемой производственной системы; k – номер характеристики качества поверхности; K – общее количество характеристик качества поверхностей деталей; Am(l,k) – значение k-й характеристики l-й элементарной поверхности, получаемое при обработке на m-й группе оборудования; m – номер группы технологического оборудования (m=1,2,…, M); M – количество групп технологического оборудования в рамках производственной системы.

На основе сформированной матрицы (1) определяются элементы матрицы возможных максимальных показателей качества обработки для каждого вида элементарных поверхностей для производственной системы в целом

,

(2)

где Пl(k) – максимально достижимое значение k-й характеристики l-го типа элементарной поверхности.

Для деталей на основе конструкторской документации формируется матрица с информацией о характеристиках обрабатываемых поверхностей

(j=1,2,…, J; k=1,2,…, K),

(3)

где ai – обрабатываемая деталь (i=1,2,…, I); I – количество деталей, запланированных для обработки в производственной системе в рассматриваемый период времени; J – количество элементарных поверхностей детали (для каждой детали различное количество); ai(j,k) – значение k-й характеристики j-й поверхности детали.

Процедура выполнения оценки технологической возможности изготовления заданной номенклатуры деталей в рамках рассматриваемой производственной системы заключается в сравнении элементов матриц (2) и (3) по столбцам для одинаковых видов элементарных поверхностей на предмет возможности достижения при обработке показателей качества, заложенных в конструкторской документации. Результатом является заключение о наличии в рамках производственного участка оборудования, технологические возможности которого позволяют изготовить детали с заданными техническими характеристиками. В случае отсутствия требуемого оборудования определяется деталь и техническое требование, обеспечение которого в данной производственной системе невозможно.

Наряду с установлением возможности изготовления заданной номенклатуры деталей немаловажным является показатель использования технологических возможностей оборудования, который определяет степень соответствия используемого оборудования той номенклатуре деталей, которая запланирована для обработки. Учитывая постоянную изменчивость производственных заданий, свойственную производствам с единичным, мелко- и среднесерийным характером, задача рационального использования производственных мощностей является одной из ведущих для обеспечения эффективной работы производственной системы.

Модель оценки использования технологических возможностей производственных систем состоит из последовательно выполняемых вычислительных процедур.

1. Формирование матрицы максимально достижимых характеристик обработки элементарных поверхностей для производственной системы в целом (матрица (2)).

2. Определение показателя использования технологических возможностей системы при обработке отдельных элементарных поверхностей деталей.

3. Формирование матрицы показателей использования технологических возможностей производственной системы при обработке элементарных поверхностей

, (i=1,2,…, I; j=1,2,…, J; k=1,2,…, K).

(4)

4. Расчёт показателя использования технологических возможностей системы при обработке детали.

5. Формирование матрицы показателей использования технологических возможностей производственной системы при обработке деталей заданной номенклатуры

.

(5)

6. Определение показателя использования технологических возможностей системы в целом

.

(6)

Специфика функционирования многономенклатурных производственных систем, заключающаяся в постоянном обновлении выпускаемой продукции и связанными с этим требованиями к разрабатываемым технологическим процессам, направленными на повышение концентрации технологических операций. До настоящего времени задача установления взаимосвязей между конструктивными характеристиками деталей и прогнозируемым уровнем концентрации технологических операций их изготовления на стадии оценки производственной технологичности не ставилась. Для решения этой задачи создана модель оценки функциональных возможностей оборудования с позиции увеличения концентрации технологических операций и обеспечения условий для формирования рациональных структур операций.

В качестве первоначальной задачи при создании модели является определение возможности обработки элементарных поверхностей детали на оборудовании в рамках рассматриваемой системы, заключающееся в сравнении элементов матрицы требований (3) к обработке j-й элементарной поверхности i-й детали с множеством возможных показателей качества обработки из базы данных технологических возможностей имеющегося оборудования. В результате сравнения определяются все возможные варианты использования технологического оборудования при обработке элементарных поверхностей для каждой детали, и формируется исходная бинарная матрица использования технологического оборудования

,

(7)

где – значение 1 или 0 принимается в случае использования или неиспользования соответственно m-го технологического оборудования при обработке j-й элементарной поверхности для i-й детали по vj-му варианту.

Для анализа возможности объединения обработки отдельных элементарных поверхностей в рамках одной технологической операции предлагается проводить оценку по однородности вариантов использования технологического оборудования. С этой целью выполняется отбор вариантов использования технологического оборудования при обработке каждой элементарной поверхности с вероятностью максимальной концентрации технологических операций с применением математического аппарата алгебры Буля по критериям

.

(8)

Вместе с тем при прогнозировании функционирования производственной системы с позиции удовлетворения требования наибольшей концентрации операций, кроме объединения этапов обработки отдельных элементарных поверхностей, необходимо выполнить оценку возможности объединения обработки на одном оборудовании различных элементарных поверхностей.

Данная задача на стадии оценки производственной технологичности представляется очень сложной, так как на этом этапе технологической подготовки производства отсутствуют не только данные по состоянию производственной системы на момент реализации задания на обработку деталей, но еще не разработаны технологические процессы их изготовления. Поэтому было предложено дальнейшее исследование по прогнозированию степени концентрации технологических операций вести с привлечением математического аппарата кластерного анализа.

Для этого на основе отобранных вариантов использования технологического оборудования для каждой элементарной поверхности сформирована булевая матрица (m=1,2,…, M; j=1,2,…, J), отражающая для элементарных поверхностей весь набор используемого оборудования, имеющегося в производственной системе.

Содержащаяся в матрице информация позволяет дать представления о степени многовариантности при обработке каждой элементарной поверхности и учесть вероятности объединения обработки отдельных элементарных поверхностей при разработке технологических процессов. Таким образом, данная матрица является базовой для проведения кластеризации элементарных поверхностей деталей при прогнозировании степени концентрации планируемых операций.

По результатам проведения процедуры кластеризации строится дендрограмма (рис. 1), и определяются показатели близости при последовательном объединении отдельных элементарных поверхностей в кластер (, где – стандартный индекс иерархии, аналогичный расстоянию или показателю близости).

Полученная информация позволяет прогнозировать возможности структурной оптимизации технологического процесса и степени гибкости принятия решений при технологической подготовке производства.

Рис. 1. Дендрограмма объединения элементарных поверхностей детали в кластеры
по возможности объединения их обработки в одной технологической операции

Показатель технологичности детали по однородности используемого технологического оборудования

,

(9)

где kl – номер сформированного кластера элементарных поверхностей (последовательность присвоения номеров от v=0 до v=1 с шагом присвоения номера – 1); KL – максимальный номер сформированного кластера элементарных поверхностей при выполнении процедуры кластеризации для конкретной детали; vkl – индекс иерархии, соответствующей формированию кластеру с kl-м номером; Ekl – количество элементарных поверхностей, объединенных в один из кластеров на vkl индексе иерархии.

Полученный показатель позволяет провести оценку соответствия конструкции и характеристик поверхностей детали возможностям технологического оборудования в рамках рассматриваемой производственной системы с позиции достижения требуемых значений концентрации технологических операций. Это для условий многономенклатурного производства является одним из определяющих факторов обеспечения качества выполнения работ (снижения количества переустановок детали) и эффективного функционирования оборудования за счет снижения количества переналадок, вспомогательного времени при выполнении операций и организационных затрат.

Другим важным показателем эффективной работы многономенклатурных механообрабатывающих производственных систем является рациональная загрузка технологического оборудования. Условиями ее обеспечения являются многофункциональность имеющегося оборудования с обеспечением возможности использования этого свойства на стадиях разработки и реализации технологических процессов; характеристики сформированной номенклатуры и программа выпуска деталей должны позволять равномерно использовать все группы оборудования в рамках имеющейся производственной системы.

Разработанная модель прогнозирования загрузки технологического оборудования по конструктивным характеристикам обрабатываемых деталей содержит последовательность проектных процедур.

Формирование вариантов обработки элементарных поверхностей ведется на основе сгенерированной на предыдущих этапах настоящей работы исходной матрицы использования технологического оборудования при обработке элементарных поверхностей (7). К рассмотрению принимаются варианты с максимальным значением концентрации обработки, когда отдельные технологические переходы в последовательности планов обработки элементарных поверхностей реализуются на одном оборудовании. Такие варианты составляют матрицу

(m=1,2,…, M; j=1,2,…, J),

(10)

На основе полученных матриц можно схематично представить для каждой элементарной поверхности варианты обработки для выполнения дальнейшего анализа (рис. 2).

Риc. 2. Возможные варианты обработки (1, 2, 3)
элементарной поверхности детали на группах технологического оборудования,
имеющегося в рамках производственной системы

Для определения времени обработки элементарных поверхностей из научно-технической литературы известны укрупненные формулы, позволяющие на основе размерных характеристик поверхностей установить время выполнения технологического перехода данного вида. На основе результатов выполненных вычислений формируем матрицу времен вариантов обработки элементарных поверхностей

(m=1,2,…, M; j=1,2,…, J).

(11)

На основе матрицы (11) рассчитываются средние времена обработки элементарных поверхностей и формируется матрица средних времен обработки элементарных поверхностей из заданной номенклатуры деталей на каждой группе технологического оборудования.

Вероятность выполнения обработки элементарных поверхностей i-й детали на m-ой группе технологического оборудования

,	где – общее количество вариантов использования различных групп технологического оборудования при реализации технологического перехода из плана обработки j-й элементарной поверхности,.

По результатам вычислений формируется матрица вероятностей выполнения обработки каждой детали на отдельной группе технологического оборудования

(m=1,2,…, M; i=1,2,…, I)

(12)

и транспонированная матрица вероятностей обработки для всех деталей из заданной номенклатуры на отдельной группе технологического оборудования в рамках производственной системы.

Следующим шагом является решение задача установления времени реализации технологических операций для каждой группы оборудования при изготовлении деталей из заданной номенклатуры. С этой целью использовались результаты кластерного анализа по установлению взаимосвязей между прогнозируемыми технологическими процессами и использованием отдельных групп технологического оборудования, полученные на ранних этапах настоящей работы. Анализ результатов последовательной кластеризации элементарных поверхностей позволил сделать заключение, что состав технологических операций, то есть количество обрабатываемых элементарных поверхностей можно спрогнозировать на основе сопоставления количества кластеров, сформированных на различных уровнях иерархии, и количества групп технологического оборудования, используемого при обработке рассматриваемой детали.

Количество элементарных поверхностей, сгруппированных в отдельные кластеры, и их состав в каждом кластере позволяет установить более точную связь между сформированными группами обрабатываемых элементарных поверхностей и конкретным технологическим оборудованием. Тем самым для каждой группы технологического оборудования устанавливается прогнозируемое среднее количество технологических переходов в рамках технологических операций.

Используя полученную информацию по среднему времени технологических операций и вероятностей выполнения обработки деталей на каждой группе оборудования, можно провести исследование работы производственной системы на основе анализа процесса поступления технологических операций на выполнение и процесса реализации технологических операций на группах оборудования.

Совокупность этих двух процессов можно рассматривать как систему массового обслуживания. Для каждой группы технологического оборудования создается размеченный граф состояния системы, отличающиеся значениями интенсивности потоков партий деталей (рис. 3).

Рис. 3. Размеченный граф состояний системы массового обслуживания,
описывающий процесс реализации технологических операций на группе оборудования

Ро, Р1, … – вероятности того, что в системе имеется (реализуется на рассматриваемой группе оборудования и находится в ожидании обработки) kt требований (технологических операций);

– интенсивность потока технологических операций, поступающих на реализацию; i – интенсивность потока деталей i-го наименования поступающего на данную группу оборудования;

– интенсивность потока реализации технологических операций; Тср – среднее время реализации технологических операций на рассматриваемой группе оборудования; my – количество единиц технологического оборудования, входящего в рассматриваемую y-группу.

На основе размеченного графа состояний составлена система обычных дифференциальных уравнений для вероятностей состояния системы:

Для установившегося режима работы системы вместо системы обыкновенных дифференциальных уравнений представляем систему алгебраических уравнений. Имеющиеся выражения для всей системы позволяют определить коэффициент загрузки каждой группы технологического оборудования и сформировать матрицу

(m=1,2,…,M).

(13)

В целом для производственной системы показатель производственной технологичности, позволяющий прогнозировать уровень загрузки технологического оборудования при обработке заданной номенклатуры и программы выпуска деталей, определяется как среднее значение элементов матрицы (13). По значению данного показателя можно сделать заключение как по рациональности комплектования обрабатываемых в рассматриваемый промежуток времени деталей, так и по рациональности состава технологического оборудования в производственной системе в части соответствия его производственному заданию.

Вместе с тем функционирование многономенклатурных производственных систем механообработки связано с неизбежными постоянными изменениями производственной ситуации. Поэтому создание условий для многовариантности реализации обработки деталей дает возможность адаптировать процесс изготовления к реально складывающейся производственной ситуации, тем самым обеспечивая лучшие технико-экономические показатели работы производственной системы.

От конструктивных характеристик деталей, запланированных для обработки, во многом зависит возможность наделения создаваемых технологий свойством многовариантности. Количественно спрогнозировать многовариантность возможно на основе данных о многообразии назначения технологического оборудования при выполнении обработки отдельных поверхностей деталей. С этой целью создана модель прогнозирования многовариантности обработки деталей в условиях многономенклатурных производственных систем при оценке производственной технологичности.

Для прогнозирования многовариантности реализации обработки деталей в производственной системе предлагается на стадии оценки производственной технологичности деталей использовать показатель прогнозируемой многовариантности изготовления j-й элементарной поверхности i-й детали ПМВij = 1-1/VOij, где VOij – количество отобранных вариантов использования технологического оборудования при различных планах обработки j-й элементарной поверхности i-й детали.

Показатель многовариантности принятия решений при проектировании технологических процессов для каждой детали .

Данный показатель позволяет оценить широту возможностей, предоставляемых технологу при разработке технологических процессов, и дает возможность выбрать более рациональное решение с учетом технологических возможностей оборудования и номенклатуры деталей, запланированных для обработки.

Другим фактором, являющимся обоснованием оценки многовариантности обработки деталей, является необходимость предоставления возможности корректировки хода выполнения технологии во время реализации технологических процессов при изменении производственной ситуации.

Знание среднего прогнозируемого количества элементарных поверхностей VOjm с учетом планов их обработки в рамках одной технологической операции и привязки к m-й группе технологического оборудования позволяет вычислить показатель прогнозируемой многовариантности при реализации технологических процессов изготовления деталей из заданной номенклатуры на стадии оценки технологичности деталей.

Используя информацию, содержащуюся в матрице среднего прогнозируемого количества элементарных поверхностей, обрабатываемых в рамках одной технологической операции, определяем показатель, отражающий средний объем технологических операций, выполняемых на m-й группе технологического оборудования.

Представленные в работе исследования по разработке моделей, связывающих конструктивные характеристики деталей с технологическими возможностями и эффективностью функционирования производственных систем механообработки, предназначенных для их изготовления, позволяют сформировать систему дополнительных показателей для оценки производственной технологичности.

В результате разработаны методики для количественной оценки дополнительных показателей производственной технологичности механообрабатывающих производств, учитывающих специфику технологической подготовки мелко- и среднесерийного производства и ориентированных для использования в системе планирования многономенклатурных технологических процессов.

В третьей главе работы представлена методика проведения исследований для проверки работоспособности представленных в диссертационной работе моделей. Экспериментальные исследования выполнялись в рамках действующего производства – отдела разработки конструкторской документации и участка по изготовлению деталей в ОАО «Саратовский агрегатный завод» и выполнялись в следующей последовательности: формирование информационных матриц по техническим характеристикам конструктивных элементов деталей; заполнение базы данных системы планирования многономенклатурных технологических процессов по технологическим возможностям оборудования в соответствии с составом технологического оборудования на рассматриваемом участке; проведение оценки дополнительных количественных показателей производственной технологичности для сформированной номенклатуры деталей; определение технико-экономических результатов использования разработанных моделей, алгоритмов и программ оценки производственной технологичности.

На основе теоретических положений главы 2 разработаны алгоритмы и программные средства, позволяющие автоматизировать проведение процедур: определение технологической возможности изготовления деталей в условиях рассматриваемой производственной системы; расчёт показателя использования технологических возможностей механообрабатывающей производственной системы; определение вероятности обработки деталей по группам оборудования при прогнозировании его загрузки на стадии оценки технологичности в условиях многономенклатурных производственных систем; определения показателя прогнозируемой многовариантности механической обработки деталей при оценке технологичности в системе планирования технологических процессов; выбора вариантов использования технологического оборудования, обеспечивающих максимальную концентрацию операций механической обработки.

Одним из созданных алгоритмов является алгоритм для оценки вероятности использования технологического оборудования определенной группы при обработке отдельных поверхностей деталей в условиях имеющейся производственной системы (рис. 4). В начале алгоритма производится запрос к базе данных обрабатываемых деталей для получения информации об обрабатываемых поверхностях, планах обработки и требуемых групп оборудования. Далее заполняются соответствующие матрицы. Затем производится расчёт вероятностей обработки каждой поверхности на каждой группе оборудования. После этого рассчитываются вероятности обработки каждой детали на каждой группе оборудования и вероятности обработки деталей по группам оборудования для всей производственной системы.

Рис. 4. Алгоритм определения вероятности обработки деталей
по группам оборудования при прогнозировании его загрузки на стадии оценки
технологичности в условиях многономенклатурных производственных систем

Выполненные исследования позволили перейти к практической реализации результатов работ и для проверки работоспособности разработанных алгоритмов и программ в условиях реального производства.

В четвертой главе представлены результаты проверки разработанной подсистемы оценки производственной технологичности. На основе созданных в работе алгоритмов и программных средств определены дополнительные количественные показатели производственной технологичности для рассматриваемой номенклатуры деталей и состояния производственной системы для их изготовления. Оценка показателей велась не только по отдельным деталям, но и по всей номенклатуре в целом, а также получены данные в разрезе отдельных конструктивных элементов деталей и степени использования групп технологического оборудования.

Полученные результаты позволили проанализировать соответствие конструкторских характеристик деталей условиям их обработки для конкретного производственного участка ОАО «Саратовский агрегатный завод», а также сделать заключение об их технологической совместимости в рамках заданной номенклатуры, обеспечивающих рациональность их изготовления.

Экономическая эффективность применения разработанных методик оценивалась по трём позициям: повышение качества конструкторско-технологических проектных решений; повышение производительности технологического оборудовании при обработке деталей за счет учета результатов оценки производственной технологичности; сокращение сроков технологической подготовки производства за счёт автоматизации выполнении проектной процедуры оценки деталей на технологичность.

Использование подсистемы определения дополнительных количественных показателей производственной технологичности в составе автоматизированной системы планирования многономенклатурных технологических процессов позволило повысить качество изготавливаемых изделий и снизить процент брака в среднем на 3-5% за счёт исключения субъективных составляющих при принятии решений о возможности обработки деталей в конкретных производственных подразделениях предприятия. Наряду с этим повысилась производительность технологических процессов обработки за счёт обеспечения лучшей технологической совместимости деталей в среднем на 5-7% и, следовательно, понизилась себестоимость изготовления.

Количественные значения показателей с учетом особенностей, целей и задач производства позволили сформулировать рекомендации по совершенствованию конструкции деталей, обоснованию комплектности номенклатуры деталей, соответствию состава технологического оборудования требованиям к обрабатываемым деталям. Предложенные дополнительные количественные показатели для оценки производственной технологичности не дублируют известные, а расширяют и углубляют знания, получаемые на основе анализа конструктивных элементов деталей и возможностей производственной системы для их изготовления на стадии оценки технологичности при технологической подготовке производства.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализ научно-технической информации по вопросу обеспечения технологичности изделий позволил обосновать целесообразность создания моделей, адекватно отражающих связь между конструктивными элементами изделий и свойствами производственных систем с целью повышения качества проектных решений при разработке изделий машиностроения на основе расширения состава показателей технологичности деталей, учитывающих особенности технологического оборудования и повышающих экономическую эффективность их изготовления.
2. Выполнено описание взаимосвязей между производственной технологичностью и ее влиянием на технологические составляющие обработки, и обоснован состав дополнительных показателей оценки производственной технологичности для использования в системе планирования многономенклатурных технологических процессов.
3. Созданы математические модели, позволяющие на стадии оценки деталей на технологичность сделать заключение о возможности рационального обеспечения параметров деталей, заданных в конструкторской документации, при их обработке в конкретной производственной системе. Полученные результаты позволяют использовать конструкторско-технологические резервы для решения задач повышения технико-экономических показателей изготовления изделий.
4. Разработаны методики для количественной оценки дополнительных показателей производственной технологичности механообрабатывающих производств, учитывающих специфику технологической подготовки единичного, мелко- и среднесерийного производства и ориентированных для использования в системе планирования многономенклатурных технологических процессов. В результате был полностью формализован процесс анализа конструктивных особенностей деталей, позволяющий сделать заключение о необходимости корректировки конструкторской документации и рациональности принятия решений по формированию номенклатуры обрабатываемых в рамках рассматриваемой производственной системы деталей в заданный промежуток времени.
5. Разработаны алгоритмы и программные процедуры принятия решений как по конструкции изделия, так и по условиям его производства. Это позволило сформировать алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированной подсистемы количественной оценки производственной технологичности в системе планирования многономенклатурных технологических процессов.
6. Подтверждена работоспособность разработанной подсистемы количественной оценки производственной технологичности в рамках действующего многономенклатурного производства на ОАО «Саратовский агрегатный завод».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Бокова Л.Г. Проектирование технологических операций механообработки в системе планирования технологических процессов/ Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев, В.В. Шалунов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2009. № 3(40). Вып. 1. С. 46-54.
2. Бокова Л.Г. Процедура оценки технологичности деталей в системе автоматизированного планирования технологических процессов механообработки / Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2009. № 3 (41). Вып. 2. С. 30-33.
3. Бокова Л.Г. Структура оценки производственной технологичности деталей в многономенклатурных механообрабатывающих системах / Л.Г. Бокова // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 56. С. 27-31.
4. Бокова Л.Г. Разработка метода оценки производственной технологичности деталей для условий многономенклатурного производства / Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 58. С. 12-17.
5. Бокова Л.Г. Разработка технологических операций с учётом показателя технологичности в системе планирования многономенклатурных технологических процессов / С.Г. Митин, Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 3 (58). Вып. 2. С. 101-105.
6. Бокова Л.Г. Технологичность как фактор повышения эффективности конструкторско-технологической подготовки механообрабатывающих производств / Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев // Вестник Дагестанского научного центра РАН. Махачкала, 2012. № 45. С. 29-31.

Публикации в других изданиях

7. Бокова Л.Г. Особенности оценки технологичности деталей в системе планирования многономенклатурных технологических процессов механообработки / Л.Г Бокова, Бочкарев П.Ю.// Процессы абразивной обработки, абразивные инструменты и материалы : сб. ст. Междунар. науч.-техн. конф. / ВолгГАСУ. Волжский, 2006. С. 188-189.
8. Бокова Л.Г. Оценка технологичности деталей в системе планирования многономенклатурных технологических процессов механообработки / Л.Г Бокова, П.Ю. Бочкарев, В.В. Шалунов // Прогрессивные направления развития технологии машиностроения: межвуз. науч. сб. / СГТУ. Саратов, 2007. С. 151-153.
9. Бокова Л.Г. Информационная система формирования кортежей переходов механообрабатывающих производств / Л.Г. Бокова, А.В. Пластинкин, А.В. Кочедаев, В.В. Шалунов // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-20: сб. трудов XX Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 4. Секция 5. Ярославль: Изд-во Яросл. гос. тех. ун-та, 2007. С. 139-143.
10. Бокова Л.Г. Подсистема формирования схем обработки элементарных поверхностей деталей в САПР технологических процессов механообработки / Л.Г Бокова, А.В. Пластинкин, В.В. Шалунов // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2009. С. 162-168.
11. Бокова Л.Г. Проектирование технологических операций в системе планирования технологических процессов механообработки в условиях многономенклатурного производства / Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев, В.В. Шалунов // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2009. С. 251-254.
12. Бокова Л.Г. Разработка операционных технологий в системе планирования технологических процессов / Л.Г Бокова, П.Ю. Бочкарев, В.В. Шалунов // Инновации, качество и сервис в технике и технологиях: материалы I Междунар. науч.-практ. конф., 22-23 мая 2009 г. / КГТУ. Курск, 2009. Ч. 1. С. 46-48.
13. Бокова Л.Г. Обработка на технологичность комплекта деталей в системе автоматизированного планирования технологических процессов механообработки / Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев // Исследование сложных технологических систем: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2009. С.12-14.
14. Бокова Л.Г. Автоматизированное планирование технологии как инновационная составляющая развития машиностроительных производств / Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев, В.В. Шалунов // Общество в эпоху перемен: формирование новых социально-экономических отношений: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Ч. 1 / СГТУ. Саратов, 2009. С. 65-67.
15. Бокова Л.Г. Формирование информации для оценки детали на технологичность в системе планирования технологических процессов механообработки / Л.Г Бокова, П.Ю. Бочкарев // Проблемы геометрического компьютерного моделирования в подготовке конструкторов для инновационного производства: сб. материалов Поволж. науч.-метод. конф. / СГТУ. Саратов, 2010. С. 105-108.
16. Бокова Л.Г. Совершенствование оценки технологичности деталей с учетом особенностей многономенклатурных производственных систем механообработки / Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев // Современные технологии в машиностроении: сб. ст. XIV Междунар. науч.-практ. конф. Пенза: Приволж. Дом знаний, 2010. С. 183-185.
17. Бокова Л.Г. Оценка технологичности деталей с учетом особенностей многономенклатурных производственных систем механообработки / Л.Г. Бокова // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: сб. науч. тр. / СГТУ. Саратов, 2011. С. 17-22.
18. Бокова Л.Г. Применение и возможность совершенствования вибрационных мельниц / Л.Г. Бокова, В.В. Сотскова // Участники школы молодых ученых и программы У.М.Н.И.К. : сб. тр. XXIV Междунар. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-24» / СГТУ. Саратов, 2011. С. 225-227.
19. Бокова Л.Г. Особенности создания автоматизированной системы планирования технологических процессов в условиях многономенклатурных механообрабатывающего производства / Л.Г Бокова, П.Ю. Бочкарев, С.Г. Митин // Системы проектирование технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM – 2012): тез. 12-й Междунар. конф. / под ред. Е.И. Артамонова. М.: ООО «Аналитик», 2012. С. 100.
20. Бокова Л.Г. Особенности создания автоматизированной системы планирования технологических процессов в условиях многономенклатурного механообрабатывающего производства / Л.Г Бокова, П.Ю. Бочкарев, С.Г. Митин // Системы проектирование технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM – 2012): тр. 12-й Междунар. конф. / под ред. Е.И. Артамонова. М.: ООО «Аналитик», 2012. С. 305-309.
21. Бокова Л.Г. Повышение эффективности подготовки производств по изготовлению деталей транспортной техники на основе совершенствования оценки технологичности / Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев, Г.С. Гумаров // Актуальные проблемы транспорта и энергетики и пути инновационного поиска решения: сб. материалов Междунар. науч.-практ. конф. / ЕНУ имени Л.Н. Гумилева. Астана, 2013. С. 42-45.

Программы для ЭВМ и базы данных

22. Бокова Л.Г. Программа формирования схем обработки элементарных поверхностей деталей в системе планирования многономенклатурных технологических процессов механообработки / Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев, А.В. Пластинкин, А.В. Кочедаев, Д.В. Елисеев, В.В. Шалунов. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. №2009614760, 03.09.2009 г.
23. Бокова Л.Г. База данных по технологическим возможностям производственного оборудования системы планирования маршрутов технологических процессов механообработки / Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев, А.В. Пластинкин, А.В. Кочедаев, Д.В. Елисеев, В.В. Шалунов. Свидетельство о государственной регистрации базы данных. №2009620506, 09.10.2009 г.
24. Бокова Л.Г. База данных по изготавливаемым изделиям и используемым заготовкам системы планирования маршрутов технологических процессов механообработки / Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев, А.В. Пластинкин, А.В. Кочедаев, Д.В. Елисеев, В.В. Шалунов. Свидетельство о государственной регистрации базы данных. №2009620505, 09.10.2009 г.
25. Бокова Л.Г. Программа формирования рациональных комплектов режущего инструмента при проектировании технологических операций в системе планирования многономенклатурных технологических процессов механообработки / Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев, С.Г. Митин. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. №2010616580, 01.10.2010 г.
26. Бокова Л.Г. Программа генерации возможных последовательностей переходов в технологической операции в системе планирования многономенклатурных технологических процессов механообработки / Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев, С.Г. Митин. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. №2010616582, 01.10.2010 г.
27. Бокова Л.Г. База данных технологической оснастки в системе планирования многономенклатурных технологических процессов механообработки / Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев, С.Г. Митин. Свидетельство о государственной регистрации базы данных. №2011620067, 19.01.2011 г.
28. Бокова Л.Г. Программа генерации возможных последовательностей переходов при проектировании технологических операций для оборудования сверлильной группы в системе планирования многономенклатурных технологических процессов / Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев, С.Г. Митин, Т.Т. Разманова. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. №2012619565, 22.10.2012 г.
29. Бокова Л.Г. Программа генерации возможных вариантов технологической оснастки для оборудования сверлильной группы при проектировании технологических операций в системе планирования многономенклатурных технологических процессов / Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев, С.Г. Митин, Т.И. Разманова. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ/ №2012619560, 22.10.2012 г.
30. Бокова Л.Г. База данных технологической оснастки для оборудования сверлильной группы в системе планирования многономенклатурных технологических процессов механообработки / Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев, С.Г. Митин, Т.И. Разманова. Свидетельство о государственной регистрации базы данных. №2012621101, 22.10.2012 г.
31. Бокова Л.Г. Программа расчёта показателя использования технологических возможностей механообрабатывающей производственной системы / Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев, С.Г. Митин. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. №2013617703, 22.08.2013 г.
32. Бокова Л.Г. Выбор вариантов размерных конструкторских связей на основе принципа единства баз при разработке конструкторской документации в системе сквозной конструкторско-технологической подготовки производства / Л.Г. Бокова, П.Ю. Бочкарев, А.П. Бело. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. №2013617631, 21.08.2013 г.

Подписано в печать 24.10.13 Формат 6084 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 165 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Тел.: 24-95-70; 99-87-39, е-mail: [email protected]