Лекция 3.1. Оптимизация технологических процессов (стр. 4 )

Объект исследования – технологическая операция (переход ) обработки наружных цилиндрических поверхностей на токарных станках с ЧПУ.

Цель исследования – обеспечение качества обработки при минимальных приведенных затратах на изготовление детали.

Основные задачи исследования :

а) разработать математическую модель исследуемого процесса;

б) исследовать математическую модель, выявить параметры, оказывающие доминирующее влияние на качество обработки ;

в) оптимизировать выделенные параметры по критерию минимума приведенных затрат на производство;

г) экспериментально проверить найденные технологические решения.

Технологическое обеспечение качества прецизионных деталей.

В работах, проводимых по данному направлению, решаются задачи, аналогичные задачам в исследованиях первых двух направлений. Однако конструктивно - технологические особенности прецизионных (высокоточных) деталей часто требуют иных, нестандартных технологических приемов, в отличие от приемов, используемых для общемашиностроительных деталей.

Пример №4 “Технологическое обеспечение качества изготовления валов высокооборотных электрошпинделей”.

Объект исследования – технологический процесс изготовления валов высокооборотного электрошпинделя.

Цель работы - обеспечение качества изготовления вала высокооборотного электрошпинделя.

Основные задачи в целом совпадают с задачами исследований первого направления.

Работы могут быть посвящены решению задач технологической наследственности, обоснованию выбора заготовок высокоточных деталей, многофакторных задач исследования собственно процессов обработки высокоточных деталей и т. д.

Проектирование и исследование основных закономерностей

проектирования технологических процессов.

Это направление предусматривает дальнейшую разработку принципов построения типовых, групповых и индивидуальных технологических процессов при их неавтоматизированном и автоматизированном проектировании.

Пример №5 “Разработка и исследование принципов технологического группирования деталей на основе кластер-анализа”.

Объект исследования- групповая технология изготовления деталей заданной номенклатуры. Номенклатура деталей и их конструктивно - технологические параметры задаются руководителем.

Цель исследования – обеспечение качества изготовления деталей данной номенклатуры при обеспечении максимальной производительности участка.

Основные задачи :

а) разработать новые принципы группирования деталей для обработки на участке станков с заданной структурой, основанные на кластер-анализе;

б) выделить основные конструктивно-технологические признаки, которые могут быть использованы для группирования изделий ;

в) осуществить группирование деталей и разработать групповой технологический процесс;

г) оценить полученные решения и дать заключение о возможности и эффективности использования предложенных принципов.

Работы, проводимые по данному направлению, базируются на широком использовании компьютерной техники и требуют от исполнителя навыков практической работы с ней.

Исследование технологичности конструкций деталей.

Пример №6 “Влияние конструктивно-технологических параметров детали на структуру технологического процесса ее изготовления”. Чертеж детали, технические требования задаются преподавателем.

Объект исследования – технологический процесс изготовления детали. Следует четко уяснить, что, хотя при исследовании будут устанавливаться взаимосвязи между конструктивно - технологическими параметрами детали и структурой технологического процесса, а также, возможно, даваться рекомендации по желательному изменению конструкции детали, объектом исследования является технологический процесс, а не деталь.

Цель исследования - снижение затрат на изготовление детали.

Основные задачи:

а) выявить основные конструктивно-технологические параметры детали (элементы геометрической формы и их расположения, отклонение размеров, формы, взаимного расположения, параметры шероховатости и т. п.),оказывающие доминирующее влияние на технологический процесс ее изготовления;

б) установить количественные зависимости между изменением конструктивно-технологических параметров и структурой технологического процесса ;

в) провести оптимизацию конструктивно- технологических параметров детали по критерию минимума приведенных затрат на изготовление детали;

г) оценить полученные решения, дать рекомендации по их практическому использованию.

Отметим, что основными задачами предусматривается не только проведение собственно исследования, но и обработка изделия на технологичность (см. п. “в”).

Исследование технологической оснастки.

Данным направлением предусмотрены работы по совершенствованию и автоматизации проектирования технологической оснастки, совершенствованию ее основных функциональных элементов, повышению переналаживаемой оснастки.

Кроме работ, выполняемых по рассмотренным направлениям, могут проводиться КНИР по исследованию технологических процессов, использующих нетрадиционные методы обработки (электрический, ультразвуковой и т. д. ),методы нанесения покрытий и т. д.

Выше отмечалось, что технологические КНИР носят, как правило, смешанный характер, т. е. имеют развитые теоретическую и экспериментальную части.

Методика теоретической части должна для каждой поставленной задачи теоретического эксперимента содержать :

1. Формализованную постановку задачи (в “чистом виде”) с выбором необходимых расчетных схем.

2. Сведения о выбранном методе решения поставленной задачи :

а) исходные данные для решения ;

б) используемый математический аппарат;

в) ожидаемый результат решения.

3. Необходимый вид представления решения для дальнейшего использования в работе.

При формализации технологических задач и выборе расчетных схем не следует их чрезмерно усложнять. Необходимо стремиться к сокращению числа неизвестных (понижению размерности задачи). Так, например, при изучении процессов, происходящих в технологических (механических) системах обычно достаточно рассмотреть систему с одной, чаще – с двумя и реже – с тремя степенями свободы (например, при бесцентровом шлифовании).

Необходимо помнить об особой практической важности именно первого приближения. Дело

в том, что технологические параметры, являющиеся исходными данными для решения (жесткость элементов технологической системы, приведенные массы, припуск на обработку и т. д.), известны лишь с некоторой ограниченной точностью. Поэтому логично строить приближение лишь до того уровня точности, который соответствует точности задания исходных данных.

Но, стремясь упростить задачу и расчетную схему, следует иметь в виду, что чрезмерное упрощение может привести к расхождению с реальностью.

Математический аппарат, используемый для решения технологических задач, определяется характером формально поставленной задачи.

При исследовании динамики процессов, происходящих в технологических системах, применяют системы дифференциальных уравнений, векторный анализ.

При решении большинства задач удобно использовать аппарат теории матриц.

Припуски на обработку и промежуточные размеры детали, размеры заготовок и т. д. могут быть рассчитаны с помощью размерного анализа.

Для описания механизма технологического наследования и в ряде задач проектирования технологических процессов используется теория графов.

Методика экспериментальной части для каждой поставленной задачи должна содержать :

1. Цель эксперимента.

2. План эксперимента или его подробное, поэтапное описание.

3. Исходные значения параметров, изменяемых в ходе эксперимента, значения постоянных параметров.

4. Порядок и диапазон изменения параметров.

5. Сведения об оборудовании, используемом в эксперименте (металлорежущие станки, специальные установки и т. д.).

6. Сведения о средствах измерения.

7. Рабочие чертежи экспериментальных образцов.

8. Чертежи специального инструмента или подробные сведения о стандартном инструменте.

9. Протоколы опытов.

Оптимизация производственных процессов.

Экономико-математическое моделирование является мощным научно-прикладным средством для решения ряда задач с целью оптимизации производственных и иных процессов.

Оптимизация - это процесс нахождения наилучших (оптимальных) решений различных (производственных, бизнес-задач и т. д.) задач с использованием математических моделей. Задачей (проблемой) оптимизации является минимизация или максимизация каких-либо необходимых показателей в процессе организации производства и принятия решений, таких как общее затраченное время, фактическая продолжительность, стоимость и т. д., учитывая заданные условиями реальной задачи ограничения.

Проблемы оптимизации возникают во всех областях производства и экономики, например, разработка технологического процесса, увеличение производительности, логистике, управлении трафиком, транспортными потоками, рабочей нагрузкой, стратегическом планировании и т. д.

К сожалению, слово оптимизация в нетехническом языке зачастую используется в смысле улучшение, в то время как действительное значение этого слова заключается в нахождении наилучшего. Традиционно на практике принят способ принятия решений в задачах оптимизации на основе выбора из нескольких вариантов, полученных эвристическим (экспериментальным) путём.

Этот традиционный способ может привести к должному результату, но нет никакой гарантии, что Вы получите оптимальное, или даже близкое к оптимальному, решение. Это особенно актуально для сложных задач, или тех задач, решение которых требует значительных финансовых вложений.

Что необходимо для решения реальных проблем методами математической оптимизации?

В первую очередь необходимо создать математическую модель реальной задачи. Математическая модель реальной системы - это совокупность математических соотношений (такие как уравнения, неравенства, логические условия), которая является обобщением рассматриваемой реальной задачи. Обычно математическая оптимизационная модель состоит из четырёх ключевых объектов:

 исходные данные

 неизвестные

 ограничения

 целевая функция

Исходные данные представляют требования задачи. Это могут быть стоимости или потребности в ресурсах, условия эксплуатации оборудования, вместимость складов, грузоподъёмность транспорта и т. д. Переменные представляют Ваше решение: Сколько определённой продукции необходимо производить, открывать новую линию обслуживания или нет, сколько и какие запасы держать на складе. Ограничения могут быть самыми различными: количественные соотношения, ограничения по объёму, вместимости и т. д. Целевая функция представляет желаемое направление оптимизации: минимизация цены, максимизация коэффициента использования, минимизация затрат и т. д.