Повышение эффективности технологической подготовки производства на основе оптимизации процесса отработки конструкции изделия на производственную технологичность - Автореферат

Провести анализ работ ученых, конструкторов, технологов по вопросам оптимизации процесса отработки конструкции изделий на производственную технологичность; На основании факторного анализа процесса отработки конструкции изделий на производственную технологичность и структурного анализа конструкторско-технологических решений разработана математическая модель конструкции изделия с точки зрения производственной технологичности в форме нечеткого множества, позволившая полностью формализовать, оптимизировать процесс отработки конструкции изделия на производственную технологичность и представить его в виде алгоритма. Программно-методический комплекс по отработке конструкции изделия на производственную технологичность использован в следующих областях практической деятельности: - на предприятии и ОАО «Авиационные редуктора и трансмиссии - Пермские Моторы», где на основе ПМК выполняется отработка конструкций новых изделий на производственную технологичность, осуществляется автоматизированный подбор оснастки и разработка технологических процессов. Разработанная классификация позволила нам впервые решить задачу оптимизации процесса отработки конструкции изделий на производственную технологичность: в общем виде описывается объект оптимизации - модель процесса отработки конструкции изделий на производственную технологичность, как совокупность работ направленных на достижение оптимальности конструкции изделий при выполнении всех заданных конструктивных, технологических и экономических условий; выбирается целевая функция оптимизации (ЦФО) - приведенная себестоимость производства изделия, поскольку она учитывает трудоемкость изготовления, затраты на материал, спец. оснастку и оборудование; каждая из составляющих ЦФО исследуется на зависимость от факторов, влияющих на производственную технологичность конструкции изделий. В результате проведенного анализа делается вывод о невозможности оценки влияния выявленных факторов на производственную технологичность конструкции изделий без перевода качественного вида оценки производственной технологичность конструкции изделий в количественный; выбирается метод решения задачи оптимизации процесса отработке конструкции изделий на производственную технологичность - представление модели конструкции изделий в виде нечеткого множества конструкторско-технологических решений степень влияния выявленных факторов, на которую, выражено через соответствующие функции принадлежности.Анализ опубликованных работ различных исследователей и производственных предприятий показал актуальность исследований, проведенных автором и направленных на оптимизацию процесса отработки конструкции изделий на производственную технологичность для повышения эффективности технологической подготовки производства. Выявленный комплекс факторов, влияющих на производственную технологичность конструкции изделия и созданная схема их взаимодействия, позволили создать математическую модель конструкции изделия с точки зрения технологической реализации в форме нечеткого множества.

Актуальность работы. В настоящее время, чтобы предприятие приносило прибыль в условиях рынка, необходимо постоянно осваивать новые виды продукции и совершенствовать освоенные изделия. Причем, чтобы изделие обеспечило экономический эффект, его производство необходимо осваивать, затрачивая как можно меньше времени и средств на технологическую подготовку производства при обеспечении высоких показателей качества изделия.

За последние 10 лет бурно развивались вычислительная техника и информационные технологии, в том числе и в машиностроительном производстве. В связи с этим большинство этапов технологической подготовки производства в настоящее время оптимизировано и выполняется с помощью компьютеров. Что касается этапа отработки конструкции изделий на производственную технологичность, то здесь реализован компьютеризированный расчет только отдельных показателей. Анализ работ различных авторов и методик показал, что в целом процесс оценки производственной технологичности конструкции изделия не формализован, особенно это касается качественной оценки производственной технологичности. Эта проблема актуальна, так как оценка производственной технологичности - это требующий больших затрат времени и труда процесс. Его оптимизация на основе математической модели конструкторско-технологической реализации изделия с применением компьютеров позволит резко сократить длительность и трудоемкость технологической подготовки производства. Это позволит также объективно оценивать уровень производственной технологичности изделия, основываясь на формализованном опыте предприятия, а не конкретно взятого человека. Эта проблема является весьма актуальной для современного производства, когда на ряде промышленных предприятий происходит освоение новых сложных изделий, а массовое производство перешло в средне-, а то и мелкосерийное.

Цель диссертационной работы. Повышение эффективности технологической подготовки производства на основе оптимизации процесса отработки конструкции изделия на производственную технологичность.

Задачи исследования.

1. Провести анализ работ ученых, конструкторов, технологов по вопросам оптимизации процесса отработки конструкции изделий на производственную технологичность;

2. Определить комплекс основных факторов, влияющих на производственную технологичность конструкции изделия и создать схему их взаимодействия;

3. Оптимизировать процесс отработки конструкции изделия на производственную технологичность (описать объект оптимизации, разработать целевую функцию оптимизации, определить методы решения задачи);

4. Разработать математическую модель конструкции изделия с точки зрения технологической реализации в форме нечеткого множества;

5. Установить критерий оптимальности модели конструкции изделия с точки зрения производственной технологичности и вывести расчетные зависимости для его определения;

6. Построить алгоритм оптимизации конструкции изделия с точки зрения производственной технологичности;

7. Разработать программно-методический комплекс (ПМК) для оптимальной отработки конструкции изделия на производственную технологичность;

8. Провести внедрение ПМК в производственных условиях.

Методы исследований. Теоретические исследования выполнялись с применением методов математического моделирования и оптимизации на основе теории нечетких множеств, с использованием основных научных положений технологии машиностроения, факторного и структурного анализа, вычислительной математики и теории автоматизированных систем. Экспериментальная проверка полученных закономерностей проводилась в производственных условиях при отработке на производственную технологичность конкретных деталей, сборочных единиц и изделий.

Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждена положительными итогами внедрения результатов исследования на предприятии (подтверждено актом внедрения), результатами отработки конструкций вновь осваиваемых на предприятии изделий на производственную технологичность, экономическими расчетами.

На защиту выносятся: 1. Математическая модель конструкторско-технологической реализации изделия (КТРИ) в форме нечетких множеств, на основе формализации процесса отработки конструкции изделий на производственную технологичность;

2. Алгоритм отработки конструкции изделий на производственную технологичность на основе оптимизации математической модели;

3. Многофункциональный программно-методический комплекс (на основании созданного алгоритма ), позволяющий выполнить оптимальную отработку конструкции изделий на производственную технологичность.

Научная новизна. На основании факторного анализа процесса отработки конструкции изделий на производственную технологичность и структурного анализа конструкторско-технологических решений разработана математическая модель конструкции изделия с точки зрения производственной технологичности в форме нечеткого множества, позволившая полностью формализовать, оптимизировать процесс отработки конструкции изделия на производственную технологичность и представить его в виде алгоритма. На основании данного алгоритма разработан многофункциональный программно-методический комплекс, позволяющий в том числе выполнить оптимальную отработку конструкции изделия на производственную технологичность;

Практическая ценность. Разработана методика оптимальной отработки конструкций изделий на производственную технологичность. В результате внедрения многофункционального программно-методического комплекса, позволяющего выполнить оптимальную отработку конструкции изделия на производственную технологичность себестоимость изготовления отработанных деталей и сборочных единиц в среднем снижена на 6%.

Реализация результатов исследований. Программно-методический комплекс по отработке конструкции изделия на производственную технологичность использован в следующих областях практической деятельности: - на предприятии и ОАО «Авиационные редуктора и трансмиссии - Пермские Моторы», где на основе ПМК выполняется отработка конструкций новых изделий на производственную технологичность, осуществляется автоматизированный подбор оснастки и разработка технологических процессов. В результате отработки 5 деталей и сборочных единиц производственные затраты снижены на 753,6 тысяч рублей.

- в учебном процессе на кафедре «Технология машиностроения» Пермского государственного технического университета (ПГТУ) при проектировании курсовых и дипломных проектов;

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 10-й Всероссийской конференции молодых ученых «Математическое моделирование в естественных науках» (Пермь, 2001), научно-технической конференции МТФ по результатам НИР 2000-2001 гг. (Пермь, 2001), международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии обработки материалов, режущий инструмент, оснастка» (Санкт - Петербург, 2002г), международной научно-технической конференции «Перспективные процессы и технологии в машиностроительном производстве» (Пермь 2005 г.), 4-й международной конференции «Авиация и космонавтика-2005» (Москва, 2005), международной научно-технической конференции «Технологическое обеспечение и автоматизированное управление параметрами качества поверхностного слоя, точности обработки деталей и сборки газотурбинных двигателей» (Рыбинск, 2007).

1. Анализ исследований в области оптимизации процесса отработки конструкций изделий на технологичность при технологической подготовке производства технологичность деталь конструкторский

Исследованиями в области оптимизации процесса отработки конструкций изделий на технологичность при технологической подготовке производства занимались отечественные и зарубежные ученые: Алферов Т.К., Амиров Ю.Д., Ананьев С.А., Андреев Г.С., Балабанов А. Н., Балакшин Б. С., Беспалов В.В., Волков П.Н., Гамрат-Курек Л. И., Генкин С. И., Золотарев Б.Ю., Иванов В.В., Кононенко В.Г., Купрович. В.И., Кушнаренко С.Г., Леонтьев И.А., Малер З.К., Мартынов Г.К., Михельсон-Ткач В.Л., Николаенко А.И., Пославский О.Ф., Потягайло Ю.В., Прялин М.А., Сатель Э.А., Смирницкий Е.К., Фомичев Ф.К., Яновский Г.А. и др.

В результате произведенного анализа установлено, что достаточно хорошо и подробно изучены и описаны различные способы отработки конструкций изделий на технологичность. Даны рекомендации по основному содержанию работ по обеспечению технологичности конструкции изделия в зависимости от стадии разработки конструкторской документации, перечню количественных показателей технологичности конструкции изделий. Многие из перечисленных авторов предлагают свои методики отработки изделий на производственную технологичность. Однако в литературных данных нет информации о зависимости технологичности изделий от условий производства (технологического оборудования, оснастки, освоенных технологических процессов) и серийности. Рекомендации по оценке производственной технологичности изделий (не деталей или узлов) носят очень приближенный характер. Хотя, по нашему мнению, факторы серийности и производственных условий являются весьма принципиальными при отработке конструкции изделий на производственную технологичность

Анализ применяемых в машиностроении методик отработки изделий на производственную технологичность показал, что наиболее рациональной является методика количественной оценки технологичности конструкции изделия с проведением предварительной качественной оценки, которая отсеивает заранее нетехнологичные варианты (по ГОСТ 14.201-83). Однако эта методика предполагает ручной вариант отработки на производственную технологичность, который является очень трудоемким.

Не разработаны пакеты прикладных программ для повышения эффективности технологической подготовки производства на основе оптимизации процесса отработки производственной технологичности конструкций изделий. Имеющиеся в настоящий момент программные средства, как правило, служат для разработки конструкторской, технологической документации, управляющих программ для станков с ЧПУ и не могут быть использованы для оптимальной отработки конструкции изделий на производственную технологичность изза своей функциональной неприспособленности. Это приводит к тому, что в дальнейшем технологи повторно выдают заявки на изменение конструкторской документации, для внедрения которых требуются дополнительные затраты.

После обобщения результатов выполненных и опубликованных работ была сформулирована цель исследований и поставлены основные задачи, которые необходимо решить для ее достижения.

2. Статистический анализ причин замечаний, выданных при отработке конструкции изделий на производственную технологичность

Статистический анализ содержания и причин изменений, направленных на повышение технологичности позволил выявить следующие основные комплексные факторы, влияющих на производственную технологичность конструкции изделий в условиях машиностроительного предприятия: · конструкция изделия

· объем выпуска

· производственные условия

Все выявленные факторы, определяющие производственную технологичность конструкции изделий, классифицируются по видам и управляемости. Определяется их формализованность, степень влияния на производственную технологичность конструкции изделий.

Таблица 1. Классификация основных факторов, влияющих на производственную технологичность по управляемости и виду

Факторы, влияющие на ПТ КИ Управляемость Вид

Назначение изделия Не управляемый -

Конструкция Состав изделия Управляемый Дополнительный изделия Параметры изделия Управляемый Главный

Объем выпуска в заданный интервал времени Не управляемый -

Применяемые технологии Управляемый Дополнительный

Производственные Применяемые заготовки, материалы Управляемый Дополнительный условия Производственные площади Ограниченно управляемый -

Средства технологического оснащения Управляемый Дополнительный

Разработанная классификация позволила нам впервые решить задачу оптимизации процесса отработки конструкции изделий на производственную технологичность: в общем виде описывается объект оптимизации - модель процесса отработки конструкции изделий на производственную технологичность, как совокупность работ направленных на достижение оптимальности конструкции изделий при выполнении всех заданных конструктивных, технологических и экономических условий; выбирается целевая функция оптимизации (ЦФО) - приведенная себестоимость производства изделия, поскольку она учитывает трудоемкость изготовления, затраты на материал, спец. оснастку и оборудование; каждая из составляющих ЦФО исследуется на зависимость от факторов, влияющих на производственную технологичность конструкции изделий. Схема влияния факторов, влияющих на производственную технологичность конструкции изделия (ПТ КИ) представлена на рис. 2. В результате проведенного анализа делается вывод о невозможности оценки влияния выявленных факторов на производственную технологичность конструкции изделий без перевода качественного вида оценки производственной технологичность конструкции изделий в количественный; выбирается метод решения задачи оптимизации процесса отработке конструкции изделий на производственную технологичность - представление модели конструкции изделий в виде нечеткого множества конструкторско-технологических решений степень влияния выявленных факторов, на которую, выражено через соответствующие функции принадлежности.

Рис. 1 Постановка задачи оптимизации процесса отработки конструкции изделий на производственную технологичность в общем виде

Рис. 2. Схема влияния факторов, на производственную технологичность конструкции изделия (ПТ КИ)

3. Модель конструкторско-технологической реализации изделия

, (1) где n - ступени вхождения (1, 2, 3…k); Ступени вхождения необходимы для определения количественного состава изделия: , (2) где - количество деталей или сборочных единиц i - го обозначения в изделии;

- количество деталей или сборочных единиц 1 - й ступени вхождения в изделии (0 ступень вхождения) ;

- количество деталей или сборочных единиц 2 - й ступени вхождения в сборочной единице 1-й ступени вхождения;

- количество деталей или сборочных единиц n ступени вхождения в сборочной единице n-1 ступени вхождения;

j - количество деталей или сборочных единиц n-ой ступени вхождения в изделии (j= 0, 1, 2,…, ; от 0, так как в n-й ступени вхождения может не оказаться деталей или сборочных единиц);

f - количество элементов j-й детали (f = 1, 2,…, );

- количество деталей n ступени вхождения в сборочной единице n-1 ступени вхождения;

- количество сборочных единиц n ступени вхождения в сборочной единице n-1 ступени вхождения;

- нечеткое множество, определяющее назначение f - го элемента детали;

- функция принадлежности нечеткого множества ;

- нечеткое множество, определяющее вид f - го элемента детали;

- функция принадлежности нечеткого множества ;

- нечеткое множество, определяющее параметры f - го элемента детали;

- функция принадлежности нечеткого множества ;

- функция принадлежности нечеткого множества значений функции взаимного расположения любого f-го элемента относительно остальных элементов j-й детали;

- количество деталей и сборочных единиц, из которых состоит модель конструкции j-й сборочной единицы;

- модель конструкторско-технологической реализации детали:

, (3) где - технологическая реализация возможности расположения элементов в детали;

,(4) где - нечеткое множество, определяющее последовательность и набор технологических операций, необходимых для выполнения технологической реализации;

- функция принадлежности нечеткого множества ;

- нечеткое множество, определяющее технологическую оснастку, необходимую для выполнения технологических операций;

- функция принадлежности нечеткого множества осн tr;

- нечеткое множество, определяющее технологическое оборудование, необходимое для выполнения технологических операций;

- функция принадлежности нечеткого множества обtr;

- нечеткое множество, определяющее трудоемкость технологических операций, необходимых для выполнения технологической реализации;

- функция принадлежности нечеткого множества ;

- нечеткое множество, определяющее себестоимость технологических операций, необходимых для выполнения технологической реализации;

- функция принадлежности нечеткого множества ;

Модель конструкции изделия представлена в виде нечеткого множества конструкторско-технологических решений степень влияния выявленных факторов, на которую, выражено через соответствующие функции принадлежности.

Далее проводится теоретическое исследование по оптимизации полученной математической модели, т. е. разрабатывается методика оптимальной отработки конструкции изделий на производственную технологичность по целевой функции оптимизации - приведенной себестоимости производства изделия. Разрабатывается алгоритма программы для реализации этой методики с помощью компьютера.. Программно-методический комплекс (ПМК), который реализует созданный алгоритм оптимальной отработки конструкции изделий на производственную технологичность

Состав ПМК и его внешние связи представлены на рисунке 3.

Преимущества ПМК: - ПМК полностью реализует созданную методику, что позволяет уменьшить время на отработку конструкции изделий на производственную технологичность для различных типов производств в несколько раз;

- модульное построение позволяет использовать ПМК в производстве, при обучении и контролировать ход работы на каждом этапе;

- развитый интерфейс и удобная система справочной информации позволяет пользователю быстро научиться работе с ПМК;

Рис. 3. Состав ПМК

- ПМК автоматизирует отработку изделий на производственную технологичность, подбор оснастки и выдачу заказов на ее проектирование, производство и проектирование технологических процессов;

- ПМК отвечает всем современным требованиям к программному обеспечению, что подтверждено «Свидетельством №2005613128 об официальной регистрации программы для ЭВМ», выданном 30.11.2005 г. Федеральной службой по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам;

- ПМК внедрен в ОАО «Редуктор - ПМ», что обеспечило получение большого экономического эффекта;

- ПМК используется в учебном процессе на кафедре «Технология машиностроения» ПЕРМГТУ.

Далее даются рекомендации по использованию ПМК.

5. Примеры оптимизированной отработки конструкции изделия на производственную технологичность для 9 деталей, сборочных единиц, узлов

Приведен экономический эффект для каждого рассмотренного примера. Результаты оптимизации для всех тестируемых деталей, сборочных единиц, узлов сведены в общую таблицу 2.

Для сравнения оптимизация проводилась по приведенной себестоимость производства отрабатываемого изделия.

Таблица 2. Примеры результатов использования ПМК

Обозначение, Наименование ДСЕ Краткое описание результатов отработки КИ на производственную технологичность Величина снижения затрат, тыс. руб. Достигнутый уровень технологичности конструкции по технологической себестоимости

По рассматриваемой детали (сб. единице) По изделию

Хвостовая трансмиссия вертолетов класса Ми 17

8М-1517-000 Хвостовой редуктор Унификация деталей, сборочных единиц (16 поз.) 92 0,94 0,94

8М-1516-041 Труба хвостового вала Унификация параметров элементов (3) 41,8 0,84 0,95

8М-1517-221 Ведомая шестерня Унификация элементов (7) 63 0,71 0,93

Агрегаты трансмиссии вертолета «Ансат»

230-1600-000 Главный редуктор Унификация деталей (29 поз.) 115 0,96 0,96

230-1517-000 Хвостовой редуктор Унификация деталей (12 поз.) 52 0,94 0,94

230-1517-221 Ведомая шестерня Унификация параметров элементов (5) 41,4 0,6 0,94

Агрегаты трансмиссии вертолета «Ми-28Н»

294-1600-000 Главный редуктор Унификация деталей, сборочных единиц (73 поз.) 250,5 0,93 0,93

294-1516-061 Наконечник опорной муфты Унификация параметров элементов (5) 27,4 0,64 0,99

294-1602-001 Шестерня ведущая Унификация параметров элементов (10) 70,5 0,74 0,98

ИТОГО 753,6 тыс. руб

1. Анализ опубликованных работ различных исследователей и производственных предприятий показал актуальность исследований, проведенных автором и направленных на оптимизацию процесса отработки конструкции изделий на производственную технологичность для повышения эффективности технологической подготовки производства.

2. Выявленный комплекс факторов, влияющих на производственную технологичность конструкции изделия и созданная схема их взаимодействия, позволили создать математическую модель конструкции изделия с точки зрения технологической реализации в форме нечеткого множества.

3. Полученная математическая модель конструкции изделий в форме нечеткого множества и предложенный критерий оптимальности позволили формализовать процесс отработки конструкции изделий на производственную технологичность представив его в виде расчетных зависимостей для определения изменения себестоимости изделий.

4. На основе разработанного алгоритма оптимизации конструкции изделия создан программно-методический комплекс (ПМК) для оптимальной отработки конструкции изделия на производственную технологичность.

5. Для использования ПМК в производственных условиях предложена методика оптимальной отработки конструкции изделий на производственную технологичность.

6. В результате внедрения многофункционального программно-методического комплекса, позволяющего выполнить оптимальную отработку конструкции изделия на производственную технологичность, себестоимость изготовления отработанных деталей и сборочных единиц снижена в среднем до 6 %.

1. Угринов, В.Ю. Автоматизация выбора оптимальной размерной структуры детали [Текст] / А.В. Перминов, В.Ю. Угринов // Наука - производству. - 2000. - № 5 - C. 46-47.

2. Угринов, В.Ю. Математическая модель технологичности деталей [Текст] / В.Ю. Угринов // Математическое моделирование в естественных науках: тезисы докладов 10-й Всероссийской конференции молодых ученых. -Пермь: ПГТУ, 2001. - С. 80-81.

3. Угринов, В.Ю. Анализ проблемы технологичности конструкции деталей в процессе подготовки и осуществления производства [Текст] / В.Ю. Угринов, Е.А. Евсин, О.В. Теплоухова // Высокие технологии в машиностроении и высшем образовании: тезисы докладов научно-технической конференции МТФ по результатам НИР 2000-2001 гг. - Пермь: ПГТУ, 2001. - С. 45-46.

4. Угринов, В.Ю. Повышение эффективности технологической подготовки производства на основе оптимизации процесса отработки конструкции деталей на технологичность [Текст] / В.Ю. Угринов // Инструмент и технологии. - 2002. - № 9 - 10. - С. 56 -59.

5. Угринов, В.Ю. Повышение эффективности технологической подготовки производства на основе оптимизации процесса отработки конструкции деталей на технологичность [Текст] / В.Ю. Угринов // Инструмент и технологии. - 2002. - № 11 - 12. - С. 39 - 42.

6. Угринов, В.Ю. Анализ возникновения дефектов на стадии разработки технологической документации [Текст] / В.Ю. Угринов, Е.В. Шмык, Е.А. Евсин // Вестник ПГТУ 2003. - № 7. - С. 52 - 55.

7. Угринов, В.Ю. Оптимизация технологической подготовки производства агрегатов трансмиссий вертолетов [Текст] / В.Ю. Угринов, Е.А. Евсин // Перспективные процессы и технологии в машиностроительном производстве: Тезисы докладов научно - технической конференции / Пермь: ПГТУ, 2005. - С. 103-104.

8. Угринов, В.Ю. Оптимизация технологической подготовки производства агрегатов трансмиссий вертолетов [Текст] / В.Ю. Угринов Авиация и космонавтика-2005: Тезисы докладов международной конференции / Москва: МАИ, 2005. - С. 45.

9. Свидетельство 2005613128 об официальной регистрации программы для ЭВМ Автоматизированная Система Технологической Подготовки Производства Авиационных Редукторов и Трансмиссий («АСТПП АРИТ») [Текст] / Угринов В. Ю.; заявитель и правообладатель ОАО «Редуктор ПМ». - №2005612862; заявл. 08.11.2005.

10. Угринов, В.Ю. Повышение эффективности технологической подготовки производства на основе оптимизации процесса отработки конструкции деталей на технологичность [Текст] / В.Ю. Угринов // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева вып.1 (11) - Рыбинск, РГАТА, 2007. - С. 151 - 153.

11. Угринов, В.Ю. Повышение точности обработки лопатки турбины ГТД за счет закрепления в приспособлении-спутнике [Текст] / И.В. Кузин, В.Ю. Угринов // Справочник. Инженерный журнал. - 2007. - № 10. - C. 16-20.

Размещено на .ru