Пехнолотесше
основы шбшх
протояжтых
Под редакцией
члена-корреспондента РАН
Ю.М.Соломенцева
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ИСПРАВЛЕННОЕ
Рекомендовано
Министерством образования
Российской Федерации
в качестве учебника
для студентов машиностроительных
специальностей вузов
4TRT\°
limJi
Москва
«Высшая школа» 2000
УДК 621
ББК 34.5
Т38
Авторы: В. А. Медведев, В. П. Воровеяко, В. Н. И^юхашв,
В. Г. Мшгрофааов, JL М. Че]^яков, А. Г. Схвртладзе
Рецензенты: кафедра «Металлорежущие станки»
МГТУ им. Н. Э. Баумана,
д-р техн. наук В. А. Исаченко
Технологические основы гибких производственных сиТ 38 схем: Учеб. для машиностроит. спец. вузов/ В. А. Медведев,
В. П. Вороненке, В. Н. Брюханов и др.; Под ред.
Ю. М. Соломенцева.— 2-е изд., испр.— М.: Высш. шк.,
2000.— 255 с: ил.
ISBN 5-06-003664-2
Изложены принципы и методика построения ГПС с заданными свойст­
вами, которые основываются на анализе тенденций и закономерностей
развития производственной сферы машиностроения; описано моделирова­
ние на структурном уровне производственного процесса и производствен­
ной системы. В качестве инженерного аппарата используются теории бази­
рования и размерных цепей Дан критический анализ действующих ГПС
и описаны их перспективные компоновки.
Первое издание вышло в 1991 г.
Для студентов машиностроительных специальностей вузов. Может
быть использован в техникумах и колледжах.
УДК 621
ББК 34.5
ISBN 5-06-003664-2
ГУП издательство «Высшая школа», 2000
Оригинал-макет данного издания является собсгвенностью издательства
«Высшая школа» и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без
согласия издательства запрещается.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Создание материально-технической базы невозможно без на­
личия в стране постоянно развивающегося опережающими тем­
пами мащиностроения на основе передовых мировых достижений
науки и техники. Основой такого машиностроения является все­
сторонняя комплексная автоматизищ1я процессов от идеи созда­
ния до производства и поставки готовой продукции, анализа ее
использования с целью постоянного улучшения качества и обнов­
ления.
Создание прогрессивных технологических систем стало воз­
можно в результате развития таких областей науки и техники,
как технология мащиностроения, электроника, информатика, ма­
тематика, экономика, организация производства и др. Это систе­
мы взаимосвязанных машин, приборов, оборудования, выпол­
няющие основные, вспомогательные и обслуживающие процессы
на основе новой организахщи и управления. Правильно сбалан­
сированные с учетом технико-экономических факторов системы
способны решить задачи по повышению производительности
труда, снижению потребления ресурсов, повьппению качества
продукции.
В новых условиях хозяйствования прогрессивным является
только такое производство, которое активно и динамично ре­
агирует на возникающие задачи. Научно-технический прогноз
развития промышленного производства показывает, что именно
гибкие производственные системы (ГПС) наилучшим образом
удовлетворяют требованиям заказчика, решают проблемы кон­
курентоспособности продукции на мировом рынке, обеспечивают
высокую рентабельность производства и его эффективность. Эти
системы позволяют избежать затоваривания ненужной продукци­
ей и эффективного расходования всех видов ресурсов. Этот тип
производства может работать по прогрессивному принципу «де­
лай вовремя», так как поставки заготовок, деталей, сборок и т. д.
осуществляются строго и в определенное время.
Необходимость ускорения темпов обновления продукции обу­
славливает переход машиностроения от автоматизации отдель­
ных элементов производственного процесса к комплексной авто-
матизации на всех уровнях, применению ГПС в условиях единич­
ного, серийного и массового производств. Новая концепция от­
крыла пути решения сложившегося противоречия между высокой
производительностью и отсутствием мобильности производст­
венного оборудования массового производства, высокой мобиль­
ностью и низкой производительностью универсальных станков
единичного и серийного проюводств.
Базой для решения этой сложной и противоречивой задачи
явились особые свойства гибких производственных систем: их
способность к быстрой перестройке на выпуск новой продукции
за счет гибкости и мобильности; наличие высокого технического
уровня оборудования, способного реализовать прогрессивные
технологические процессы на основе высокой степени интеграции
производства; выпуск конкурентоспособной и высокоэкономич­
ной продукции.
Одновременно гибкие производственные системы способству­
ют решению проблемы по улучшению труда работающих, созда­
ют предпосылки для постепенного стирания граней между умст­
венным и физическим трудом, освобождают рабочих от тяжело­
го фюического труда, стимулируют повышение профессиональ­
ного уровня работающих, создают объективные условия для
повышения производительности труда.
Необходимость применения гибких производственных систем
на машиностроительных предприятиях страны и высокий уро­
вень затрат, вызванный их проектированием и внедрением, ста­
вят перед высшей школой задачу подготовки специалистов по их
разработке и эксплуатации.
Проектирование таких систем требует глубокого понимания
целей их создания, содержания задач и принципов эффективного
использования, а также очень важно определиться с основными
методологическими позициями.
Задачи по созданию и внедрению гибких производственных
систем сложны и многообразны. Это обясняется, в частности,
тем, что разработка процесса проектирования и изготовления
продукции должна быть ориентирована на применение высоко­
производительных материале- и энергосберегающих технологий,
новых конструкционных материалов, повышающих надежность,
экономичность и долговечность изделий, на использование мето­
дов групповой организации производства.
В учебнике с единых научных позиций изложены общие мето­
ды разработки технологических и производственных процессов
изготовления изделий в условиях многономенклатурного авто­
матизированного машиностроительного производства. Практи­
ка построения процессов изготовления машин говорит о том, что
связь технологии с конструкцией прослеживается на всех этапах
производственного процесса. Это выражается в широком исполь­
зовании принципов групповой и типовой технологии, типажа
4
основного и вспомогательного оборудования, используемой тех­
нологической оснастки, инструмента и др.
Гибкая автоматизация изменяет общую тенденцию развития
производственных процессов в направлении их интеграции
путем:
1) объединения стадий конструирования изделий, подготовки
их производства и непосредственного изготовления;
2) интеграции процессов производства и управления;
3) интеграции процесса изотовления продукции на основе
комплексной автоматизации основных и вспомогательных про­
цессов, а также концентрации переходов в операциях с исполь­
зованием многоцелевого оборудования.
Излагаемый в учебнике материал опирается на современные
методы теории базирования, теории размерных цепей, а также
последние достижения в области теории управления технологи­
ческими и производственными процессами на основе широкого
использования ЭВМ, систем адацтивного управления и систем
диагностики состояния производственного оборудования.
В учебнике на основе общих положений о процессе дается
современное представление о производственном и технологичес­
ком процессах изготовления «изделий машиностроения. Особое
внимание уделено вопросам качества производственного процес­
са, представляющего совокупность свойств определяемых систе­
мой качественных, количественных, временных и затратных по­
казателей.
Информация о геометрической структуре изделия является
основой для разработки технологического и производственного
процессов его изготовления. Предложенный авторами общий
подход к описанию геометрических взаимодействий, а также к их
реализации позволяет формализовать, а затем и автоматизиро­
вать выбор требуемых элементов производственной системы для
изготовления изделий.
Мобильность производственной системы в значительной мере
определяется ее гибкостью, т. е. способностью адаптации к усло­
виям изготовления изделий, которая основывается на следующих
принципах: 1) содержание понятия «гибкость» конкретно для
каждого производства и заданных условий его функционирова­
ния; 2) свойства гибкости имеют иерархическую структуру; 3)
комплект свойств, характеризующих конкретное содержание гиб­
кости, должен быть минимально необходимым; 4) в каждой
конкретной ситуации имеется лимитирующее свойство, от кото­
рого зависит гибкость всей производственной системы; 5) гиб­
кость производства должна устанавливаться на оптимальном
уровне с учетом принятых критериев и ограничений.
Проблема создания эффективного производственного процес­
са связана с необходимостью формирования общих принципов
создания процессов и учета большого количества факторов, усло5
вии и ограничении, которые определяют среду принятия реше­
ний. В качестве основных принципов создания производственных
процессов в учебнике рассматриваются: 1) любое производствен­
ное подразделение вне зависимости от его организационного
ранга должно рассматриваться, с одной стороны, как единый,
интегральный элемент, включающий все происходящие в нем
процессы, а с другой стороны, каждый процесс должен восп­
риниматься как элемент более крупного процесса; 2) необходимо
определять полное содержание понятия «выход процесса», под
которым понимаются номенклатура основной и дополнительной
продукции по всему спектру ее показателей, а также перечень всех
побочных продуктов функционирования данного процесса; 3)
определяется место рассматриваемого процесса в производствен­
ном процессе структурного подразделения и в системе процессов
других производств; 4) определяется степень автономности рас­
сматриваемого производства (организационная, технологичес­
кая, экономическая и социальная); 5) определяется спектр внеш­
них связей данного процесса и их характер, а также основные
принципы их реализации; 6) формируется система внутренних
и внешних показателей, характеризующих данный процесс в со­
ответствии с технико-организационным иерархическим уровнем;
7) определяется состав исходных элементов и организационных
принципов, на основании которых будет строиться данный про­
цесс.
Повышение уровня проектных решений, их эффективности
и качества можно осуществлять только при условии непрерыв­
ного совершенствования методологии процесса проектирования.
Этим обстоятельством обусловлена необходимость коренного
преобразования технологии и организации самого процесса про­
ектирования, основой которого в современных условиях является
его автоматизация не базе моделирования работы производст­
венных систем с использованием теории массового обслуживания
и имитационного моделирования.
Стоимость ГПС достаточна велика, а эффективность исполь­
зования во многом определяется на стадии проектирования, что
заставляет оценивать производительность найденного проектно­
го решения до его реализации.
Полное и всестороннее исследование ГПС на всех этапах
разработки, начиная с составления технического задания на про­
ектирование и кончая внедрением системы в эксплуатацию, нево­
зможно без методов моделирования на ЭВМ , которые сводятся
к разработке и использованию математических моделей функци­
онирования ГПС как сложной системы и последующему исследо­
ванию ее работы в широком диапазоне варьирования входных
параметров и определения исходных выходных характеристик
проектируемой системы.
6
в настоящее время можно выделить следующие основные
группы моделей описания функционирования ГПС: аналитичес­
кие модели, использующие аппарат теории массового обслужи­
вания; имитационные модели, которые имитируют функциониро­
вание ГПС с помощью специальных программ; гибридные или
комбинированные модели, включающие как аналитические, так
и имитационные модели.
Методологической основой для аналитических моделей ГПС
является представление их в виде сетей или систем массового
обслуживания. Имитационные модели, представляющие собой
универсальные средства моделирования, позволяют исследовать
взаимосвязи между основными варьируемыми параметрами
ГПС и показателями производительности и надежности для раз­
личных возможных вариантов структур ГПС, режимов работы
и определить оптимальные параметры проектируемой ГПС.
Именно моделирование является средством, позволяющим
без капитальных затрат решить проблемы построения эффектив­
ных сложных систем, к которым относятся ГПС.
Принципы формирования гибких производственных систем
излагаются в учебнике на накопленном опыте развития техноло­
гии машиностроения на основе использования систем производ­
ственного оборудования с ЧПУ. Состав таких систем формирует­
ся в зависимости от типа производств, номенклатуры изготав­
ливаемых изделий, сложности и машиноемкости вьшолнения
операций технологического процесса, уровня автоматизиции
и требований к их технико-экономической эффективности.
Главное отличие гибких автоматизированных производствен­
ных систем от традиционных механосборочных производств за­
ключается во введении в них автоматизированных систем инструментообеспечения, контроля качества шделий, складирования
и транспортирования, технического обслуживания, управления
и подготовки производства, осуществляющих согласованную
и эффективную работу всего производства.
Как показывают результаты анализа существующих машино­
строительных производств, среднее время изготовления детали
на станке составляет лишь 5% общего цикла ее изготовления.
При этом только 1,5% времени затрачивается непосредственно
на процесс ее формообразования, а остальное время тратится на
вьшолнение вспомогательных операций таких как транспортиро­
вание, складирование, контроль качества детали, наладку обору­
дования и инструмента и др. В этих условиях приобретают
особое значение вспомогательные системы, которые являются
главным резервом повышения эффективности производства.
Особенностью вспомогательных систем гибких автоматизи­
рованных производств является их гибкость, т. е. возможность
своевременного обеспечения основного оборудования необходи­
мым инструментом, автоматического контроля качества изделий
7
различных наименований, возможность транспортирования
и хранения полуфабрикатов хпирокой номеклатуры.
Управление как основной, так и вспомогательными система­
ми должно осуществляться от централизованной ЭВМ для со­
гласования их работы, а элементы технологической системы
оснащаются специальными устройствами распознавания спутни­
ков и инструментов, измерения и контроля фактического положе­
ния подвижных элементов системы.
Процесс выбора состава и количества основного оборудова­
ния, входящего в гибкое автоматизированное производство, обо­
рудования для транспортирования изделий и инструмента,
средств контроля качества изделий, средств диагностики состоя­
ния оборудования, элементов управления вычислительного комп­
лекса является глубоко творческим процессом и включает в себя
технико-экономическое обоснование вариантов компоновки
и планировки структурных подразделений, разработку техничес­
ких заданий на нестандартное оборудование, технологическую
оснастку и программное обеспечение управления производством.
При создании гибких автоматизированных производств осо­
бое внимание следует уделять вопросам оптимизации материаль­
ных, энергетических и информационных потоков, которые в зна­
чительной мере определяют мобильность и эффективность таких
производств. Решение этих сложных проблем позволит значите­
льно снизить количество транспортных средств и эксплуатацион­
ные расходы на них, повысить коэффициент загрузки оборудова­
ния, снизить энергопотребление, повысить оперативность прини­
маемых решений и др.
Гибкие автоматизированные производства являются система­
ми значительной технической сложности, и проектирование их
связано с весьма значительными затратами интеллекта, времени,
денежных средств, причем неудачное проектное решение, особен­
но на начальных этапах проектирования, ведет к значительным
экономическим потерям в процессе их эксплуатации. Все это
требует принципиально нового подхода к решению задач проек­
тирования гибких автоматизированных производств: использо­
вания новой методологии создания таких производств, новых
технологических решений, моделирования процессов проектиро­
вания и эксплуатации.
Автоматизация технологических процессов и производств, ос­
нованная на информационйых технологиях, является одним из
главных средств подъема промышленного производства, созда­
ния конкурентоспособных изделий, продвижения продукции на
внешний и внутренний рынки.
В учебнике авторы на основе систематизации и обобщения
результатов проектирования и эксплуатации гибких автоматизи­
рованных производств предлагают методологию их проектиро­
вания, охватывающую вопросы экономики, организахщи, про-
ектировання, технологии и управления, а также предлагают
конкретные проектные решения с учетом условий производства
изделий.
Учебник предназначен для студентов вузов, обучающихся по
направлениям «Технология, оборудование и автоматизация ма­
шиностроительных производств», «Автоматизация и управле­
ние» и специальностям «Технология машиностроения», «Метал­
лорежущие станки и инструменты», «Автоматизация технологи­
ческих процессов и производств», а также другим техническим
специальностям. Книга представляет интерес для инженерно-тех­
нических работников заводов, проектных организаций и институ­
тов, занимающихся вопросами технологического проектирова­
ния, автоматизацией и управлением производственными процес­
сами в машиностроении.
Чл.чсорр. РАН
д-р техн. наук, профессор
Ю. М. Соломеицев
ВВЕДЕНИЕ
Без производства всего того, что необходимо человеку для его
жизни, немыслимы существование и развитие общества. Произ­
водственный процесс как целесообразная деятельность людей
направлен на приспособление веществ Ърироды к человеческим
потребностям. Постоянно усиливающееся воздействие человека
на природу приводит все чаще к тому, что функционирование
определенных производственных систем становится неэффектив­
ным, а в ряде случаев просто недопустимым. Подобные ситу­
ации, как правило, являются следствием не каких-то частных
просчетов в организации производства, а неадекватности общих
принципов производственной деятельности данного предприятия
в технологической, организационной, экономической, социаль­
ной и экологической среде его функционирования.
В области машиностроения за последние примерно 20 лет
произошли серьезные технические и организационные изменения.
З^о появление новых методов технологического воздействия,
широкое и все более нарастающее внедрение в сферу производст­
ва оборудования с программным управлением и вычислительной
техники. Наметившиеся новые принципы хозяйственной деятель­
ности требуют отказа от традиционных подходов к развитию,
организации и управлению производительными силами обще­
ства.
Переход к новым принципам построения производственных
систем подразумевает глубокий анализ основных тенденций раз­
вития сферы машиностроительного производства. В настоящее
время идет интенсивное расширение номенклатуры производи­
мых изделий и увеличение их общего количества. Наряду с этим
возрастают требования к качеству изделий. Это влечет за собой
необходимость повышения точности технологического оборудо­
вания, его мощности, быстроходности, степени автоматизации
и экологической чистоты. В целом оборудование становится
более сложным и комплексным. При этом в пределах одной
производственной системы используют часто разные по физичес­
кой природе методы технологического воздействия, что требует
10
дополнительных затрат на их согласование в единой техни­
ко-организационной структуре данного производства.
Существенным является и то, что рост стоимости технологи­
ческого оборудования опережает повьппение уровня его точности
и производительности. Естественно, что в подобных условиях без
достаточно высокой надежности всей производственной системы
нельзя рассчитывать на эффективное ее функционирование. Из­
менения в номенклатуре выпускаемых изделий на данном произ­
водстве неразрывно связаны с необходимостью быстрой пере­
стройки производственного процесса. Другими словами, техни­
ко-организационные решения должны приниматься оперативно.
В этих условиях неоптимальные решения лишают нас значитель­
ной доли потенциально возможного эффекта от работы данной
производственной системы. И чем сложнее при этом система, тем
больше потери.
Решение указанных проблем видится в углублении познаний
о структурных закономерностях построения производственных
систем, их свойств и особенностей функционирования в различ­
ных производственных условиях. При этом вряд ли следует
считать оправданным особое выделение какого-то одного типа
производства как основной и определяющей сферы инженерной
и научной деятельности специалистов в области машиностро­
ения. На большинстве предприятий массовый, серийный и еди­
ничный типы производства существуют одновременно. Необхо­
димо развивать теорию построения производственных систем
с заданными свойствами, способными оперативно адаптировать­
ся к постоянно изменяющимся условиям конкретного производ­
ства.
С учетом сказанного учебник построен в следующей методи­
ческой последовательности. В разд. I изложены общие положения
о процессе и его конкретной интерпретации в виде производст­
венного процесса машиностроительного производства. Особое
внимание уделено вопросам качества и производственности про­
цесса, а также структуре его технико-организационных форм.
При изложении вопросов построения процессов с заданными
свойствами использованы принципы моделирования производст­
венных систем, которым посвящен разд. II. Анализу и синтезу
конкретных производственных систем применительно к машино­
строительному производству посвящен разд. III.
Введение написано В. А. Медведевым и В. Г. Митрофановым;
разд. I — В. А. Медведевым, кроме § 8 и § 10, написанных
Л. М Червяковым; разд. II — В. Н. Брюхановым; разд. III —
В. П. Вороненко и А. Г. Схиртладзе.
Радел 1
ПРОИЗВОДСТВО
и ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ
ПРОЦЕСС
Глава 1
О б щ и е ПОЛОЖбНИЯ
о процессе
§ 1. Определение процесса
Естественный ход развития науки, расширение
прямых и обратных связей между наукой и материальным произ­
водством существенно раздвинули границы преобразовательных
задач, требующих строгого научного обоснования принимаемого
варианта их решения. Это привело к возрастанию интереса к из­
учению реальных процессов в разных областях человеческой
действительности и, в частности, в машиностроении.
Машины как предмет производства становятся все более
сложными. Их технические параметры часто находятся на пре­
деле возможностей современной технологии изготовления таких
машин. Кроме того, сами производственные процессы стали
комплексными, часто в них соседствуют разные по физической
природе методы технологического воздействия. Создание же еди­
ной и эффективной производственной системы подразумевает
согласование всех особенностей этих разнородных технологичес­
ких методов. Это требует знаний о свойствах процессов и их
характеристиках на некотором общем уровне, когда можно абст­
рагироваться от конкретного внутреннего содержания данного
процесса. Таким образом, понятие процесса оказывается цент­
ральным, а следовательно, не может быть системного мышления
без ясного понимания, что такое процесс.
Между тем общего достаточно строгого определения процес­
са пока не выработано. В разных отраслях знаний по мере
необходимости определялось специфическое его толкование, на­
пример, процессом называют некоторую функцию Fjtj, где t име­
ет смысл временной характеристики. Это связано с тем, что само
слово <шроцесс» (означающее движение вперед, течение, продви­
жение) вошло в научную терминологию сравнительно недавно.
В Большой советской энциклопедии (т. 35. 2-е изд.) есть такое
определение: процесс — это «последовательные изменения како12
ro-либо предмета или явления, в которых выражаются опреде­
ленные объективные закономерности (например, процесс разви­
тия растения); совокупность последовательных действий, направ­
ленных на достижение определенного результата (например, про­
изводственный процесс)».
Многообразие формулировок пронятия «процесс» в разных
отраслях знаний обусловлено целым рядом причин. Среди них
различие в природе явлений в той или иной научной дисциплине,
различие в методах, приемах, целях и задачах конкретных ис­
следований. Даже в одной и той же области науки, при одном
и том же подходе (теоретическом или экспериментальном) пони­
мание процесса может быть различным. Это зависит от того,
рассматриваются ли индивидуальные изменения единичного
объекта или обобщенное описание некоторого множества одно­
родных явлений; имеются ли в виду самопроизвольные измене­
ния процесса с течением времени или искусственно вызванные
преобразования и реакции; подвергаются ли исследованвио це­
лостные, законченные явления или лишь отдельные их стадии.
Последнее связано с временными границами явлений: при боль­
ших длительностях процесса говорят о его развитии или эволю­
ции, при малых — о процессе функционирования.
Существенные различия в понимании процессов связаны
и с различными уровнями развития представлений о процессах
в разных областях знаний. Более четкими являются представле­
ния о процессах в тех науках, где уже выработаны способы
количественной оценки измеряемых характеристик и зависимо­
стей между ними. Это наиболее свойственно ряду прикладных
технических наук. Определение понятия процесса может быть
дано на базе таких понятий, как движение, взаимодействие, пре­
образование. Прикладное же определение процесса должно быть
согласовано с предметной областью и конкретным кругом про­
блем, рассматриваемых в данной ситуации. При этом должны
быть соблюдены общенаучные и общеметодологические принци­
пы, гарантирующие принципиальную корректность каждой конк­
ретной интерпретации понятия «процесс». Эти принципы следу­
ющие.
I. Процесс связан с конкретным материальным объектом или
системой объектов и протекает в количественно определенных
пространственно-временных границах.
II. Процесс во времени складывается из качественно и количе­
ственно различных стадий, фаз, событий или состояний, протека­
ющих соответственно в более узких пространственно-временных
границах, чем рассматриваемый процесс.
III. Данный процесс представляет собой составную часть
более широких в пространственно-временном отношении про­
цессов.
13
rv. Протекание процесса
Вход -^ Преобразователь -з- Выход
во времени является зако­
номерно упорядоченным,
Рис. 1.1. Модель процесса
ио Крайней мере, в двух от­
ношениях: 1) характеристи­
ки, свойственные множеству однородных процессов присущи
и всем другим процессам того же ряда; 2) характеристики дли­
тельного фрагмента процесса присущи также хотя бы ближай­
шим к моменту анализа будущим стадиям процесса.
V. Аналитическое отображение процесса по необходимости
является приближенным.
VI. Для полного отображения процесса необходимо учиты­
вать три группы его характеристик: 1) качественные, определя­
ющие материальную природу процесса; 2) пространственные,
определяющие его пространственные масштабы и координаты; 3)
временные, определяющие временные масштабы и координаты
процесса.
VII. Сопоставимость одинаковых характеристик нескольких
процессов достигается за счет использования одинаковых мето­
дов отображения этих характеристик и процессов в целом.
Рассматриваемое в данной дисциплине понятие процесса от­
носится к сфере материального производства и, в частности,
к технологии машиностроения. Поэтому понятие процесса долж­
но быть связано с получением заданного результата (выход) от
взаимодействия продукта природы и целенаправленного труда
(рис. 1.1). При этом получение результата подразумевает потреб­
ление некоторого исходного продукта (вход) определенной тех­
нологической средой (преобразователь).
Таким образом, определение процесса, относящееся к сфере
производственной деятельности, может быть следующим: про­
цесс — это упорядоченное взаимодействие между продуктом при­
роды и трудом, направленное на получение требуемого результата.
Одним из основных свойств процесса является его двуединость: с одной стороны, это процесс потребления, а с дру­
гой — процесс производства. Соединяет же эти два свойства
технологическая среда, трансформирующая то, что потребляет­
ся, в то, что производится. Определим два основных понятия,
которые используются в дальнейшем при описании указанной
модели процесса и формирования целого ряда производных по­
нятий.
Структура — определенное сочетание составных частей цело­
го, внутреннее устройство целого из элементов, связанных между
собой закономерно упорядоченным взаимодействием
Взаимодействие — взаимное влияние элементов друг на дру­
га, всякая связь между материальными объектами и явлениями.
Итак, элементами процесса являются: вход, выход и преоб­
разователь. Каждый из элементов имеет внугреннее строение,
которое описывается определенной системой показателей.
14
§ 2. Система показателей,
характеризующих процесс
Все многообразие реальных процессов имеет еди­
ную элементарную структуру, поэтому и система показателей
также должна иметь некую общую форму. Действительно, мож­
но выделить три группы показателей реального процесса: качест­
венные, определяюп](ие природу данного процесса; количествен­
ные, определяющие его масштабы; временные, определяющие его
временную структуру. На основании этих показателей строится
система производных показателей.
Система показателей, характеризующая процесс, в общем
случае включает показатели всех структурных элементов. Однако
в большинстве практических ситуаций ограничиваются только
теми показателями, которые связаны с выходом. Такой подход
нельзя считать вполне правильным.
Реализация любого процесса невозможна без затрат, поэтому
вводится еще одна группа показателей, характеризующая затра­
ты в натуральной форме или в виде экономических показателей.
Таким образом, система показателей процесса может быть пред­
ставлена моделью в виде фигуры тетраэдра (рис. 1.2). Каждая
группа показателей делится на систему внешних и внутренних
показателей.
Система внешних показателей характеризует те свойства и осо­
бенности элемента, которые определяют его взаимодействие
с другими элементами.
Система внутренних показателей характеризует внутреннее
строение и функционирование конкретного элемента.
Под элементом может пониматься как некоторый предмет
(заготовка, деталь, станок и др.), так и процесс в том смысле, что
он является одним из процессов внутри более сложного процесса.
На рис. 1.3 представлена схема вза­
имодействия элементов некоторой систе­
мы. Универсальной она является потому,
что пригодна для рассмотрения сборки
узла, изделия, машины из элементов в ви­
де деталей, для иллюстраций взаимодей­
ствий в некоторой технологической це­
почке из нескольких станков и для изуче­
ния сложного процесса, представленного
в виде некоторого множества более мел­
ких процессов.
Рис. 1.2. Система пока­
Рассмотрим эту схему на примере вза­
зателей процесса:
имодействия процессов. Любой процесс,
1, 2, 3,4 — соответственно
с одной стороны, является частью более
качественные, количест­
сложного процесса, а с другой стороны,
венные, временные в за­
тратные показатели
сам разделяется на более мелкие процессы.
15
Рис. 1.3. Схема взаимодействия элементов системы
Именно эта ситуация и показана на'схеме. В любом взаимодейст­
вии элементы j-ro структурного уровня участвуют своими внеш­
ними элементами f^_i, Р\ и F^+j (/—1; /; гЧ-1 — элементы). Это
происходит в некоторой среде S' с теми или иными ее свойст­
вами. Например, производственная среда некоторого производ­
ственного подразделения, в которой всегда действуют определен­
ные связи (ограничения) пространственного ПС" и временного
ВС" характера. Так как любой процесс не проходит без затрат
(энергетических, экономических и др.), то существуют ограниче­
ния и этого плана. Итогом рассматриваемого взаимодействия
процессов будет новый комплексный процесс Э^"*^' с присущими
ему внутренними свойствами J]'*'\ Последние явились результа­
том сочетания свойств процессов j-ro уровня в среде взаимодей­
ствия iS^ и ограничений ПСУ и В&. Дальнейшая интеграция
процессов будет происходить уже на (j+ 1)-м структурном уровне
при участии соответствующих процессов этого уровня: Э^1|,
Э^"^' и y,X\ с их внешними свойствами F-',l\, F]'^^ и F-',X\ в среде
5^""^' и системе пространственных и временных связей JJCf
и ВС^\
Очевидно, что внутренние свойства Л,_1, J{ и J\^i элементов
у-го уровня, в свою очередь, были получены при взаимодействии
элементов на (/— 1)-м уровне в среде взаимодействия S'~^ и систе­
ме ограничений ПС'~ и В<^' . Безусловно, аналогичные рассуж­
дения можно неограниченно распространить как в сторону интег­
рации, так и в сторону декомпозиции процессов.
Уточним понятие «среда взаимодействия». Оно может иметь
различное содержание: это может быть материал детали, форма
поверхности или детали, станок, на котором изготовляется де­
таль из данной заготовки, или предметно-замкнутый технологи­
ческий участок, или производственное подразделение, или от­
расль народного хозяйства. Характеристики среды также зависят
от того, в каком аспекте должно рассматриваться то или иное
взаимодействие. Могут учитываться характеристики геометри­
ческого, технологического, организационного, экономического,
экологического и социального характера. Однако система огра­
ничений или связей всегда будет одного вида: пространственная,
временная или затратная, выраженная в натуральной форме или
в виде экономических показателей (экономические связи).
Вопрос о структуре связей имеет большое значение, так как
позволяет правильно строить систему качественных показателей,
характеризующих процесс, а также грамотно выбирать конкрет­
ную форму их отображения.
Однако любая система показателей всегда строится на базе
основных единиц СИ: метр (м), килограмм (кг), секунда (с),
17
а также денежной единицы для формирования экономических
показателей.
Пространственные связи, которые также называют геометри­
ческими или размерными, строятся на основании следующих
положений: 1) исходными элементами являются линейный и уг­
ловой размеры, а следовательно, и связи могут быть линейными
и угловыми; 2) линейные связи бывают одно-, двух- и трехмер­
ные, а соответствующие им симплексы: отрезок, треугольник
и тетраэдр; 3) угловые связи образуются плоскими и телесными
углами; 4) размерные связи носят характер геометрически за­
мкнутых или разомкнутых систем размеров; 5) по отношению
к данному элементу (предмету, процессу) указанные связи могут
быть внутренними, характеризующими геометрическую струк­
туру данного элемента, и внешними, определяющими отношения
между различными элементами; 6) все многообразие внешних
и внутренних пространственных отношений описывается матри­
цей элементарных пространственных отношений, построенной на
базе трех исходных элементов: точка (J) — нульмерное простра­
нство; прямая (Пр) — одномерное пространство и плоскость
(Пл) — двумерное пространство.
На рис. 1.4 изображена матрица элементарных пространст­
венных отношений. Столбцами и строками матрицы являются
геометрические симплексы: точка, отрезок и треугольник. Элеме­
нтами матрицы будут известные геометрические понятия:
Т — Т — расстояние между двумя точками; Г — Пр — расстоя­
ние от точки до прямой; Пр — Пр — параллельность, перпен­
дикулярность и соосность прямых; Пл — Пл — показатели про­
странственного отношения плоскостей и др. (см. гл. 3).
Временной связью будем называть показатель процесса, име­
ющий определенное предметное содержание, в котором время
присутствует в явном виде.
Вся система временных связей строится на базе двух основных
форм времени: календарном (хронологическом) и времени в форме
длительности (продолжительности). Календарное время являет­
ся внешней временной харак­
теристикой процесса или
предмета, а продолжительно­
г
пр
пр
сть — его внутренней харак­
теристикой. Календарное вре­
Г
т-т Т-Пр г-пл
мя — это момент начала про­
цесса t„ и его окончания t^.
Пр-т
пр-пл
пр-пр
fjp
Обе эти характеристики не
ПА-Т
Пл-Пр ПА-ПА
ПА
связаны с внутренним содер­
жанием процесса и определя­
ют только его временные ко­
ординаты по отношению
Рис l.'i. Матрица простраяственаых
к другим процесам.
отношений
18
Однако для определения понятий «начало» и «окончание»
процесса необходимо иметь информацию о содержании понятий
«вход» и «выход» для данного процесса. Только в этом слз^ае
можно определить начало данного процесса или, как говорят,
зафиксировать то, что он «пошел», а также определить момент
времени прекращения функционирования процесса. Это в равной
степени относится к процессам с дискретным или непрерывным
видом его выхода (продукции).
Внутренней временной характеристикой процесса является его
продолжительность, определяемая как разность /, и f„. Если
представить, что между t^ и <н происходит некий функционально
законченный процесс, то его можно интерпретировать как еди­
ничный цикл, единичный результат, а также в предметной форме
выхода, т. е. изделия, на получение которого затрачено время Т.
С этих позиций Т — это индивидуальная, свойственная только
этому процессу единичная мера его длительности, это внутреннее
временное свойство процесса, а следовательно, и его выхода.
По своей физической сути это функциональная скорость еди­
ничного 1щкла данного процесса, т. е. его временная связь, изме­
ряемая в шт/Г для дискретной (штучной) продукции и в Л//Г для
непрерывной продукции (прокат, ткань и др.), где М — стандарт­
ная единица данной продукции (м, кг, м^ и т. п.).
Внешней характеристикой цикличности повторяющегося про­
цесса является частота или такт, т. е. периодичность вьшуска
штучного изделия или определенного количества мер непрерыв­
ного продукта. При этом имеется в виду, что размер такта
меньше, чем общий цикл изготовления изделия. Это соответству­
ет случаю декомпозиции процесса серийного изготовления изде­
лия на ряд совмещенных во времени стадий. Эта временная
характеристика не раскрывает внутренний характер временных
связей процесса и не определяет временные затраты на изготов­
ление продукции.
Для раскрытия содержательной структуры временных связей
рассмотрим зависимость v = SIT. С формальной точки зре­
ния — это формула скорости равномерного прямолинейного
движения {S — путь, Т — время).
Дадим общую интерпретацию членов этой формулы по от­
ношению к некоторому процессу изготовления заданного объема
продукции. В этом случае S — это объем продукции, подлежа­
щей изготовлению. Образно говоря, это тот путь, который нужно
пройти, чтобы получить результат в виде указанного объема
продукции, Т — время, затраченное на изготовление данной про­
дукции, и в этом смысле это локальная единица времени процес­
са. Тогда V — это функциональная скорость данного процесса.
Из этого следует, что, ставя в соответствие параметру 5 соде­
ржание, аналогичное принятой его общей ингерпретации, мы
можем формировать производные временные связи, разные по
19
своему предметному содержанию. Таким образом, временные
связи любого предметного содержания всегда имеют одинако­
вую внутреннюю структуру и выражаются в форме календарного
времени (временная координата), скорости единичного процесса
(период) и частоты циклического процесса (такт).
В качестве иллюстрации рассмотрим известные из механики
формулы скорости V, ускорения а и мощности N:
v=
SIT;a=v/T;N=AIT,
где S — путь; Л — работа; Т — время.
С принятых позиций общей интерпретации содержания анало­
гичных формул их члены будут иметь следующий смысл: числи­
тели S, V я А — общий объем того, что подвергается технологи­
ческому воздействию в данном процессе за локальную единицу
времени Т данного процесса; v — скорость прохождения пути 5;
а — скорость изменения скорости v; N — скорость реализации
работы А.
Как видно, физическая интерпретация рассмотренных произ­
водных временных связей одна и та же — скорость некоторого
процесса. Временные связи могут быть отображены в виде геоме­
трических моделей, аналогичных размерным связям (см. гл. 3).
Экономическими связями будем называть показатели процес­
са, имеющие определенное предметное содержание, в котором
денежная единица присутствует в явном виде. К традиционным
экономическим показателям относятся: тарифная ставка, себе­
стоимость, приведенные затраты, прибыль, цена и др. Система
производных экономических показателей или связей имеет струк­
туру, аналогичную временным связям, так как денежная единица
в известном смысле так же одномерна, как и время. Очевидно,
что числитель в рассмотренных вьппе формулах может иметь
и экономическое содержание. Например, сумма средств, которая
должна быть освоена в результате функционирования данного
производственного процесса. Тогда временными координатами
будут начало и конец этого процесса. Знаменатель Т — время,
а функция — скорость освоения средств.
§ 3. Рассеяние показателей процесса
Фунищонирование процесса связано с действием
большого количества факторов. В силу ряда причин эти факторы
изменяют во времени степень своего влияния на процесс, в ре­
зультате чего меняются и значения показателей процесса. Поэто­
му несмотря на то, что, например, выход получен в виде некото­
рого изделия при одном и том же цикле данного процесса,
параметры всех изделий будут отличаться по значению. Это
явление получило название рассеяния показателей качества.
В равной степени указанное явление относится к внутренним
20
А ,
I
•
•
•
I
Рис. 1.5. Точечная диаграмма
(параметры функционирования) и внешним (параметры выхода)
показателям качества процесса.
Явление рассеяния наглядно представляется на графиках в ви­
де точечных диаграмм, построение которых осуществляют следу­
ющим образом (рис. 1.5): по оси абсцисс откладывают поряд­
ковые номера JV изделий, полученных в данном производстве,
а по оси ординат — значения измеряемого параметра качества А.
Рассеяние любого параметра характеризуется величиной поля
рассеяния ш, определяемой как разность наибольшего Лщ» и на­
именьшего А,^ значений контролируемого параметра, а также
практической кривой рассеяния и определяющими ее парамет­
рами.
Указанная кривая строится на основании серии измерении
и по точечной диаграмме. При этом поле рассеяния делится на
несколько равных интервалов Ь. Число интервалов выбирается
в зависимости от общего количества измерений. В каждом ин­
тервале подсчитывается число попавших в него значений данного
параметра. Если эти числа изобразить в некотором масштабе
в направлении оси абсцисс из центра каждого интервала, то
получится система прямоугольников (гистограмма рассеяния),
с шириной, равной величине интервала, и высотами Л„ равными
частоте. Соединив прямыми все середины вершин прямоуголь­
ников, получим практическую кривую рассеяния. При бесконечно
малой ширине интервала и бесконечно большом количестве юмерений ломаная линия превратится в плавную кривую, называ­
емую теоретической кривой рассеяния.
Аналитическое выражение этой кривой имеет вид Y=(p{x),
где X — значение случайной величины; (р {х) — значение орди­
наты теоретической кривой рассеяния. Эта зависимость носит
название закона рассеяния или распределения случайной вели­
чины X.
Численными характеристиками рассеяния случайной величи­
ны служат: положение центра группирования (центра рассеяния)
21
/
6)
\,
г)
Рис. 1.6. Законы распределения
И мера рассеяния относительно его центра. Центром рассеяния
называется среднее значение случайной величины. За меру рассея­
ния принимается среднее квадратическое отклонение а. Для те­
оретических расчетов предельные отклонения (при использова­
нии нормального закона рассеяния), выражаемые в долях средне­
го квадратического отклонения, ограничивают х= +3а.
Все многообразие действующих факторов может быть клас­
сифицировано на случайные и систематические, а последние на
постоянно действующие и изменяющиеся по определенному за­
кону.
Если рассеяние какого-либо параметра зависит от совокуп­
ного действия многих факторов одного порядка величин, явля­
ющихся случайными, не зависящими или слабозависящими один
от другого, то рассеяние подчиняется закону нормального рас­
пределения или закону Гаусса (рис. 1.6, а). При действии до­
минирующего фактора систематического характера, изменяюще­
гося по определенному закону (например, износа режущего инст­
румента) кривая рассеяния будет иметь вид закона равной веро­
ятности (рис. 1.6, б).
В случае совокупного действия случайных факторов и одного
постоянного систематического закон распределения будет иметь
вид, представленный на рис. 1.6, в. Сочетание действий случай­
ных факторов и одного систематического, изменяющегося по
определенному закону, формирует распределение, показанное на
рис. 1.6, г.
В общем случае при действии сложного комплекса факторов
практическая кривая распределения может иметь разный вид,
в основе которого лежит сочетание рассмотренных типовых слу­
чаев. Изучение практических кривых распределения конкретных
процессов позволяет устанавливать закономерности функциони­
рования этих процессов и находить пути воздействия на них.
§ 4. Модуль продолжительности
процесса
Модуль продолжительности — одно из важней­
ших понятий, на основании которого раскрывается временная
структура процесса, т. е. его построение во времени. В основе
этого понятия лежит разграничение единичной реализации неко22
торого процесса и множества реализаций одной и той же приро­
ды. Смысл этого разграничения в том, что для получения надеж­
ных знаний о типичных особенностях данного процесса необ­
ходимо «набрать статистику», т. е. рассмотреть определенное
количество повторений процесса. Именно в этом смысле нужно
понимать различие понятий «продолжительность процесса»
и «модуль продолжительности» (или «мера продолжительно­
сти»).
Продолжительность конкретного единичного процесса может
быть измерена с помощью тех или иных средств отсчета времени
и вьфажается числом единиц времени, отсчитанных от начала до
конца этого процесса. Установление начального и конечного
моментов отсчета времени может быть само по себе сложной
задачей. Например, если изучаемый процесс или явление имеет
размазанные во времени начало и конец или если необходимо
выделить качественно специфические стадии в ходе непрерывного
процесса.
Из самой методики определения продолжительности ясно,
что она представляет собой формальную характеристику процес­
са, которая без дополнительной информации не отражает ни
предметного содержания, ни особенностей внутреннего постро­
ения данного процесса во времени. Она служит для сопоставле­
ния различных процессов по признаку быстрее — медленнее и ко­
роче — дольше.
Очевидным является объективное свойство материального
мира, состоящее в том, что продолжительности отдельных ре­
ализаций качественно определенного процесса группируются
около средней величины, устойчивой для всего множества ре­
ализаций данного процесса. Именно эта усредненная величина
продолжительности множества единичных реализаций данного
процесса подразумевается, когда речь идет о модуле продол­
жительности. Понятие модуля процесса основано на четких мето­
диках его определения в конкретных ситуациях и поэтому являет­
ся формальной характеристикой класса процесса.
Количественное определение модуля продолжительности
имеет важное значение для формулировки целей и предмета
исследований в еще не изученных областях науки, а также там,
где ставится задача изучения процессов в широком диапазоне
величин продолжительностей. Установление хотя бы приближен­
ных значений модуля изучаемых процессов способствует уточне­
нию круга их основных качественных характеристик, согласова­
нию условий исследований и планированию их во времени.
Модуль продолжительности является одной из характеристик
протекания процесса во времени, дающей ориентировочное пред­
ставление о некотором классе процессов. Однако, по крайней
мере, на первых стадиях даже такое ориентировочное представле­
ние позволяет понять целый ряд важных обстоятельств. Так,
23
в зависимости от модуля по-разному решаются вопросы общей
продолжительности эксперимента и рационального распределе­
ния его серий во времени, по-разному также формируются про­
блемы материально-технического обеспечения, выбора техничес­
ких средств и способов обработки полученных результатов, а та­
кже принципов их обобщения и границ применяемости.
Указанные вопросы решаются с учетом комплекса других
условий, однако модуль продолжительности играет среди них
особую роль. Одно из достоинств этой характеристики состоит
в ее общности: многие из методологических проблем организа­
ции и теоретического обеспечения исследований в различных
предметных областях могут решаться на основе единой методо­
логической базы. Исследование процессов, существенно отлича­
ющихся по величине модуля, требует выработки не менее раз­
личающихся методик их исследования. В итоге можно сказать,
что различия в методиках исследования одинаково быстрых про­
цессов, но различающихся по физической природе, менее значите­
льны, чем различия в методиках изучения быстрых и медленных
процессе» в рамках одной и той же предметной области науки.
Учитывая эти обстоятельства, правомерно поставить вопрос
о формальной классификации процессов, которые пока абстраги­
рованы от их предметного содержания и основываются исключи­
тельно на величине модуля продолжительности процесса.
Примером разбивки всех реальных процессов по модулю
продолжительности могут служить следующие классы: 1) микро­
модульные — от долей секунды до нескольких минут; 2) мезомодульные — от нескольких минут до одних суток; 3) макромодульные — более одних суток, но менее 100 лет; 4) мегамодульные — более одного столетия.
§ 5. Методические основы
изучения процессов
Рассмотрим методические особенности исследо­
ваний процессов с разными модулями продолжительности. При
этом будем придерживаться четырех классов процессов. Границы
укрупненных классов намечены с известной долей условности, но
не произвольно. Они учитывают сложившееся в науке и практике
выделение временных диапазонов и масштабов, с которыми пре­
имущественно имеют дело отдельные предметные отрасли. Кро­
ме того, они учитывают системы разномасштабных естественных
единиц времени. В зависимости от конкретных условий внутри
этих укрупненных классов можно выделить более детальные
подразделения.
Микромодульные процессы — явления, протекающие на уров­
не атомов, молекул, клеток и кристаллов. К ним относят процес24
сы типа соударений, взрывов, электрических разрядов и др. Мно­
гие из этих процессов остаются за порогом непосредственного
человеческого восприятия, поэтому при их исследовании и ре­
ализации необходимы высокоточные приборы для отсчета време­
ни, прецизионная аппаратура, быстродействующие фото- и кино­
техника, различные усилители, умножители, увеличители изоб­
ражения и др. Особенностью является и то, что продолжитель­
ность собственно процесса невелика по сравнению с его подго­
товкой. За редким исключением не имеется возможности просле­
дить единичную реализацию процесса, а фиксируются сразу це­
лые серии реализаций, которые принимаются идентичными. Ти­
пичным является использование математической статистики и те­
ории вероятностей при обработке и толковании результатов.
Мезомодульные процессы охватывают явления, доступные
в принципе для непосредственного и непрерывного наблюдений.
Суточный цикл этих процессов один из самых распространенных
в практике нашей повседневной деятельности как в физическом,
так и в социальном планах. Как правило, имеют дело с единич­
ными реализациями, которые обладают индивидуальными осо­
бенностями и доступны для наблюдения невооруженным глазом.
Статистико-вероятностные методы здесь используют реже, так
как решающую роль играют индивидуальные качества каждой
реализации. Требования к точности отсчета времени в мезомодульных процессах сильно снижены по сравнению с требовани­
ями в микромодульных процессах. Однако существенным стано­
вится требование к согласованию момента отсчета со временем
суток, поскольку изменение естественных условий может быть
значительным.
Макромодульные процессы соизмеримы с продолжительно­
стью жизни человека. Это означает, что данный класс включает
процессы, которые доступны для непосредственного наблюдения
их отдельным исследователем в реальном масштабе времени.
Однако такое наблюдение может быть только прерывистым во
времени, начиная с процессов, модуль которых более нескольких
суток. Непрерывная регистрация и реализация таких процессов
требуют коллективной работы или использования автоматичес­
кой аппаратуры.
Длительность макромодульных процессов — основная прак­
тическая трудность их исследования. Необходимы специальные
организационные формы труда общества для обеспечения этих
процессов. Одним из коренных вопросов методологии исследова­
ний таких процессов является воспроизводимость идентичных
повторных реализаций. В частности, необходим анализ условий,
при которых можно было бы считать тождественными отдель­
ные реализации из некоторого множества параллельно протека­
ющих явлений.
25
Эти проблемы — масштабность и разнообразие индивиду­
альных деталей — ставят вопрос о неприменимости статистичес­
ких методов обработки данных. Поэтому особую важность при­
обретает системноч:труктурный многоплановый анализ отдель­
ных реализаций процесса, сосредоточивающий внимание на ин­
дивидуальных его особенностях. При этом анализе изучение кон­
кретного процесса происходит вместе с его ходом. Строятся
гипотетические модели на основании уже имеющихся данных.
Проводится экспресс-аналю вновь регистрируемых факторов, на
основании которого корректируется модель. Статистические ме­
тоды используют как вспомогательное средство для обработки
массивов промежуточных данных по отдельным стадиям дан­
ного процесса.
Особенно жесткими становятся требования к стандартным,
единообразным методам измерений, согласованию моментов из­
мерений и их датированию. Использование экспресс-анализа
в сочетании с построением гипотетических моделей приводит
к важности вопросов прогнозирования в исследовании и реализа­
ции макромодульных процессов и оценки отклонений действи­
тельного хода событий.
Мегамодульные процессы могут наблюдаться в завершенном
виде лишь коллективами исследователей, охватывающими уче­
ных разных поколений.
Граница между классами макро- и мегамодульных процессов
условна, а следовательно, и методологические их особенности
имеют много общего. Вместе с тем имеется и ряд специфических
проблем. Наиболее длительные мегамодульные процессы могут
реализовываться только фрагментарно. Поэтому на первый план
выступают проблемы восстановления уже прошедших стадий.
При этом особое значение приобретает проблема синхроничес­
кого исследования временной структуры процесса, когда после­
довательные стадии процесса устанавливаются на основе изуче­
ния нескольких реализаций процессов, начавшихся в разные мо­
менты прошлого и находящиеся к моменту наблюдения в разных
стадиях своего развития.
Своеобразный круг методологических вопросов возникает
в связи с использованием ускоренных естественных моделей ме­
гамодульных процессов (например при исследовании процессов
износа, релаксации внутренних напряжений и др.). Здесь возника­
ет так называемая проблема масштабной инвариантности физи­
ческих процессов. Огромное значение для изучения мегамодуль­
ных процессов имеет использование принципа научных аналогий,
который позволяет согласовывать явления различной природы
и разного содержания.
Роль исследования мегамодульных процессов в современных
условиях далеко не ограничивается достижением познавательных
целей. Совокупность мегамодульных процессов создает тот фон,
26
на котором функционируют привычные для восприятия процессы
производства, осуществляется изучение его исторического раз­
вития в социально-экономическом плане, планируются народное
хозяйство, наука и культура.
Рассмотренная классификация процессов, а также возможная
более детальная их дифференциация по модулю продолжитель­
ности все же не дают достаточно полного представления о вре­
менной структуре конкретных реальных процессов и, в частности,
в сфере машиностроительного производства. В этом плане клас­
сификацию нужно понимать как некое множество в определен­
ном смысле типовых по продолжительности процессов, из кото­
рых состоят реальные процессы.
Типичные вопросы, которые возникают при временном ис­
следовании процесса, следующие: когда может наступить то или
иное состояние в ходе данного процесса; как быстро оно изменит­
ся или как долго сохранится; сколько времени занимает тот или
иной процесс; в чем сходство или различие во времени двух или
нескольких процессов?
В качестве элементов временной структуры процессов рас­
сматриваются отдельные состояния, фазы или стадии процесса.
Например, это могут быть повторяющиеся события, максимумы
и минимумы неких процессов, периоды установившегося функци­
онирования или так называемые переходные стадии процесса.
Полноправным элементом структуры процесса являются также
паузы между содержательными состояниями.
Таким образом, всякий процесс без каких-либо исключений
может быть характеризован своей временной структурой, кото­
рая отражает объективное наличие своеобразной временной кан­
вы каждого явления. Сосредоточивая внимание на изучении вре­
менной структуры процесса, мы можем на этой стадии абст­
рагироваться от его предметного содержания. Это важно, в част­
ности, при поиске причинно-следственных временных отношений
между параллельно или последовательно протекающими процес­
сами.
Одним из важных вопросов, который всегда приходится ре­
шать при организации исследования процесса или при обеспече­
нии его эффективного функционирования, является выявление его
временной структуры. Это подразумевает разложение данного
процесса на более мелкие процессы, протекающие соответствен­
но каждый в своих временных границах. Путь деления процесса
на возможно более мелкие по продолжительности стадии с це­
лью его детального изучения, как правило, не приносит ожида­
емых результатов.
При этом нужно помнить, что механическое фиксирование
подряд всех мелких деталей в ходе изучаемого процесса прак­
тически неосуществимо и приводит к потере представления об
общей целостности хода того или иного процесса. Выход из этого
27
положения состоит в том, чтобы расчленить «живой» процесс на
некоторые иерархически упорядоченные слои со своими масш­
табами временных единиц в каждом слое, а затем рассматривать
лишь типовые для данной физической природы процесса времен­
ные группы явлений.
Всякий реальный процесс, даже довольно простой по комп­
лексу используемых в нем различных по фюической природе
процессов, имеет сложную временную структуру. В одном про­
цессе может быть представлен диапазон модулей продолжитель­
ности, охватывающий два-три класса: от микромодульного до
макромодульного. Например, в основе эрозионной обработки
лежит процесс микромодульный, а естественное старение загото­
вок — это макромодульный процесс. Изготовление детали обыч­
но относится к мезомодульному процессу, а сборка изделия
вполне может быть макромодульным процессом.
Известно, что процесс протекает наиболее равномерно и не­
прерывно, если все его стадии синхронизированы во времени.
В реальных процессах подобная ситуация теоретически малове­
роятна, а практически невозможна. Поэтому одной из проблем
исследования и эффективного функционирования реального про­
цесса является использование различных способов и приемов
синхронизации разномодульных стадий процесса. При этом речь
не идет о том, чтобы все без исключения элементы процесса
сделать синхронными. Обычно выделяют группу основных про­
цессов, которые доминантно определяют временной режим функ­
ционирования общего процесса, например, предприятия или его
подразделения: цеха, участка, автоматической линии и т. п. При
этом, если стоит вопрос отладки временного режима работы
технологической цепочки, он решается на уровне согласования
продолжительноти работы отдельных элементов (технологичес­
ких систем, станков и др.) этой цепочки.
Составление временной структуры (хроноструктуры) процес­
са связано с определенными правилами его членения. Эти прави­
ла можно сформулировать следующим образом: 1) в качестве
элементов хроноструктуры процесса с определенным модулем
рассматриваются в порядке иерархии процессы все более мелкого
модуля, а также паузы между ними; 2) необходимо хронологичес­
кое распределение элементов с данным модулем в общей продол­
жительности процесса; 3) элементы с данным модулем рассмат­
риваются как процессы, состоящие из более мелких элементов
с более дробным модулем; 4) модуль процесса, модули его
элементов, модули элементов элементов и т. д. должны быть
определены в каждом конкретном случае.
При таком подходе мы абстрагируемся от вещественных,
содержательных характеристик процессов и можем сравнивать
по особенностям хроноструктуры процессы разного физического
28
характера. При этом аналитическое отображение всех процессив
получает определенную единообразную символическую форму.
Выявление хроноструктуры процесса должно дать целостную
картину его протекания, обеспечить стыковку результатов, полу­
ченных при изучении разных уровней детализации. В связи с этим
основной методологической проблемой углубленного хроноструктурного исследования становится проблема определения опти­
мального числа разномасштабных уровней аналюа, отличаю­
щихся друг от друга убывающими или укрупняющимися величина^уш шагов и MO.^ICHTOB анализа.
Исходя из этлх. общих соображений, можно сформулировать
следующие методические требования к разномасштабным уров­
ням анализа процессов: 1) при изучении конкретных процессов
должны учятыва1ься объективные особенности протекания про­
цессов во времени, так же как и технические возможности их
исследования; 2) число разномасштабных уровней должно быть
достаточно большим, чтобы охватить с требуемой полнотой
и точностью все существенные детали в ходе процесса; 3) число
этих уровней должно быть по возможности ограниченным по
условиям удобства и быстроты анализа; 4) уровни разного масш­
таба должны иметь общую количественную меру для сравнения
между собой; 5) число уровней и их взаимное соотношение
должно быть стандартным при изучении некоторого класса про­
цессов для обеспечения сопоставимости результатов анализа.
Задача точного сопоставления сложных хроноструктур про­
цессов очень трудоемкая и часто не поддается решению на со­
временном уровне развития исследовательской техники. Поэтому
она замещается более простыми задачами: сравнением хроно­
структур U0 отдельным, наиболее существенным признакам, а та­
кже проведением укрупненной классификации хроноструктур.
В связи с вышеизложенным целесообразно рассмотреть хотя
бы укрупненно наиболее перспективные направления практичег
кого использования методов и понятий хроноструктурных ис­
следований. При этом имеются в виду возможные приложения
уже известных теоретических результатов не только в производ­
ственной среде, но и в научно-исследовательской деятельности"
для календарного планирования, постановки экспериментальных
исследований, решения задач учета научной продукции и для
решения проблем оперативного управления процессом.
В обобщенном виде все ситуации, где необходим хроноструктурный подход, составляют следующий перечень: 1) диагностика
процессов; 2) прогнозирование хода конкретных процессов во
времени и их моделирование; 3) проектирование новых процессов
и планирование их деятельности; 4) управление ходом процессов,
5) системный поиск новых по хроноструктуре процессов для
решения конкретных технологических задач.
29
ВОПРОСЫ для
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Глава
САМОПРОВЕРКИ
Процесс и система его характеристик.
Исходные элементы и структура пространственных связей.
Исходные элементы и структура временных связей.
Рассеяние и его характеристики.
Классификация процессов по модулю продолжительности.
Временная структура процесса.
2
Производство и его
характеристики
§ 1. Основные понятия
и определения
Производство имеет два смысловых значения.
Первое соотносится с понятиями «предприятие», «завод», «фаб­
рика», «участок» и другими, а второе — с понятием «процесс»,
например, производственный процесс или процесс производства.
Рассмотрим смысл первого понятия и дадим несколько определе­
ний, встречающихся в технической литературе.
Производство — технико-организационное
подразделение
сферы производства. Производство — функциональное единство
средств труда, используемых для получения продуктов труда.
Производство — технологическая система с фиксированной
структурой выхода. Производство — технико-организационная
структура человеко-машинной системы.
Все эти определения по-своему верны и каждое из них отража­
ет некоторые конкретные стороны понятия «производство». Объ­
единяет их то, что производство воспринимается как некий от­
носительно автономный функциональный элемент сферы произ­
водства, который имеет определенную внутреннюю организа­
цию. Наиболее общим можно считать определение производства
как технико-организационного подразделения труда, предназна­
ченного для получения продуктов труда. Очевидно, что более
конкретное определение производства зависит от структурного
иерархического уровня данного подразделения и его предметной
содержательности.
Характеристика производства включает следующую инфор­
мацию о нем: 1) номенклатура продукции (станок, узел, деталь
и др.); 2) объем продукции и режим ее вьшуска; 3) вид процесса
(механообработка, сборка, термообработка и др.); 4) элементный
состав (цех, участок, отдел, службы и др.); 5) функции подраз­
делений, структура их взаимодействия, иерархия подчиненности
и степень автономности; 6) согласованная по структурным уров30
ням и элементам система качественных, количественных, эконо­
мических и других показателей.
Кроме того, имеют значение сведения о среде функционирова­
ния, степени автоматизации, непрерывности и др. Обычно произ­
водство характеризуется по основному виду производимой им
продукции: машиностроительный завод, цех корпусных деталей,
предметнозамкнутый участок зубчатых колес, отделение галь­
ванических покрытий и др.
Круг вопросов, который решается при анализе или синтезе
того или иного производства, зависит от его структурного уров­
ня. Например, на уровне завода решается комплекс вопросов
технического, организационного, экономического, экологическо­
го, социального и другого содержания. На уровне участка реша­
ются вопросы его функционирования в рамках того подразделе­
ния, куда он входит организационно.
В общем характер внешних взаимодействий каждого произ­
водственного подразделения должен строго определяться харак­
теристиками входа и выхода. Это значит, что необходимо качест­
венное выполнение требуемых значений параметров выхода при
гарантированном обеспечении соответствующих параметров вхо­
да в каждом подразделении. Такой подход позволяет согласовать
разумный уровень директивных принципов управления и плани­
рования производства с целесообразной автономией и свободой
функционирования каждого подразделения.
§ 2. Предмет производства
и предмет потребления
Как уже отмечалось, второе значение понятия
«производство» соответствует понятию «процесс производства»
или «производственный процесс». У каждого процесса есть вход,
отражаюпщй его потребительные свойства, и выход, отражаюащй производящие свойства. Если мы рассматриваем некото­
рую производственную цепочку, состоящую из некоторого коли­
чества соответствующих производственных единиц, то каждый
выход предшествующей единицы должен согласовываться со
входом последующей единицы. Поэтому необходимо определить
понятия входа и выхода для производственного процесса и струк­
туру показателей, характеризующих их.
Применительно к рассматриваемой ситуации понятиям входа
и выхода могут быть поставлены в соответствие понятия пред­
мета производства и предмета потребления. Они соответствуют
случаям, когда эти предметы имеют форму дискрет, т. е. форму
некоторых штучных реализаций. Для непрерывных форм входа
и выхода это будут соответственно продукт производства и про­
дукт потребления. Однако на практике эти понятия не дифферен31
пируются, так как из конкретной ситуации ясно, идет ли речь
о дискретном или о непрерывном предмете производства.
Предметы производства Пр и потребления Пт определяются
тремя группами характеристик: качественными 1, количествен­
ными 2 и временными 3. На рис. 2.1 показана структурная
модель взаимодействия характеристик предмета производства
и предмета потребления. Очевидно, что внутри данного произ­
водственного процесса они должны согласовываться по каждой
из указанных групп их характеристик.
Естественной мерой производственного цикла некоторого
процесса является конкретный предмет определенного качествен­
ного содержания, т. е. мера функционирования данного процесса.
Это может быть станок или его узел, набор деталей, некоторая
мера (объем, масса, длина и др.) непрерывного продукта и др.
Количественно данному процессу соответствует масштаб про­
изводства, характеризуемый числом производимых мер данного
качественного содержания. Например 200 станков, 1000 деталей,
5 т порошка, 20 км приводных цепей и др.
Кроме того, должна быть и временная характеристика, опре­
деляющая временную структуру понятия предмет производства.
Эта характеристика имеет две основные формы: календарное
время в виде срока выдачи данной меры выхода процесса или
периодичности (частоты) повторения функционального цикла.
Отсутствие любой из указанных характеристик предмета про­
изводства не позволяет получить полного представления о конк­
ретном производственном процессе. В общем случае понятие
<шредмет производства» может иметь сложную структуру, диф­
ференцированную по номенклатурным единицам, количеству
и временному режиму их вьшуска.
Аналогичную структуру показателей имеет и понятие «пред­
мет потребления». Однако, если стоит вопрос о согласовании
этих понятий, а точнее значений параметров, характеризующих
эти понятия внутри данного производственного процесса, необ­
ходимо сделать некоторые замечания.
Количественной мерой выхода может быть не единичная ре­
ализация какого-то предмета (изделия, детали и др.), а некоторое
Рис. 2.1. Модель взаимодействия Пт-Пр
32
его количество. Например 4 шт. детали данного наименования
или 5 кг некоторого вещества и др. Это связано с организацион­
ной структурой данного процесса: обработка одновременно не­
скольких деталей в одном приспособлении или параллельная
работа нескольких производящих потоков и др. Таким образом,
хотя вещественной мерой данного производственного процесса
является, например, какая-то конкретная деталь, если каждый
производственный цикл выдает несколько штук этих деталей
одновременно, эта партия будет являться количественной мерой
процесса.
Такие же рассуждения могут быть приведены и по отношению
к понятию «предмет потребления». В общем случае количествен­
ные меры входа и выхода могут не совпадать и тогда требуется
их согласование. Подобные вопросы на практике решаются с по­
мощью различных устройств типа накопителей, складов и др.
Естественно, что в общем случае согласованию подлежат
и значения временных параметров рассматриваемых понятий:
сроков потребления и изготовления, скоростей и частот функци­
онирования этих процессов.
Понятие «предмет потребления» имеет конкретное функци­
ональное содержание и при одной и той же вещественной мере
может иметь разные количественные меры единицы потребления.
Это наглядно может быть проиллюстрировано на примере авто­
мобильных покрышек. Вещественной мерой процесса производ­
ства покрышек является одна покрышка (при однопоточной
форме организации этого процесса). Однако в зависимости от
того, какой последующий процесс производства стыкуется с пер­
вым, количественная мера потребления будет различной. Напри­
мер, при сборке автомобиля функциональным комплектом явля­
ются четыре покрышки, а следовательно,, и количественной ме­
рой будут четыре покрышки. При сборке автомобильных прице­
пов мерой являются уже две покрышки, а при сборке како­
го-нибудь транспортного агрегата эта мера будет опять иной.
Подобные уточнения необходимы, ибо при построении произ­
водственных цепочек вопросы согласования входных и выходных
параметров элементов процесса имеют определяющее значение
как с точки зрения конкретных технико-организационных реше­
ний, так и с точки зрения поиска оптимальных производственных
структур.
§ 3. Производственный
и технологический процессы
Производственный процесс — это совокупность
действий, связанных с функхщонированием данного производст­
венного подразделения. Любое производство имеет иерархичес­
кую структуру, а следовательно, и процессы, происходящие
в нем, также должны иметь аналогичную структуру. Таким об33
разом, можно говорить о производственном процессе целого
завода или его цеха, отдела, службы, участка вплоть до самой
мелкой структурной единицы в виде технологической системы,
станка, установки. Однако и этого дополнения еще недостаточно,
чтобы представить всю технико-организационную структуру
производственного процесса, а также комплекс его характеристик
и показателей.
Воспользуемся для этого моделью производственного процес­
са (рис. 2.2). В ней присутствуют следующие элементы: предмет
труда — заготовка, продукт труда — деталь и технологическая
система — ТС. На основании этой модели можно дать следу­
ющее развернутое определение производственного процесса: тех­
нически и организационно упорядоченное воздействие средств
труда и труда людей на предмет труда с целью получения
требуемого продукта труда и осуществление всех сопутствующих
этому действий, обеспечивающих функционирование производст­
венного подразделения в требуемом режиме.
Обычно производственный процесс того или иного подраз­
деления соотносят с основной продукцией. С ней же связывают
и систему показателей. На этом же основании вводят деление
данного процесса на основные и вспомогательные процессы. Под
основными понимают те процессы, которые связаны с качествен­
ными преобразованиями основного предмета труда, остальные
процессы считают вспомогательными. Часто на производстве
отождествляют понятие вспомогательного процесса с понятием
второстепенного. Следствием этого является недооценка важно­
сти этих процессов при функционировании производственного
процесса и возникновение социальных, экологических и других
проблем.
Каждый производственный процесс имеет внутреннее стро­
ение, называемое технологией, или технологическим процессом.
Технологический процесс — это совокупность действий, связан­
ных с обеспечением требуемых выходных параметров данного
процесса.
Таким образом, можно говорить о наличии технологического
процесса у любого подразделения данной производственной си­
стемы вне зависимости от того, вьшолняет ли оно основные или
вспомогательные функции по отношению к так называемому
основному продукту производства.
На основании вышеизложенного можно так характеризовать
различие между понятиями производственного и технологичес­
кого процессов. Производст­
венный процесс соотносится
Деталь
Заготовка
ТС
с понятием функционирования
данной производственной едиРис 2 2. Модель производственноницы ИЛИ ее подразделений
го процесса
И Охватывает все многообразие
34
частных процессов, которые в них протекают. Технологический
процесс соотносится с понятием конкретного выхода, результата,
изделия, на достижение требуемых показателей которых он и на­
правлен.
Таким образом, каждое производство имеет определенную
организационную структуру своих подразделений, в каждом из
которых и на производстве в целом происходят производствен­
ные процессы, внутреннее же содержание и функционирование
каждого из этих процессов определяется их технологией или
технологическим процессом.
Слово технология имеет и второе значение — это наука о спо­
собах и методах реализации производственных процессов различ­
ной физической природы. Такие технологии называют еще отрас­
левыми.
Структура любого процесса определяется техническими (тех­
нологическими) и организационными свойствами его элементов.
Это говорит о том, что должны быть и определенные стру­
ктурные элементы декомпозиции средств производства, в ча­
стности технологического оборудования, форм организации жи­
вого труда, а также собственно технологического процесса и про­
изводства.
Действительно, любое производство имеет свою организаци­
онную структуру в виде фнкциональных подразделений: цеха,
отделы, службы, участки и др.
Производственный процесс любого подразделения состоит из
взаимодействующих предметно-различных процессов основных
и вспомогательных по отношению к основному продукту с прису­
щими им технологиями. Технологический процесс также имеет
определенную структуру элементов. Исходно эти элементы от­
носились (терминологически и по смыслу) к области механичес­
кой обработки. В настоящее время им необходимо придавать
более общий смысл, охватьшающий весь спектр методов тех­
нологического воздействия: термообработку, химобработку,
сборку, а также транспортирование, измерение и др.
Построить некоторую иерархическую систему элементов мо­
жно только при условии фиксации исходного и конечного состоя­
ния предмета или процесса, подвергающегося декомпозиции. Это
необходимо, во-первых, чтобы определить содержание так назы­
ваемых конечных элементов, которые уже не подлежат даль­
нейшему разложению. Во-вторых, чтобы определить качествен­
ное содержание комплексного элемента верхнего уровня. Напри­
мер, для сборочных процессов конечным элементом является
деталь, а элементарным технологическим действием — соедине­
ние пары деталей. Элементом верхнего уровня является сбороч­
ная единица, т. е. некоторое локальное единство деталей. Соот­
ветственно для механообработки — это поверхность детали
и однократное технологическое воздействие на нее, а элемент
35
верхнего уровня — деталь, т. е. опять-таки некоторое локальное
единство конечных элементов в виде поверхностей.
При таком подходе соблюдается единый методический при­
нцип декомпозиции любых по природе методов технологичес­
кого воздействия, что особенно важно при построении комплекс­
ных производственных процессов с широким разнообразием ме­
тодов технологического воздействия в одной технологической
цепочке.
В отношении орудий производства (ставков, агрегатов) конеч­
ными элементами декомпозиции являются определенное относи­
тельное положение заготовки или собираемой детали и оборудо­
вания и один цикл технологического воздействия данного содер­
жания. Верхний предел — это локальная технологическая систе­
ма: станок, установка и их цикл.
Определим содержание технико-организационных элементов
производственного процесса. Рабочий ход (для технологических
методов воздействия, преобразующих свойства предмета тру­
да) — однократное технологически непрерывное воздействие,
формирующее требуемые параметры данной детали (шерохова­
тость, твердость, качество поверхностного слоя и др.) В общем
случае это некоторый элементарный законченный технологичес­
кий цикл с определенными (постоянными или переменными)
параметрами инструмента, кинематики формирования поверх­
ности или соединения, параметрами технологической среды (на­
грева, охлаждения, химической обработки и др.).
Аналогичным элементом для сборочного процесса является
соедивоше — технологически непрерывный цикл формирования
соединения пары деталей.
Переход — технологически непрерывный упорядоченный ко­
мплект рабочих ходов, формирующий конечные требуемые каче­
ственные характеристики данной поверхности детали или дан­
ного соединения.
Понятие «одна поверхность» или «одно соединение» следует
понимать здесь не с точки зрения какого-то конкретного их
геометрического типа, а с точки зрения их единовременного
формирования при данном методе технологического воздей­
ствия.
Комплект рабочих ходов может быть однородным: черновое,
чистовое и тонкое точение или черновое и чистовое фрезерова­
ние — и неоднородным: зенкерование, растачивание, разверты­
вание или фрезерование и шлифование.
Рабочие хода внутри одного перехода технологически упоря­
дочены. Например, нарезать резьбу в отверстии можно только
после получения этого отверстия. Переходы, необходимые для
изготовления детали или сборочной единицы в общем случае
могут иметь любую очередность. Их упорядоченость выявляется
только на этапе реализации конкретного процесса, где принима36
ются во внимание его технические и организационные особен­
ности, совместимость и взаимовлияние различных методов тех­
нологического воздействия.
Установка — определенное положение или траектория детали
на технологическом оборудовании, которые определяют фор­
мирование относительного положения поверхностей деталей или
соединений при технологически непрерывной реализации соот­
ветствующих переходов. Она отражает варианты объединения
разных переходов на данном оборудовании.
Марпфут — упорядоченная последовательиосгь качествен­
ных преобразований предметов труда в продукт труда. Напри­
мер, заготовки в деталь или последовательность получения из
комплекта деталей сборочной единицы. Технико-организационно — это конкретный вариант сочетания переходов и установок,
который обеспечивает получение качественных характерисгнк де­
тали или сборочной единицы.
Технологическая операция — организационно обособленная
часть маршрута со всеми, сопутствующими ей вспомогатель­
ными элементами процесса, реализуемая на определенном тех­
нологическом оборудовании с участием или без участия людей.
На операцию обычно разрабатывается вся основная технологи­
ческая документация.
Производственная операция является элементом организации
труда людей. Производственная операция включает организаци­
онно-обособленную часть производственного процесса, выполня­
емую одним работающим. Она является основным элементом
планирования деятельности людей и экономического учета.
Различие между технологической и проиводственной операци­
ями состоит в том, что вторая учитывает действия, вьшолненные
работающим, и именно они планируются, нормируются и опла­
чиваются. Технологическая операция включает и те действия,
которые выполнены без участия человека. Обе операции совпада­
ют по содержанию только тогда, когда полностью отсутствует
механизированный и автоматизированный труд, т. е. все дейст­
вия производит человек.
Рассмотренные элементы технологического и производствен­
ного процессов могут совмещаться во времени, т. е. вьшолняться
параллельно или с перекрытием. Совмещение указанных элемен­
тов является одним из приемов сокращения длительности про­
цесса.
Не следует смешивать понятие функционального совмещения
элементов и их объединение на организационной основе. Так,
многоцелевой станок традиционной конструкции с одним рабо­
чим шпинделем объединяет на конструктивной основе разные
методы технологического воздействия (точение, фрезерование,
растачивание и др.), но не совмещает их технологически во
37
А(1,2,3)
времени, и по своей производящей струк­
туре остается станком последовательного
действия.
При нарушении условия технологичес­
кой непрерывности реализации элементов
B(l,Z)
процесса происходит их разделение на чаРис. 2.3. Эскю детали
сти, относящиеся к тому же структурному
уровню декомпозиции данного процесса.
Рассмотрим это на примере обработки детали, представленной
на рис. 2.3. Для получения требуемого качества поверхности
А необходимо три рабочих хода (1, 2, 3), а для поверхности
В—гтя. рабочих хода (1, 2). Возможны следующие варианты
обработки.
Первый: 1) полная обработка поверхности В (двумя) рабочи­
ми ходами (1, 2); 2) полная обработка поверхности А тремя
рабочими ходами (1, 2, 3), что соответствует изготовлению дета­
ли в две установки при двух переходах, вьшолненных соответст­
венно за два (1, 2) и три (1, 2, 3) рабочих хода.
Второй: 1) обработка поверхности В одним рабочим ходом
(1); 2) обработка поверхности А двумя рабочими ходами (1, 2); 3)
обработка поверхности В рабочим ходом (2); 4) обработка повер­
хности А одним рабочим ходом (3), что соответствует изготовле­
нию детали за четыре установки при четырех переходах, вьшол­
ненных соответственно в один (1); два (1, 2); один (2) и один (3)
рабочий ход.
Третий: 1) одновременная обработка поверхностей А я В соот­
ветственно за один (I) и два (1, 2) рабочих хода; 2) обработка
поверхности А за два (2, 3) рабочих хода.
Изготовление детали за две установки. Первая реализована
при совмещении двух переходов, вьшолненных соответственно за
один (1) и два (1, 2) рабочих хода, а вторая за один переход при
двух рабочих ходах (2, 3).
Чтобы представить все многообразие технико-организацион­
ных структур технологического процесса, обратимся к рис. 2.4.
Как видно, самый простой по организации технологический про­
цесс может состоять из одной операции, которая состоит из
одной установки, которая, в свою очередь, содержит один пере­
ход, осуществляемый за один рабочий ход. Соответственно в ор­
ганизационно сложном технологическом процессе каждый струк­
турный элемент высшего уровня содержит несколько элементов
нижнего уровня.
Особого внимания заслуживает вопрос о формах организации
труда людей. При этом следует учитывать не только профессию
и квалификацию работающих, но и сохщальные аспекты той или
иной организационной структуры, а также степень автономности
деятельности данного коллектива или отдельного рабочего.
ь
38
Технаяаичесний
процесс
Одна
операция
п
операций
Г
ховой
Один
рабочий xi^
г
хл:
/.
г "•
переходов
- Л . .
установок
\ г~
X
Один
переход
переходов
Овим
paio4uuxei
Одна
установка
установок
1
Овин
переход
"Г"
X
Одна
установка
- 1. . .
/.
- 1
я рабочих
ходов
Рис. 2.4. Структура технологического процесса
Основные формы организации труда людей в том или ином
производственном подразделении представлены на рис. 2.5. На­
иболее простая форма организации — автономная работа одно­
го человека. При реализации комплексных работ эта форма
подразумевает совмещение профессий и, как правило, требует
повышенной квалификации рабочего.
В коллективе из нескольких человек с одинаковой профессией
возможна их совместная работа на одном объекте, технологичес­
кой системе, станке, а также независимая (параллельная) работа
одного и того же предметного содержания.
Если коллектив состоит из людей разных профессий, то также
возможны два варианта их организации. Один — работа в еди­
ной упорядоченной производственной цепочке. Второй — отноительно независимая по своим функциям работа внутри како­
го-то производственного подразделения.
В общем случае формы организации технологического про­
цесса с технической точки зрения и с точки зрения участия в нем
человека различны. Это различие возрастает с увеличением сте­
пени механизации и автоматизации процесса. Кроме того, пред­
метное содержание работ, выполняемых орудиями производства
и человеком в пределах одного технологического процесса, также
39
<Рорпы организации
труда людей
1
1
1
Один рабочий
л рабочих
1
1
1
Разные профессии
Одинаковые профессии
1
Совместная poSoma
1
1
Независимая paSoma
Совместная работа
1
Неьйбисимая работа
Рис. 2.5. Формы органюации труда людей
отличается друг от друга. Все чаще встречаются ситуации, когда,
выполняя работу оператора какой-нибудь технологической систе­
мы, сводящуюся к определенной системе формальных приемов,
человек имеет смутное представление о природе процесса, кото­
рым он управляет. Например, автоматическая линия изготовле­
ния корпусной детали с технологической точки зрения имеет
довольно сложную технико-организационную структуру, состо­
ящую из многих технологических операций, которые, в свою
очередь, содержат совмещенные и несовмещенные переходы и ра­
бочие хода. Производственая операция у рабочего на этой линии
одна и заключается в установке на спутнике заготовки и снятии
готовой детали.
При вьшолненин каждой операции рабочий затрачивает опре­
деленное количество труда. Трудоемкость операции — количест­
во времени, затрачиваемое рабочим требуемой квалификации
при нормальной интенсивности труда и условиях на выполнение
данной работы. Единица измерения — человеко-час.
Для расчета занятости станков и их количества для выполне­
ния данной работы служит понятие станкоемкость. Станкоемкость — время, в течение которого занят станок или другое
оборудование на изготовление детали или изделия, единица изме­
рения — станко-час.
Для нормирования труда и планирования производственного
процесса используется норма времени — установленное количест­
во труда требуемой квалификации и нормальной интенсивности,
необходимой для вьшолнения данной операции или целого про­
цесса в нормальных производственных условиях. Она измеряется
в единицах времени с указанием квалификации работы.
Норма выработки — обратная величина нормы времени. Еди­
ницей измерения является количество продукции в стандартных
мерах (кг, м и др.) в единицу времени.
Производственный цикл — промежуток календарного времени
от запуска в производство до получения готового изделия.
40
программа выпуска — количество штук изделия или число
стандартных мер некоторой продукции, подлежащей изготов­
лению в установленную календарную единицу времени.
Серия — общее количество изделий, подлежащее изгото­
влению по неизменяемым чертежам.
Партия запуска — количество штук заготовок или комплек­
тов деталей, одновременно запущенных в производство.
Масоггаб выпуоса — общее количество продукции, подлежа­
щее изготовлению. Такт выпуска — промежуток времени, через
который производится выпуск очередного экземпляра или меры
продукции.
В зависимости от количества продукции, выпускаемой пред­
приятием, различают типы производства. Массовое — техноло­
гически и организационно непрерывное производство единичной
номенклатуры в течение длительного времени. Серийное — пери­
одическое технологически непрерывное изготовление некоторого
количества одинаковой продукции. Единичное — изготовление
единичных неповторяющихся экземпляров продукции, что анало­
гично признаку неповторяемости технологического цикла в дан­
ном производстве.
Характер реализации процесса изготовления изделия может
быть различным с точки зрения его технологической непрерыв­
ности. Под технологической непрерывностью понимается функ­
ционирование данного технологического процесса без организа­
ционного прерывания его другими процессами. Это значит, что
поступившая, например, на первую операцию заготовка сразу
после ее обработки передается на вторую, потом в таком же
режиме на третью, и так далее до последней операции. При этом
возможны технологические ожидания деталью очередной стадии
обработки, возникающие из-за несинхронности смежных этапов
обработки. Такую организацию изготовления продукции приня­
то называть поточным видом производства.
Вид производства, при котором технологический цикл изгото­
вления изделия прерывается элементами технологического цикла
другого изделия, называется непоточным.
Основной временной характеристикой непрерывного производ­
ства является такт. При этом, чем стабильнее такт, тем считается
лучше организованным и функционирующим данное производст­
во. Это справедливо для массового и серийного производства
единичной номенклатуры изделий. Однако и многономенклатур­
ные производственные процессы также могут быть организованы
непрерывно. Например, изготовление номенклатуры корпусных
деталей, каждая из которых производится в единичном экземп­
ляре на предметно-замкнутом технологическом участке. Изделия
в производство запускаются в наиболее выгодном с точки зрения
синхронизации станков порядке и в этой же последовательности
41
выходят с последнего станка данной технологической цепочки, но
как бы с переменным значением такта.
На ряде производств с непрерывным характером вместо такта
в качестве временного параметра используется скорость; напри­
мер 5Д м ткани в минуту. При этом возможно плавное регулиро­
вание скорости потока между станками, что бывает не только
технологически необходимо, но и может определяться изменени­
ем временного режима потребления данной продукции на выхо­
де. Таким образом, такт или скорость поточного производства
могут быть не только постоянными, но и переменными, а также
непрерывно изменяющимися по требуемому закону.
С поточным видом производства не следует смешивать слу­
чаи организации изготовления номенклатуры деталей даже в зна­
чительном количестве по каждой номенклатурной единице. На­
пример на предметно-замкнутых участках, когда производство
построено по критерию максимальной загрузки оборудования.
При этом даже в случае непрерывной работы всех станков про­
цесс изготовления каждой детали в отдельности будет осуществ­
лен технологически не непрерывно, т. е. непоточно. Таким об­
разом, понятие поточность производства относится к процессу
изготовления данной детали, изделия, продукции, а не к режиму
работы технологического оборудования. При поточной органи­
зации производства максимально загруженным, т. е. наиболее
непрерывно работающим будет оборудование только лимитиру­
ющей по времени операции. Остальное оборудование из-зва неси­
нхронности этапов и стадий данного процесса может иметь
разные коэффициенты загрузки.
§ 4.1Сачество производствевного
процесса
Качество — это совокупность свойств, имеющая
определенную предметность. Конкретное качество должно соот­
носиться с системой количественных показателей, без которой
оно не имеет реального смысла.
Любой процесс, в том числе и производственный, характери­
зуется системой показателей, которые, в свою очередь, имеют
форму внепших или внутренних свойств данного процесса. Систе­
ма показателей включает четыре группы: качественные, количест­
венные, временные и затратные.
Требуется установить множество свойств, которое будет не­
обходимым и достаточным для определения понятия качества
процесса в практической ситуации. В связи с этим следует раз­
личать два аспекта этого вопроса. Первый относится к проблеме
выбора определенной системы показателей, с достаточной пол­
нотой характеризующих данный процесс. Здесь имеются в виду
характеристики тех сторон реальной жизни, которые будут ин42
тересовать нас в данном случае. К ним, в частности, относят
потребительные свойства товарной продукции, технико-экономи­
ческие, технологические характеристики, эргономические, эколо­
гические и социальные факторы функционирования данного про­
изводства.
Второй аспект — выбор конкретных значений показателей.
Оба аспекта сами по себе являются ответственными и сложными
проблемами, решение которых часто требует серьезной теорети­
ческой и экспериментальной проработки.
Рассмотрим пример формирования значений одного из геоме­
трических параметров детали. Пусть таким параметром будет
диаметральный размер d отверстия в данной детали. Исходя из
функциональных требований диаметр d имеет предельные до­
пустимые значения: d%^, d%^^ и оптимальное значение fi?|,t (рис.
2.6). Учитывая постепенное увеличение размера Й?*^^ В период
эксплуатации, необходимо предусмотреть запас f за счет умень­
шения значения этого размера до dl^aЧтобы гарантированно получать требуемый размер отвер­
стия при обработке, нужно задать технологические предельные
его значенияrfJunи dl^, учитывающие допуск на измерение Г".
Все эти изменения приводят к тому, что функлщональное
значение допуска Т^ превращается в его технологическое значе­
ние Т}. Естественно, что Т^>Т1. При этом значение d%^ оста­
ется неизменным. Аналогичным образом происходит назначение
допустимых отклонений и на остальные параметры качества
изделия.
В отношении необходимого и достаточного набора качествен­
ных показателей можно заметить, что его формирование во
многом определяется идеологией принятия конструкторско-технологических решений, существующими нормами и традициями
решения подобных задач. При этом, как показывает практика,
искусственное усиление роли одной группы факторов за счет
недооценки других приводит, как правило, к неэффективным
решениям. Например,
несбалансированное по
^^
^iт/г
вышение экономических
и количественных пока­
^min
dfpt
зателей процесса неиз­
T»/Z
бежно приводит к сни­
dmax
3^
жению качества продук­
dlЛ2Й2С_
ции. Пренебрежение ча­
II.
сто называемыми вто­
dmax
ростепенными фактора­
ми социального, эргоно­
Рис. 2 6. Схема формирования значения па­
мического и экологичесраметра изделия
1
43
кого характера также в конечном счете приводит к снижению
эффективности функционирования данного производства.
С принципиальных позиций решение указанной проблемы
должно строиться по следующей схеме: 1) устанавливают масш­
таб вьшуска и основные функциональные показатели данной
продукции в соответствии с их общим прогрессивным уровнем,
учитываюпщм режим эксплуатации изделия, его престижность
и конкурентоспособность; 2) определяют общие эффективные
формы и принципы организации производства данного изделия;
3) определяют иерархический комплекс параметров, учитыва­
ющий все аспекты производственной деятельности в данной сре­
де функционирования.
Обоснованный набор показателей процесса и их количествен­
ные значения или другая приемлемая форма их регламентации
образуют фактически параметрческий эталон данного процесса.
Только теперь можно говорить о грамотной оценке его реаль­
ного функционирования и имеющихся резервах совершенствова­
ния. Действительно, качество функционирования процесса теперь
можно оценить степенью соответствия реальных значений пара­
метров его деятельности заданным их значениям. Как известно,
такое же определение имеет понятие точности.
Заметим, что в сфере машиностроительного производства
понятию «точность» придается частное значение — геометричес­
кая точность. Обычно, когда говорят о точности детали или
станка, то имеют в виду точность их геометрических параметров:
размеров зазоров, относительного положения и др.
В широком же смысле точность — это степень соответствия
некоторому эталону. Применительно к производственному про­
цессу под точностью следует понимать: 1) степень соответствия
параметров юделия их заданным значениям; 2) степень соответ­
ствия фактического периода или такта вьшуска продукции задан­
ным значениям; 3) соответствие заданной программы фактичес­
кому выпуску; 4) соответствие экологических параметров функ­
ционирования процесса заданным нормам и др. Естественно, что
эти параметры имеют различную функциональную, эконолшческую, социальную значимость, но, строго говоря, при нарушении
любого из этих параметров процесс в целом не может считаться
качественно функционирующим.
Другие вопросы качества процесса в дальнейшем будем рас­
сматривать на примере геометрической точности изделий, в част­
ности деталей, так как это наглядно и методически удобно. При
этом нужно помнить, что аналогичные рассуждения будут спра­
ведливы и для всех других качественных параметров.
Вопрос о точности с позиций соответствия некоторому этало­
ну имеет два специфических подхода. Назовем их условно аб­
солютный и относительный. Суть их состоит в следующем.
44
Щщммш
Представим себе комплект
деталей (рис. 2.7), в котором фу­
нкционально необходимы па­
раллельность поверхностей 1 и
2 верхней и нижней деталей,
а также требуемая посадка в со­
единении вал — отверстие. С
точки зрения посадки значения
диаметральных размеров <4 и
<4 должны быть выдержаны при
обработке в заданных допусках.
При этом в зависимости от ха­
Рис. 2.7. Ковкшлект деталей
рактера посадки эти допуски
могут быть весьма жесткими. Таким образом, задача обработки
состоит в том, чтобы получить у двух сопрягаемых деталей два
различных размера и при этом каждый с достаточно высокой
точностью.
В случае обеспечения параллельности поверхностей i и 2 в из­
вестной степени нас не интересуют ни номинальные значения
размеров /i и k, ни их точность. Определяющим для обеспечения
параллельности является идентичность этих размеров, т. е. их
относительная точность.
Различный характер рассмотренных точностных требований
связан и с различными методами и способами их технологичес­
кого обеспечения. В первом случае качество посадки достигается
за счет точного технологического оборудования, используемого
при обработке вала и отверстия. Во втором случае применение,
например, совместной обработки валов по размерам /i и h прак­
тически не требует высокоточного оборудования даже при жест­
ких требованиях к параллельности указанных деталей в сбороч­
ной единице.
Повышевие качества производственного процесса. Эта пробле­
ма имеет два подхода. Один касается улучшения внутренних
показателей функционирования процесса, т. е., образно говоря,
его внутреннего <адоровья», которое в явном виде не связано
с
качественными
показателями
выхода
процесса.
И второй — улучшение внешних показателей, т. е. показателей
выхода и в первую очередь потребительных характеристик выпу­
скаемой продукции.
Улучшение внешних показателей качества процесса. Часто под
повышением качества процесса изготовления изделия понимают
директивное ужесточение допусков на его функциональные хара­
ктеристики. При обоснованном технико-экономическом подходе
к этому вопросу улучшение эксплуатационных характеристик
изделия является повышением его качества, но это не имеет
45
jS'^T
r^^r*
^WJ^ipt
i
-*
^
Max'Jl^t
Шах
^
^
^
/
r'^^
°'
,
Ji^t
i9)
Рис. 2.8. Система размеров
-П-зТ''
/
отношения к повышению ка­
чества данного производст­
л* гГ
венного процесса.
Строго говоря, для произ­
6)
водства внешне одинаковые
изделия, но с разными значениями характеризующих их парамет­
ров — это разные изделия. В частности, изменение значений
точностных параметров изделия может потребовать существен­
ных изменений технологии его изготовления, замены оборудова­
ния, оснастки, методов достижения требуемых показателей каче­
ства и др.
Вопрос о повышении качества процесса изготовления данного
изделия должен рассматриваться при некоторых конкретных фи­
ксированных значениях норм на показатели изделия.
Введем несколько понятий, которые понадобятся нам для
последующих рассуждений, и сделаем это на примере двух типов
линейных размеров: охватываемом d и охватывающем D (рис.
2.8, а, б). Для каждого размера в принципе можно установить
оптимальное значение rf^, и D^, по отношению к той служебной
функции, которую он характеризует. Назовем такой вптимум
фунищональным. У каждого размера существуют допустимые
предельные значения, при которых функционирование изделия
считается еще нормальным: d%^ и dt^, D%^M.D%^^.
Оптимум может находиться между значениями предельных
размеров или совпадать с одним из них. Само значение оп­
тимума может быть расчетным, т. е. иметь конкретное значение,
не равное нулю. Для параметров, имеющих только одно направ­
ление изменения в «плюс», это так называемые абсолютно поло­
жительные величины: соосность, концентричность, уравновешен-
1
46
ность и другие, оптимум предопределен самим характером этого
физического понятия и равен нулевому значению.
Учитывая характер изменения размеров при функционирова­
нии изделия: уменьшение охватываемого и увеличение охватыва­
ющего размеров, а также возрастание абсолютно положительной
величины (рис. 2.8, в), можно говорить о наличии эксплуатацион­
ного оптимума этих размеров: rfopt=rf^, Dlpi=Dl^ и Aopi=
=A%,t = A%^=0. Эксплуатационный оптимум нужно понимать
в том смысле, что при значении функционального параметра
соответствующему указанному оптимуму, эксплуатационный ре­
сурс изделия будет максимальным: 3°", 3 ? " и 3 ^ .
Кроме того, технологическое обеспечение указанных парамет­
ров также имеет особенности. Например, для сокращения числа
поднастроек при обработке вала станок желательно настраивать
по его минимальному значению, и наоборот, по максимальному
при обработке отверстий. С этой точки зрения можно говорить
о наличии технологического оптимума: d^t='^Ln и -Dopt=-bLxВ соответствии с изложенным существуют так называемые функ­
циональные и технологические значения предельных отклонений
параметров и соответствующие им допуски, которые учитывают
необходимость допуска на измерение Г". Соотношения между
указанными параметрами имеют вид:
d^
"nun
"ти
—d^
-I
f•
"mm 1^ . >
2
"max
. >
r"
D^
= Д *
-I
•
r"
ПТ
_Г)Ф
•'-' max ^-' max
^ T _ J Ф _
•'^ max — ^^ max
.
>
T'".
-^ >
Tl=d^ —rf*-Г"-* a
" max " mm
-* »
7'т_Г)ф
_ Г)Ф _ Т " •^ D — -*-' max -^^ mm
^ »
-' /1 — -^ max
-'
•
При реализации технологического процесса в силу действия
большого числа факторов контролируемый параметр будет
иметь для каждого изделия конкретное значение, которое часто
называют текущим значением: d„ D, и А,. Им будут соответ47
ствовать определенные значения эксплуатационного запаса 3j,
3'DB З'А- Указанные текущие значения параметров соответствуют
установленным на них нормам, и с этой точки зрения изделия
считаются качественными. Однако с позиций максимализации
функционального качества, а оно соответствует значению функ­
ционального оптимума в каждом из указанных случаев, есть
резервы:
P',=dt-d%u P'D=D%,-D,; Р\ = 3\=А..
Таким образом, вопрос повышения качества процесса в рас­
смотренном плане — это такая его организация, при которой
значение контролируемого параметра получалось бы на каждом
изделии максимально соответствующим значеншо функциональ­
ного оптимума. Для партии изделий это выглядит следующим
образом. Пусть контролируемый параметр качества имеет значе­
ния: B'lam, Blax И 5 ^ , (рис. 2.9). Оптимальной реализации процесса
соответствует кривая рассеяния 1.
Это случай совпадения центра группирования в реализуемом
процессе со значением функционального оптимума: В%,щ=В%,у.
При этом большинство изделий имели бы оптимальное значение
функционального параметра при неизменном значении установ­
ленного на него допуска. Однако реальный процесс имеет свою
конкретную кривую рассеяния 2 и положение центра группирова­
ния ^J^jcp. Очевидно, что для партии изделий в этом случае
имеется резерв повышения качеI,.
J,.
ства, выражаемый значением 6,=
^3
•"гр-ср
В'
Повышение
качества процес­
/Г
^
/ •
са, отождествляемое с сокраще­
нием поля рассеяния контролиру­
емой величины, не может считать­
ся общим утверждением справед­
ливым для всех практических си­
туаций. Поле рассеяния характе­
ризует стабильность процесса, но
Bmin
не гарантирует оптимального
значения контролируемого пара­
Вгр.ср
^
метра. Как показано на рис. 2.9,
^irpf ' ^rp.cfi
даже весьма благоприятный вид
кривой рассеяния 3 с точки зре­
Вгр. ср
ния стабильности группового
Втак
среднего значения В^^^ не гаран­
тирует повышение качества в
партии изделий, так как несовпа­
Рис. 2.9. Схема определения резе­
дение В'^^ с 5*, ер может иметь,
рва качества
48
наоборот, наиболее неблагоприятное значение bj. В общем случае
при b,<bj можно считать, что процесс, которому соответствует
значение Ь„ более качественный.
Однако если функционально важным является не конкретное
значение параметра, а идентичность его в партии изделий, то
повышение качества процесса будет заключаться именно в мак­
симальной стабилизации группового среднего значения во всех
изделиях при любом его положении в пределах поля допуска.
РТное внутреннее содержание приобретает вопрос повьппения
качества процесса, если контролируемый параметр является фун­
кцией нескольких образующих его параметров низшего структур­
ного уровня, например зазор в посадке вал — отверстие.
В общем случае подобные задачи имеют многовариантные
решения и требуют наличия определенной дополнительной ис­
ходной информации для того, чтобы выбрать ту или иную мето­
дику решения. Рассмотрим случай соединения вал — отверстие.
Пусть из условий функционирования данного соединения имеем
следующие значения зазора: 3%^, 3£„ и 3*,,. Очевидно, что одно
и то же значение зазора может быть получено при различных
сочетаниях значений диаметрального размера вала d и отверстия
D. То же относится и к оптимальному значению зазора.
Поэтому необходимо задаться значением одного из двух раз­
меров, чтобы затем на основании допустимых значений на зазор
определить соответствующие размеры второго элемента сое­
динения. Например, исходными размерами могут быть 4шп из
условий прочности вала, Td, TD — допуски на вал и отвер­
стие исходя из имеющихся технологических возможностей изго­
товления деталей или 0^^^ из условий жесткости детали в виде
тонкостенной втулки. Возможны и другие варианты, характери­
зующие ту или иную конкретную ситуацию. На рис. 2.10 пред­
ставлена размерная схема соединения вал — отверстие. Ее прак­
тическое построение возможно при наличии следующей исходной
информации:
^тшэ
^ d
-^'тш»
^Т)
-^'maiH
1D
или
Мтш5 "^шах!
"•
"так?
^ d
ИЛИ
или
"тшэ
^*тах
-^-'min? -^max
Поиск решения, обеспечивающего значение зазора 3*pt, будет
многовариантным.
Задача еще более усложняется, если вовзаимодействии уча­
ствует большое число элементов. В этом случае степень неоп49
ределенности возраста­
ет, как и число вариан­
тов возможных реше­
ний. Вне зависимости
'mifi
••max
от конкретных методов
Td
чпт^
и способов решения за­
or
дач подобного
рода
max
главным остается фор­
мирование содержания
втулка (отвекритерия с позиций тех­
Рис. 2.10. Соединение вал
рстие)
нологического обеспе­
чения требуемых значений функциональных параметров изделий.
Улуяшение внутренних показателей качества процесса. Как от­
мечалось, вопрос повышения качества может решаться и в от­
ношении параметров внутреннего функционирования процесса,
т. е. того, что непосредственно не связано с выходными парамет­
рами изделий. Примером может служить синхронизация р а б о т ы
станков в автоматической линии или в каком-либо технологичес­
ком потоке. Бесспорно, чем выше синхронизация взаимосвязан­
ных этапов процесса, тем он эффективнее, появляется возмож­
ность ликвидации различных накопителей и складов, сокращает­
ся период нахождения изделия в производстве, достигается луч­
шая загрузка оборудования и др. Заметим, что этот пример
иллюстрирует случай повышения качества временных характери­
стик функционирования процесса, когда основным является иден­
тичность значения такта работы каждого станка.
Рассмотренная выше система показателей характеризует каче­
ство действующего производственного процесса. Очевидно, что
и на стадии разработки нового производственного процесса ис­
ходной информацией будет та же система показателей. К р о м е
того, необходимо представлять весь спектр задач, которые при­
дется решать, создавая и обеспечивая функционирование данного
процесса.
В общем плане это задачи, связанные с созданием согласован­
ной системы из трех основных взаимодействующих элементов
процесса (см. рис. 2.2). Технологическая система Т С — это чело­
веко-машинная система, состоящая из орудий труда и людей,
наделенная определенными свойствами, знаниями, навыками
воздействия на данный предмет труда (заготовку 3) с целью
превращения ее в готовое изделие (деталь Д). Заготовка — это
определенная совокупность исходных свойств предмета труда,
подлежащего обработке на данный ТС. Деталь — изделие с за­
данными свойствами. Совмещение элементов Т С и 3, как извест­
но, образует понятие средства производства.
С точки зрения методической последовательности разработка
процеа:а в общем случае — задача многовариантная и зависит
t
f
50
"/пах
POmin
ъ
от системы исходной информации, вида критерия и системы
ограничений. Большинство конкретных задач указанного плана
носит оптимизационный характер. На основании элементной мо­
дели процесса можно выделить шесть вариантов исходной ин­
формации: только об изделии (Д); об изделии и технологической
системе (Д — ТС); об изделии и заготовке (Д — 3); только о за­
готовке (3); о заготовке и технологической системе (3 — ТС).
Вариант Д относится к наиболее традиционной ситуации,
когда необходимо определить на основании заданного критерия
и системы ограничений оптимальную композицию 3 и ТС для
получения Д со всеми требуемыми характеристиками — качест­
венными, количественными и временными. Вариант (Д — ТС)
заключается в выборе заготовки или заготовок для изготовления
данного изделия, наиболее часто эта ситуация возникает в усло­
виях действуюш[его производства. Вариант (Д — 3) — наиболее
точно соответствует ситуахщи создания нового производства для
изделий массового и серийного характера.
Варианты с исходной информацией (3 — ТС) тшшчны для
организации безотходного производства, когда в роли заготовки
выступают те или иные материалы основного производства,
а ТС — это обычно те производственные ресурсы, которыми
обладает данное предприятие или то, что необходимо для замы­
кания цикла безотходной технологии.
Вариант ТС типичен для организации производства из одно­
типного технологического оборудования (участки: заготовитель­
ные, термообработки, химических покрытий, штамповочного
оборудования, токарных, зуборезных станков и др.). Критерием
здесь обычно является максимальная равномерная загрузка обо­
рудования.
§ 5. Производительность процесса
и технологичность изделия
Производительность и технологичность — два
взаимосвязанных понятия, которые неизменно присутствуют
в системе технико-экономических показателей, характеризуюпщх
процесс. Определение понятия «производительность» — количе­
ство продукции, изготовленной в единицу времени,— по сути,
отвечает на вопрос, в каких единицах измеряется производитель­
ность, а не на вопрос, что такое производительность. Кроме
того, оно требует дополнительной информации о качестве и ин­
тенсивности затраченного труда.
Более строгое в этом смысле определение: производитель­
ность труда есть количество выпущенной продукции, отнесенное
к трудовым затратам, также не раскрывает структуры этого
понятия и не указывает на то, какие именно отношения между
элементами производственного процесса оно характеризует.
51
Аналогичное положение возникает и с определением понятия
«гехнологичность» — свойство, позволяющее использовать на­
иболее экономичные технологические процессы для его произ­
водства. Определение, относящееся к области машностроения:
конструкцию машины или детали принято называть технологич­
ной, если она позволяет в полной мере использовать все возмож­
ности и особенности наиболее экономичного технологического
процесса, обеспечивающего ее качество при надлежащем количе­
ственном вьшуске, также не вскрывает структуру понятия тех­
нологичность.
На основании вышеизложенного можно сказать, что оба эти
понятия — производительность и технологичность — определя­
ют некие внутренние отношения между элементами производст­
венного процесса и одно из них, а именно производительность,
является внешней, выходной характеристикой процесса, а тех­
нологичность — его внутренней характеристикой.
Рассмотрим отношения между элементами модели произво­
дящего процесса, представленной на рис. 2.2. Отношение Д к ТС,
т. е. к средствам производства показывает, может ли быть изго­
товлена деталь на данной ТС из данной заготовки, т. е. тех­
нологична ли деталь. Отношение ТС к Д показывает, обладает ли
ТС необходимыми производящими свойствами, чтобы изгото­
вить деталь из данной заготовки, т. е. производительна ли ТС.
Отношение 3 к Д показывает, обладает ли заготовка необходи­
мым набором свойств, которые могут быть трансформированы
данной ТС в требуемые свойства детали.
Из этого следует, что производительность и технологично­
сть — два взаимообратных понятия. Производительность — это
определенная совокупность производящих (технологических)
свойств ТС по отношению к данной детали при заданной заго­
товке (исходном предмете труда). Техножигнчность — это опре­
деленная совокупность свойств детали по отношению к средст­
вам производства. Заметим, что свойством производительности
обладает только труд, реализуевлый в двух своих формах: овеще­
ствленного или прошлого труда и живого труда.
Понятия прошводительность и технологичность — предмет­
ны, а это значит, что нельзя ответить на вопрос: какова произ­
водительность данного станка вообще, т. е. насколько он произ­
водителен, не фиксировав конкретные свойства заготовки и дета­
ли. Также нельзя ответить на вопрос: технологична ли данная
деталь, не определив соответствующие свойства ТС и 3.
Обычно в конкретной ситуации довольно легко можно уста­
новить, какая из ТС производительнее по отношению к заданной
композиции 3 и Д. И наоборот, какая конструкция одной и той
же по служебному назначению детали технологичнее по отноше­
нию к фиксированным средствам производства.
52
Однако в известном смысле можно говорить и о так называ­
емой абсолютной технологичности, определяющей границу меж­
ду понятиями «технологично» и «нетехнологично». Изделие нете­
хнологично, если оно не может быть в принципе получено с со­
блюдением всех выходных параметров как предмета производст­
ва. Например, в абсолютном смысле нетехнологичен, т. е. не
может быть изготовлен ни при каких исходных данных средств
производства, вечный двигатель. ТС будет непроизводительной,
если она не обеспечивает всех требуемых выходных характери­
стик предмета производства:
Предмет производства характеризуется тремя группами хара­
ктеристик: качественными, количественными и временными. Та­
ким образом, данная ТС будет непроизводительной, если не
обеспечивается хотя бы одна из характеристик: 1) качественные
показатели изделия (геометрическая точность, твердость, качест­
во поверхностного слоя, параметры соединения деталей или сбо­
рочной единицы и др.); 2) вьшуск требуемого количества изделий;
3) требуемый временной режим вьшуска изделий (цикл, такт).
Данное изделие будет нетехнологичным, если на фиксирован­
ной ТС оно не может быть изготовлено с соблюдением требу­
емых качественных показателей или временных показателей; или
не может быть изготовлено все требуемое количество изделий.
Таким образом, можно говорить о наличии трех аспектов в поня­
тиях «производительность», и «технологичность»: качественном,
количественном и временном.
Сказав, что деталь технологична по отношению к данному
сочетанию ТС и 3, мы тем самым фиксируем вполне определен­
ные затраты труда и продукта природы на ее изготовление. Эти
затраты оригинальны по качественному составу и объему и явля­
ются фактически свойством данного изделия — трудоемкостью.
Эти затраты имеют минимальное физически допустимое значе­
ние, ниже которого опуститься принципиально нельзя. Последнее
обстоятельство особенно важно при формировании требований
к снижению себестоимости продукции и повышению производи­
тельности труда в данных конкретных условиях производства.
Отметим характерные примеры различных видов технологич­
ности и способы ее обеспечения: 1) удобство форм детали для
обработки ее на ТС с точки зрения простоты оснастки и доступ­
ности поверхностей; 2) подбор номенклатуры изделий для дан­
ной ТС с близкими значениями качественных параметров; 3)
унификация форм деталей и конструктивных элементов как пред­
посылка для типизации технологических процессов: 4) независи­
мость технологической последовательности обработки при изго­
товлении деталей как признак гибкости технологии; 5) отработка
конструкции детали, способствующей применению наиболее бла­
гоприятного способа получения заготовки, и в частности, повы­
шению коэффициента использования материала; 6) удобство
53
форм деталей для сборки и особенно автоматической, в частно­
сти создание условий для самоориентации деталей в загрузочных
устройствах; 7) подбор номенклатуры деталей, изготовляемых на
данном робототехнологическом комплексе, позволяющей приме­
нить единую конструкцию схвата; 8) введение полной симметрии
в форму детали с помощью дополнительных конструктивных
элементов, позволяющих устранить необходимость ее ориента­
ции при сборке; 9) введение более резкой асимметрии детали по
наружному контуру для упрощения приемов ее ориентации по
внутренним конструктивным особенностям и др.
Обеспечение технологичности направлено на повышение про­
изводительности труда, достижение оптимальных трудовых
и материальных затрат и сокращение времени на производство,
в том числе на монтаж вне предприятия-изготовителя, техничес­
кое обслуживание и ремонт изделия. Технологичность оценивает­
ся стоимостными, временными и ресурсоемкостными показате­
лями. Определенное место должны занимать и показатели социа­
льного, эргономического и экологического характера.
Точная полная оценка технологичности детали требует нали­
чия процесса ее изготовления. Однако приемы оценки технологи­
чности на предварительных и промежуточных этапах создания
процессов изготовления изделий имеют большое значение для
контроля принимаемых решений и правильного выбора направ­
ления работ.
Степень отработки изделия на технологичность во многом
зависит от типа производства. В массовом производстве от­
работка на технологичность происходит одновременно с фор­
мированием производственных условий для одного или небольшой
номенклатуры однотипных изделий. Возможности дальнейшего
совершенствования (с точки зрения технологичности) изделия
в действующем массовом производстве обычно ограничены.
В условиях единичного производства этапы проектирования
изделия и создания технологии его изготовления, как правило,
существенно не совпадают во времени. Кроме того, при быстрой
смене номенклатуры часто известен лишь класс, тип или вид
изделия, но не известны конкретное изделие и требуемый объем
вьшуска. Поэтому при создании производственной системы
в указанной ситуации необходимо рассматривать вопросы тех­
нологичности типовых элементов определенного класса изделий,
из которых они будут создаваться, моделировать и прогнозиро­
вать эффективные конструкторско-технологические решения.
Повышение производительности труда имеет определяющее
значение для создания эффективных производственных процес­
сов. Наиболее часто это понятие соотносится с фактом увеличе­
ния вьшуска продукции на данном предприятии или с сокращени­
ем цикла ее изготовления. Однако в общем случае улучшение
54
значении указанных параметров производства еще не значит, что
им соответствует именно повышение производительности труда.
Можно отметить три разновидности повышения производи­
тельности труда.
I. Интенсификация заключается в увеличении технологических
режимов оборудования и повышения доли основного технологи­
ческого времени в общих временных затратах на изготовление
изделий. Теоретическим пределом здесь является полное отсутст­
вие непроизводящих процессов в производственном цикле, что
принципиально невозможно, ибо любому производящему про­
цессу должно соответствовать некоторое (пусть очень малое)
множество непроизводящих процессов, или, как их называют,
вспомогательных. С помощью различных способов удается со­
вмещать во времени вспомогательные процессы с основными,
что дает повьппение производительности труда.
П. Увеличение продолжительности работы ТС. Естественный
предел — 24 ч в сутки, что соответствует трехсменной работе.
Э^го направление приобретает все большее значение в связи с рез­
ким усложнением и удорожанием технологического оборудова­
ния. Рассматриваемый вариант связан с комплексом серьезных
социальных проблем, относящихся к негативным сторонам режи­
ма многосменной работы людей. Успешное решение этих про­
блем видится на путях организации автоматических производств
с безлюдной технологией. Очевидно, что, в свою очередь, это
выдвигает серьезные научные и технические задачи, связанные
с автономной работой технологических систем в автоматическом
регулируемом режиме и вопросами надежности и безотказности
производственных систем.
III. Увеличение производящей способности данной ТС за счет
внутренних резервов: улучшение организации ее работы и рас­
ширения технологических возможностей оборудования. Техни­
ческая модернизация данного станка или другого оборудования,
строго говоря, формирует новый станок. Его производитель­
ность, хотя и выше прежней в количественном исчислении, но
с точки зрения полноты использования новых производящих
свойств ситуация может оказаться и хуже.
Поэтому этот путь повышения производительности труда
должен заключаться в поиске методов и способов сокращения
цикла изготовления изделия, в получении большего количества
продукции из того же объема заготовок. Например, оптимизация
раскроя деталей из листового материала, изыскание приемов
повышения точности обработки, что создает предпосылки для
сокращения числа рабочих ходов и даже устранения дальнейшей
обработки изделий на другом станке. Все это, по сути, является
повышением производительности труда.
Правомерна и обратная постановка задачи: сокращение про­
изводительности данной ТС. Подобная ситуация встречается,
55
например, в сфере производства запасных частей для изделий,
вьшуск которых уже прекращен предприятиями. Для обеспечения
эксплуатации указанных изделий потребителем в течение устано­
вленных сроков их физического или морального износа, необ­
ходимо планируемое изготовление определенной номенклатуры
запасных деталей, узлов и агрегатов. При этом количество дан­
ных изделий, находящихся в эксплуатации со временем уменьша­
ется, а следовательно, уменьшается и потребность в запасных
частях.
Если вопрос о запасных деталях не может быть решен путем
их длительного хранения на складах в требуемом количестве,
возникает необходимость в периодическом запуске в производст­
во соответствующих партий этих деталей. Такой вариант тоже
может быть практически неосуществим по техническим или эко­
номическим соображениям. Тогда может оказаться приемлемым
вариант работы производственной системы с планируемым сни­
жением вьшуска деталей.
Аналогичная ситуация с точки зрения необходимого режима
регулирования уровня производительности отдельных станков
в общей технологической цепочке возникает в режиме реального
времени при изготовлении непрерывной продукции: ткани, бума­
ги, проката и др. Наиболее часто подобные вопросы решаются
путем варьирования технологическими режимами или режимом
периодического функционирования данного производственного
процесса.
Повышение производительности технологической цепочки стан­
ков. Каждый станок имеет физический предел производитель­
ности данной детали. Он определяется объективными законами
данного метода технологического воздействия (механообработ­
ка, сборка, измерение и др.) и так назьшаемой временной струк­
турой операции, зависящей от технологической компоновки стан­
ка. В реальной технологической цепочке всегда есть станок, ли­
митирующий производительность всей цепочки,— это станок
с минимальной производительностью. Поэтому для увеличения
производительности нужно знать резервы станков в цепочке.
В зависимости от этого должен приниматься вариант реше­
ния. Если запаса хватает и реализация его экономически оправда­
на, то проводят необходимые мероприятия на соответствующих
станках. В противном случае требуется замена станков более
производительными или дублирование их аналогичными. Изме­
нение производительности лимитирующего станка может приве­
сти к появлению другого лимитирующего станка с минимальным
запасом его производительности в новой ситуации. В этом случае
при необходимости указанный выше подход реализуется повтор­
но и т. д.
Ниже приведена принципиальная методическая последовате­
льность решения рассмотренной задачи: 1) определение содержа56
ПИЯ понятия «повьшхение производительности» для конкретной
рассматриваемой ситуации; 2) выявление резервов повышения
производительности ТС; 3) разработка системы предлагаемых
мероприятий; 4) оценка материальных и временных затрат; 5)
оценка новых соотношений производящих возможностей обору­
дования в технологической цепочке; 6) определение возможно­
стей дальнейшего повьппения проюводительности данной ТС.
Сравнение временных характеристик процессов. Одной из ос­
новных тенденций развития производственных систем является
существенное усложнение их комплексности. Имеется в виду, что
в одной технологически единой последовательности станков мо­
гут присутствовать различные по своей физической природе ме­
тоды технологического воздействия: механообработка, сборка
и термообработка, обработка давлением и химобработка, балан­
сировка и транспортирование и др. Они могут иметь различные
скорости функциональных воздействий.
На этой основе возникают серьезные проблемы обеспечения
эффективной совместимости разных методов в одной технологи­
ческой цепочке. Они должны быть согласованы по качественным,
количественным и временным показателям. В отношении произ­
водительности это касается прежде всего согласования времен­
ных характеристик методов технологического воздействия.
Оставляя в стороне известные приемы синхронизации ТС,
рассмотрим сопутствующий им вопрос о методах сравнения
временных характеристик различных процессов. При этом мы
должны учитывать различие производственных процессов по ви­
ду вьшускаемой пррдукции и единиц ее измерения. Первое естест­
венно и вполне очевидно, а второе, относящееся к дискретной
и непрерывной формам продукции, требует рассмотрения.
Действительно, как, например, сравнить процессы со следу­
ющими размерностями производительности: 1) 5,7 ч/станок
и 7 мин/деталь; 2) 7,2 кг/мин и 100 м^/сут; 3) 25 м ткани/мин и 15
мин/деталь.
Две первые пары размерностей имеют однородную структуру
показателей, относящихся соответственно к дискретной и непре­
рывной продукции. В знаменателе в первом случае может быть
записан абстрактный символ дискретной продукции — штука как
единица меры. При этом размерности будут соответствовать
понятиям период, цикл и такт выпуска продукции. Поэтому
сравнение показателей производительности осуществляют по
разности значений числителей.
Во втором случае имеем непрерывную и в этом смысле одно­
родную продукцию, а показатель соответствует по структуре раз­
мерности скорости. Следовательно, можно сравнивать эти про­
цессы по скорости изготовления стандартной единицы каждой из
продукций. Если нас интересуют потребительные меры этой же
57
продукции, то эти показатели можно легко перевести в другую
форму. Если указанные меры, т. е. в определенном смысле анало­
ги штуки, соответственно будут 15 кг= 1 шт. и 5,4 м^ = 1 шт., то
новые показатели примут вид: 2,08 мин/шт. и 1,29 ч/шт. и тогда
их сравнение осуществляют как в первом случае.
Сложнее обстоит дело при сравнении неоднородных по форме
продукции процессов — третий случай. Из теории размерностей
известно, что сравнивать можно только однородные величины.
Их значения можно вычитать и делить. Вычитание формирует
понятие, на сколько больше или меньше один элемент в сравне­
нии со вторым, а деление — во сколько раз больше или меньше.
Вычитание и деление неоднородных величин с точки зрения их
сравнения не имеет смысла.
Из этого следует, что неоднородные величины нужно сначала
привести к однородному виду. В качестве общего знаменателя
может быть или единица времени или единица дискретной npoziyкции. Первый вариант неприемлем, так как вторая из полученных
после приведения величин не имеет практического смысла: 25
м ткани/мин и 0,67 детали/мин. При общем знаменателе в виде
дискреты потребления (для ткани она условно принята 5 м = 1
шт.) имеем следующий вид приведенных показателей: 0,2
мин/шт. и 15 мин/шт. Сравнение стало возможным.
Это необходимо при организации процесса изготовления из­
делия, состоящего из комплекта различных деталей, мер матери­
алов, а также процессов их изготовления с разной природой
методов технологического воздействия. В этом случае единой
мерой (общим знаменателем) является дискрета потребления
в виде штуки, комплекта штук, меры вещества.
Указанный подход позволяет также ввести меру производите­
льности в многономенклатурные производства. Например, при
изготовлении определенной номенклатуры деталей на предмет­
но-замкнутом участке из многоцелевых станков, работающих
в режиме безлюдной технологии. Для таких участков обычно
формируется сменное задание по номенклатуре и количеству
деталей каждой номенклатурной единицы.
Процесс изготовления указанного комплекта деталей с точки
зрения маршрутов их обработки является непоточным, т. е.
работающим по системе станок — склад — станок. Все подчине­
но единой задаче: наиболее эффективно в заданный срок вьшолнить задание по всей номенклатуре. С этой точки зрения внешней
потребительной единицей продукции является ее общее количест­
во как некий комплект или дискрета в виде как бы комплексной
штуки. Размерность производительности данного участка будет:
время изготовления/комплексная штука, т. е. размерность пери­
ода или цикла производства.
Она дает возможность оценить резерв производительности
участка, рассчитать его загрузку, эффективность использования
58
его технологических возможностей, а также участвовать указан­
ной мерой своей производительности в планировании ритмич­
ного выпуска продукции на производстве, структурной единицей
которого является участок.
Встречающиеся иногда приведенные формы оценки произво­
дительности участка по детале-представителю дают в числителе
в общем случае дробное значение потребительной дискреты,
отнесенное к времени смены, что лишено практического смысла.
Кроме того, в показателе отсутствует информация о выполнении
программы по номенклатуре, что важно для соблюдения условия
номенклатурной комплектности производства.
ВОПРОСЫ для
САМОПРОВЕРКИ
1. Производство и его характеристики.
2. Взаимосвязь понятий предмет производства и предмет потребления.
3. Отношение понятий производственный и технологический процесс.
4. Технико-организационная структура производственного и технологичес­
кого процессов.
5. Качество процесса и его характеристики.
6. Содержание понятий «качественно» и «некачественно».
7. Структура понятия «повышение качества процесса».
8. Соотношение понятий «производительность» в «технологичность» и их
характеристики.
9. Сущность понятий «производительно — непроизводительно» и «техноло­
гично — нетехнологично».
10. Содержание ПОЕСЯТИЙ «повышение производительности процесса и тех­
нологичности изделия».
Глава
3
Взаимосвязь конструкции
изделия с процессом
его изготовления
§ 1. Геометрическая структура
изделий
Информация о геометрической структуре изделия
является основной при разработке процесса его изготовления.
Это в равной степени относится и к процессам сборки и к процес­
сам изготовления отдельных деталей.
Геометрическая структура — это внутреннее геометрическое
строение детали или сборочной единицы, реализующееся в их
форме и размерах. Другими словами — это совокупность исход­
ных геометрических элементов и определенная система отноше­
ний между этими элементами.
В качестве исходных элементов используются: точка {Т), от­
резок прямой (Пр) и плоскость (Пл).
59
Важность сведений о геометрической структуре детали изде­
лия определяется тем, что примерно 70% технологических реше­
ний, связанных с изготовлением изделия, зависит именно от этой
информации. Практика построения процессов изготовления ма­
шин говорит о том, что связь технологии с конструкцией просле­
живается на всех этапах производства. Это выражается в широ­
ком использовании принципов типовой и групповой технологий,
в типажах станков, реализующих определенные кинематические
схемы формообразования, в унификации на основе геометричес­
ких признаков технологической оснастки, инструмента и др.
Рассмотрим взаимосвязь геометрической структуры детали
с технологией ее изготовления. Заметим, что все основные поло­
жения будут справедливы и для сборочных единиц.
Можно выделить три иерархические уровня геометрической
информации о детали.
Первый, или параметрический, уровень, на котором формиру­
ется необходимый и достаточный набор параметров, характери­
зующий геометрический тип детали или ее частей. Например, для
цилиндра — это длина образующей и диаметр основания, для
конуса — это его высота и два диаметральных размера или
какая-либо другая форма его описания, для параллелепипе­
да — это три размера: длина, высота и ширина и т. п. Безуслов­
но, что уже эта информация в значительной степени ограничива­
ет возможные варианты формообразования конкретной детали.
А если учесть, что реальные детали имеют довольно большое
многообразие сочетаний геометрических форм, то номенклатура
станков для их изготовления в ряде случаев предопределяется
довольно жестко.
Второй уровень — размерный — определяет количественные
отношения между параметрами, что еще более точно характери­
зует тип детали или поверхности. Например, при больших значе­
ниях отношения длины образующей к диаметру основания тела
вращения это будет деталь типа вала, а при малых значени­
ях — типа диска. Ясно, что варианты процессов изготовления
данной детали еще более ограничиваются.
Третий уровень — точностной, на котором учитывают значе­
ния и соотношения между допусками на размеры детали. Здесь
уже во многом определяется не только принципиальная кинема­
тическая схема формообразования детали, но и тип станка, а так­
же его точность. При этом учитывается и другая информация:
о количестве изготовляемых деталей, их материале, временном
режиме выпуска и др.
При всем многообразии конструктивных форм деталей и их
точностных уровней все они описываются двумя видами раз­
меров: линейными и угловыми, которые могут быть охватыва­
емыми типа вала (В), охватывающими типа отверстия (О) и свя­
зующими (Л).
60
Элементарные модели деталей, на которых возможно сущест­
вование исходных структур, показаны на рис. 3.1. Геометричес­
кая структура детали (для упрощения рассматривается только
одно направление линейных размеров) может описываться одним
линейным размером В (рис. 3.1, а). Линейный размер типа Н воз­
можен в элементарной композищш обязательно с двумя раз­
мерами В: Bi и J?2 фис. 3.1, б). Тип линейного размера О появля­
ется на детали только в элементарном сочетании с тремя раз­
мерами В и двумя размерами Н (рис. 3.1, в). Аналогично для
угловых размеров это три элементарных варианта: В,
О и В1В2В3Н1Н2О (рис. 3.1, 2, д, е).
Важно заметить, что технологически могут быть получены
размеры только типов В а О. Это объясняется тем, что получение
размера связано с СЕЛОВЫМ воздействием на деталь. При этом,
пока в ТС не создастся необходимый внутренний натяг, съем
материала в виде стружки невозможен.
Таким образом, при обработке деталь обязательно должна
входить в силовой контур станка, в котором реализуется требу­
емая сила для среза слоя материала.
При получении размера В деталь испытывает сжатие, а при
получении размера О — растяжение. Реализовать силовое за­
мыкание (натяг) на размере Н невозможно, и он может быть
получен только косвенно через систему размеров В я О. На­
пример, H=B2-Bi (см. рис. 3.1, б), Hi=Bi-Bi и H2=Bi + 0
(см. рис. 3.1, в).
Все реальные тела пространственны, т. е. трехмерны. Однако
в некотором конкретном случае может оказаться достаточным
описание данной детали не в трехмерном пространстве, а на
плоскости или даже в одном направлении. Для каждого случая
можно указать вполне определенные правила описания геомет­
рической структуры детали и закономерности ее технологичес­
кого обеспечения.
Рассмотрим одномерный случай. Как показано на рис. 3.2,
ступенчатый вал имеет определенную систему линейных разме­
ров между торцами (эта система избыточна). Достаточно трех
в,
8,
и
О В,
Нг
и,
HI
")
—«— «'
^
б)
Bi
б)
Рис. 3.1. Исходные структуры размеров
61
линейных размеров для полной информации о геометрической
структуре вала. С технологической точки зрения это должна быть
система размеров, которые могут быть непосредственно получе­
ны, т. е. размеры типа В. Возможны четыре таких варианта:
1) Ви Bj и Вг, 3) Ви В, и В,;
2) 5,, Вг и В^, 4) Вг, Въ и В^.
В общем случае необходимое и достаточное число размеров
равно числу торцовых поверхностей детали минус единица.
С увеличением числа торцов вариантность технологически реа/шзуемых систем размеров возрастает. При числе торцов более
пяти вариантность составляет уже многие десятки комбинаций.
Очевидно, что отсутствие правил, устанавливающих связи между
конструкцией детали и технологией ее изготовления, приводит
к произвольной простановке размеров и допустимых отклонений.
С еще более сложным случаем мы встречаемся при описании
геометрической структуры плоских, т. е. двумерных деталей.
Рассмотрим это на примере симплекса двумерного пространст­
ва — треугольника. Однозначно треугольник может быть описан
одним из трех вариантов сочетаний его линейных и угловых
размеров (рис. 3.3): 1) а, Ь, с; 2) а, Ь, уй 3) а, у,, узОднако реализуемой и с точки зрения технологичной систе­
мой размеров является только а, уг, уз- Действительно, графичес­
кое построение треугольника с помощью только линейки и транс­
портира точно моделирует процесс изготовления плоской детали
типа треугольника на станке. Проведем эти построения для трех
вариантов описания структуры треугольника, что соответствует
трем вариантам простановки размеров на чертеже аналогичной
детали.
1. Обработать деталь по варианту а, Ь, с невозможно, так как
после получения одной из сторон неизвестно, под какими углами
к полученной стороне осуществлять обработку двух других сто­
рон треугольника.
2. Вариант а, Ь, yi также невозможен, так как после получения
стороны а, а затем под углом Vi стороны b неизвестно направле­
ние для формирования стороны с.
3. В случае а, уь уз обработка ведется в следующей последова­
тельности. Первой формируется сторона а. Затем из двух ее
концов под углами yi и уз осуществляют обработку сторон б и с .
Пересечение направлений этих сторон образует так называемую
точку геометрического, а здесь и технологического замыкания.
В результате автоматически формируются сразу две стороны
6 и с и угол У2 между ними.
Главным для дальнейших рассуждений о связи геометричес­
кой структуры детали с технологией ее изготовления в этих
62
"' г
. *'
^*
8,
* *
' ^
в»
с"»
.
*^ .
Рис. 3.2. Схема ли­
нейных размеров
вала
Рис. 3.3. Схема раз­
меров двумерного
симплекса
Рис. 3.4. Система разме­
ров четырехугольника
примерах является следующее. Для двумерного симплекса суще­
ствует единственная технологически реализуемая система раз­
меров: сторона и два прилежащих к ней угла. В результате
обработки на детали формируются размеры: две стороны и угол,
заключенный между ними. Это по аналогии с геометрическим
двумерным симплексом назовем двумерным симплексом техно­
логического замыкания.
Покажем, что эти выводы соответствуют любым по форме
плоским деталям, независимо от числа их сторон. Рассмотрим
построение четырехугольника по принятой системе с помощью
линейки и транспортира. Для описания геометрической струк­
туры четырехугольника необходимы пять параметров. Возмож­
ные формальные варианты (рис. 3.4):
1) а, Ь, с, d, уй 3) а, Ь, уи уъ ъ\
2) а, Ь, с, уи уг, 4) а, у,, уг, уг, у^.
В первом варианте можно реализовать сторону а, под углом
yi к ней сторону d. Дальнейшее построение, а следовательно,
и обработка невозможны.
По второму варианту можно провести сторону а, под углом
У1 сторону d и под углом у2 сторону Ь. Дальнейшее построение
также невозможно.
Третий вариант: проводим сторону а, под углом уг сторону Ь,
под углом Ух сторону d и под углом Уз сторону с. В итоге
образуется точка геометрического (технологического) замыкания
ТГЗ (ТТЗ) и автоматически формируются два размера сторон
с и J и угол между ними у4Четвертый вариант невозможен из-за недостатка для постро­
ения фигуры линейного размера. Заметим, что изменение в тех­
нологически реализуемом варианте угла у^ или угла уз на угол
У4 делает этот вариант также нереализуемым.
63
Следовательно, для плоских деталей существуют определен­
ные правила описания их геометрической структуры. Эти прави­
ла согласуют условие необходимости и достаточности системы
размеров с условием технологической ее реализуемости.
1. Для полного описания геометрической структуры плоской
детали (типа многоугольников) необходимо и достаточно N раз­
меров: N=2n—3, где п — число сторон многоугольника.
2. Число угловых размеров должно быть на единицу больше
линейных размеров.
3. Последовательности линейных и угловых размеров должны
быть непрерывными и согласованными так, чтобы к каждому
линейному размеру прилегало два угловых размера.
4. Исходным технологически реализуемым двумерным симп­
лексом размеров является сочетание линейного размера и двух
прилегающих к нему угловых размеров.
5. Двумерным симплексом технологического замыкания для
всех плоских деталей является система из двух линейных раз­
меров и угла между ними.
Если плоские детали представляют собой какое-то сочетание
1ШОСКИХ фигур (например, лист материала, в котором имеются
отверстия в форме многоугольников), то определение технологи­
чески обеспечиваемой системы размеров также поддается стро­
гой формализации.
Например, для детали, изображенной на рис. 3.5, нужно пять
размеров (два линейных и три угловых) для описания ее наруж­
ного контура, три размера (один линейный и два угловых) для
описания внутреннего контура и пять размеров для согласования
относительного положения наружного и внутреннего много­
угольников.
Для трехмерного симплекса (тетраэдр), который является ко­
нечным элементом декомпозиции любой сколь угодно сложной
пространственной детали тоже существуют аналогичные рассмо­
тренным выше зависимости. Например, исходным технологичес­
ки реализуемым размерным симплексом будут одна грань (это
один линейный и два угловых размера) и три двугранных угла,
прилегающих к каждой из сторон грани. Симплексом технологи­
ческого замыкания будет система из трех линейных размеров
ребер и одного трехгранного угла. Эти два
симплекса также присущи деталям любой
пространственной формы.
Таким образом, между геометрической
структурой детали, системой описания и тех­
нологией ее изготовления существуют опре­
деленные связи, которые поддаются фор­
мальному описанию. Последнее является осРис. 3.5. Система
НОВОЙ ДЛЯ автоматизации работ, связанных
плоских фигур
с проверкой чертежей на правильность про64
становки размеров, для разработки рекомендаций по описанию
геометрической структуры деталей и ряда других действий, свя­
занных с разработкой производственных процессов.
В технологическом аспекте главным является наличие так
называемых технологических симплексов, т. е. технологических
конечных элементов с определенным внутренним содержанием,
на которые может быть разложена любая сколь угодно сложная
технологическая последовательность изготовления деталей, что,
в свою очередь, открывает широкие перспективы для автомати­
зации анализа и синтеза технологических процессов на строгой
теоретической базе.
§ 2. Функциональные и
технологические системы размеров
Каждая деталь с геометрической точки зрения —
это пространственное тело, имеющее определенную форму и раз­
меры, или геометрическую структуру. Общее количество линей­
ных и угловых размеров, которое формально можно задать на
данной детали, избыточно по отнощению к их количеству, необ­
ходимому и достаточному для полного описания детали. При
этом все возможные варианты о1шсания детали совершенно рав­
ноценны, так же как и каждый из размеров. Введение понятия
«служебное назначение детали», т. е. выделение конкретных фун­
кций, которые она должна выполнять, позволяет определить
размеры, описывающие эти функции. Такие размеры называют
функциональными, а все остальные дополнительными, или вспо­
могательными.
В общем случае система функциональных размеров (СФР)
данной детали может быть разнообразной, но всегда она состоит
из трех типов линейных и угловых размеров: охватывающих (О),
охватываемых (В) и связывающих, или неснловых (Н).
Деталь может выполнять несколько функций, а следователь­
но, иметь и несколько систем функциональных размеров. Но
даже в этом случае этих размеров, как правило, недостаточно для
описания геометрической структуры детали. На рис. 3.6 изоб­
ражен шаблон, указанные размеры которого функциональны, но
они не дают полной информации о форме и размерах этой
детали.
Чтобы правильно составить для детали полную (необходи­
мую и достаточную) систему размеров (ПСР), рассмотрим ее
внутреннее содержание. Представим, что у некоторой детали
функциональным является охватывающий размер Di (рис. 3.7, а).
Остальные размеры вспомогательные: Х] и ji определяют место
расположения отверстия на детали, а. Nu М — ее габариты. Если
65
для выполнения данной деталью ее слу­
жебного назначения важны и координаты
отверстия, то ФСР будет иной: Dj, Хи yi.
Если у детали несколько функциональ­
ных размеров, например Di и 2)2 (рис. 3.7,
б), то к ним добавляются еще координиру­
ющие размеры: Хи уг и Хг, уг- При наличии
связей между функциональными элемента­
ми (межцентровое расстояние) они тоже
относятся к СФР: х-^^ и уп (рис. 3.7, в).
В общем случае СФР детали состоит из:
Рис. 3.6. Шаблон
1) размеров функциональных элементов;
2) размеров, описывающих отношения между различными функ­
циональными элементами данной детали; 3) размеров, определя­
ющих положение функциональных элементов в пределах габари­
тов детали.
В каждом конкретном случае в указанную систему обязатель­
но входят размеры первой групшл и при необходимости размеры
двух других групп. Остальные размеры относят к дополнитель­
ным. Дополнительными считают и те размеры, которые в дан­
ном случае не отнесены к функциональным, хотя в другой ситу­
ации могут ими быть.
Существует еще одна форма СФР, образующая замкнутые
последовательности линейных или угловых размеров. Примером
могут служить обычная линейка с делениями (1, 2,...) для измере­
ния расстояний, а также системы угловых размеров для крепеж­
ных отверстий во фланцах, корпусных деталях и др. (рис. 3.8).
Система дополнительных размеров многовариантна, поэтому
возникает вопрос, какой из вариантов принимать в каждом конк­
ретном случае. Как показано на рис. 3.9, из общего числа (10)
возможных размеров вала функциональными являются ^f и Of.
Для образования полной системы размеров необходимо доба­
вить к ним еще два размера из оставшихся восьми. При этом
-
'V,
дН"^
• ^
А
h
о)
S)
Рис. 3.7. Системы фушщиональных размеров
66
''^
в)
^
i
,1
^
•«
_
•^
m:
-••
- ^
4 ^ir 4 ^fr
^^
"'.
а)
i?»
\
^^,
%
Рис. 3.8. Замкнутая система размеров линейных (а)
и угловых (б)
* ^
A
''Z
HA-
B^
•^-*-
^3
нужно помнить, что непосредственно при
обработке получают размеры только ти­ - 6 — ^ ^
пов В и. О. Следовательно, одним из вари­ Рис. 3.9. Схема линей­
ных размеров вала
антов ПСР будет: £t, Of, 5з и Вг.
Практически ПСР может быть замкну­
той, а также включающей размеры типа Н. Такие ПСР непосред­
ственно технологически нереализуемы при обработке детали, т. е.
являются нетехнологичными. Указанные ПСР нужно трансфор­
мировать путем соответствуюпщх пересчетов в системы разме­
ров, которые могут быть вьшолнены при изготовлении детали,
т. е. будут технологичными (см. гл. 4).
В общем случае необходимо, чтобы производная технологи­
ческая система размеров: 1) гарантированно обеспечивала точ­
ность функциональных размеров; 2) была практически реализу­
емой на данном оборудовании; 3) позволяла реализовать требу­
емый уровень производительности изготовления детали.
Отметим основные положения, которыми нужно руководст­
воваться при составлении систем размеров, описывающих геоме­
трическую структуру деталей: 1) каждая деталь описывается
определенным необходимым и достаточным количеством линей­
ных и угловых размеров; 2) в общем случае описание многовариантно; 3) в конкретную СФР могут входить размеры всех видов:
Д О и Я; 4) в общем случае ПСР состоит из функциональных
и дполнительных размеров; 5) технологические системы разме­
ров многовариантны и могут состоять только из размеров вида
В м О; 6) производная технологическая система размеров необ­
ратима по отношению к исходной СФР; 7) точность размеров
детали может регламентироваться: а) ее служебным назначением;
б) технологией изготовления; в) оптимальным сочетанием пер­
вых двух факторов.
67
§ 3. Основы теории
пространственно-временных
взянмод^ствий
На базе пространственных взаимодействий
формируются предметное содержание процесса, его пространст­
венные координаты и масштабы или, как их называют, простран­
ственные связи. Под пространственными взаимодействиями (ЦВ)
понимается все кшогообразие показателей предметов, процессов
и их структурных элементов, в которых геометрические парамет­
ры присутствуют в явном виде. Указанные связи имеют иерар­
хическую структуру в виде системы исходных и производных
показателей. Так как пространство трехмерно, то и исходных
показателей три: расстояние, площадь и объем. Каждому из
исходных показателей соответствует геометрическая интерпрета­
ция в виде симплексов: отрезок, треугольник и тетраэдр.
Таким образом, все ПВ могут быть представлены в виде
моделей взаимодействий указанных симплексов. При этом следу­
ет учитывать, что ПВ бывают внутренними и внешними. Внеш­
ние характерюуют отношения между геометрическими элемен­
тами (точка, прямая, плоскость) разных предметов, а внутрен­
ние — между элементами данного предмета. Помимо этого ПВ
различаются и по размерности, т. е. могут быть линейными
(одномерными), плоскими (двумерными) и пространственными
(трехмерными). Часто, если не требуется конкретизации вида
данного взаимодействия, их называют просто пространственныыв, геометрическими или размерными.
Структура пространственных взаимодействий. Все многообра­
зие ПВ (рис. 3.10) описывается с помощью двух видов размеров:
линейного и углового. При необходимости используются также
двугранный и многогранный (телесный) углы. Каждое ПВ имеет
геометрическое замыкание (замыкающее звено) определенной
структуры. Рассмотрим основные модели ПВ, их свойства и хара­
ктеризующие их зависимости.
ПВ 1 одндомерное и имеет три исходные модели. В первой
присутствуют только увеличивающие составляющие звенья (ли­
нейные размеры): /1д = Е Л, (ПВ 1, а), а во второй увеличивающие
и уменьшающие: Лд=2 А,~1. Aj (ПВ 1, б). Звено считается
увеличивающим, если его приращение по знаку совпадает со
знаком замыкающего звена, в противном случае это будет умень­
шающее звено. Третья модель (ПВ 1, в) относится к случаю,
когда функциональные линейные размеры (Ai, Аг, А^ образуют
замкнутый контур, но ни один из размеров не является замыка­
ющим звеном в традиционном понимании. Для расчета этих ПВ
применяются специальные приемы и связанные с ними способы
технологического обеспечения (см. гл. 4).
68
ПВ2
ПВЗ
Ал
"y^Stu
Aj
/Ч
^^/
nas
-=^
Л-,
A,
As
пве
"'•Л\пп
BBS
ПВ7
Jr
'••0..
/7tf5
ПВ10
Рис. 3.10. Структура пространственных взаимодействий
ПВ 2 характеризует двумерное взаимодействие в виде плоской
размерной цепи. Здесь замыканием, т. е. как бы комплексным
замыкающим звеном, являются линейный размер Лд и два уг­
ловых размера у^. Ум- Такие размерные цепи иногда можно
рассчитывать по методу проекций. Проектируя звенья размерной
цепи на два координатных направления, одним из которых обыч­
но является направление замыкающего звена, переводят плоскую
размерную цепь в две линейные размерные цепи. Однако при
этом нужно учитывать, что в действительности углы у, между
составляющими звеньями, так же как и линейные размеры, име­
ют рассеяние. Поэтому расчет плоской размерной цепи по мето­
ду проекций с фиксированными значениями у„ даже если удается
69
получить информацию о всех значениях у,, может дать большую
погрешность. В общем случае расчет плоской размерной цепи
должен проводиться по формулам, учитывающим изменения
и линейных и угловых размеров:
m-l
1-1
-2 X ^X^cos
1-1
1=1
/
'
\
I у, Г„
\J-y+l
/
Эти формулы являются уравнениями соответственно для но­
минала и допуска замыкающего звена Лд. Что же касается опре­
деления двух других элементов замыкания ПВ 2: углов уд] и удз,
то они могут быть получены на основании теоремы синусов.
В качестве примера ниже приведено уравнение трехзвенной
плоской размерной цепи (рис. 3.11) для замыкающего звена Л д.
По структуре оно аналогично теореме косинусов и является
частным случаем общей формулы: Al=Al+Al—2AiA2Cosy.
ПВ 3 отражает трехмерный случай взаимодействий. Здесь
замыкание имеет ту же структуру, что и в ПВ 2, а расчетные
уравнения включают углы между составляющими звеньями, рас­
положенными в разных плоскостях.
Понятия, увеличивающие и уменьшающие звенья для ПВ
2 и ПВ 3, в общем случае не применимы даже тогда, когда расчет
этих взаимодействий ведется по методу проекций.
ПВ 4 имеет два варианта угловых размерных цепей в виде
системы центральных углов. Уравнения связей по структуре ана­
логичны связям линейных размеров в ПВ 1:
УД=ХУ,(ПВ4,
а) и уд = Хг.-1^7(ПВ 4, б).
ПВ 5 отражает угловые связи между двумя прямыми Пр1
и Пр2, которые непосредственно не взаимодей­
ствуют. Такая система угловых размеров приво­
дится к виду с центральными угловыми разме­
рами и рассчитывается так же, как и ПВ 4.
ПВ 6 иллюстрирует систему центральных уг­
лов замкнутого типа, в которой отсутствует за­
мыкающее звено в традиционном его понимаРис 3.11. Плос- НИИ Действительно, все угловые размеры у, с
ц ^ размерная ^очки Зрения СФР равноправны и в сумме всегда
70
составляют 360°. Если считать, что роль замыкающего звена
выполняет сумма уи то угол в 360° не может иметь никакого
допуска. Таким образом, создается ситуация, когда на каждом
составляющем звене должен быть допуск, а в сумме, т. е. на
замыкающем звене он равен нулю. Для расчета подобных за­
мкнутых взаимодействий используются специальные приемы,
а также методы технологической реализации таких СФР.
ПВ 7 представляет собой замкнутое взаимодействие линейных
и угловых размеров в виде двумерного симплекса — треуголь­
ника. Он обладает всеми свойствами плоских фигур: периметр
(П), площадь (5), сумма внутренних углов (ф = 180°). Эти параме­
тры, по существу, и являются замыканиями внутренних взаимо­
действий сторон этой фигуры и описываются следующими урав­
нениями:
ПА = А1 + А2+АЗ,
Si^=y/p(p-Ai)(p-A2)(p-A3);
180° = 7i-hV2+r3,
где p = (Ai + A2 + Аз)12 — полупериметр.
ПВ 8 имеет два варианта и построено на основе двумерного
симплекса. По сути, это взаимодействие плоских фигур (много­
угольников), находящихся в одной плоскости. Замыкание ПВ
8 аналогично по структуре ПВ 7, а уравнения связей имеют вид:
5д=Х'^,(ПВ 8, а); 5д=Х'5,-;^,(ПВ 8, б).
ПВ 8, а может быть также описано относительно замыкания
в виде периметра или суммы внутренних углов вновь получен­
ного многоугольника:
п
п
Яд=Х! Д ; Ф Д = 1 ! 7.,
1= 3
1-3
где 1/гд= 180 (л—2), и — число сторон многоугольника.
ПВ 9 является трехмерным и отражает взаимодействие плос­
ких поверхностей тел в пространстве с замыканием в виде площа­
ди многоугольника (5д). Уравнение этого взаимодействия ана­
логично зависимостям ПВ 2. ПВ 9 можно также записать от­
носительно двугранного угла уравнением структурно совпада­
ющим с ПВ 4, а, б для Уд и с ПВ 5 для случая замкнутого
взаимодействия двугранных углов в пределах 360°.
ПВ 10 представляет собой взаимодействие плоских поверх­
ностей тел в форме телесного угла разомкнутого вида (аналог
ПВ 4) и замкнутого вида (аналог ПВ 5). Замыканиями в данном
взаимодействии могут быть: плоский, двугранный и многогран71
ныи углы, сумма внутренних углов многогранника, площадь его
граней и объем.
ПВ 11 это взаимодействие трехмерных тел (деталей), исход­
ными элементами которых является трехмерный симплекс — те­
траэдр. Замыкания этого взаимодействия могут иметь замкну­
тый и разомкнутый вид и выражаться в виде площади поверх­
ности или объема V вновь получаемых при взаимодействии
геометрических фигур. Уравнения этих взаимодействий аналоги­
чны уравнениям ПВ \, а, б, в, но с иным содержанием составля­
ющих элементов (звеньев): площади и объемы взаимодейству­
ющих тел.
Пространственные взаимодействия с натягом. Рассмотренные
выше ПВ имели геометрическое замыкание, поэтому в основе
всех уравнений связей лежали соответствующие геометрические
отношения. Однако существуют и силовые замыкания, которые
подразумевают наличие сил взаимодействия, а следовательно,
и деформации тел. К таким ПВ относятся соединения с натягом.
В общем случае любое соединение пространственно, т. е.
трехмерно. Однако в зависимости от решаемой задачи соедине­
ния с натягом также могут рассматриваться в одномерной и дву­
мерной форме. На рис. 3.12 показаны ПВ с натягом: шпоночное
соединение (рис. 3.12, а), соединение вал — втулка (рис. 3.12, б)
и штамп для объемной штамповки (рис. 3.12, в). Соответственно
замыканиями в этих соединениях будут: размер А^ площадь
5д поперечного сечения вала и втулки, объем Кд штампуемой
детали. Графическое отображение моделей ПВ с натягом требует
специальных приемов, которые позволили бы показать требу­
емые геометрические параметры деталей до и после взаимодейст­
вия, а также каким-то образом отразить характер напряженного
состояния деталей. На рис. 3.13 показаны размерные связи для
соединения с натягом в виде шпоночного соединения. Это систе­
ма двух уравнений, где В, В^ и О, 0^ — размеры соответственно
шпонки и паза до и после сборки; Я, и Яо — натяг пшонки
и паза. Замыкающего звена в традиционном понимании здесь
нет. Фактически — это один общий размер В^ = Он для двух
размерных цепей. В зависимости от решаемой задачи в каждом
из уравнений
0J
Рис. 3.12. Соединения с натягом
72
в)
В=5н+ЯзИО = 0 , - Я о
в
замыкающим звеном может быть любой
из размеров.
^ Вн'Ои
_ Ив
Структура временных взаимодействий.
0
0
Указанные в гл. 1 временные связи, или
* 7Jл
взаимодействия (ВВ), отображаются
в виде моделей, аналогичных ПВ. Вре­
менная интерпретация этих моделей ос­
Рис. 3.13. Размерные свя­
новывается на базе двух исходных форм
зи соединения с натягом
времени: календарном и продолжитель­
ности в виде единичной длительности или повторяющегося цикла
процесса. ВВ бывают внешними, отражающими относительное
временное положение процессов или положение данного процесса
по временной координате, и внутренними, характеризующими
непосредственный ход данного процесса. Кроме того, ВВ могут
выражаться в форме замкнутых и разомкнутых взаимодействий.
Следует отметить, что сам по себе временной параметр не
может являться связью. Он имеет характер только меры, выра­
женной в той или иной стандартной единице (с, мин, ч и др.), или
длительности объективного процесса: сутки, месяц, год и т. п.
Только вводя конкретное содержание данного процесса и его
результата, можно образовать конкретное содержание времен­
ной связи, используя параметр времени. Для единичного гфоцесса с мерой выхода в виде штуки или заданного количества
стандартных мер (м, кг, т и др.) такие характеристики, как
длительность, период, цикл и скорость процесса, практически
совпадают. Эти временные связи описываются моделями и урав­
нениями вида ПВ \,а,б. Свойства этих моделей для ВВ и методы
расчета те же, что и для моделей ПВ 1.
Для периодически повторяющихся процессов, когда их со­
бственная длительность больше периодичности очередной реали­
зации, говорят о временной связи в форме понятия такт. В этом
случае система описания временной структуры данного процесса
представляется системой моделей вида ПВ I, а с относительным
их смещением на величину такта.
Когда замыкающим звеном ВВ является длительность ка­
кого-либо частного процесса внутри некоторого общего про­
цесса, используется модель ПВ 1, б. Если в реальном ВВ
ограничением общей его длительности, либо его периодической
повторяемости является объективный временной цикл (сутки,
месяц, год и др.), то имеет место модель замкнутого типа
аналогичная ПВ 6 со свойственными ей приемами и особен­
ностями расчета и реализации. Случаям, когда элементами.(со­
ставляющими звеньями) ВВ будут производные по времени:
скорость и ускорение, которым в производственном процессе
соответствуют, в частности, понятия «производительность»
р^
73
и «изменение (повышение или уменьшение) производительно­
сти», соответствует модель ПВ 2.
Таким образом, очевидно, что имеется глубокая структурная
аналогия моделей ПВ и ВВ. Это дает возможность строить
расчеты пространственно-временных взаимодействий на единой
методической основе с использованием унифицированного мате­
матического аппарата и программного обеспечения на ЭВМ.
§ 4. Основы базирования
Все окружающие вас предметы и явления — это
результат многообразных форм взаимодействия, понимаемого
как процесс взаимного влияния тел друг на друга. Форма деталей
и их размеры — это пример материализованных пространствен­
ных взаимодействий. Именно геометрическая структура тела яв­
ляется тем свойством, на фоне которого проявляются все другие
его свойства во взаимодействии с другими телами.
Элементарной моделью любого взаимодействия, в том числе
и пространственного, является пара тел, деталей или в самом
широком смысле неких элементов. Только при наличии пары
деталей возникает возможность говорить о взаимодействии, ана­
литически описывать и регламентировать его результат.
Для реализации любого по физической природе взаимодейст­
вия необходимо вьшолнение следующих условий: 1) наличие
пары взаимодействующих элементов (в нашем случае пары дета­
лей или элементов детали); 2) наличие инициирующего воздейст­
вия — сил и моментов (в общем случае силового поля); 3) зада­
ние начальных условий.
Максимально простым (элементарным) пространственным
взаимодействием, в котором присутствуют все основные черты
любого по сложности взаимодействия, будет взаимодействие
пары точек.
Взаимодействие бывает внутренним, оно характеризует связи
между составными элементами данного предмета, и внешним,
характеризующим отношения между парой элементов, принад­
лежащих разным предметам. На рис. 3.14 это изображено в виде
расстояния Аи и Ащ для точек 7 и 2 одной детали и соответствен­
на/
!)
Рис. 3.14. Внутреннее (а) и внешнее (б) взаимодействие
74
О
®
1!2
4
Рис. 3.15. Прямая (а) и косвенная (б) системы взаимодействия
НО разных деталей. Любое отношение может быть описано пря­
мым или косвенным способом (рис. 3.15). Прямой определяет
непосредственное отношение одного 1 из элементов к другому 2,
а косвенный определяет то же отношение через элемент 3.
Как уже отмечалось, все многообразие пространственных от­
ношений данной детали и системы деталей описывается с помо­
щью линейных и угловых размеров.
На рис. 3.16 представлена структура элементарных ПВ пары
деталей (1, 2), описываемая с помощью трех видов линейных
размеров: В — охватываемый, О — охватывающий и Н — свя­
зующий или несиловой. Аналогичная система отношений может
быть представлена и для угловых размеров. Каждое ПВ описано
трехвезнной размерной цепью, составляющими звеньями кото­
рой являются два размера взаимодействующих деталей, а замы­
кающим звеном будет размер, получающийся и относящийся уже
к системе из двух деталей. Как видно, существует довольно
ограниченное число исходных схем взаимодействия деталей при
их контакте. Каждому из этих ПВ соответствует вполне опреде­
ленная структура размерных связей. На основе этих элементар­
ных ПВ строится любая сложная система взаимодействующих
деталей в узле, сборочной единице и др. Обращает на себя
внимание тот факт, что все указанные взаимодействия имеют
только три геометрических типа деталей, в которых реализуются
определенные сочетания размеров В, О в Н (см. рис. 3.1).
Детали взаимодействуют друг с другом при соприкосновении
по своим поверхностям. Поэтому для нахождения закономер­
ностей этих взаимодействий у поверхностей нужно выявить то
свойство, от которого зависит характер их контакта. Таким
свойством является кривизна поверхности. Поверхности могут
иметь одинарную и двойную кривизну, а также не иметь кривиз­
ны (более строго это значит, что радиус кривизны такой поверх­
ности равен бесконечности). Каждому виду кривизны может
быть поставлено в соответствие конкретное геометрическое тело,
обладающее аналогичными свойствами контакта. Это сфера (С)
или шар, цилиндр (Ц) и тело типа призмы (Пл), оформленное
плоскостями.
75
Н
1
2
Bi
Bz
LI
i
2
0
Вл
В
н
—«ь
• «
ВА'Щ-Ю;
Вй^Щ
ИЛ=2Я1-1В1
О о
В
Ни
Рг
Ол
О
Нл
Ол
Оа=Щ-1в;
Е
2
TQ
Нл
О J—
н
К Нг
Ha=lOi-£Hi
-I
Г *
L
а
'
• ^
H^-ZBj'ZHj
Мй^Щ-Щ
Ba=£Hi
D
На
Hj^EBj+Lhj
Н
O^^lOi
^
ТШ1
в
hfS
Нл — * •
г
Ma=£Oi+EMi
Hi
04 =Щ
Ой
Рис. 3.16. Структура элементарных ПВ
Тогда все возможные варианты контактов пары поверхностей
реализуются в случаях, указанных на рис. 3.17. Как видно, число
контактных точек может быть от одной до трех Это важное
обстоятельство, которое необходимо учитывать при составлении
модели пространственного взаимодействия для любого конкрет­
ного случая контакта тел.
76
и
1Г
т\
ш
ПА
ш
ПА
Рис. 3.17. Вариавты контакта пары поверхностей
Чтобы оценить возможность переноса указанных замечаний
по контакту пары геометрических тел на случай контакта тел,
оформленных так называемыми реальными поверхностями,
определим понятие реального тела. Под реальным телом (дета­
лью) будем понимать объем, ограниченный одной непрерывной
поверхностью с двойной кривизной в каждой ее точке. Это
значит, что реальное тело всегда одноповерхностно и в каждой
точке имеет нормаль, а при контакте с другим телом может
иметь от одной до трех общих точек контакта. Здесь и в даль­
нейшем рассматриваемые тела будем принимать абсолютно тве­
рдыми и не деформирующимися при любой нагрузке.
Рассмотрим возможные случаи контакта пары деталей (тел)
с реальными поверхностями с учетом действующих сил и условий
равновесия. При контакте по одной точке (рис. 3.18, а) для
соблюдения условий равновесия необходимо, чтобы сила прохо­
дила через точку контакта. Как видно, этот случай критичен, так
как при малейшем смещении линии действия силы Р система
выйдет из равновесия и относительное положение тел юменится.
При двух точках 7 и 2 контакта (рис. 3.18, б) сила Р должна
проходить между ними, а при трех точках i, 2 и 5 (рис. 3.18,
в) — в площади образуемого ими треугольника. Последний слу­
чай схематично изображен и в виде фигуры тетраэдра. При
прохождении силы Р вне точки контакта или вне линии, соединя­
ющей две точки контакта, возникают еще две схемы контакта
тел, назовем их схемами одно- (рис. 3.18, г) и двухопорного (рис.
3.18, д) рычага. В них в качестве условий равновесия принимают­
ся уравнения равенства моментов сил.
Все пять случаев контакта пары тел интересуют нас с точки
зрения определения и описания относительного положения тел
77
Рис. 3.18. Схемы контакта реальных тел
При ИХ функционировании в системе тел (узле, машине и др.) или
при изготовлении деталей. Это можно осуществить при наличии
тела отсчета, системы отсчета или базы.
В широком смысле под базой будем понимать определенную
систему исходных понятий или отношений, формирующих среду,
в которой или по отношению к которой будут производиться
какие-то действия: описание явления, проведение исследований,
формирование системы понятий, определение состояния пред­
мета и др.
В геометрическом смысле база — это система координат,
в которой описывается или реализуется пространственное вза­
имодействие тел. При этом следует учитывать, что геометричес­
кие отношения, выражающиеся в тех или иных свойствах конк­
ретных взаимодействий безотносительны по своей сути. Напри­
мер, понятие расстояния между двумя точками безотносительно,
параллельность прямых или плоскостей тоже безотносительна
и т. д.
Однако при реализации, измерении и описании необходимо
ввести относительность в указанные взаимодействия. В широком
смысле это оявляется непременным методологическим принци­
пом при решении любых по природе задач. Ввести относитель­
ность можно прямым и косвенным способами (см. рис. 3.15).
С этих позиций базирование — это введение относительности,
т. е. системы отчсчета — базы, во взаимодействие пары тел. Суть
этого состоит в следующем: 1) выбрать способ введения от­
носительности (прямой или косвенный); 2) выбрать тело отсчета;
3) выбрать систему координат; 4) связать систему координат
с телом отсчета.
78
Говоря об относительном положении тел, причинах стабиль­
ности или нестабильности этого положения, возможных его ва­
риантах мы обращаемся к понятиям связи и степени свободы.
Действительно, какое положение будет занимать тело, зависит от
ограничений, которые накладывает на него среда в виде тел,
с которыми данное тело взаимодействует при данной системе
действующих сил или в общем случае силового поля.
Чтобы рассмотреть особенности связей, накладываемых
на тело другими телами, нужно вскрыть механизм контакта
тел и сделать это в естественной системе координат (ЕСК).
Каждому конкретному взаимодействию тел соответствует
определенная ЕСК, которая строится соответственно на
одной, двух или трех точках контакта с учетом точки
приложения силы, обеспечивающей данный контакт. В общем
случае ЕСК косоугольная.
На рис. 3.19 показана ЕСК, построенная на одной точке
контакта. Координатная плоскость XOY—это касательная
плоскость в точке контакта, ось Oz совпадает с направлением
действия силы Р (перпендикулярно к плоскости) и является лини­
ей пересечения координатных плоскостей XOZ и YOZ. Постро­
ение ЕСК на двух точках контакта производится в следующей
последовательности: 1) проводятся касательные плоскости в каж­
дой точке контакта, которые образуют при пересечении двугран­
ный угол; 2) через те же точки контакта и точку приложения силы
проводится третья координатная плоскость, которая при пересе­
чении с двумя предыдущими образует трехгранный угол, кото­
рый и будет ЕСК.
При трех точках контакта проводятся три касательные
плоскости, которые при пересечении образуют трехгранный
угол ЕСК.
Свободное тело, т. е. тело, на которое не наложены никакие
связи (ограничения), имеет в трехмерном геометрическом про­
странстве шесть степеней свободы. Применительно к декартовой
системе координат это три перемещения вдоль осей и три
вращения вокруг осей коор­
динат.
Рассморим, какие связи на­
ложены на тело при одной точ-
Рис. 3.19. Система координат, постро­
енная на одной точке контакта
Рис. 3 20. Тело на наклонной плос­
кости
79
ке контакта (см. рис. 3.19). Тело не может перемещаться вдоль
оси Z, все остальные движения в принципе возможны, но при
действии силы Р тело занимает неподвижное положение. Как
видим, одни связи накладывают ограничения на положение и по­
движность (по оси Z), а другие — только на подвижность тела.
Наглядно это можно пояснить на примере контакта пары тел
по наклонной плоскости (рис. 3.20). Действительно, в выбранной
системе координат тело А не может двигаться и занимает опреде­
ленное и неизменное положение по оси Y. Вдоль оси X оно тоже
не перемещается, так как на него действуют силы трения. В этом
смысле оно лишено подвижности. Однако эта неподвижность
может быть реализована в любом месте в пределах наклонной
плоскости, и в этом смысле положение тела неопределенно.
Таким образом, при контактном взаимодействии тел с реаль­
ными поверхностями при любом числе контактных точек (одна,
две или три) на него всегда наложено шесть связей. Три из этих
связей — перемещения вдоль осей координат — накладывают
ограничения на положение и подвижность тела вдоль каждой оси.
Они называются конечными геометрическими связями (КГС). Три
другие связи — вращения вокруг координатных осей — лишают
тело только подвижности, но не определяют его положения. Эти
связи называются неконечными геометрическими связями (НГС).
Любая конкретная схема контакта данного тела всегда явля­
ется определенным сочетанием наложенных конечных и неконеч­
ных связей, которых в сумме всегда шесть. С этой точки зрения
контакт тела по одной точке — это случай наложения одной КГС
и пяти НГС. Первая определяется характером контакта тела,
а вторые — действующими силами.
Решая практические задачи пространственного взаимодейст­
вия тел, мы говорим о придании им требуемого положения. Это
значит, что необходимо наложить шесть КГС. Однако это физи­
чески невозможно, так как существуют только три КГС, а три
другие — НГС, а им не присуще свойство точности положения.
Другими словами, задачу придания телу требуемого положения
в теоретическом плане можно сформулировать так: наложить на
тело шесть КГС.
При проектировании изделий и деталей, при разработке про­
цессов их изготовления мы имеем дело с геометрическими об­
разами изделий и их элементов. Мы применяем также по отноше­
нию к ним идеализированную модель пространственного вза­
имодействия, суть которой состоит в том, что, считая тела
абсолютно твердыми, мы еще принимаем условие о возможности
существования шести КГС, т. е. реальную модель пространствен­
ного взаимодействия, в которой три КГС и три НГС переводим
в модель с шестью КГС.
Очевидно, что такое допущение связано с необходимостью
ввести в реальную модель взаимодействия дополнительные огра80
вичения и условия. Главное из них, которое и дает возможность
представить все связи в виде КГС,— это идеализация формы
поверхности тел. Теперь цилиндрическиЁ валик можно считать
оформленным одной цилиндрической и двумя плоскими поверх­
ностями. Корпусную деталь в виде куба, оформленную шестью
плоскими гранями, и т. п.
Кроме того, рассматривая тело, обычно в прямоугольной
системе координат, мы фактически идеализируем и тело отсчета.
При этом ЕСК мы заменяем декартовой прямоугольной си­
стемой координат или какой-нибудь другой, удобной для дан­
ного конкретного случая. Все это приводит к тому, что реальный
механизм контакта тел отражается идеализированной моделью
неадекватно.
Одним из приемов представления естественной картины свя­
зей в виде шести КГС является введение так называемых скры­
тых баз. Скрытая база — это координатная плоскость, мысленно
проводимая перпендикулярно к имеющимся у детали конструк­
тивно оформленным поверхностям, принимаемым за координат­
ные плоскости. Скрытыми базами, т. е. несуществующими на
детали в виде каких-то ее поверхностей, являются, например, две
плоскости координат, образующие при пересечении ось цилинд­
рического валика.
Используя указанный, в общем полезный и наглядный прием
построения полной системы координат, нужно всегда помнить,
что фактически взаимодействие тел происходит в ЕСК. Поэтому
введение скрытых баз — это, по сути, переход к искусственно
созданной системе координат, а следовательно, все последствия
такой замены должны, строго говоря, обязательно учитываться.
В ряде задач относительно невысокого уровня точности в от­
ношении пространственных взаимодействий такая идеализиро­
ванная модель может быть использована, так как она упрощает
описание механизма контакта тел. Однако с возрастанием требо­
ваний к качеству машин и их деталей, мы все чаще оказываемся
в ситуации, когда недопустимо использовать указанную модель.
В теории базирования рассматривают пары взаимодейству­
ющих тел. При различных композициях связей, используемых
в конкретных случаях, мы фактически имеем дело с кинематичес­
кими парами. Это нужно понимать в том смысле, что геомет­
рическим связям могут бьггь поставлены в соответствие опреде­
ленные кинематические перемещения. Такой подход позволяет
представить все возможные случаи пространственных взаимодей­
ствий в виде классификации по структуре, аналогичной клас­
сификации пар по И. И. Артоболевскому.
На рис. 3.21 представлена классификация пар геометрического
взаимодействия (ГВ), соответствующая следующим ограничени­
ям модели: 1) тела абсолютно твердые; 2) тела оформлены
геометрически идеальными поверхностями; 3) тело отсче81
та — прямоугольная система
координат; 4) для каждой си­
Ж.
стемы контакта предполагает­
SlL
ся наличие системы сил, ее
5-2-1
обеспечивающей.
Цифры в структурной
формуле
схемы базирования
3-2-0
(см. рис. 3.21) определяют чис­
ло ГС соответственно на плос­
3-1-1
костях координат XOY, XOZ
и YOZ; а П и В обозначают
перемещения и повороты на
2-2-1
соответствуюпдах осях коорди­
нат. Для краткости КГС
2-t-l
и НГС обозначены соответст­
венно К и Н. На рис. 3.22
и 3.23 даны формальные обо­
2-2-0
значения схем базирования
^
с замыканием по силе и моме­
3-1-0
нту и их названия. Во всех схе­
мах базирования подразумева­
ется наличие определенной си­
2-f-O
стемы сил и моментов, кото­
рые обеспечивают равновесие
тела в данном положении.
t-!-l
В этом смысле можно гово­
рить о статике базирования.
3-0-0
Процесс базирования рас­
пространяется и на те случаи,
когда взаимодействующие те­
ла образуют кинематические
пары. Тогда перемещения ин­
терпретируются как кинемати­
ческие движения, характер ко­
торых определяется наложен­
1-0-0
^
ными связями. Аналогом тре­
буемого положения тела здесь
Рис. 3.21. Классифтсация пар геоме­
становится требуемый закон
трического взаимодействия
движения. Таким образом,
в кинематике базирования рассматривают вопросы, связанные
с геометрическими свойствами механического движения и реша­
ют два типа задач: 1) по наложенным связям определить траек­
торию тела; 2) по траектории тела установить характер наложен­
ных связей.
Связи записывают в форме, явно зависящей от времени,
например, n.^fit);
B^^f{t).
и,жс\ Сиена
\6ат1Л"а«
82
Cutixm
Реализация
и,вн1прируюш,ая база
Координатный у90л дезапорная база
^5
^^
•ллл:
Ъс?6г
r2J
£ r,J
1 23
±L§L46
4 ^
LA. JM
J-f-/?
3-1~4
Дбойная направляю' Шоскоопорная база
ицая база
Осеопорная база
^Л
и
1-г-4
Трехапарная база
3>4
4^
/ г
J
J 4
иг
ч^--?
тосте
/23
г 1,3
4
3-1-0
z-z-o
Установочная база Плосноопорная база
/ 23
л. л.
г 1.3
/
2
1,2
3-Q-0
ДВухапориая база
-кг
1
^1
2
\^
г 1,3
J-2-1
1 2
<5 -^^
•Л. л:
2-0-0
Опорная база
ФФ
ф
1-0-0
Рис 3.22. Схемы базирования с замыканием по силе (схема 2-0-0
ляющая)
направ-
иоорЗинатный уеол
1 Безо парная Sam
<^
^6
з-г-i
центриющая Ваза
3-Z-0
Осеоперная база
г 3
3-1-1
гг-1
двойная напраВляющап
П/1аско-опврная база
L SaiaJ,
3-1-0
2-2-0
Установочная Ваза Направлянщая база
•2С-
Т
Ф
fo^^
3-0-0
2-0-0
Рнс. 3.23. Схемы базирования с замыканием по моменту
В динамике базирования рассматриваются взаимодействия
тел при учете их массы и действующих сил. Возникающие связи
записывают в форме дифференциальных уравнений движения
тела. Рассматриваются два вида задач: 1) определение движения
тела при заданной системе действующих сил; 2) определение
системы действующих сил по известному закону движения тела.
84
приведем несколько примеров, иллюстрирующих рассмот­
ренные выше аспекты базирования.
Статика базирования. 1. Заданы условия требуемого положе­
ния тела. Определить системы сил, обеспечивающих это положе­
ние с учетом свойств контактирующих поверхностей. 2. Задана
система действующих сил или моментов. Определить необходи­
мый контакт тела, обеспечивающий требуемое его положение.
ХСянематика базирования. 1. Задана требуемая траектория дви­
жения тела. Определить характер связей, которые должны быть
наложены на тело для обеспечения указанной траектории. 2.
Заданы связи, наложенные на тело. Определить характер траек­
тории движения этого тела.
Динамика базирования. 1. Заданы требуемые условия положе­
ния тела при его движении и положение его центра масс. Опреде­
лить связи, которые нужно наложить на тело, чтобы при движе­
нии оно заняло требуемое положение. 2. Задана система сил
и центр масс тела. Определить то положение, которое займет
тело при движении.
Рассмотренная выше структура теоретических схем базирова­
ния дает возможность в пределах принятой модели взаимодейст­
вия аналитически описывать пространственные отношения тел
в статике, кинематике и динамике. При переходе к реализации
и количественной оценке конкретных случаев пространственных
взаимодействий необходимо учитывать естественный механизм
контакта тел по их поверхностям. Это особенно важно при
составлении схем жесткостных и прочностных расчетов деталей
и конструкций, а также при анализе механизма образования
погрешностей при изготовлении деталей и сборочных единиц.
Все Вкшогообразие пространственных отношений, которые мы
используем для оценки геометрической структуры деталей и ма­
шин, описывается матрицей элементарных геометрических от­
ношений (рис. 3.24). В качестве исходных элементов приняты три
геометрических симплекса: точка (Т), отрезок прямой (2Т) и тре­
угольник (кусок плоскости — ЗТ). Элементами матрицы являют­
ся отношения между указанными симплексами. Связи, фор­
мирующие отношения, изображены в виде прямых, соединяющих
соответствующие элементы. В качестве примера рассмотрим ряд
структурных элементов:
Т — Т (11) — отражает расстояние между двумя точками,
а следовательно, и те параметры, которые аналогичны этому
понятию;
27" — 2Т (22) — расстояние и угол между прямыми (соос­
ность поверхностей вращения; скрещивание осей и т. п.);
ЗГ—ЪТ (33) — описывает многообразие отношений между
двумя плоскостями.
85
Рис. 3.24. Матрица элементарных геометрических отношений
Особенно важно то, что матрица вводит единое представле­
ние о пространственных отношениях, построенное на исходном
геометрическом отношении — расстоянии между двумя точками.
Любое другое отношение является производным от отношения
Т — Т. Так, параллельность — угловая мера относительного по­
ложения пары прямых — имеет размерную структуру, показан­
ную на рис. 3.25, и выражается в виде зависимости
tgy-(Ai-A2)//.
Очевидно, что все многообразие обрабатывающих станков,
приспособлений и инструмента также единообразно описывается
этой же матрицей. Например, токарный станок при обработке
валика в центрах — это элемент пространственных отношений
86
Пр — Т, шлифование цилиндрической
поверхности периферией круга — это от­
ношение параллельности Пр — Пр, све­
рление отверстия на вертикально-свер­
лильном станке — это элемент матрицы
Пл — Пр и т. п.
Такой общий подход к описанию гео­
метрических взаимодействий, а также
Рис. 3.25. Структура па­
к их реализации позволяет формализо­
раллельности
вать, а затем и автоматизировать выбор
требуемых технологических элементов (станки, оснастка, инст­
румент и др.) при создании процесса изготовления детали и сбо­
рочных единиц с заданной системой геометрических отношений
между их элементами.
§ 5. Геометрическое
и*силовое замыкание
Относительное положение и движение тел опре­
деляется другими телами, с которыми они взаимодействуют,
а также системой действующих сил. Однако кроме придания телу
требуемого положения существует задача обеспечения определен­
ности базирования, т. е. неизменности положения или заданной
траектории движения во времени. Это можно обеспечить только
при условии нейтрализации действующих внешних сил, наруша­
ющих требуемые условия данного взаимодействия, т. е. нужно
осуществить как бы фиксацию, или замыкание, тела.
Замыкание может быть геометрическим и силовым и фик­
сировать линейное или угловое положение тела. Силовое замыка­
ние проявляется в виде действия силы, момента силы или пары
сил. На рис. 3.26 показаны случаи линейного (рис. 3.26, а) и уг­
лового (рис. 3.26, б) геометрического замыкания, а также силово­
го замыкания (рис. 3.26, в — е). Во всех случаях тело фиксируется
в требуемом положении. Безусловно, что в реальных взаимодей-
Рис. 3.26. Виды замыкания
87
ствиях тел указанные виды замыкания проявляются совместно
в различных формах сочетаний.
Отметим важное свойство замыкания: каждому данному от­
носительному положению или движению взаимодействующих
тел соответствует вполне определенная структура замыкания,
и наоборот, т. е. положение (движение) тела и замыкание взаим­
нооднозначны. Это дает возможность ставить для всех случаев
базирования (статика, кинематика, динамика) две задачи — так
называемую прямую и обратную (см. § 5 гл. 3).
Несоблюдение требований к замыканию приводит к смене
базы, которая состоит в том, что при изменении системы дейст­
вующих сил, соответствующей данной схеме базирования, обяза­
тельно происходит изменение положения тела. В идеальном слу­
чае силы крепления должны прикладываться строго напротив
опор, чтобы исключить появление моментов. По условиям рав­
новесия эта система сил должна быть сходящейся, т. е. приводи­
мой к одной точке.
Однако крепление в указанной точке детали часто оказы­
вается невозможным по конструктивным соображениям или
по причинам, связанным с конкретной обработкой детали. Лю­
бая производная схема крепления детали должна быть экви­
валентна исходной. Разработка такой схемы связана с переходом
от исходной точки приложения силы к новой системе точек
приложения сил.
Возможны два варианта разложения исходной силы Р по
схеме двухплечевого (рис. 3.27, а) и трехплечевого рычагов (рис.
3.27, б), а также их сочетание. Суть состоит в том, что каждая
последующая схема разложения силы Р должна отвечать услови­
ям равновесия рычага. Варьируя длиной плеч (/], Ij, /3) и моду­
лями локальных сил (Р,, Рг» Рз), можно обеспечить любую необ­
ходимую и практически реализуемую схему крепления. Мо­
жет ставиться и обратная задача. Если по каким-то причинам
строго регламентированы значение и место приложения сил креп­
ления, то можно определить соответстр , f
вующую им схему расположения опор.
,'
'
,
^ щ
При реализащш конкретных схем
о)
установок приходится считаться с неста­
бильностью положения фактических то­
чек контакта детали на опорах приспосо­
блений. Последние часто выполняются
в виде плоских пластин относительно бо­
льшой площади. При неправильном рас­
положении точек приложения сил образу­
ются моменты, поворачивающие деталь
на опорах во время крепления. ПроисРис. 3.27. Схемы разлоХОДИТ инверсия баз, заключающаяся
жения сил крепления
в том, что схема с замыканием по силе
88
переходит в схему с замыканием по моменту. Деталь при этом
изменяет свое первоначальное положение.
Как показано на рис. 3.28, а, при действии силы зажима
Р в точке А из-за момента М=Р1 происходит поворот детали на
опорах I и rv (крестиками обозначены точки контакта на опорах
/ — IV приспособления). При касании детали вторым зажимом
в точке В начнется взаимодействие моментов и в конечном итоге
деталь займет некое положение. При этом первоначальная схема
базирования (7, 2, 3) (рис. 3.28, б) перейдет в схему (1, 2, 5') (рис.
3.28, в).
Если бы первым детали коснулся зажим в точке В, то, наобо­
рот, деталь прижималась бы к опорам, на которых она стояла
первоначально. Это говорит о том, что в реальных схемах уста­
новки необходимо принимать такие конструктивные решения,
которые исключали бы инверсию баз. В частности, этому может
способствовать заданная очередность действия зажимов. Можно
также заранее определять зоны расположения зажимов, гаран­
тирующих при любом возможном положении точек контакта на
опорах создание условий определенности базирования.
Схема определения таких зон показана на рис. 3.29. Цифры
1, 2, 3, 4 показывают зоны приложения сил крепления, га­
рантирующие отсутствие инверсии баз при любом возможном
(fl, б, в, г) расположении точек контакта на опорах приспо­
собления I, П, III и IV.
Существует множество вариантов реализации геометрических
и силовых замыканий в статике, кинематике и динамике базиро­
вания. При этом замыкание часто выполняет основную фушищю
устройства или механизма. Приведем несколько примеров: раз­
личные варианты реализации беззазорных соединений в соедине­
ниях винт — гайка, направляющие станков и т. п.; устройства
для обеспечения постоянного контакта щупа при движении его по
копиру; конструкции различ­
ных центробежных регулято­
ров; гироскопические устрой-
Рис. 3.28. Схема инверсии баз
Рис. 3.29 Схема определения зон
крепления
89
ства; сборочные устройства с автоматической ориентацией дета­
лей за счет изменения положения их центра масс; загрузочные,
транспортирующие механизмы с использованием гравитацион­
ных сил и электромагнитных полей и др.
§ 6. Смена баз
Схема базирования определяет структуру связей,
которые должны быть наложены на тело, чтобы оно занимало
требуемое положение или имело заданную траекторию. Реализа­
ция схемы базирования выражается в схеме установки тел, кото­
рая представляет конкретную для данных условий согласован­
ную систему опор и замыкания. Из-за непостоянства условий
взаимодействия (нестабильность формы деталей и силовой на­
грузки) происходит изменение контакта деталей, а следователь­
но, и относительного их положения, т. е. происходит смена баз.
Однако смена баз может осуществляться и специально для
решения тех или иных задач. Таким образом, различают неор­
ганизованную смену баз, происходящую произвольно и неконт­
ролируемо, и организованную смену баз, т. е. целесообразно пла­
нируемую. Первая приводит к образованию погрешностей уста­
новки, а вторая — погрешностей базирования. Физическая сущ­
ность процессов организованной и неорганизованной смены баз
едина.
Рассмотрим явление смены баз, его структуру и особенности
проявления в конкретных случаях. При этом для упрощения
рассуждений под базой будем понимать поверхности тел, кото­
рые используют для реализации теоретической схемы базиро­
вания. Такое допущение возможно в случаях, когда не возникает
необходимость выявления базы как системы координат, постро­
енной на точках контакта тела, и когда поверхности тел иде­
ализируются в виде определенных геометрических образов.
Так как смена баз связана с заменой одних поверхностей тела
другими (для модели базирования тел с идеальными поверх­
ностями) то вначале определим, какими могут быть эти поверх­
ности.
На рис. 3.30 дана классификация поверхностей тела. Заметим,
что у тела все поверхности вьшолняют какие-то функции и с этой
точки зрения нефункциональных, т. е. свободных, поверхностей
не может быть. Однако при выделении только некоторых опреде­
ленных функций, вьшолняемых данными поверхностями детали
в машине, можно условно все другие ее поверхности считать
свободными. Хотя, может быть, с других позиций, например
дизайна, они могут оказаться как раз функциональными, а пре­
жние поверхности — свободными (имеется в виду свободными
от данной конкретной функции).
90
Поверхность тела
\ функциональная
Проектная
Г
I
1
Свододиая
ПраизводшВенная
I
Коитриторская ТехноАогическаяИэмерительтя
ИспоАнительная
доза
Ъаза
Рис. 3.30. Классификация поверхностей тела
Проект11ыми называют те поверхности, которые принимаются
при создании машины в соответствии с ее служебным назначени­
ем и конкретной конструктивной реализацией. Исполнительные
поверхности — это те, которыми тело участвует в реализации ее
служебных функций.
Конструкторские базы — поверхности, определяющие поло­
жение исполнительных поверхностей детали в машине. Любая
функционально замкнутая система тел — механизм или маши­
на — имеет минимум две исполнительные поверхности, принад­
лежащие обязательно двум различным деталям. Таким образом,
в машине всегда должны быть минимум две детали с испол­
нительными поверхностями и конструкторскими базами. Оста­
льные детали в данной цепи функциональных взаимодействий
также несут на себе по две исполнительные поверхности.
Технологические и измерительные базы — это поверхности де­
тали, используемые при реализации процесса ее изготовления
и измерения. Это поверхности, от которых получаются или изме­
ряются положения других поверхностей данной детали. Таким
образом, у детали, как минимум, должна быть одна технологи­
ческая и измерительная база. Очевидно, что указанные поверх­
ности могут быть на деталях в нескольких экземплярах, т. е.
детали могут быть полифункциональными, так же как и в целом
Мишина.
Конкретная реализация каждого из указанных видов поверх­
ностей может быть различной. Для исполнительных поверхно­
стей (ИП) — это множество их геометрических форм и размеров.
Для конструкторских (КБ), технологических (ТБ) и измеритель­
ных (ИБ) баз — это многообразие накладываемых ими связей.
Практически эти все варианты схем базирования рассмотрены
выше. Их различает конкретное сочетание конечных и неконеч­
ных геометрических связей. Из этого следует, что вопрос о смене
баз может рассматриваться по отношению к различным видам
поверхностей, а также по отношению к комплектам связей.
91
Физическая сущность смены баз заключается в замене систе­
мы связей, так как именно это меняет характер процесса фор­
мирования относительного положения тел или элементов тела.
Различают однородную и неоднородную смену баз.
Однородной смене баз соответствует изменение поверхностей
взаимодействия тела при неизменности структуры связей, т. е.
сочетания КГС и НГС. Соответственно неоднородная смена
баз — это смена поверхностей и структуры связей одновременно.
Смена базы относится к одной поверхности детали, однако
каждый функциональный размер (ФР) ограничивается двумя по­
верхностями. Поэтому, чтобы получить данный ФР через ор­
ганизованную смену баз, нужно совершить переход к двум новым
базам, т. е. осуществить полную смену баз. На рис. 3.31 показана
структура всех видов смены баз. Как видим, уравнение полной,
однородной смены баз для ФР12 имеет четыре размера:
ФР12=ТРЗ+ТР4-СП34,
где ФР12 — функциональный размер между ИП7 и ИП2; ТРЗ
и ТР4 — технологические размеры от баз Зъ4; СП34 — размер,
связывающий базы 3 VL4 (связь перехода).
Все эти размеры — конечные геометрические связи. Если про­
вести неоднородную смену баз, т. е. перейти к базам ТБ5 и ТБ6,
то ФР12 заменяется на ФРу и формируется через угловые раз­
меры: уи У56. Уг- ФРу — это параллельность Ш\1 и ИП2, которая
получается технологически, а ФР12 может быть при этом любым,
так как формируется неконечной геометрической связью. Уравне­
ние связи имеет вид:
ФРУ=360°-У1-У2-КУ56,
где Vi и 72 — технологически получаемые угловые размеры (в
примере — это перпендикулярности); у^^ — размер, связыва­
ющий базы ТБ5 и ТБ6 (связь перехода).
Таким образом, при неоднородной смене баз происходит
замена КГС на НГС или наоборот, а следовательно, меняется
и сам механизм технологиyi
ческого обеспечения требуе"""
мой точности относительного
ИП
Ч ФР,
положения поверхностей де­
ТБ6
тали.
cm ' ТРЗ
Если смена баз произведе­
ГР4
на
только
для одной стороны
<^
^1>
^
_^.
(ИП2)
ФР12
(неполная смена
CnJ4 ГК TBS
X баз), то она будет иметь стру­
ктуру трехзвенной размерной
Рис. 3.31. Схема смены баз
92
цепи:
ФР12=ТРЗ-СП13.
Использование организованной смены баз при построении
процессов изготовления деталей приводит к необходимости на­
значения более жестких допусков на те размеры, через которые
получается требуемый размер. При относительно высоких требо­
ваниях к исходному размеру последнее обстоятельство значите­
льно ограничивает возможные последовательности процесса из­
готовления детали, а в ряде случаев предопределяет и единствен­
но допустимый вариант его реализации.
В зак;1ючение дадим определение нескольким понятиям, свя­
занным с явлением смены баз и широко используемым при
построении технологических последовательностей изготовления
изделий.
Принцип совмещения баз (QCE) — это использование одной
и той же схемы базирования для всех четьфех видов поверх­
ностей, т. е. когда одни и те же поверхности детали одновременно
являются ИП, КБ, ТБ и ИБ.
Возможны частные случаи совмещения баз: ИП с КБ; КБ
с ТБ; КБ с ИБ и др. Частным случаем ПСБ является принцип
наикратчайшего пути (ПИП), что соответствует совмещению КБ
с ТБ; ЕБ с ИБ; ТБ с ИБ.
Принцип единства баз (ПЕБ) — это принятие в качестве баз
для всех этапов изготовления или функционирования детали
одних и тех же ее поверхностей. Например, для технологических
баз — это проведение всей обработки детали на одних и тех же
установочных поверхностях — на единой технологической базе
(ЕТБ).
§ 7. Размерный анализ
взаимодействий
При анализе старых и создании новых изделий
и процессов их изготовления приходится проводить расчет про­
странственных взаимодействий. Это осуществляют с помощью
моделей различных размерных связей. Поэтому совершенно не­
обходимо знать структурные особенности этих связей, чтобы
гарантировать правильность формирования таких моделей.
Как указывалось, ПВ могут быть различными по размерности
и виду взаимодействий. В инженерной практике наиболее широко
используют одно- и двухмерные размерные цепи, составленные
из линейных и угловых размеров.
Поэтому в первую очередь рассмотрим их структурные свой­
ства: 1) размерная цепь представляет собой непрерывный сило­
вой контур, соединяющий две стороны замыкающего звена; 2)
при заданной системе сил каждому замыкающему звену соответ­
ствует единственная по составу звеньев размерная цепь; 3) любая
93
размерная цепь — это однозначно упорядоченная, непрерывная
последовательность размеров; 4) каждое составляющее зве­
но — это размер, принадлежащий одной детали; каждая деталь
может участвовать в данной линейной размерной цепи только
одним своим размером; 5) при нескольких схемах действующих
сил на данном замыкающем звене каждой из схем соответствует
своя размерная цепь; 6) различные размерные цепи могут иметь
общие составляющие звенья только на одном из своих участков,
общие звенья должны образовывать локальную непрерывную
цепочку; 7) одна и та же деталь не может участвовать одновре­
менно в качестве составляющего звена в двух и более силовых
контурах; 8) линейная размерная цепь может состоять только из
увеличивающих звеньев, а угловая размерная цепь — только из
уменьшающих; 9) все составляющие звенья, находящиеся в одной
ветви с замыкающим звеном,— уменьшающие звенья; 10) звенья­
ми размерной цепи, включая замыкающее звено, могут быть
только охватывающие или охватываемые размеры; 11) в плоской
размерной цепи одно и то же составляющее звено может быть
одновременно и увеличивающим и уменьшающим.
Для выявления размерной цепи необходимо прежде всего
знать загиыкающее звено, что фактически определяет вид того
ПВ, для которого предстоит построить геометрическую модель.
С учетом указанных особенностей размерных цепей методика их
выявления должна быть следующей: 1) определить схему дейст­
вующих сил на данном замыкающем звене (в общем случае это
может быть несколько схем); 2) начиная с любой из сторон
замыкающего звена последовательно определять стыки деталей,
через которые проходит сила, действующая на замыкающем
звене; расстояния между стыками являются составляющими зве­
ньями.
Рассмотрим несколько примеров построения геометрических
моделей ПВ. На рис. 3.32 дана схема взаимодействия двух дета­
лей с замыкающим звеном в виде гарантированного зазора Лд.
Этот случай относится к сборочным
4,
единицам, в которых необходимо
обеспечить функционально допусти­
Ай
мые минимальное и максимальное
значения зазора (шпиндельные узлы,
подшипниковые опоры валов и др.).
N. I \ !•* ' ^
I
Как видно, деталь 1 может занимать
Гл
два крайних положения в пределах шиI |"1
I 1 рины паза детали 2. Отсюда расчет
замыкающего звена должен прово­
В
Аг
диться на основании системы двух
уравнений:
Рис 3.32. Схема взаимо­
действия пары деталей
94
иЛП=^Г'-^;
Очевидно, что аналогичные системы размеров должны стро­
иться во всех случаях действия знакопеременной нагрузки на
замыкающем звене сборочных единиц. При реальном взаимодей­
ствии тел, строго говоря, действуют не только силы, но и их
моменты. Поэтому изображение размерных связей в виде линей­
ных размерных цепей является упрощением реальной модели
взаимодействия, которое далеко не всегда допустимо.
На рис. 3.33, а показана схема ПВ без учета действующих
моментов, а на рис. 3.33, б — с их учетом. Как видно, их геомет­
рические модели в виде размерных цепей существенно отличают­
ся. Различен и характер отклонений на замыкающем звене: па­
раллельное смещение в первом случае и поворот исполнительных
поверхностей во втором. Различными будут и схемы базирования
деталей, а следовательно, и система наложенных связей, которые
предопределяют характер расчетов на жесткость, прочность дета­
лей, существенно различными будут и представления о характере
износа и структуре внутренних напряжений.
При выявлении размерных цепей в соединениях деталей,
где нет явно заданной системы действующих сил и моментов,
необходимо их вводить на основании определенных дополни­
тельных условий функционирования узла, машины и устройства.
В противном случае выявление размерной цепи оуде! неод­
нозначным.
Системы размеров, наносимые на чертежах деталей, тоже
часто называют размерными цепями. Это нужно понимать
в ином смысле, чем размерные цепи в сборочных единицах.
Известно, что данная деталь может участвовать в конкретном
ПВ только одним своим размером. Если принять, что все нане­
сенные на детали размеры функциональные, а не дополнитель­
ные, то это значит, что эта деталь участвует в стольких ПВ,
сколько размеров на ней нанесено. В предельном случае это
приводит к образованию на деталях замкнутых систем размеров.
В общем случае указанные размеры могут быть связаны или
не связаны каким-то отнощением. Поэтому в прямом смысле
размеры деталей нельзя назвать размерными цепями. Если же
0)
S)
Рис. 3.33. Размерные цегш сборочной единицы
95
рассматривать те же системы размеров в технологическом плане,
т. е. как размеры, которые в какой-то последовательности воз­
никают на детали при ее изготовлении, то это будет уже цепь
технологических размеров. В отличие от первых их называют
размерными цепями второго рода. В этом случае каждый размер,
получаемый технологически, будет замыкающим звеном в той
технологической системе, где он формируется. Тогда размерная
цепь второго рода может быть интерпретирована как цепь, со­
ставляющими звеньями которой являются замыквающие звенья
соответствующих размерных цепей первого рода.
При этом технологические системы размеров не могут об­
разовывать замкнутых контуров размеров, аналогичных функци­
ональным. Таким образом, размерный анализ ПВ системы тел
позволяет строго соблюдать правила нанесения размеров на
чертежах деталей и назначения допустимых отклонений. Он так­
же дает возможность учитывать технологические ограничения на
этапе конструирования мащин, что в конечном итоге способству­
ет принятию оптимальных конструкторско-технологических ре­
шений.
§ 8. Методы достижения
точности замыкания
Модель пространственного взаимодействия дает
возможность решать задачи о назначении точностных характери­
стик на составляющие элементы данного взаимодействия, исходя
из точности замыкания. Применительно к размерным связям, это
конкретизируется так: определение допустимых отклонений на
составляющих звеньях размерной цепи, исходя из заданных зна­
чений замыкающего звена. Это так назьшаемая прямая задача.
Решение обратной задачи заключается в расчете возможных
предельных значений замыкающего звена на базе заданных зна­
чений составляющих звеньев. Эта задача, по существу, является
поверочной и не представляет никаких трудностей.
Рассмотрим прямую задачу. Уравнение любого взаимодейст­
вия в общем виде может быть описано зависимостью: ^д=
m-i
= YJ ^Л» которая показывает, что результат взаимодействия
1-2
является следствием взаимодействия т—\ элементов А, с учетом
степени влияния (передаточное отношение) £,, каждого из них.
Отсюда видно, что прямая задача будет т — 1 раза неоп­
ределенной, так как имеется одно уравнение на т—1 элемент.
В связи с этим возникает проблема нахождения способов преодо­
ления этой неопределенности, а затем выбора практических мето­
дов обеспечения того или иного принятого решения.
На рис. 3.34 дана классификация методов достижения точ­
ности замыкания (МДТЗ). Раскроем их содержание на примере
модели сборочной единицы (рис. 3.35) и соответствующей ей
96
Методы dot тише мая
точности запикамия
1
1
1
ntmaiu
коппеясации
Fltmoibi
Вяаинвюпемйепости
1
Панна»
влаипагапсняепасть
1
1
РпулироВка
с подВижмып
коппсксаторон
Ноподная
вмияозамеияепост
1
Метод
групповой
дла una J анемкепости
1
Регулиров/(а
с иеподвитмым
коппемсаторвп
Подбор
ыппемсатора
и) ifynn
Пригонка
Рис. 3.34. Классификация МДТЗ
линейной размерной цепи А^. Отметим, что дальнейшие рассуж­
дения в полной мере относятся к любым по своей природе
взаимодействиям, но при этом, естественно, в каждом случае
потребуется аналоговая интерпретация содержания конкретных
элементов рассматриваемых взаимодействий.
МДТЗ делят на две группы. Первая — методы, при реализа­
ции которых элементы взаимодействия (составляющие звенья Л,)
не подвергаются никаким изменениям. Вторая — методы компен­
сации, когда предпринимаются те или иные действия по устране­
нию излишних отклонений на замыкающем звене А^,.
Первая группа методов имеет две разновидности: полную
и неполную взаимозаменяемость. При полной взаимозаменяемо­
сти допуски на составляющие звенья Т, назначают, исходя из
условия
1Я-1
1-2
где т — число звеньев в данной размерной цепи; ^, — прередаточное отношение составляющего звена.
Для координат середин полей допусков принимается условие:
" -.
1=1
" »)=i
Ec^, Ее, — координаты соответственно увеличивающих и умень­
шающих звеньев.
При реализации метода полной взаимозаменяемости все сбо­
рочные единицы будут получаться гарантированно годными. По­
ложительными особенностями этого метода являются: простота
97
^
'
достиижения требуемой точности замыкающего звена, а также нормирова­
А,
Ай
Лз
ния, механизации и автоматизации
^
процесса изготовления изделия, отно­
сительно низкая квалификация рабо­
Г
%-0
чих, широкие возможности использо­
J
вания принципов кооперации в произ­
водстве. При уменьшении допусков на
Z
замыкающем звене и увеличении коли­
чества составляющих звеньев область
Рис. 3 35 Модель сборочэффективного применения метода соной единицы
кращается из-за высокой требуемой то­
чности составляющих звеньев.
Метод неполной взаимозаменяемости заключается в том, что
допуски на составляющие звенья назначают несколько более
широкими, чем это требуется по методу полной взаимозаменяе­
мости. При этом появляется риск, что не все сборочные единицы
окажутся годными. Процент риска, а следовательно, и степень
расширения допусков на составляющих звеньях, назначают на
условия положительной разности между выигрышем от удешев­
ления процессов изготовления деталей и потерями на исправи­
мый и неисправимый брак готовой продукции. В общем положи­
тельные и отрицательные стороны этого метода, а также область
его рационального использования аналогичны предыдущему ме­
тоду.
Метод регулировки с помощью подвижного компенсатора
(МРПК) состоит в том, что на размеры деталей 1 я 2 сборочной
единицы (см. рис. 3.35) назначают экономически целесообразные
(производственные) или практически достижимые в данных про­
изводственных условиях допуски. При этом сумма производст­
венных допусков составляющих звеньев оказывается больше до­
пуска на замыкающее звено, назначенного исходя из служебно­
го назначения изделия. Получившаяся, таким образом, излиш­
няя величина отклонения на А^ устраняется за счет изменения
величины заранее выбранного звена компенсатора 3 путем его
перемещения, например, с помощью винтовой пары. В общем
случае компенсатор может быть довольно сложным устройством,
работающим в автоматическом режиме. Автоматическое поддер­
жание требуемого значения А\ особенно важно, когда при функ­
ционировании сборочной единицы действуют систематические
факторы (износ, температурные деформации и др.), постоянно
изменяющие первоначально достигнутое при сборке значение
замыкающего звена.
^
При методе регулировки с помощью неподвижного компен­
сатора (МРНК) ту же излишнюю погрешность на ^д устраняют
за счет подбора детали компенсатора с нужным размером.
98
Расчеты и реализация МРНК связаны с необходимостью уче­
та конструкщии сборочной единицы и ее деталей, конкретной
схемы сборки изделия, а также с уровнем требуемой точности
замыкающего звена или желательным его оптимальным значени­
ем. В общем случае применение МРНК связано со следующей
поледовательностью действий.
1. Назначение допустимых значений на составляющие звенья
размерной цепи исходя из имеющихся технологических возмож­
ностей их обеспечения.
2. Определение конкретного варианта схемы сборки данного
юделия применительно к использованию МРНК: а) предвари­
тельная сборка без звена компенсатора; б) предварительная сбор­
ка с эталонным звеном компенсатора; в) предварительная сборка
с эталоном замыкающего звена.
3. Определение предельных значений размера измерения
А^ при принятом варианте сборки. Размером измерения называ­
ют размер, который получается после предвартельной сборки
и на основании которого рассчитывается требуемый размер ком­
пенсатора. Для этого исходное уравнение размерной цепи Лд за­
писывают относительно принятого варианта A„:
^ ш я х ^ V*^ max
V*^ mm. ^ ^ ' " " ' ^ X ^ J "'"'
Vy4'"**
4. Расчет значения величины компенсации F^ без учета допус­
ка на изготовление звена компенсатора Г».
5. Определение числа групп измерений N„, исходя из которых
будут рассчитываться группы компенсаторов
(N„=YT,/(.T^—TI))
с округлением до ближайшего больпхего целого значения.
6. Расчет групп измерений с шагом ^ши=7д—Т^х7. Расчет числа групп компенсаторов N^ (N^'^N,^:
8. Расчет интервалов групп компенсаторов с шагом Ащх, для
чего исходное уравнение размерной цепи Лд записывается от­
носительно А^.
9. Составление таблиц соответствия групп измерений с груп­
пами компенсаторов.
Еще одной разновидностью методов компенсации является
пригонка, суть которой в том, что рассматриваемая выше вели­
чина компенсации V^ устраняется за счет изменения размера
звена-компенсатора путем снятия с него необходимого слоя ма­
териала. В принципе возможно и наращивание материала, но
такие случаи встречаются реже. Область использования метода
пригонки — единичное и мелкосерийное производство. Основной
его недосгаток — присутствие методов обработки деталей со
снятием стружки в сборочном процессе и значительные, как
99
правило, колебания цикла сборки из-за различной длительности
пригоночных работ на каждом изделии.
Своеобразным МДТЗ является метод групповой взаимоза­
меняемости, сочетающий в себе свойства и особенности методов
первых двух групп, и в этом смысле его можно назвать ком­
бинированным. Обычно ограничиваются рассмотрением таких
форм организации этого метода, в которых используют ос­
новные положительные стороны метода полной взаимозаме­
няемости.
Суть метода групповой взаимозаменяемости состоит в следу­
ющем. Увеличивают в п раз допуски на составляющих звеньях
размерной цепи, рассчитанные исходя из требования полной
взаимозаменяемости. После изготовления деталей по этим до­
пускам их сортируют на и групп. Таким образом получают
комплекты деталей, принадлежащие к одной группе с допусками
по полной взаимозаменяемости. Сборка изделия из комплекту­
ющих деталей, принадлежащих к одной группе сортировки, обес­
печивает 100%-ную их годность.
Рассмотренный случай достижения требуемой точности замы­
кающего звена при значительно расширенных допусках на со­
ставляющие звенья является основным достоинством метода
групповой взаимозаменяемости, или, как его называют, метода
селективной сборки. Однако при этом возникает довольно много
ограничений, несоблюдение которых сводит на нет положитель­
ный эффект, а в ряде случаев делает вообще невозможным ис­
пользование указанного метода. К таким ограничениям относят:
1) количество составляюпщх звеньев в размерной цепи не должно
быть более трех-четырех; 2) при увеличении числа групп сор­
тировки положительный эффект от применения метода уменьша­
ется, а затраты на сортировку и организацию сборки возрастают;
3) различное количество комплектующих деталей внутри каждой
группы приводит к некомплектности сборочных единиц и др.
Применение метода селективной сборки дает хорошие ре­
зультаты, а в ряде случаев является и единственно возможным
решением задачи достижения высокой точности в трех-, четырехзвенных размерных цепях при вьшуске массовой проду­
кции: подшипников, плунжерных пар и др. Заметим, что ука­
занное ограничение области использования метода групповой
взаимозаменяемости в общем случае следует считать неопра­
вданным. Многочисленные сочетания различных МДТЗ расши­
ряют сферу их эффективного использования и открывают ши­
рокие возможности для нетрадиционных форм организации про­
цессов изготовления изделий.
Назовем некоторые из возможных сочетаний и получаемый
при этом эффект: 1) использование сортировки деталей в сочета­
нии со сборкой внутри каждой группы по любому из методов
вплоть до пригонки; 2) некратное числу групп сортировки рас100
ширение допусков на все или часть составляюпщх звеньев, что
дает повышение точности собираемых изделий в каждой группе;
3) различное по величине расширение допусков на каждом из
составляюпщх звеньев в сочетании с сортировкой на группы тоже
с неодинаковыми интервалами, как для одной детали, так и для
всех деталей позволяет управлять фактором комплектности
сборки, а также варьировать выходные параметры изделия (на­
пример, по величине эксплуатационного запаса точности или по
степени оптимальности выходного параметра).
Последнее, в частности, может быть достигнуто с помощью
применения при сборке эталонной детали, имитирующей замыка­
ющее звено по размеру Лд (см. рис. 3.35). При этом происходит
как бы замена замыкающего звена другим. Производят сборку
деталей 1 а 2 с эталонной деталью с размером Л^ и измеряют
оставшийся зазор для детали-ко\шенсатора 3. Затем подбирают
или изготовляют эту деталь требуемого размера.
При назначении допусков и координат середин полей до­
пусков на составляющие звенья необходимо учитывать разме­
рность данного ПВ (одно-, двух- или трехмерное, а в общем
случае и-мерное взаимодействие). Кроме допуска и поля рас­
сеяния нас должны интересовать не координата середины поля
допуска или рассеяния, а соответственно оптимальное значение
данного параметра и центра его группирования при реализации
процесса, так как именно эти характеристики связаны с ка­
чеством изделия. К этому необходимо добавить и согласование
теоретических и практических кривых распределения контроли­
руемого параметра.
^^*
Рис. 3.36. Плоская размерная цепь
101
Понимание допуска как разности наибольшего и наимень­
шего допустимых значений параметра не вскрывает содержания
структуры допуска. Строго говоря, допуск в указанном выше
смысле регламентирует только диапазон требуемой стабильно­
сти параметра, а соответственно поле рассеяния — диапазон ста­
бильности реального процесса обеспечения того же параметра.
При решении одномерных задач такое упрощенное понимание
допуска приемлемо. Однако в двух- и трехмерных задачах это
ограничивает наши представления о реальных процессах фор­
мирования качества изделий.
На рис. 3.36 показано поле допуска замыкающего звена
.4д элементарной (трехзвенной) плоской размерной цепи для слу­
чая, когда составляющие элементы ПВ Ai, А2иу имеют допуски.
Фигура допуска двумерна и образована прямыми и дугами,
ограничивающими диапазоны изменений составляющих звеньев.
Роль координаты поля допуска вьшолняет оптимальное значение
. 4 ^ ' замыкающего звена. Любому значению Ац, соответствует
множество сочетаний составляющих звеньев. Например,
•^Х — ^ 1 ' ^2> У1 И А°^^ — Aj, А\, уг- Это говорит о том, что
назначение допусков на составляющие звенья при заданном зна­
чении замыкающего звена является многовариантным. Это
осложняет поиск оптимальных решений конструкторско-технологических задач на всех этапах создания производственного про­
цесса. С увеличением количества составляющих звеньев плоской
Рис. 3.37. Прос-фанственная размедэаяцепь
102
размерной цепи фигура допуска
замыкающего звена остается
двумерной и. также очерчивается
участками прямых и участками
дуг.
На рис. 3.37 показана схема
элементарной (четырехзвенной)
пространственной размерной це­
пи с замыкающим звеном Лд.
Его допуск изображается объем­
ной фигурой параллелепипеда
(для упрощения угловые звенья
Vi и у2 приняты постоянными
и равными 90°). Понятие поля
допуска здесь не может быть ис­
пользовано. Трехмерная фигура
допуска имеет в-качестве коор­
динаты оптимальное значение
замыкающего звена. Сочетание
значений составляющих звеньев,
отвечающих любому данному
значению замыкающего звена,
будет многовариантным. Для любого количества составляюодах
звеньев фигура допуска остается трехмерной, оформленной
участками плоских и криволинейных поверхностей.
Отображение допусков ПВ в виде двух- и трехмерных фигур
позволяет использовать последние в качестве геометрических
моделей для проведения размерных расчетов на базе математи­
ческих методов теории многоугольников и \шогогранников.
ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ
1. Геометрическая структура изделий и три уровня информации к ней.
2. Виды и типы размеров, описывающих геометрическую структуру деталей.
3. Функциональные и технологические системы размеров при описании гео­
метрической структуры деталей.
4. Закономерности описания геометрической структуры деталей и технологи­
ческое их обеспечение.
5. Классификация пространственных взаимодействий.
6. Структура пространственных взаимодействий.
7. Контактные взаимодействия пары тел.
8. Понятие о базе и базировании, конечные и неконечные связи.
9. Классификация пш геометрического взаимодействия.
10. Структура схем базирования с замыканием по силе и моменту.
11. Содержание прямой и обратной задач встатике,кинематике и динамике
базирования.
12. Матрица элементарных геометрических отношений.
13. Геометрическое и силовое замыкание Егоостранственвых взаимодействий.
14. Сущность и структура явления смены баз.
15. Линейные размерные цени и их свойства.
16. Методика выявления размерных цепей.
17. Классификация МД13 1фосгранствеЕоаых взаимодействий.
Глава
4
Создание процессов
с заданными свойствами
§ 1. Гибкость производственной
системы
Традиционно под гибкостью понимают способ­
ность данного производства оперативно перейти на выпуск изме­
ненной номенклатуры изделий. Однако это важное свойство да­
леко не исчерпывает всей глубины понятия гибкость. Действите­
льно, кроме вида изделий может изменяться и требуемое их
количество, а также временной режим выпуска. Кроме того,
могут меняться и характеристики входа: вид и свойства загото­
вок, режущие свойства инструмента, а также параметры среды
функционирования: давление, температура, влажность и др.
Все это требует наличия у производственной системы свойст­
ва, позволяющего адаптироваться к новым условиям с тем,
103
чтобы параметры функционирования процесса были постоянно
на требуемом уровне. Таким образом, в широком смысле под
гибкостью производственной системы следует понимать ее спо­
собность быть адекватной в заданном смысле текущим условиям
ее функционирования.
Степень адекватности будет определяться запасом свойств
требуемого содержания. Естественно, что любой запас, если он
не используется, в принципе ухудшает характеристики функци­
онирования процесса. Из этого следует, что и гибкость производ­
ственной системы тоже должна быть в определенных целесооб­
разно допустимых пределах.
Например, в однопредметной автоматической линии не нужно
переходить на изготовление другой детали, однако может ока­
заться важным иметь возможность варьировать величиной так­
та. Наоборот, на многопредметном технологически замкнутом
участке свойство мобильной переналадки является основным.
Режим сдачи продукции при этом остается неизменным (напри­
мер, посменный).
В плане использования людских ресурсов производство, на
котором каждый рабочий освоил несколько специальностей, бу­
дет более гибким, а следовательно, и эффективным. Очевидно,
что может быть огромное количество различных форм проявле­
ния свойства гибкости.
Однако обший подход к формированию гибкости производст­
ва, т. е. фактически способности его к адаптации, должен ос­
новываться на следующих принципах: 1) содержание понятия
«гибкость» конкретно для каждого производства и данных усло­
вий его функционирования; 2) свойства гибкости имеют иерар­
хическую структуру; 3) комплект свойств, характеризующих кон­
кретное содержрание гибкости, должен быть минимально необ­
ходимым; 4) в каждой конкретной ситуации имеется лимитиру­
ющее свойство, от которого зависит гибкость производственной
системы; 5) гибкость для данного производства должна устанав­
ливаться на оптимальном уровне.
Отметим в качестве примеров ряд способов и методов ре­
ализации свойства гибкости: 1) использование в одной техноло­
гической цепочке станков с взаимно перекрытыми технологичес­
кими возможностями, что дает гибкость в комплектовании соде­
ржания отдельных операций; 2) использование трехсменной ра­
боты оборудования в режиме безлюдной технологии для обес­
печения потребности производства в комплектующих изделиях
с особенно длительным циклом их изготовления; 4) использова­
ние станков с ЧПУ, что фактически приводит к унификации
квалификации рабочего персонала в виде операторов, которые
могут работать на любых станках (еще один эффект применения
станков с ЧПУ состоит в обезличивании обрабатываемых заго­
товок при работе по системе склад — станок — склад и соответ104
ственно минимальных затратах на переход с одной программы
обработки на другую); 5) комплектование технологических цепо­
чек по возможности на основе таких методов технологического
воздействия, которые допускают их различную технологическую
последовательность и др.
§ 2. Организационные формы
производственного процесса
Любой производственный процесс имеет опреде­
ленную организационную форму. Под этим понимается конкрет­
ный для данных условий характер взаимодействия всех структур­
ных элементов производства, которые отображаются в той или
иной системе внутренних отношений процесса. Организационная
форма процесса зависит от номенклатуры выпускаемой продук­
ции и ее количества, используемого оборудования и режима его
работы, видов и форм потребляемых ресурсов (заготовок, энер­
гии и др.), а также от ряда факторов экономического и социаль­
ного характера.
В общем случае организационная форма реального производ­
ственного процесса имеет сложную разветвленную структуру,
что не позволяет отнести ее к какому-то конкретному типу.
Только в отдельных случаях, например при изготовлении изде­
лий в большом количестве, можно, да и то при определенных
ограничениях, говорить о конкретной форме организации. На
практике производство относят к какой-то форме обычно на
основании учета характера производства доминирующего вида
продукции.
Взаимодействие многих форм организации производства
в рамках одной организационно автономной производственной
единицы создает оригинальный механизм его функщюнирования.
Из этого не следует, что не существует типовых организационных
форм производства, которые присутствуют в любом производст­
ве и на основе сочетания которых строится любая сложная форма
организации конкретного процесса.
Каждая организационная форма производственного процесса
обладает определенными свойствами, а следовательно, подразу­
мевает наличие системы правил (алгоритма) для ее реализации.
Элементы производственной единицы (см. рис. 2.2) имеют три
группы свойств: качественные, количественные и временные, ко­
торыми они взаимодействуют с аналогичными свойствами дру­
гих элементов, формируя организационную структуру процесса.
Отсюда имеем следующие признаки, характеризующие ор­
ганизационную форму производства: 1) одно- и многономенклагурное; 2) единичное или серийное; 3) непоточное или по­
точное.
105
Схема организационных форм производственного процесса
представлена на рис. 4.1 вместе с приданной ей системой двоич­
ного кодирования вариантов. Рассмотрим примеры типовых
структур.
Структуры 000 и 001 — это изготовление одной детали на ТС,
предназначенной специально для нее. После производственного
цикла ТС перестает функционировать как производственное под­
разделение. На практике — это стенд для изготовления уникаль­
ной детали или в общем случае какая-то ТС одноразового
пользования. Понятия «непоточно» и «поточно» здесь соответ­
ствуют обработке за одну или несколько установок.
Структуры 010 и 011 —это серийное изготовление даталей,
соответственно непрерывно одна за другой или партиями с пере­
наладкой оборудования; 100 — многономенклатурное единичное
изготовление деталей, например на участке из двух станков в ре­
жиме станок — склад — станок; 101 — изготовление той же
партии изделий, но в режиме последовательной технологической
цепочки для каждой из деталей; ПО — режим переменно-поточ­
ного производства; 111 —автономно работающие потоки, на­
пример однопредметные автоматические линии.
Структура организационных форм производственного про­
цесса может быть также рассмотрена с позиции используемого
технологического оборудования и, в частности, металлорежущих
станков. В этом случае аналогом понятия «номенклатурность»
будет вид технологического оборудования (станка), а понятия
«серийность» — количество оборудования (станков) данного
вида.
Организационные форпы
производственного процесса
Многонопенклатурньш
процесс
ОднаиопенклаюурныО
процесс
единичное
производство
Серийное
производство
. 1_
0
Г
ZU
сэ
^t
i^
о а
?5 -й
t S
* § •
«С1
1
а:
си
1=
k.J
II
1
1 рS
g-
Jfta
О л
о
?
(U
*
t
t;
с:
единичное
производство
Cepuuhae
производство
1
0
'
«л
Р
ъ -Й
i
11
i:;
<;: «1
Рис. 4 1. Организационные формы производственного процесса
106
'К,
и
$•«>
оС; ^о
* 5"
1
Поточность относится к характеру функционирования обору­
дования в пределах одной технологической системы. Одна из
форм организации предусматривает независимую работу техно­
логических единиц, другая подразумевает технологическое един­
ство оборудования, т. е., например, случай реализации техноло­
гической цепочки станков. В общем случае технологическая це­
почка может иметь постоянную или переменную внутреннюю
структуру.
Очевидно, что для структур 000 и 001 возможен единственный
вариант — автономная работа данного станка соответственно
в одну установку и и установок для данной детали.
В структурах 010 и 011 возможны соответственно две формы
организащи работы одинаковых станков. Параллельная неза­
висимая работа, т. е. работа в несколько потоков. Вторая
форма последовательная, когда технология изготовления изде­
лия осуществляется на нескольких последовательно работающих
станках.
Структуры 100 и 101, НО и 111 аналогичны структурам 010
и 011 с точки зрения двух форм организации. Различие состоит
только в количестве видов и единиц каждого вида оборудования,
включаемых в состав ТС.
Отсюда следует, что форма организащи производственного
процесса может быть описана с позиции любого из элементов
данной производственной системы. Все зависит от конкретных
условий функционирования производственного процесса, а также
выбранного критерия и системы ограничений. Может оказаться,
что наиболее важным показателем будет строгая ритмичность
выдачи продукции с ТС. Таким же доминируюпщм условием
может быть, например, необходимость максимально непрерыв­
ной работы уникального технологического оборудования. Воз­
можны случаи регламентации и по входу, т. е., например, по
предписанному режиму поступления заготовок на ТС.
Проблема выбора организационной формы производствен­
ного процесса в общем случае имеет оптимизационный характер.
В этом плане знание особенностей каждой из типовых организа­
ционных форм и условий их оптимального функционирования
позволяет поставить проблему создания эффективных производ­
ственных процессов на строгую научную базу.
Знание типовых структур дает основу для синтеза новых ори­
гинальных организационных форм производства. Например, для
технологической системы структура 100 применима для изготов­
ления двух партий различных деталей. В этом случае два различ­
ных станка независимо друг от друга реализуют обработку своей
партии деталей. Это форма работы в два параллельных разнономенклатурных потока. Структура 101 применима для изго107
товления партии деталей одной номенклатуры по жесткой тех­
нологической схеме: сначала один станок, затем другой. Описан­
ные формы организации работы ТС 100 и 101 являются традици­
онными. Достоинством структуры 100 является эффект совмеще­
ния во времени изготовления двух видов деталей. Структуре 101
соответствует последовательный режим изготовления деталей,
а следовательно, временные затраты будут равняться сумме за­
трат на каждом из станков.
Рассмотрим, как можно использовать преимущества струк­
туры ТС 100 при реализации структуры ТС 101. Для этого
необходимо применить ТС 101 для изготовления партии деталей,
для которых технологическая последовательность их изготовле­
ния на данных станках жестко не фиксирована. Иначе говоря,
подлежащая изготовлению деталь может быть обработана на
1-м станке, а затем на 2-м или наоборот — сначала на 2-м,
а потом на 1-м. Это позволит при организации изготовления
партии деталей технологически по форме 101 использовать все
достоинства двухпоточной формы 100.
При выборе эффективных форм организации производствен­
ного процесса необходимо считаться со следующими объектив­
ными обстоятельствами. В идеальном случае для получения эф­
фективно взаимодействующих элементов внутри одной произ­
водственной системы желательно иметь одинаковые структуры
у всех элементов. Это исключает необходимость использования
различных приемов для согласования особенностей функциони­
рования каждого элемента внутри одной системы.
В реальных ситуациях принятие решения о выборе структуры
каждого из элементов связано с определенными ограничениями.
Возможны случаи, когда структура элементов по тем или иным
причинам является заданной. Возникает проблема согласования
различных элементов данной производственной системы. Напри­
мер, общей заготовкой на партию деталей является пруток, а на
вход данной ТС могут быть приняты только штучные заготовки.
В этом случае необходимо дополнительное технологическое обо­
рудование, переводящее пруток в дискретные заготовки. В част­
ности, это может быть дисковая или ножовочная пила, а также
устройство рубки прутка.
Другой пример, технологический выход ТС имеет форму не­
прерывного продукта (лента, порошок и др.), а организация
выдачи изделия требует дозировки. В подобных ситуациях до­
полнительным согласующим технологическим элементом, очеви­
дно, должна быть дозирующая установка, преобразующая непре­
рывную форму работы ТС в форму с заданным тактом.
Обращаясь к вопросу о функционировании различных форм
организации производственного процесса, следует заметить, что
108
каждая форма имеет особенности, а следовательно, и методы
обеспечения ее эффективной работы. Таким образом, имея конк­
ретную форму организации производственного процесса и прове­
дя ее структурный анализ, можно определить задачи, которые
подлежат решению для обеспечения эффективного ее функци­
онирования.
Например, при реализации структуры выхода ОН с помощью
структуры ТС 001 необходимо выбрать вариант внутреннего
технологического построения процесса изготовления партии из­
делий. Здесь возможны два варианта. Первый — непрерывная
обработка каждой последующей заготовки до готовой детали.
Это соответствует непрерывному технологическому циклу для
каждой изготовляемой детали. Второй — деление непрерывного
технологического цикла на этапы, т. е. изготовление партии
деталей поэтапно.
Другой пример, реализация структуры выхода 011 на струк­
туре ТС 101 — это изготовление партии изделий на некоторой
последовательной технологической цепочке станков. В частности,
это может быть однопредметная автоматическая линия. Этой
форме организации соответствует проблема синхронизации вре­
мени обработки на всех единицах технологического оборудова­
ния, образующих данную цепочку.
Форма выхода 100 реализуется формой ТС 101. Это соответ­
ствует, например, изготовлению партии различных деталей в те­
чение смены на двух станках, образующих технологическую це­
почку. В подобных случаях типичной является проблема порядка
запуска деталей в производство, так как от этого зависит цикл
обработки всей партии. Знание структурных особенностей раз­
личных форм организации процесса и алгоритмов обеспечения
эффективного их функционирования является прочной основой
для создания эффективных производственных систем.
§ 3. Система крвтернев
и ограничений
Проблема построения производственного про­
цесса с заданными свойствами неразрывно связана с вопросом
формирования критерия и ограничений. В традиционной форме
это выглядит следующим образом: обеспечить изготовление
качественной продукции в требуемом количестве в установлен­
ные сроки при минимально возможных экономических затратах.
Здесь критерием являются затраты, а ограничениями — система
качественных показателей продукции и программа их выпуска.
Отмечая реальность указанной ситуации, следует заметить, что
в общем случае система критериев и ограничений многовариантна.
109
прежде всего оптимизация производственного процесса мо­
жет рассматриваться с позиции входа ТС и с позиции выхода.
В первом случае, очевидно, наиболее важными являются свойст­
ва производственного процесса как потребляющего элемента.
Другими словами, это ситуация, когда лимитирующими с точки
зрения требуемого функционирования процесса являются те или
иные свойства преобразующей технологической системы, а свой­
ства выхода гарантированно обеспечиваются с большим за­
пасом.
Во втором случае наиболее привычная ситуация, когда опре­
деляющими становятся параметры выхода, т. е. производя­
щие свойства процесса. В частности, эта ситуация имеет мес­
то тогда, когда, например, точностные или количественные по­
казатели выхода находятся на пределе технологических и ор­
ганизационных возможностей двух других элементов процесса.
Таким образом, в качестве критерия могут быть избраны параме­
тры любого из структурных элементов производственного про­
цесса.
Каждый из указанных элементов характеризуется качествен­
ными, количественными, временными и экономическими показа­
телями. Естественно, что в каждом конкретном случае критери­
альными могут оказаться параметры любой из этих групп. Это
зависит от того, под каким углом рассматривается функциониро­
вание данного процесса.
В общем случае в каждую группу показателей входят несколь­
ко параметров. Например, качественные показатели изделия мо­
гут включать точностные параметры размеров, относительного
положения, формы детали, шероховатость, качество поверхност­
ного слоя и др. Однако критериальным может быть лишь один
показатель, выбор которого сам по себе является достаточно
сложной задачей и часто требует проведения серьезных исследо­
ваний.
Форма задания оптимума критериального параметра тоже
может быть различной. Оптимальное значение некоторого пара­
метра может иметь определенную величину, отход от которой «в
плюс» или «в минус» — нарушение оптимума. Это обычно значе­
ния параметров, полученные аналитически или экспериментально
на более высоком структурном уровне взаимодействия элементов
данного процесса: значения давления, температуры, геометричес­
кой точности, твердости и др.
При этом нужно помнить, что оптимальное значение параме­
тра, в частности, может быть равным нулю, а его отклонение
имеет только положительное значение. Это относится к таким
параметрам, как биение, концентричность, неуравновешенность
и др.
по
41. Кркгерни • огрантевня
Критерия
Качество A
max
1Сачество
Ограничения
Количество Б
Время В
БВГ
ВБГ
Затраты Г
ГБВ
—
min
БГВ
max
АВГ
min
АГВ
max
АБГ
Количество
ВГБ
ГВБ
ВАГ
ГАВ
БГА
ГВА
—
БАГ
Время
ГАБ
—
min
АГБ
БГА
max
АБВ
БАВ
ВАБ
min
АВБ
БВА
ВБА
ГБА
Затраты
Возможны случаи, когда оптимум показателя не имеет конк­
ретного фиксированного значения, хотя в неявном виде ограниче­
ние существует. Также имеются ситуации, когда данный пара­
метр не может быть критериальным в принципе. Например, при
изготовлении изделия в единичном экземпляре или в виде фик­
сированного функционального комплекта вопрос об оптимиза­
ции количественного показателя не имеет смысла.
Чтобы рассмотреть все многообразие оптимизационных за­
дач при построении процессов с заданными свойствами, обра­
тимся к табл. 4.1. Каждый из критериальных параметров может
формулироваться в двух формах: максимализация и минимиза­
ция его значения. В свою очередь, каждой форме критерия соот­
ветствуют шесть иерархических вариантов систем ограничений.
Последнее обстоятельство объясняется тем, что для принятия
решения имеют значение не только вид и форма задания крите­
рия, но и относительная весомость различных ограничений с точ­
ки зрения их влияния на принятие решения.
Всему множеству вариантов систем критериев и ограничений
может быть поставлено в соответствие множество реальных
производственных ситуаций. Рассмотрим в качестве примеров
некоторые из них.
К максимализации функционального значения качественного
показателя можно прибегать тогда, когда он имеет форму аб­
солютно положительной величины (соосность, уравновешен­
ность и др.), а ограничениями являются технологические возмож­
ности его обеспечения.
Вариант, когда стремятся к минимизации качественного пока­
зателя, может быть проиллюстрирован на примере обеспечения
экспериментального режима работы ТС. Суть состоит в том,
чтобы при исследовании установить режимы, при которых тех111
нологическая система будет способна обеспечивать какое-то ми­
нимальное значение контролируемого параметра. Это, в частно­
сти, случаи испытания ТС на функциональную живучесть.
О выборе критериального параметра из группы количествен­
ных показателей говорят, когда подлежит серийному изготовле­
нию некоторая номенклатура изделий. В этом случае количество
изделий какого-то наименования желательно получить макси­
мальным или минимальным при определенных ограничениях по
номенклатуре. Кроме того, известны практические ситуации с ко­
личественным дефицитом по выходу, в которых критерием явля­
ется максималюация количества изделий. Минимизация количе­
ственного показателя, в частности, имеет место, когда прекраще­
ние функционирования какой-то технологической системы недо­
пустимо. Наиболее часто это связано с непрерывными процес­
сами, когда прерывание процесса невозможно и недопустимо.
Временной показатель может быть критерием, когда, напри­
мер, требуется минимизировать врем^ изготовления изделия на
какой-то ТС по причине того, что она является «узким местом»
в производственной цепочке.
Варианты максимализации затрат времени и денег на ре­
ализацию процесса больше связаны с социальными аспектами
производства, т. е. со сферой производственных отношений. Эту
сторону вопроса мы не затрагиваем. Что же касается технологи­
ческих проблем, то, например, максимализация энергетических
затрат имеет место при реализации экспериментальных режимов
работы оборудования при ускоренных методах его испытания на
долговечность, износостойкость, при определении максимально­
го порога используемых мощностей и др.
Наконец, максимализация значения временного параметра
имеет место, когда определяющим фактором является возможно
более длительное непрерывное функционирование той или иной
ТС при заданных ограничениях по качественным показателям
выхода.
Следует рассмотреть еще одну ситуацию назначения критери­
ев и системы ограничений, которая возникает при построении
эффективных ТС из нескольких локально автономных ТС нижне­
го уровня: например, оптимизацию в заданном смысле работы
технологической цепочки из нескольких взаимосвязанных тех­
нологических элементов (станков, установок, агрегатов и др.).
Сама по себе эта проблема достаточно сложна. Имеется ряд
методов ее решения, суть которых в следующем.
Критерий, принятый для данной ТС, в общем случае не будет
критерием для каждого локального элемента этой системы. Это
объясняется тем, что лимитирующими по различным свойствам
ТС являются разные ее элементы. Так, окончательное значение
данного точностного показателя детали определяется на финиш­
ной операции. Производительность всей технологической цепоч112
ки определяется элементом с минимальной производительно­
стью, а минимальные затраты на изготовление изделия в общем
случае не являются суммой минимальных локальных затрат на
каждом из элементов (станков).
Таким образом, для всех элементов должны назначаться со­
бственные критерии, согласующие особенности этих элементов,
их внутреннюю иерархию системы ограничений с общим крите­
рием на данную технологическую систему.
Особо нужно отметить вопрос о стоимостных критериях в ви­
де себестоимости, приведенных затрат, прибыли и др. Стоимост­
ные критерии удобны и необходимы в условиях товарного произ­
водства, в котором действует эквивалент в виде определенных
денежных единиц. Однако при этом нужно помнить, что первич­
ной является структ5фа вещественно-временных показателей фун­
кционирования производства, а не экономических. Нарушение
этого принципа влечет за собой утверждение идеологии хозяй­
ствования, когда экономические показатели становятся самоце­
лью, когда теряется ощущение перспектив развития производст­
венной сферы деятельности во всех ее аспектах (экологическом,
социальном и др.), что неизбежно приводит к возникновению
серьезных проблем в общем процессе взаимодействия общества
с природой.
Знание всего многообразия вариантов критериев и системы
ограничений имеет важное теоретическое и практическое значе­
ние. Очевидным является то, что каждому конкретному критери­
альному варианту должна соответствовать определенная методи­
ка принятия решений. Другими словами, каждый вариант имеет
свой алгоритм решения. На этой основе должны разрабатывать­
ся общие структурные принципы построения процессов с задан­
ными свойствами. Это позволит принимать гарантированно эф­
фективные технико-организационные решения, повысить уровень
технологической мысли и ее оперативность, резко сократить
время на подготовку производства и др.
§ 3. Принципы построения
производственных процессов
Проблема создания эффективного производст­
венного процесса связана с необходимостью учета большого
количества факторов, условий и ограничений, которые образуют
среду принятия решений. В каждом конкретном случае эта среда
оригинальна по составу свойств, используемому критерию и ие­
рархии описывающих ее параметров. Решение указанной пробле­
мы немыслимо без использования вычислительной техники. Од­
нако и при этом часто возникают непреодолимые трудности,
когда речь заходит о достаточно сложных процессах. Эти труд113
ности связаны с большой размерностью задач оптимизации фун­
кционирования процесса.
Объективная тенденция возрастания требуемого качества при­
нятия решений связана с необходимостью учета все большего
числа факторов. Но при этом сложность системы, а следователь­
но, и ее размерность, растут так быстро, что практически все
методы их решения перестают быть эффективными. В тех случа­
ях, когда удается найти подхидяп^ие эвристики, понижающие
размерность задачи, процесс принятия решения облегчается и,
как правило, возрастает его оперативность.
Разнообразие практических ситуаций настолько велико, что
не приходится говорить о создании какого-то единого алгоритма
для построения технологической структуры процесса с задан­
ными свойствами. Вместе с этим бесспорно и то, что все процес­
сы, различные по своей физической природе и сложности, имеют
общие структурные аналоги своего строения и типовые системы
внутренних отношений. Кроме того, система внутренних связей
также имеет вполне определенную единую для любых процессов
структуру.
Все это позволяет ставить вопрос о поиске принципов и об­
щих рекомендаций для целенаправленного формирования опре­
деленных свойств процессов или, как минимум, для реализации
текущего контроля за характером принимаемых последователь­
ных решений. Прежде всего обратимся к системе исходных дан­
ных и принципам создания процессов.
1. Любое производственное подразделение вне зависимости
от его организационного ранга должно рассматриваться, с одной
стороны, как единый, интегральный элемент, включающий все
происходящие в нем процессы. Условное деление этих процессов
на основные и вспомогательные не должно приводить к решени­
ям, при которых улучшение показателей одной группы процессов
приводило бы к нарушению функционирования процессов другой
группы. С другой стороны, каждый процесс должен восприни­
маться как элемент более крупного процесса. Последнее обсто­
ятельство важно для формирования внешних связей, определя­
ющих характер взаимодействия данного процесса с другими
процессами.
2. Необходимо определять полное содержание понятия «вы­
ход процесса». Здесь имеется в виду номенклатура основной
и дополнительной продукции по всему спектру ее показателей.
Кроме того, составляется перечень всех побочных продуктов
функционирования данного процесса также с соответствующими
им характеристиками. Это связано с вопросами безотходной
технологии, вторичного сырья, экологии и др.
3. Определяется место данного процесса в производственном
процессе данного подравде пения и в системе процессов других
производств, а также характер его основной продукции по от114
ношению к продукции указанных процессов. Например, это мо­
жет быть технологический процесс цеха, участка, станка или
данного автономного производства. Продукция может быть:
основной, окончательной, товарной или комплектующей в дан­
ном производстве, а также дополнительной (в частности, шир­
потреб).
4. Определяется степень автономности данного производства:
организационная, технологическая, экономическая, социальная,
что необходимо для правильного построения внутренней струк­
туры данного производства и его функционирования.
5. Определяется спектр внешних связей данного процесса и их
характер, а также основные принципы их реализации.
6. Формируется система внутренних и внешних показателей,
характеризующих данный процесс в соответствии с его техни­
ко-организационным иерархическим уровнем, что важно для по­
строения системы технических, организационных и экономичес­
ких показателей, регламентирующих вход и выход процесса. Это
является основой гарантии качества функционирования данного
процесса как поставщика своей продукции на вход другого про­
цесса, при одновременной такой же гарантии получения качест­
венной продукции на свой вход от предшествующего процесса.
7. Определяется характер исходных элементов и организаци­
онных принципов, на основании которых будет строиться данный
процесс. От этого зависят характер и уровень декомпозиции
процесса, вопросы комплектации на принципах кооперирования.
В плане принятия технико-организационных решений при со­
здании или обеспечении функционирования процесса это регла­
ментирует характер директивных условий, указаний, а также
очерчивает область самостоятельных внутренних решений. По­
следнее замечание особенно важно с точки зрения организации
производств на принципах хозрасчета.
Вышеизложенное иллюстрирует не только системный подход
к формированию исходной информации, но и основу для выра­
ботки принципов создания производственных процессов с задан­
ными свойствами.
Важным является вопрос о принципах построения технологи­
ческой структуры процесса. Под технологической структурой
здесь понимается предметно-ориентированное функциональное
единство методов технологического воздействия, упорядоченное
во времени. Таким образом, конкретная технологическая струк­
тура строится на определенном исходном арсенале методов тех­
нологического воздействия и правилах их организации в требу­
емый комплекс. Предполагается, что свойства пары заготов­
ка — деталь в этом случае заданы, а следовательно, известен
и объем технологических воздействий, необходимых для перево­
да заготовки в изделие.
115
в принципе возможны два взаимно противоположных подхо­
да к технологической организации изготовления детали. Первый
состоит в разделении всего объема работы на определенные
этапы и в последовательной их реализации. Второй — это со­
вмещение во времени всех необходимых методов технологичес­
кого воздействЕШ на заготовку. Это так называемые последова­
тельный, или дифференцированный, и параллельный, или интег­
ральный, принципы технологической организации процесса.
Примером могут служить два варианта изготовления детали,
юображенной на рис. 4.2. Представим, что обработке подверга­
ются поверхности i и 2 и что общий припуск, который нужно
с них снять, равен соответственно Zi = H—Hi и Z2=h—hi. Пре­
дельно возможная интеграция обработки состоит в одновремен­
ном снятии сразу всего припуска с обеих поверхностей за один
рабочий ход. Предельная дифференциация с учетом заданного
наличия методов обработки состоит в снятии припуска в два
рабочих хода с поверхности 1, а затем в три рабочих хода
с поверхности 2. Соответственно общее основное технологичес­
кое время в первом случае равно времени одного рабочего хода,
а во втором — сумме пяти последовательных рабочих ходов.
Рассмотрим на этом же примере существующие разновид­
ности интеграции, имея в виду, что обратным процессом будет
дифференциация.
СЗбработка поверхности 1 возможна при совмещении двух
рабочих ходов путем организации многоинструментальной на­
ладки, например два строгальных резца со смещением в направ­
лении обработки: первый резец производит съем верхнего слоя
материала, а второй окончательно формирует поверхность 1.
Это — неполное совмещение однородных рабочих ходов. Воз­
можен вариант фрезерования поверхности 1 торцовой фрезой
в один рабочий ход. Это уже качественно иной метод технологи­
ческого воздействия, который совмещает в себе два рабочих
хода, однородных или неоднородных. Строго говоря, и многоин­
струментальная обработка — тоже качественно новый метод об­
работки по отношению к одноинструментальной.
Рассмотренный случай интеграции обработки будем называть
качественной интеграцией. Основным ее признаком является при­
менение качественно нового ме­
тода технологического воздей­
ствия. Основным ограничением
служит требуемое качество об­
работки. Что же касается за­
трат времени, то в общем слу­
, ч
чае они могут быть больше, ме­
ньше или равны суммарному
Рис. 4.2. Эскиз детали
времени ИСХОДНОГО варианта.
116
Интеграция обработки возможна и по такой схеме: совмест­
ное строгание поверхностей i и 2. Это — интеграция по времени,
при которой не меняются методы обработки каждой поверх­
ности, но обработка их совмещается во времени. Совмещаться
могут как однородные, так и неоднородные методы обработки,
в частности на агрегатных станках. Общее время обработки
сокращается и определяется временем наиболее длительного ра­
бочего хода.
Наконец, возможна и количественная интеграция, суть кото­
рой в том, что на станке обрабатываются сразу параллель­
но несколько заготовок. Это фактически увеличение числа по­
токов. Потоки могут быть однородными при обработке оди­
наковых деталей, и неоднородными при групповой обработке
различных деталей. Сокращение времени здесь кратно числу
увеличения потоков. Важно заметить, что эти разновидности
интеграции, по сути, лежат в основе структурной организации
всех без исключения элементов ТС: оборудования, приспособле­
ний, инструмента, а также самой технологической последователь­
ности процесса.
Назовем самые распространенные примеры реализации
указанных принципов: 1) весь спектр параллельно-последо­
вательных компоновочных схем металлорежущего оборудования
и приспособлений (многошпиндельные автоматы, агрегатные
станки, многоместные приспособления и др.); 2) широкая
номенклатура фасонного инструмента, комбинированные сверла
и др.; 3) прутковые заготовки для штучных изделий; 4)
методы копирования и обката при обработке зубчатых колес;
5) проверка качества резьбового соединения свинчиванием
и поэлементный их контроль; 6) стендовая обработка круп­
норазмерных деталей; 7) совмещение сборочных переходов
в одной позиции автомата и др.
Интересно, что ряд основных определений в системе понятий
о процессе также содержит признаки, по сути, аналогичные при­
знакам совмещения и разложения взаимодействий. Принцип на­
икратчайшего пути, используемый для построения технологичес­
кой последовательности изготовления детали,— это дифференци­
ация процесса достижения требуемой точности геометрических
параметров детали. Изготовление детали за одну установку, что
в общем случае соответствует использованию принципа органи­
зованной смены баз, иллюстрирует интегральный подход к обес­
печению точностных параметров изделия.
Поточное изготовление серийной продукции — это специали­
зация станков на обработке изделия одного наименования. Уни­
версальный станок — это интеграция множества производящих
функций в одной единице оборудования. Наоборот, специальный
станок — это предельная индивидуализация технологических
возможностей станка. Многономенклатурное производство —
117
это интеграция процесса обеспечения качественных показателей
разнообразной продукции в пределах данной ТС.
Отмеченные аналогии важны в научном и методологическом
планах. Действительно, наличие определенных структурных и со­
держательных аналогий в далеких, на первый взгляд, понятиях
позволяет предполагать присутствие у них и определенных об­
щих по характеру свойств. Это является основой для исследова­
ния более глубоких взаимосвязей между данными предметами,
явлениями или процессами. Кроме того, учет аналогий позволяет
более широко использовать преемственность результатов иссле­
дований в различных по своей природе процессах.
Подобный подход позволяет образовать две группы понятий
АяБ (рис. 4.3). Каждой группе присуще внутреннее содержатель-
/ Интеграция
Универсальность
А s Единичность
1 Многономенклатурность
' Непоточность
I
1
1
Б \
1
Дифференциация
Специализация
Серийность
Однономенклшурность
Поточность
к
I
к
Показатели процесса
Ниже
Выше
Выше
Ниже
Выше
Выше
Выше
Выше
Выше
Ниже
Выше
Больше
Выше
Ниже
Ниже
Выше
Выше
Степень использования технологических
возможностей ТС
Резервы повышения качества и производи­
тельности
Средний уровень точности оборудования
Уровень механизации и автоматизации
Средний уровень квалификации рабочих
Возможности воздействия на технологи­
ческий цикл
Резервы модернизации
Устойчивость к изменению спроса на
выпускаемую продукцию
Потери на переналадки
Устойчивость к поломкам
Средняя сложность оборудования, оснаст­
ки и инструмента
Занимаемая площадь
Ремонтопригодность
Энергоемкость
Уровень стабильности внутренних условий
функционирования
Сохранение работоспособности при внеш­
них помехах
Гибкость процесса
Рис. 4 3. Показатели производственного процесса
118
Выше
Ниже
Ниже
Выше
Ниже
Ниже
Ниже
Ниже
Ниже
Выше
Ниже
Меньше
Ниже
Выше
Выше
Ниже
Ниже
ное единство, соответственно отражающее особенности принци­
пов интеграции и дифференциации. Действительно, принцип ин­
теграции процессов взаимодействия внутренне соотносится с по­
нятиями универсальности (станков, инструмента и методов об­
работки), единичности и многономенклатурности производства,
его непоточности. Соответственно принцип дифференциации со­
четается с понятиями специализации, серийности, поточности
и однономенклатурности производства.
Ниже приведено сравнительное сопоставление свойств двух
групп производственных процессов, характеризуемых соответст­
венно указанными показателями. Сравнение проведено на ос­
новании учета характера реакции каждой из групп производства
на тот или иной фактор, условие или практическую ситуацию.
В реальной жизни не существует резких и однозначных границ
между рядом рассматриваемых понятий. Однако с точки зрения
выявления общих тенденций, особенностей и закономерностей
каждой группы процессов такое сравнение, безусловно, правоме­
рно и полезно в теоретическом и прикладном аспектах.
Отметим ряд особенностей каждой из грухш Ли В процессов.
Для группы А доминантный характер носят технологические
потери из-за относительно более низкого уровня оптимальности
режимов функционирования. Для группы Б — это, как правило,
потери из-за низкой надежности элементов ТС. Основными ис­
точниками погрешностей изготовления изделий являются для
группы А нестабильность входных характеристик заготовок
и для группы Б текущие нарушения в технологическом цикле.
Резервы увеличения выпуска продукции состоят в повышении
загрузки отдельных единиц оборудования (для группы А) и в уве­
личении синхронности работы технологической цепочки (для
группы Б). При прочих равных условиях общий цикл изготовле­
ния изделия при интеграции обработки уменьшается, а при диф­
ференциации увеличивается, хотя такт выпуска при этом может
быть существенно сокращен.
Объективным пределом использования принципа интеграции
являются физические возможности объединения методов техно­
логического воздействия. Соответственно для дифференциа­
ции — это наличие оптимума для количества позиций, станков
в технологической цепочке. Повышение дифференциации процес­
са приводит ко все большей специализации его элементов и эта­
пов. Аналогично возрастание концентрации методов технологи­
ческого воздействия в одной производственной единице делает ее
все более универсальной.
С увеличением программы выпуска изделия использование
принципа дифференциации становится более эффективным, одна­
ко степень возрастания эффекта при этом уменьшается. В услови­
ях протекания процессов группы А легче организовать техноло­
гическую последовательность изготовления детали по принципу
119
наикратчайшего пути, соответственно в группе Б организационно
более приемлем принцип организованной смены баз и особенно
его разновидность в форме использования единых технологичес­
ких баз. При этом следует учитывать, что автоматическая линия
с жесткой внутренней связью по своим структурным свойствам
становится аналогичной универсальному станку. Это свойство
определяется фактом наличия в любой автоматической линии
лимитирующего станка, который и определяет ее производитель­
ность.
С точки зрения создания более благоприятных условий для
максимальной загрузки всех универсальных станков на данном
предметно-замкнутом участке (группа А) целесообразно расши­
рять возможности подбора более синхронных по суммарному
времени обработки групп деталей, направляемых на каждый
станок. По этой же причине чрезмерное сокращение номенк­
латуры изделий, изготовляемых на участке из многоцелевых
станков, приводит к снижению эффективности их эксплуатации.
Существует ряд принципиальных положений, которые также
должны приниматься во внимание при создании новых и модер­
низации действующих производств. Так, чем уже номенклатура
производства, тем оно, как правило, и более специализированное,
а следовательно, и более зависимое от конъюнктуры спроса на
свою продукцию. Это определяет основную направленность ме­
роприятий по борьбе за его рентабельность. Смысл их сводится
в конечном итоге к тому, чтобы поднять качество продукции до
уровня, обеспечивающего конкурентоспособность данного пред­
приятия. Другим направлением является расширение номенкла­
туры продукции, что позволяет легче адаптироваться к изменени­
ям среды потребления и спроса.
В отношении многономенклатурных производств, а следо­
вательно, как правило, непоточных, аналогичные рекомендации
сводятся к следующему. Целесообразно совершенствовать мо­
бильность производства, которая определяет оперативность пе­
рехода от изготовления одного изделия к другому. Использовать
принципы групповой организации производства и, в частности,
различные способы технологического повышения массовости
продукции. Одновременно желательна более глубокая специ­
ализация локальных этапов, фаз и стадий производственного
процесса.
Фактом, подтверждающим эффективность указанного подхо­
да, является глобальная тенденция к интеграции, укрупнению
предприятий, отраслей экономики и целых экономических сооб­
ществ. При этом необходимо учитывать и противоположную
тенденцию, состоящую в том, что интеграция ведет к укрупне­
нию производства, а это усложняет внутренние связи. Процесс
становится менее управляемым и мобильным, и в конечном итоге
его эффективность снижается.
120
в подобных ситуациях должна происходить дифференциация
процесса на ряд относительно автономных этапов или произ­
водств. Положительное действие фактора автономности, т. е.
внутренней самостоятельности, как правило, приводит к сниже­
нию размерности задачи общего управления этапами.
Таким образом, практически любой реальный процесс и про­
изводственное подразделение любого уровня — это всегда опре­
деленное сочетание принципов дифференциации и интеграции
взаимодействий. Более того, можно утверждать, что, чем это
конкретное сочетание более адекватно среде функционирования
процесса, тем он в принципе более эффективен.
В широком спектре качественных показателей процесса глав­
ное место занимают показатели, характеризующие выход основ­
ного функционального процесса, т. е. показатели качества выпу­
скаемой продукции. Организация любого процесса должна ос­
новываться на принципе максимализации качества своей продук­
ции. Это значит, что продукция при данных конкретных условиях
функционирования производства должна быть как можно более
высокого качества. Например, партия изделий, в которой значе­
ние контролируемого параметра максимально приближено к оп­
тимальному его значению, безусловно, более качественна по
сравнению с другой партией, в которой эти значения разбросаны
по всему полю допуска.
По существу, этот принцип должен лежать в основе коопера­
ции любого уровня. А если учесть, что любой процесс, с одной
стороны, производитель, а с другой — потребитель, то важность
указанного принципа становится всеобщей. В несколько упро­
щенной интерпретации рассмотренный принцип заключается
в комплектовании любого изделия из элементов (деталей, узлов
и др.) максимально высокого качества. Аналогичное утверждение
относится и к взаимодействию процессов.
Следует отметить и еще один принцип, имеющий не менее
широкую общность,— это принцип минимизации погрешности.
Суть его можно проиллюстрировать на примере возникновения
осевого биения в сборочных единицах типа шпиндельных узлов
(рис. 4.4, а). В каждом стыке осевое смещение будет определяться
деталью с наименьшим отклонением от перпендикулярности ее
торцовой поверхности. При наличии в узле нескольких подви­
жных стыков общее осевое смещение будет определяться суммой
минимальных значений торцовых биений в каждом стыке.
Еще одним примером может служить контакт двух реальных
поверхностей деталей (рис. 4.4, б). Здесь величина относительных
вертикальных смещений деталей из-за неровностей поверхностей
будет определяться деталью с наименьшими неровностями.
Своеобразным проявлением рассматриваемого принципа являет­
ся группирование значений параметра в партии изделий около
центра группирования. Тот же, по сути, смысл имеют следующие
121
Рис. 4.4. Сборочная единица (а) и схема контакта деталей (б)
положения: производительность технологической цепочки не мо­
жет быть выше наиболее непроизводительного ее звена или
жесткость системы не может быть выше наименее жесткого звена
и т. п.
То, что каждый процесс является частью более крупного
процесса и сам в то же время разлагается на более мелкие
процессы, позволяет сформулировать еще одно положение, рег­
ламентирующее общие принципы создания процессов. Если ис­
ходить из того, что в любой заготовке или в самом общем случае
в любом входе уже сформированы в окончательном виде некото­
рые свойства будущей детали (выхода), то естественным должно
быть стремление их сохранить. Поэтому желательным условием
при создании процесса по дальнейшему преобразованию этой
заготовки является функционирование процесса с положитель­
ным коэффициентом уточнения.
Под коэффициентом уточнения процесса понимается отноше­
ние значения контролируемого параметра у заготовки к зна­
чению того же параметра у детали. Несоблюдение этого тре­
бования приводит к тому, что приходится вводить дополни­
тельные процессы для восстановления нарушенных свойств. Ча­
сто эти процессы довольно сложные и дорогостоящие, что
отрицательно сказывается на общем эффекте от изготовления
данной продукции.
Например, нарушение режимов обработки часто приводит
к недопустимым изменениям в поверхностных слоях материала
детали и требует дополнительной механической или термической
обработки. Конечно, в тех случаях, когда негативный эффект
предопределен самим характером данного метода технологичес­
кого воздействия, с ним приходится мириться. Однако, когда
нарушение имеющихся свойств связано с несоблюдением тех­
нологической дисциплины процесса, оно недопустимо.
Важное значение имеет и то, с каких позиций подходят к воп­
росу выбора комплекта методов технологического воздействия,
необходимых для реализахщи конкретного процесса. В общем
122
плане это сводится к согласованию свойств взаимодействующих
методов по характеристикам их входов и выходов. В частности,
желательно, чтобы методы были близки по производительности,
виду потребляемой энергии, требуемым внешним условиям их
функционирования, требуемому уровню квалификации рабочих,
степени технологической надежности, экологической совмести­
мости и др. Естественно, что, чем полнее согласование различных
методов технологического воздействия в рамках единого процес­
са, тем более устойчивым, надежным и эффективным будет его
функционирование.
§ 5. Номенклатура изделий
Номенклатура — это состав оригинальных изде­
лий, подлежащих изготовлению в данном производственном
подразделении. Номенклатура имеет иерархическую структуру.
Так, можно говорить о номенклатуре изделий завода, цеха,
участка, станка и даже отдельной его позиции. При организации
производственного процесса важно правильно соотнести понятие
номенклатуры с понятием предмета производства. Для этого
нужно ввести показатели номенклатуры, понимая ее как единый
комплексный предмет, характеризуемый качественными, количе­
ственными и временными показателями. Возможны две формы
задания указанных показателей. Первая состоит в том, что зада­
ны список изделий, количество и срок изготовления каждого
изделия. Во второй форме изменен временной показатель: указан
срок выполнения по всей номенклатуре.
Вопрос о соответствующем подборе значений указанных по­
казателей возникает при организации нового производства,
формировании сменных заданий и текущих номенклатурных из­
менений в составе изделий данного производства. При этом
нужно учитывать, что каждая номенклатурная единица имеет
свои значения показателей, которые образуют в итоге парамет­
рическую среду номенклатуры в целом. В общем случае изделия
имеют разную форму ^i размеры, геометрическую точность, ше­
роховатость поверхностей, а также производятся в различном
количестве. Они также требуют различных методов технологи­
ческого воздействия и их последовательности, разной квалифика­
ции рабочих и др.
В этой связи возникает задача формирования номенклатур­
ных групп с определенными внутренними свойствами, которые
были бы технологичны по отношению к заданной ТС при обяза­
тельном учете вида заготовок номенклатурных единиц. При гра­
мотном решении этих задач можно, в частности, увеличить уро­
вень загрузки станков.
При формировании номенклатуры изделий на уровне авто­
номного предприятия необходимо учитывать: 1) потребности
123
смежных предприятий и сферы ширпотреба, а также возмож­
ности сбыта продукции; 2) характер и наличие так называемых
побочных продуктов основного производства; 3) совместимость
технологий номенклатурных единиц и общий потенциал произ­
водительных сил и др.
Для более мелкого производственного подразделения (напри­
мер, предметно-замкнутого участка) подбирают: 1) детали со
сбалансированными по времени этапами их обработки; 2) детали,
не тр>е6ующие строго однозначного порядка обработки их повер­
хностей; 3) детали, не требующие всех станков технологической
цепочки для своего изготовления, а также стараются по возмож­
ности расширить номенклатурный список деталей, так как это
способствует увеличению количества сочетаний вариантов изго­
товления номенклатуры.
В общем случае содержание критерия, в соответствии с ко­
торым выбирается конкретная стратегия подбора номенклатур­
ной группы изделий, может быть различным. Это говорит
о том, что в зависимости от конкретных обстоятельств состав
групп будет различным даже при одном и том же исходном
множестве деталей.
§ 6. Понятие о заготовке
Рассматривая любые вопросы, связанные с по­
строением производственного процесса, и, в частности, вопрос
о заготовках, т. е. исходных продуктах, подлежащих переработке,
необходимо исходить из следующих принципиальных положе­
ний: 1) все процессы имеют единую элементную структуру: вход,,
выход и преобразующая система; 2) процесс всегда, с одной
стороны, является потребителем, а с другой — производителем;
3) данный процесс является составным этапом более сложного
процесса и в то же время сам состоит из системы более мелких,
локальных процессов.
Подобная исходная позиция создает основу для формирова­
ния системного подхода к понятию «заготовка». В широком
смысле заготовка — это вход процесса. Конкретная реализация
входа может быть самой разнообразной: одно- и многономенк­
латурной, с одинаковой или различной природой номенклатур­
ных единиц, представленных в единичных экземплярах или в мас­
совых количествах, в форме дискретных предметов или как не­
прерывный продукт. Однако в любом случае — это всегда опре­
деленный комплекс свойств предмета труда, необходимый и до­
статочный для переработки его в соответствующий комплекс
свойств продукта труда с помощью данных средстЬ труда.
Необходимо отметить, к сожалению, еще встречающееся
в практике отношение к понятию «заготовка» как к чему-то
промежуточному, незаконченному, а в связи с этим и к не име124
ющему особой ценности, второстепенному элементу процесса
производства. Это неизбежно приводит к снижению требований
к заготовительным этапам производства, низкому уровню их
технологической культуры.
Структура производственного процесса в конкретной сит>ации может в большей степени определяться не техническими,
а организационными, социальными и другими факторами. По­
этому даже при фиксированном виде изделия и его выпускаемом
количестве характер заготовки может быть различным в зависиMOCiH o'l того, что организационно принято за понятие входа для
данного процесса. Так, при получении литья с центролита для
данного предприятаа заготовками будут конкретные отливки.
Но если изготовление этих же отливок организуется на данном
заводе, заготовками следует считать уже то, из чего получают
отливки.
Таким образом, под заготовкой для данного процесса следует
понимать окончательный продукт, изделие, устройство, меха­
низм, комплект деталей, деталь предшаггвующего этапа. Это
в равной степени относится ко всем структурным уровням деком­
позиции процесса производства: отрасли, заводу, цеху, участку,
технологической цепочке, ставку и др. Следовательно, система
показателей, характеризующих заготовку структурно, должна
быть такой же, как и для изделий.
Каждая заготовка должна иметь определенные свойства: ком­
плектность, относительное положение элементов, материал,
форму, размеры, массу и др. К свойствам также относится
и состояние заготовки: степень намагниченности, температура
и др. Форма регламентации свойств, так же как и для юделнй,
может быть абсолютной или относительной, т. е., когда важна
схабильность качественных показателей заготовки в партии, а не
само их зьачение.
Регламентированная и строго соблюдаемая система качест­
венных показателей заготовок служит основой для широкого
внедрения принципов кооперации в организацию производства
и повышения его эффективности.
Формирование содержания конкретной заготовки должно
осуществляться с учетом свойств изделия и ТС, а также ор­
ганизационной формы процесса. Однако можно сформулировать
некоторые общие положения в решении задач, связанных с выбо­
ром заготовки.
1. Комхшекс свойств заготовки должен быть минимально
достаточным для обеспечения свойств изделия. Излишние запасы
по требуемым показателям качества снижают, как правило, эф­
фективность использования заготовки.
2. Максимальное приближение свойств заготовки к свойствам
будущего изделия можно считать положительным фактором.
Однако это не должно вызывать существенных осложнений при
125
организации технологического процесса, переводящего данную
заготовку в изделие. В общем случае заготовка, более прибли­
женная к изделию, накладывает и больще ограничений на выбор
вариантов технологического процесса его изготовления.
3. Желательно согласование вида заготовки: штучная (ШТ)
или непрерывная (НИ) с аналогичной характеристикой прием­
ного устройства технологической системы. Возможны варианты:
ШТ — ШТ, ШТ — Ш1, НП — НП и НП — ШТ. Несогласование
указанных признаков вызывает необходимость применения со­
гласующих устройств (дозаторов, делителей, бункеров и др.).
4. Стабильность параметров заготовки определяется методом
ее получения, а численные значения этих же параметров должны
определяться в основном процессом ее изготовления и требу­
емыми параметрами изделия.
5. При невозможности обеспечения требуемой стабильности
показателей заготовки (размеров, формы, твердости, химичес­
кого состава материала и др.) с помощью данного метода ее
получения, но при технической или экономической его предпоч­
тительности возможно введение сортировки партии заготовок на
группы с уменьшенными до нормы колебаниями входных харак­
теристик.
Рассмотрим подход к выбору заготовки. Заготовка рассмат­
ривается как составной элемент ТС, которой предписан вьшуск
продукции с заданными качественными, количественными, вре­
менными и экономическими показателями. Возможны три раз­
личные практические ситуации выбора заготовки.
В первой ситуации исходной информацией являются парамет­
ры изделия: качественные характеристики, необходимое количе­
ство и временной режим выпуска. Эта ситуация наиболее харак­
терна для организации нового производства, как правило, серий­
ного или массового. Для формирования понятия заготовки необ­
ходимо вначале определить структуру предлагаемого производ­
ственного процесса. На практике это уже обычно задано, так как
относится к компетенции более высокого уровня организации
производства.
Указанная информация предопределяет принципиальный вид
заготовки, а также некоторое множество технологических мето­
дой ее получения при существующих в данном случае ограниче­
ниях. На этой базе формируются варианты сочетаний заготов­
ка — изделие, а следовательно, в первом приближении и вариан­
ты комплексов методов технологического воздействия, типов
оборудования, необходимых для перевода каждого из вариантов
заготовки в изделие. Естественно, что и на этом этапе действует
соответствующая система ограничений. Учитывая внешние связи
данного производства и возможности кооперации, а также фак­
торы экологического, социального характера и другие, число
оставшихся вариантов практически сводится к двум — трем.
126
Дальнейший выбор варианта заготовки строится на основе при­
нципов решения оптимизационных задач, для чего формируется
критерий, целесообразный в данной конкретной обстановке.
Вторая ситуация выбора заготовки соответствует наличию
исходной информации об изделии и технологическом оборудова­
нии. Она типичная для условий действующего производства,
в котором данное изделие появляется в порядке текущих номенк­
латурных изменений. Наличие информации об оборудовании уже
в первом приближении определяет возможные технологические
цепочки с фиксированными параметрами выхода, т. е. изделия.
Это, в свою очередь, определяет то, какой в принципе может
быть заготовка, чтобы данных возможностей оборудования хва­
тило для ее перевода в изделие. Поскольку существуют ограниче­
ния и на возможные методы получения заготовки, реально при­
емлемых вариантов заготовок остается мало. Дальнейшее реше­
ние строится так же, как и в первой ситуации, с формированием
критерия по минимизации затрат или максимализации вьшуска
изделий и др.
Практически локальный критерий для данного изделия, как
правило, должен не противоречить критерию функционирования
действующего производства, в которое добавляется еще одна
номенклатурная единица.
В третьей ситуа1ри приходится решать вопрос о выборе заго­
товки. Заданы характеристики только оборудования: станка,
пресса, закалочной установки, измерительной машины, сбороч­
ного места с технологической оснасткой и др. Таким образом,
в рассматриваемом случае нужно определить не только заготов­
ку, но и изделие. Это часто встречающаяся практическая ситу­
ация, когда решается задача загрузки оборудования.
Действительно в производственных подразделениях (цех, уча­
сток), выпускающих быстросменяющуюся многономенклатур­
ную продукцию единичного характера, постоянно существует
проблема возможно более полной захрузки оборудования. По­
этому можно сказать, что по отношению к неработающим стан­
кам решается задача, какие изделия можно на них изготовить
и какой вид и размеры могут иметь заготовки, устанавливаемые
на станках. Другими словами, подбирают варианты конкретных
частных композиций заготовка — изделие для каждого станка
или какой-то технологической цепочки.
Другой вариант указанной ситуации — проведение на обору­
довании экспериментальных исследований по определению его
технологических возможностей и эксплуатационных параметров,
а следовательно, и возможных областей использования в произ­
водственных процессах.
Специфической областью, связанной с оптимизацией выбора
параметров заготовок, являются задачи раскроя материала. Из­
вестно, что согласование длины обрабатываемых из прутка дега127
лей с его общей исходной длиной позволяет иногда получать
ощутимые результаты по экономии материала.
Более сложной задачей является получение из листового мате­
риала комплектов одинаковых или различных по форме и раз­
мерам деталей. Рещение подобных задач с помощью вычисли­
тельной техники, рассчитывающей оптимальное сочетание исход­
ных размеров листового материала (проката), номенклатуры
деталей и варианта их получения дает экономию материала.
§ 7. Выбор технологических баз
При разработке производственных процессов
приходится решать задачу назначения технологических баз (ТБ).
В зависимости от конкретных условий фактор ТБ может играть
доминантное значение для построения всей последовательности
изготовления изделия. Однако возможны случаи, когда выбор ТБ
носит второстепенный характер и должен учитываться наряду
с другими действующими факторами в соответствии с их значи­
мостью при решении общей задачи.
Рассмотрим случаи, когда выбор ТБ является определяющим
обстоятельством. Это прежде всего ситуация, когда точностные
требования к деталям находятся на пределе технологических
возможностей оборудования. Здесь ТБ должны назначаться ис­
ходя из принципа наикратчайшего пути, т. е. совмещения их
с исполнительными поверхностями и конструкторскими базами.
Это объясняется тем, что ужесточенные допуски на соответст­
вующие размеры при организованной смене баз не могут быть
обеспечены на данном оборудовании.
Во многих деталях функциональные размеры образуют за­
мкнутые цепи линейных или угловых размеров. При любой по­
следовательности обработки на
размере у^ (рис. 4.5), получаемом
ТБ1 >
последним, накапливается погре­
шность технологической цепочки
(Уь 72, Уз)- Поэтому одинаковая
точность на всех размерах в по­
добных замкнутых цепочках не
может быть получена принципи­
ально. Возможны три варианта
решения указанных задач, свя­
занных с выбором ТБ.
1. Исходя из уравнения угло­
вой размерной цепи
Рис 4.5. Деталь с замкнутой системой размеров
128
У4 = 360°-71-у2-Уз
И требуемого функционального
допуска на угловые размеры на-
значают ужесточенные допуски на составляющие размеры уи
Уг и уъ, равные одной третьей функционального допуска Г,,. Тогда
при последовательной обработке отверстий 1...4 от ТБ1, ТБ2
и ТБЗ накопленная погрешность на размере у^ не будет
больше Ту.
2. При необходимости обеспечения максимальной идентич­
ности указанных угловых размеров используют принцип единых
технологических баз. Например, первым обрабатывают отвер­
стие 1, а затем от него (ТБ1) координатным способом все оста­
льные отверстия, получая соответственно углы у,, уз и у^. Очевид­
но, что максимальная накопленная погрешность на углах между
любой парой отверстий будет не более суммы двух погрешностей
угловых размеров, образующих данный размер.
3. При заданных допусках на размерах замкнутой цепочки
с помощью целенаправленного выбора ТБ можно задать со­
ответствующий им механизм накопления погрешностей. Напри­
мер, при обработке первым отверстия 1, затем от него (ТБ1)
отверстий 2 (vi) и 4 (ув), а от ТБ2 отверстия 3 (у?) получим
погрешности на угловых размерах yi.-.y^ в соответствии со сле­
дующей структурой технологического их обеспечения (у'^ — раз­
мер, получаемый от ТБ):
yi^yl; У2=Уъ Уз = У1-у]-Уъ У*=УбНа практике может сложиться такая система ограничений, что
выбор ТБ будет однозначно предопределен. Например, наличие
у детали единственной поверхности, на которую она может быть
установлена на данном оборудовании. Или единственность пове­
рхности, от которой можно в принципе обработать какую-то
другую поверхность. Или наличие у детали единственной необрабатьшаемой поверхности при требовании осуществить всю
обработку за одну установку и др. Если фактор выбора ТБ не
является определяющим, его действие должно рассматриваться
в общем плане построения оптимального процесса изготовления
изделия: 1) формирование исходных данных: 1) определение по­
нятия предмета производства и понятия входа; 2) задание крите­
рия; 3) составление иерархической системы ограничений (это
фактически описание свойств среды функционирования проек­
тируемого процесса); 4) подготовка информационной базы, со­
гласованной с содержанием критерия и системой ограничений;
5) разработка генеральной стратегии построения данной техноло­
гической последовательности изготовления изделия.
Каждый конкретный выбор ТБ всегда является некоторым
компромиссом двух основных принципов выбора ТБ: принципа
наикратчайшего пути (ПНП) и принципа единых технологических
баз (ЕТБ). Рассмотрим их особенности на примере изготовления
детали.
ПНП фактически уже задан самой системой размеров на
129
чертеже детали — это последовательная цепь ТБ, от которых
производится обработка поверхностей детали. ПНП соответству­
ет максимальный технологический цикл, но при этом и потенци­
ально наивысшая возможная точность обработки. В свою оче­
редь, принципу ЕТБ соответствует максимально возможный ко­
роткий цикл изготовления детали при более низкой точности
обработки.
При прочих равных условиях для реализации принципа ы ь
требуются оборудование повышенной точности, более сложная
его конструкция, то же относится и к технологической оснастке.
ЕТБ, как правило, соответствует и более сложный механизм
образования погрешностей изготовления, связанный с исполь­
зованием организованной смены баз.
Таким образом, используя аналогию ПНП, можно поставить
в соответствие метод обката, т. е. последовательное формирова­
ние детали, а принципу ЕТБ — метод копирования, т. е. одновре­
менное получение всех свойств детали. Другими словами, если на
основе ПНП потенциально возможно обеспечить максимальную
дифференциацию процесса, то принцип ЕТБ является основой
для максимальной интеграции того же процесса изготовления
детали.
Естественно, что построение процесса изготовления данной
детали во многом определяется геометрической структурой дета­
ли, а также программой ее изготовления. Это дает широкую
основу для развития принципов типовой и групповой обработ1Ш
деталей, при которых целый ряд этапов, в том числе и выбор ТБ,
имеют фиксированное решение. Однако в основе разработки
любой технологической последовательности обработки лежат
общие принципы.
Как было показано, любой реальный процесс — это всегда
сочетание двух основных принципов ПНП и ЕТБ. Поэтому все­
гда необходимо стремиться к наиболее благоприятному сочета­
нию их положительных свойств и нейтрализации тех ограниче­
ний, которые накладываются этими принципами.
При использовании ЕТБ часто возникают ограничения по
точности из-за организованной смены баз. В определенной степе­
ни ослабить эти ограничения можно за счет перехода с метода
обеспечения точности от ТБ на метод
обработки мерным инструментом.
У^^^
,. Особенно этот прием эффективен при
использовании блоков инструментов,
"«:
а также на агрегатных станках с мно­
гошпиндельными головками.
Как показано на рис. 4.6, обеспече­
ние станком точности линейного разTVrfi/
' '~ мера 5 от ТБ1 в пределах 0,1 мм при
заданном допуске на размер заготовРис. 4 6 Эскиз детали
ки Я не гарантирует получение раз130
мера А в пределах указанного допуска. В подобных случаях
прибегают к смене баз технологических (ТБ1) на измерительные
(ТЫ), т. е. для каждой детали в партии настраиваются на задан­
ный размер А от измерительной базы. При условии выполнения
настройки в допуске 0,1 мм ffa3Mep А будет выдерживаться у всех
деталей в допуске 0,2 мм, несмотря на то, что физически на
станке получается размер В от базы ТБ1.
В ряде случаев эффективным оказывается следующий прием
последовательности обработки детали. На первом этапе произ­
водят всю обработку поверхностей детали, даже если некоторые
точностные параметры не обеспечиваются от выбранных ЕТБ.
Обработку производят по критерию максимальной производите­
льности съема припуска. Затем для отдельного размера назнача­
ют дополнительную обработку по ПНП, которую реализуют как
финишный проход от качественных технологических баз, совме­
щенных с КБ.
Появление новых высокоточных станков и особенно станков
с ЧПУ открывает широкие возможности для построения ориги­
нальных последовательностей изготовления деталей. При этом
выбор ТБ оказывается как раз тем инструментом, который по­
зволяет перенести традиционные для одних типов деталей при­
нципы базирования на обработку деталей иной геометрической
структуры.
§ 8. Оценка точности вариавта
базирования
При оценке варианта базирования могут приме­
няться следующие критерии: 1) число рабочих ходов и операций;
2) номенклатура и количество используемого режущего инст­
румента; 3) номенклатура применяемых приспособлений и др.
Рассмотрим оценку варианта базирования по первому кри­
терию.
Число рабочих ходов, которым подвергается поверхность
заготовки, зависит от возможностей оборудования и колебания
припуска (coZ), удаляемого с этой поверхности. Уменьшение
этого колебания приводит к уменьшению числа рабочих
ходов и сокращению количества используемого инструмента.
Очевидно, что при одном варианте баз может возникнуть
ситуация, когда на данном переходе имеет место максимальное
значение припуска, а на другом — минимальное. При другом
варианте базирования положение может измениться на проти­
воположное.
В таких случаях предпочтение отдается тому варианту, при
котором колебания припуска в меньшей степени скажутся на
точности выдерживаемого размера. Например, вариант, который
при расточке отверстия имеет колебания припуска больше, чем
131
при фрезеровании плоской поверхности, следует считать нецеле­
сообразным, так как расточка ведется инструментом менее жест­
ким, чем торцовая фреза.
Поясним сказанное. Пусть необходимо изготовить корпусную
деталь (рис. 4.7). На второй операции в качестве технологической
базы избрана поверхность 5 основания. На этой операции рас­
тачивается цилиндрическое отверстие 2, сверлятся крепежные
отверстия и фрезеруется поверхность 1. Необходимо выбрать
технологические базы, которые будут использоваться на первой
операции, где проведено фрезерование этого основания, просвер­
лены крепежные отверстия и расточено отверстие 3.
Рассмотрим выбор базы в координатном направлении Y.
Расчетные и исходные данные представлены в табл. 4.2.
Операции технологического процесса в таблице расположены
снизу вверх — заготовительная, первая, вторая операция и гото­
вая деталь. Приняты следующие обозначения. Вновь получаемая
поверхность (или ее ось) обозначается жирной точкой. Поверх­
ность или ось, «исчезнувшая» в результате обработки, обознача­
ют крестиком. Снимаемый припуск обозначен Z; причем верхний
индекс указывает номер операции, а нижний — номер поверх­
ности, с которой он был удален. Например, Z\ —припуск, уда­
ляемый с третьей поверхности на первой операции. На заготови­
тельной операции получают все поверхности заготовки, поэтому
каждая из них заканчивается точкой. С оси цилиндрической
поверхности физически нельзя снять припуск, поэтому она толь­
ко «разрывается» точкой и крестиком.
В примерю оценке подлежат: поверхности 1 и 4, ось поверх­
ности 2. Анализ начнем
с поверхности 4 (вариант
1). На заготовительной
операции получена заго­
товка (вариант 1). На пер­
вой операции при расточ­
ке отверстия 3 удален при­
пуск Z 3, выдержан радиус
R{ отверстия и размер Н^
между осью этого отвер­
стия и базой. При фрезе­
ровании поверхности 5
удаляется припуск Zs и
выдерживается размер С ^.
На второй операции
обработке
повергаются
две поверхности. Если по­
верхность 4 будет исполь­
зована в качестве технолоРис. 4.7 Эскиз корпусной детали
гической базы, ТО будут ли
132
выдержаны в заданных пределах размеры детали и какова ве­
личина колебания припуска на обработку? Для ответа на этот
вопрос необходимо выявить технологические размерные цепи.
Припуски и размеры детали в этих цепях являются замыка­
ющими звеньями.
Для нахождения размерной цепи надо с одной стороны замы­
кающего звена по звеньям перейти к другой стороне так, чтобы
образовался замкнутый контур. Например, размерная цепь, где
Z\ — замыкающее звено, будет включать звенья: R\, А^, В°,
С°, С^, F^, Rl- Для каждого замыкающего звена образуется
всего один контур. В состав уравнения, где размер А является
замыкающим звеном, для варианта 1 базирования входят звенья:
F^, Н^ и С^. Для замыкающего звена z f при том же варианте
базирования звеньями размерной цепи будут:
i)^C^Z)°иC°.
Погрешности замыкаюпщх звеньев будем определять мето­
дом максимума-минимума. Например: coZl = a)D'^ + oiC^ +
Q}D° + coC°.
В результате выполнения расчета получим искомые погреш­
ности размеров. Сравнивая расчетные значения погрешностей
размеров детали с соответствующими допусками, видим, что все
погрешности уложились в заданные пределы, но колебания при­
пуска, которые могут возникнуть на операциях, достаточно вели­
ки. Поэтому определим погрешность для тех же размеров, но
с учетом того, что в качестве технологической базы на первой
операции будет использована ось поверхности 2. Поскольку тех­
нологические размерные цепи на второй операции останутся
неизменными, то в таблицу добавлена только горизонтальная
графа (вариант 2).
Выполним аналогичные расчеты, что и в предыдущем случае
(заметим, что размеры, указанные в варианте 1, здесь уже в ана­
лизе не используются). В состав размерной цепи, где А является
замыкающим звеном, будет входить всего один размер — А^.
Для замыкающего звена Zl при этом варианте базирования
составляющими звеньями размерной цепи будут F^ и G .
Сравнивая рассчитанные погрешности размеров детали с до­
пустимыми "значениями, можно определить следующее. Колеба­
ния припусков на обработку в основном уменьшились (за ис­
ключением Zs, здесь произошло увеличение), что особенно сказа­
лось на Zf. Но погрешность размера С, составившая 3,05 мм,
вышла за установленные пределы. Поэтому этот вариант следует
признать неприемлемым. По тем же причинам не может быть
принят и вариант 3, где в качестве технологической базы на
первой операции была избрана поверхность 1.
Таким образом, приемлемым останется только один вари­
ант — первый. Но возможные колебания припуска здесь относи133
кI
Вариант
базирования
Вариант f-база под ^
ЬаготодитепьПердпя
ноя
Вторая
Операция
Первая
FN
•
••
^
>
^о
'
t>i.
^ ,"4>
:«
i
;? ^
с
5
""
IS
rvj
^
,K
JO
аэ
ta
«а
>l
" !ci
^
И <
>
+
to
3:
с;
*
1^1
——ы
--
Т!
и
__^ ,
,._
^
OS
Ci
<~1
lia
a
fei
•>»
•
о
1>
ъ
аэ
«о
4
C-,
1
£^
'1
Г
3'
*^
t^
сь
«а
•S5»
^
^
t
1;.
ь.
1
c-j
1
NУ>^
f-i
<-! i
*
1
i"
~V~
"SI
1
•NNN-
as
i a3
1
за
^^f^," >l
»"*»•* «
CI
1
1к
(а
'м
N*
!^5
N»
CI
го t ^
1 1 1 1 1 i
!
1
1
1
1
•J »N|
ISI
\ 1 1
1 1
1 1 1 1 1 1 1
г
1
i ?Э
1
1 1 1
>а Г-)
Оз
ь.
1 1 1 1 1 1 1
1 1 1
cu
л jo
**
1
1
1 1
1
1 1 1
1
1 !:з
1
I.
1
КЗ .ез
<J1 •«а О а
M- C 3
0
3\
3
Погрешность
*
Допуск
"о
К З .сэ
КЗ КЗ КЗ
О
N.
из
1^
11:"
F3
О)
Обозначение размера
+•
о.
•5
-
КЗ
V
0
0
53
ТЗ
N1
IJl ( л
*
,-а » л
К З Г-,
O j f^S Оо
•с-
* *
*
3
n
I
1
1
1
11 1
1
1
1
1 1
i 11
«a
1 1 C3
ЧО
4 a:
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
ее
«0
CM
CN*
-** V
^4
1
1
Q ca
ui <«
a
la
C3
* •*
1 1
та
•N
:<
«t се
?:
I
1
Csj
Co
^- i: <Ч
1
i
СЧ. ^ 4
« a^
Ц
U. V3
•"^
ъ
N
1
cT c5
-J
t
-h
1
"i;
Kl
1
Ц.
c^
u.
e>
3»
~j
оё
«L
P\
1
с
Ч
с
«.
1
==1
1
4
4
a
-J
•9-
«1
b»
3
»
_^iM
t-1
5
4
Qc
Ч
-
"1
ь
CM
>-
Nl
,
tN
'
~ w
ИОН
leogdiu
-чиашпдошогп^
го 'дои Dtog-2 шнвт/ид
5:
~»^
1 '
•-
a:
bogdiu
.
1Л
nan
чидшпдашсго^
I -gou ntog-i wHnndng
135
тельно велики и особенно это относится к размеру Z\. Это
означает, что при расточке отверстия 2 должно быть выбрано
оборудование, обладающее высоким уточнением. Но создать
такое оборудование сложно, поскольку самым податливым эле­
ментом в ТС будет расточная оправка, размер которой ограни­
чен диаметром растачиваемого отверстия. Поэтому необходимо
идти по пути введения в технологический процесс дополнитель­
ных рабочих ходов, необходимых для обеспечения заданной точ­
ности.
Однако кроме этого существует и другой путь. Погрешность
замыкающего звена в технологической размерной цепи определя­
ется по формуле
где (ОА) — погрешность у-го размера, выдерживаемого на к-ъ.
операции {j—\, m); co^f — погрешность i-го размера заготовки
Для уменьшения погрешности замыкающего звена имеются
следующие пути: 1) повышение точности используемого обору­
дования (ведет к уменьшению (оА^; 2) избрание более точного
способа получения заготовки (ведет к уменьшению (йА^У, 3)
сокращение числа звеньев в технологической цепи.
Первый путь, как правило, неэффективен, так как значитель­
ного сокращения (оА достичь не удается. Кроме того, доля этой
погрешности обычно незначительна. Второй путь предпочтитель­
нее, но связан с затратами на получение более точной заготовки.
Смысл третьего пути поясним на примере.
Величина (UZ\ для первого варианта базирования рассчитыва­
лась по формуле
сог| = шЛ1 + £о/'ЧшС^ + шЛ°-|-со/^°-|-ш5° + й)С°.
Заготовка в уравнении представлена четырьмя размерами.
Если при обработке заготовки вместо размера А требуется обес­
печить точность размера, связывающего ось 02 с поверхностью
4 (в варианте 2 он был обозначен ЛГ°), то расчетное уравнение
примет вид
cuZ i = соЛ 1-f-ш/'2 + шС Н шЛ ° + ш^°.
В размерной цепи вместо размеров Л°, 5 ° и С° заготовка
будет фигурировать одним ^ ° . В этом случае
ajZ| = 0,09 + 0,16 + 0,2+2-b2,8 = 5,25 мм.
Изменение требований к простановке размеров на чертеже
заготовки в нашем случае позволило почти на 40% сократить
величину колебания припуска при обработке поверхности 2. Та­
ким образом, если на заготовке проставить размеры от поверх136
ностеи, используемых на первой операпии в качестве технологи­
ческих баз, то она будет участвовать в размерных цепях мини­
мальным числом размеров.
Из трех вариантов простановки размеров заготовки нас удов­
летворяет вариант 2. Здесь все размеры заготовки проставлены
от оси 02, которая на первой операции использовалась в качестве
технологической базы.
§ 9. Построение временной
структуры технологической
операции
При анализе временных структур операций мож­
но выделить следующие способы их реализации: последователь­
ный, параллельный и параллельно-последовательный. Примени­
тельно к основному технологическому времени эти разновид­
ности назовем классами, а по отношению к вспомогательному
времени — группами. Формулы, определяющие каждую разно­
видность временной стр5^ктуры операции по оперативно\^ вре­
мени, сведены в табл. 4.3.
Структура операции по оперативному времени /оц=^о + 'в.
где to — основное технологическое время; t, — вспомогательное
время.
Основное технологическое время затрачивается на изменение
размеров, формы, состояния поверхностного слоя (или других
физико-механических свойств) заготовки или на изменение ее
положения при сборке. Вспомогательное время затрачивается на
приемы, сопутствующие изменению качественных характеристик
заготовки, и состоит из следующих составляющих: времени t^y,
затрачиваемого на съем и установку заготовки на технологичес­
ком оборудовании; времени ^^д холостого перемещения инст­
рументов— подвод, отвод, смена инструмента; времени t^a хо­
лостого перемещения заготовки и др.
4.3. Временные структу1Н>1 операций
Группа
Клахж
1
III
II
I
'on ~
ZJ
' ' с у "t" 'х я +
'on ~
2J
' *C у "T"
+ 'хл. + ' х а ) + ' Т
2
'хп)""+1'о, + 1 ' Г
3
f
f
t шях\ max
f
\mtxi
finU
*on — (,'c y> 'x lb
f
.mu\oux
137
Временная структура операции I класса 1-й группы харак­
теризуется последовательным протеканием основного и вспомо­
гательного времени, при этом каждый режущий инструмент об­
рабатывает заготовку последовательно по переходам, а время на
ее установ и съем, смену, подвод и отвод инструмента, холостые
перемещения не совмещено между собой и с основным временем.
Примером реализации рассматриваемой временной структуры
является работа обычного одношпиндельного универсального
станка, а формула оперативного времени будет иметь вид:
Особенностью П класса 2-й группы является то, что вьшолнение основных приемов в операции осуществляется параллель­
но-последовательным способом. Основное время на вьшолнение
нескольких переходов будет определяться по наиболее продол­
жительному переходу t^. Примером подобной временной стру­
ктуры служит работа многоцелевых станков ИР320ПМФ4,
ИР500МФ4 и ИР800МФ4, на которых можно вести обработку
с использованием многоинструментальных и многопшиндельных
головок и вместе с тем выполнять отдельные переходы последо­
вательно различными режущими инструментами. Вспомогатель­
ное время на этих станках может совмещаться, например смена
заготовок проюводится в момент обработки ранее установлен­
ной заготовки, а время подачи заготовки в рабочую зону станка
совмещается со временем смены инструмента и его подвода
к заготовке. В этом случае формула оперативного времени для П
класса 2-й группы будет иметь вид:
Отличительной особенностью временной структуры П1 класса
3-й группы является как параллельный способ выполнения всех
основных и вспомогательных приемов, так и их совмещение во
времени. Это значит, что все инструменты на всех позициях (если
их несколько) работают одновременно, а вспомогательные про­
цессы совмещены со временем формообразования. В этом случае
получаются непрерывные процессы, а их примером служит об­
работка на роторных машинах, в которых происходит непрерыв­
ное перемещение заготовки и инструмента. Непрерывные процес­
сы эффективны в поточном производстве и характерны тем, что
резко снижается время изготовления деталей. Формула оператив­
ного времени обработки для Ш класса 3-й группы имеет вид:
t
—(t
t
t
/°i"")""
В этом случае оперативное время обработки будет равно
138
времени наиболее продолжительного перехода или вспомога­
тельного приема.
Рассмотрим структуру штучно-калькуляционного времени
^BITJ: И проанализируем его влияние на выбор типа технологичес­
кого оборудования:
_
'штл
^
'шт I
п
_
»
'пз
*i]H"r'nc»
где ?п в — подготовительно-заключительное время на изготовле­
ние партии изделий; и — число изделий в партии; tan — штучное
время операции; ^пн — время на подготовку переналадки обору­
дования; tac — время на переналадку; ton — оперативное время;
^обс — время обслуживания оборудования; t„ — личное время;
'тех о — время технического обслуживания оборудования; ?зл —
время на смену инструмента.
Перечисленные составляющие штучно-калькуляционного вре­
мени могут протекать последовательно, параллельно и парал­
лельно-последовательно. Проанализируем влияние подготовите­
льно-заключительного времени и времени на обслуживание обо­
рудования на временную структуру процессов. В состав времени
на обслуживание технологического оборудования включается
время на техническое обслуживание и время на смену инструмен­
та. Из этих составляющих только значение времени на смену
изношенного инструмента оказывает влияние на компоновку тех­
нологического оборудования, так как его смена может быть
совмещена с протеканием оперативного времени (параллельная
структура). Например, при использовании автоматического цент­
рального инструментального магазина, расположенного над
станками, или последовательно после окончания оперативного
времени. В последнем случае на многоцелевых станках инст­
рументальные кассеты подаются в рабочую зону станка и произ­
водится обмен между инструментальным магазином станка и ин­
струментальной кассетой, после чего кассета освобождает рабо­
чую зону для изготовления детали.
Время технического обслуживания выдвигает ряд обязатель­
ных требований к компоновке любого технологического обору­
дования, в частности обеспечение определенных удобств для
смазывания, регулирования, контроля работы оборудования,
уборки стружки и вьшолнения других процессов, которые не
являются определяющими при выборе типа оборудования.
Время на подготовку переналадки технологического оборудо­
вания, включающее время на ознакомление с чертежами, тех­
нологией, наладкой, время на подготовку, наладку, проверку
инструмента и время на подготовку оснастки, ее наладку и про­
верку, не оказывает влияния на компоновку технологического
139
оборудования, так как в автоматизированном производстве ука­
занные его составляющие протекают параллельно во вспомога­
тельных системах: управления и подготовки производства, инструментообеспечения и складской.
На выбор типа технологического оборудования оказывают
влияние составляющие времени на переналадку оборудования:
время установки оснастки на оборудование, кинематической пе­
ренастройки и размерной перенастройки оборудования. В авто­
матизированном производстве, где заготовки, поступающие на
оборудование, строго ориентированы в пространстве путем уста­
новки их на технологическую оснастку в складской системе и про­
изводится их автоматическая смена на оборудовании вместе
с оснасткой, время на установку оснастки не оказывает влияния
на компоновку оборудования. Создание станков с программным
управлением позволило успешно решить вопрос автоматизации
кинематической переналадки станков.
Суммарное время, затрачиваемое на переналадку оборудова­
ния, определяется как самим временем переналадки, так и часто­
той переналадок, определяемой периодичностью партий запу­
сков заготовок. В свою очередь, время на переналадку оборудо­
вания зависит от сложности и точности изготовляемых изделий,
способа реализации структуры, оперативного времени. Поэтому
оборудование, работающее, например в Ш классе и 3-й группе,
используется в основном в поточном производстве с узкой номе­
нклатурой выпускаемых изделий и малой частотой переналадок.
При этом возрастает время на их переналадку вследствие слож­
ности согласования времени выполнения отдельных приемов
в операции, а станки более низкого класса и группы, не требу­
ющие синхронизации выполнения отдельных элементов операции
и поэтому меньшего времени на переналадку, применяются
в мелкосерийном проюводстве.
Таким образом, грамотно используя теорию временных стру­
ктур операций, можно разрабатывать конкурирующие варианты
ко\шоновок технологического оборудования, а затем проводить
выбор оптимального варианта по установленному критерию эф­
фективности.
§ 10. Размерная настройка
оборудования
Процесс изготовления деталей на станке можно
представить складывающимся из двух этапов: настройки станка
и непосредственно обработки заготовки. Процесс обработки при­
емлем тогда, когда отклонения размеров деталей укладываются
в заданные пределы. Обеспечить именно такое течение процесса
в значительной степени позволяет настройка станка.
140
Под настройкой будем понимать процесс установления требу­
емого положения инструмента относительно заготовки. Как бы
тщательно не выполнялась настройка, действуюпще при обра­
ботке факторы приводят к тому, что, начиная с некоторой дета­
ли, отклонения ее размеров будут выходить за установленные
пределы. Для исключения брака необходима размерная поднастройка, включающая в себя процесс восстановления первоначаль­
но заданного положения инструмента относительно заготовки.
Всякая поднастройка требует дополнительных затрат времени
и средств. Поэтому цель настройки состоит в выборе такого
размера настройки, который позволит получать наибольшее ко­
личество годных деталей до первой поднастройки станка. Раз­
мер, к которому стремятся при настройке, называют рабочим
настроечным размером Ар.
Различают настройку на обработку одной заготовки и партии
заготовок. При настройке станка на обработку одной заготовки
принимается, что возникающие отклонения равновероятно могут
располагаться по обе стороны от Ар. Поэтому настройку ведут на
середину поля допуска, т. е. в качестве рабочего настроечного
размера берут среднее значение допустимых предельных раз­
меров:
где Ааш, Атш — наибольший и наименьший предельные раз­
меры.
В этом случае настройка может осуществляться несколькими
способами: по отсчетным устройствам станка; по показаниям
датчиков перемещений в системе ЧПУ; по эталонам и т. д.
В основе этих способов лежит метод пробных ходов. При этом
обрабатывают небольшой участок детали, замеряют получаемый
размер и, если необходимо, вносят поправку. Участок детали
юбирается так, чтобы его обработка велась при установившемся
процессе резания. Это особенно важно для фрезерных станков,
ведущих обработку торцовыми фрезами. В этом случае может
оказаться целесообразной обработка пробной детали.
Особенностью настройки станка на обработку партии загото­
вок является необходимость так располагать в поле допуска
Га рабочий настроечный размер, чтобы количество обработан­
ных деталей до первой поднастройки было максимальным. На
рис. 4.8, а видно, что уже на первых деталях есть вероятность
выхода значения охватываемого размера А за установленные
пределы. Во втором случае (рис. 4.8, б) будут получены годные
детали, но из-за систематически действующих факторов количе­
ство деталей Ni, обработанных до первой поднастройки, будет
невелико. Правильная настройка показана на рис. 4.7, в, в этом
случае
141
Л = ^тш + а + 0,5ш^
^
а
^„^^^
3'
где а — часть допуска,
предназначенная
для
компенсации
погрешно­
к
1 стей измерения; Шх —
поле рассеяния случай­
1 ^ ~ ^
ных погрешностей. На­
^ ^
. 1
строить станок по одной
Н
^
а)
пробной детали практи­
^
чески нельзя. Обычно
1
1
обрабатывается неболь­
шая группа деталей
(3 — 5 шт.) и рассчиты­
1^
''•'^а 1
1 вается групповой сред­
ний размер Лгрср. Если
этот размер укладыва­
ется в допуск, то на­
стройку считают закон­
ченной. В противном
случае вводят поправку
и вновь обрабатывают
пробную партию заго­
товок с последующим
расчетом группового
среднего размера и т. д.
Автоматизирован­
ное производство рас­
полагает оборудовани­
ем, которое позволяет
не только концентриро­
Рис. 4.8. Схема настройки станка
вать на одном станке
большое количество разнохарактерных обработок, но и вьшолнять в автоматическом режиме разнообразные контрольные про­
цедуры по определению размеров как заготовки, так и готовой
детали. Обычно это осуществляется с помощью телеметрических
измерительных головок.
Эти головки представляют собой устройство, в корпусе кото­
рого установлен датчик с измерительным наконечником и элект­
ронный блок, осуществляющий передачу сигнала в систему упра­
вления при касании наконечника контролируемой поверхности.
Перемещение шпинделя с измерительной головкой выполняется
по программе. При касании измерительного наконечника конт­
ролируемой поверхности в систему управления поступает сигнал,
на основе которого в коордиатнои системе станка определяется
положение этой точки касания. Таким образом, можно автомати­
чески определять расстояние между двумя поверхностями заго-
^иК
142
Л
товки или детали, диаметр отверстия, просгранственное положе­
ние той или иной поверхности и т. д. Это позволяет автоматичес­
ки вьшолнять пробные рабочие хода, выполнять по программе
необходимые измерения и вносить соответствующие поправки
в положение инструментов и, таким образом, осуществлять авто­
матизацию настройки.
§ 11. Управление процессом
производства
Известно, что среда, в которой функционирует
производственный процесс, постоянно меняется. В общем случае
меняются и показатели входа. Все это приводит к тому, что на
выходе процесса тоже происходит рассеяние показателей. До тех
пор, пока последние находятся в допустимых пределах, ход про­
цесса считается нормальным. Однако наступает момент, когда
вмешательство в процессе становится необходимым. Это вмеша­
тельство и является процессом управления, или, как его еще
можно назвать, регулирования.
Само по себе управление является специфическим процессом,
протекающим параллельно с регулируемым. Следовательно, все,
что относится к процессам вообще, имеет такое же отношение
и к процессам управления. Имеются в виду и его элементная
структура и показатели: качественные, количественные и вре­
менные. Процессы управления также классифицируются по мо­
дулю продолжительности и также не могут происходить без
затрат энергии.
В общем случае процесс управления сводится к следующей
схеме: получают информацию о текущем значении контролиру­
емого параметра, сравнивают его с заданным значением и в зави­
симости от результата сравнения воздействуют на ход процесса
в требуемом направлении до тех пор, пока его функционирование
не войдет в заданную норму.
Возможны два принципиально различных способа управле­
ния. Прямой, когда контролируется тот параметр, по которому
и осуществляется регулирование. Косвенный, когда регулируют
параметр, функционально связанный с интересующим нас пока­
зателем процесса.
Заметим, что любому управляющему воздействию, сформи­
рованному на основании вышеописанной схемы, свойственно
запаздывание. Основное следствие этого заключается в том, что
в момент управления процесс, строго говоря, находится уже
в другом состоянии по сравнению с тем, по которому фор­
мировалось управляющее воздействие. Поэтому особое значение
для управления имеют вопросы диагностики и прогнозирования
хода процесса.
143
Управление производственным процессом имеет иерархичес­
кую структуру, т. е. может рассматриваться на разных уровнях
декомпозиции процесса в широком спектре его характеристик.
Отметим особенности управления процессом на уровне операций
по изготовлению деталей машиностроения.
При изготовлении деталей на станках происходит непрерыв­
ное изменение условий обработки из-за нестабильности свойств
материала заготовки, ее жесткости, изменения глубины резания,
изменения температурного режима и др. Все это приводит к из­
менению сил резания и вызываемых ими упругих перемещений
в ТС. В конечном счете происходит изменение относительного
положения инструмента и заготовки, что и формирует геометрческие погрешности изготовления детали в виде погрешностей
размера, относительного положения и формы.
Здесь возможны два исходных способа управления ходом
процесса. Первый — по размеру статической настройки, суть ко­
торого состоит в том, что инструмент постоянно поддерживается
на заданном расстоянии от технологических баз заготовки. Раз­
мер статической настройки устанавливается при настройке стан­
ка на изготовление данной детали. Сущность этого способа
состоит в том, что он обеспечивает поддержание на требуемом
уровне так называемой абсолютной точности контролируемого
параметра. При успешной реализации процесса регулирования
все детали в партии будут гарантированно иметь значение конт­
ролируемого размера в пределах поля допуска.
Второй способ, называемый управлением по размеру динами­
ческой настройки, заключается в том, что путем изменения режи­
мов резания при обработке (обычно подачи или скорости реза­
ния) поддерживается стабильная сила резания. Следствием этого
является и определенная стабилизация упругих перемещений
в ТС. В свою очередь, это приводит к сокращению поля рассея­
ния контролируемого параметра детали. Другими словами, повьппается их относительная точность, хотя в общем случае их
абсолютная точность может и не соответствовать требуемому
значению.
Теоретически в предельном случае значение контролируемого
параметра станет постоянным для всей партии деталей. Тогда
для обеспечения абсолютной точности размера в партии по­
надобится единовременная поправка в размере статической на­
стройки.
В заключение отметим, что существует стойкая тенденция
возрастания интенсивности процессов. Усложняется их структу­
ра, а следовательно, и механизм внутренних взаимодействий.
Помимо этого наблюдается повышение требований к точности
выходных характеристик процессов. Это приводит к тому, что
человек в силу ограниченности своих возможностей уже не может
обеспечить надежный контроль за функционированием процессов
144
на требуемом уровне. Еще одно немаловажное обстоятельство
заключается в том, что появляется все больше процессов, физи­
ческая природа которых и уровень циркулирующей энергии небе­
зопасны для человека. Все это требует значительного расшире­
ния номенклатуры процессов, работающих без участия человека,
что, естественно, невозможно без автоматического управления
ходом процессов. Не менее сложной и актуальной является про­
блема безлюдной технологии в плане реализации непрерывной
работы ТС, которая также связана с вопросами управления про­
цессами.
§ 12. Механизация и автоматизация
производства
Механизация и автоматизация производства яв­
ляются естественными процессами совершенствования произво­
дительных сил, протекающими параллельно и неразрывно с об­
щим процессом взаимодействия общества с природой. В самом
общем плане их суть состоит в замене действий человека, т. е.
живого труда, адекватными действиями орудий труда, т. е. про­
шлого или овеществленного труда. Конкретно — это передача
различных функций рабочего соответствующим механизмам,
устройствам, агрегатам и целым автоматизированным промыш­
ленным комплексам. Расширение и углубление указанных про­
цессов, образно говоря, как бы все более удаляет человека от
зоны непосредственной реализации того или иного функциональ­
ного процесса, а образующийся промежуток должен быть запол­
нен средствами механизации и автоматизации.
Механизация и автоматизация производства включают меро­
приятия по созданию прогрессивных технологических процессов,
проектированию высокопроизводительного и модернизации дей­
ствующего оборудования, оснастки и инструментов, выполнению
различных основных и вспомогательных операций без участия
рабочего, а также ряд других мероприятий, так или иначе связан­
ных с производственным процессом. В настоящее время харак­
терна тенденция смещения этих мероприятий в область серий­
ного и мелкосерийного производства, составляющего основную
часть машиностроительной отрасли. Другой особенностью разjBHTHfl производства является расширение арсенала технических
средств механизации и автоматизации во всех без исключения
сферах производственной деятельности.
Необходимость совершенствования форм взаимодействия
труда общества определяется физическими и социальными фак­
торами. К первым относятся усложнение производственных про­
цессов, возрастание их интенсивности и комплексности, а также
временных режимов функционирования. Ко вторым можно от­
нести требования к регламентации трудовой деятельности людей
145
в физиологических, психических, социальных и других аспектах.
Это прежде всего допустимые предельные уровни физических
и умственных нагрузок, их интенсивность, а также временной
режим деятельности как по продолжительности, так и по времени
суток.
Развитие средств механизации и автоматизации и степень их
проникновения в ту или иную сферу деятельности человека зави­
сят от научно-технического уровня в данной отрасли производст­
ва. Однако существенную, а в ряде случаев и определяющую роль
играет социальный заказ общества, направленный на ликвида­
цию тяжелого физического труда, вредных для здоровья человека
условий работы, чрезмерной интенсивности и монотонности дей­
ствий, а также неблагоприятных в физиологическом и социаль­
ном смысле временных режимов трудовой деятельности людей.
Общим принципом решения указанных проблем должен быть
оптимизационный подход, при котором формирование содержа­
ния критерия и его иерархической системы ограничений было бы
адекватным конкретной производственной ситуации во всем
многообразии ее физических и социальных характеристик.
Механизация и автоматизация производства — это такие же
его свойства, как и производительность, гибкость в самом широ­
ком ее понимании, эффективность, а поэтому уровень этих
свойств также должен регламентироваться соответствующими
показателями.
Тесным образом с автоматизацией производства связана так
называемая безлюдная форма организахщи технологии произ­
водства. Потребность в указанном режиме работы производства
определяется фактически теми же обстоятельствами, что и его
автоматизация, так как именно последняя обеспечивает возмож­
ность отсутствия человека при функционировании процесса. Вме­
сте с тем фактор безлюдности накладывает более жесткие требо­
вания на целый ряд свойств производственной системы. Прежде
всего она должна быть автоматизирована по полному технологи­
ческому циклу. Это предусматривает наличие автоматической
системы контроля за текущим ходом технологического процесса
с разветвленной структурой его диагностики и прогнозирования.
Ко всем механизмам, устройствам и ТС предъявляются повы­
шенные требования к надежности, помехозащищенности, ремон­
топригодности, что в конечном итоге должно обеспечить требу­
емый уровень эффективности производства. Перечисленное фак­
тически определяет круг задач, подлежащих разрешению при
организации безлюдной технологии.
В общем случае комплексный подход к вопросам механизации
и автоматизации производства является сложной научно-техни­
ческой проблемой, требующей значительных затрат времени
и средств. Известно, насколько бывает сложным в техническом
смысле перевод, казалось бы, очень простых действий человека
146
(например, при сборке изделий) в механизированный и тем более
в автоматизированный режим их исполнения. Вышеизложенное
в полной мере относится к вопросам автоматизации процесса
подготовки и управления производством, основу которых состав­
ляет проблема создания производственных процессов с задан­
ными свойствами, что немыслимо без все более глубокого позна­
ния объективных закономерностей структурного построения
и функционирования процессов вообще как общесистемного по­
нятия.
§ 13. Безотходная технология
и экология производства
Естественный процесс развития сферы производ­
ства приводит ко все более интенсивному и, что особенно важно,
избирательному использованию продуктов природы. Избирате­
льность связана с формированием понятия отходы производства.
При этом нередко отход отождествляется с понятием бесполез­
ного для дальнейшего использования побочного продукта произ­
водства. В этой связи заметим, что с точки зрения естественных
законов взаимодействия предметов и явлений в природе не суще­
ствует отходов, в основе этого лежат фундаментальные законы
сохранения материи и энергии. В естественных процессах оп­
тимально то, что многофункционально. Другими словами, есте­
ственные процессы взаимодействия как бы внутренне замкнуты.
Проблема хранения отходов и их утилизации приобрела гло­
бальные масштабы. Изоляция, складирование, хранение отходов
требуют огромных материальных затрат, а часто приобретают
характер серьезной экологической проблемы. В связи с этим
вопросы безотходной технологии, а также режимов функциони­
рования производств по замкнутому технологическому циклу
приобретают особенно актуальное значение.
Рассматривая прикладной характер проблемы безотходности
производства, понятие «отход» для конкретной производствен­
ной системы должно иметь следующий смысл. Отходом считает­
ся то. что при имеющихся технологических возможностях произ­
водства не может быть переведено или экономически нецелесооб­
разно переработать в некоторый продукт, имеющий потреби­
тельную стоимость. Отходы данного производства в принципе
могут быть исходным продуктом для другого производства,
а вопрос о глубине переработки исходного продукта на каждом
предприятии должен ставиться в оптимизационном плане. Это
значит, что получение отходов также должно планироваться
в возможно наилучшем виде, форме для дальнейшего исполь­
зования на данном или другом предприятии.
Для грамотного решения указанной проблемы на каждом
производстве длжен составляться полный перечень отходов или
147
в общем случае побочных продуктов производственного процес­
са. Это могут быть различные остатки материалов, некомплект­
ные элементы, стружка, технологические жидкости, газы и др.
В известной мере сократить номенклатуру отходов на данном
производстве позволяет продуманный по номенклатуре выпуск
дополнительной продукции. Часто это бывают различные пред­
меты так называемого широкого потребления. Большие резервы
в этом плане имеет и налаженная система взаимных поставок
предприятий на основе принципов кооперирования.
Организация производств с безотходной технологией и в ре­
жимах с замкнутым технологическим циклом неразрывно связа­
на с вопросакш экологии. Для каждого предприятия и для всех
его подразделений должны прорабатываться вопросы их влияния
на среду, в которой они функционируют. Это относится к различ­
ным выбрасываемым в атмосферу и водоемы продуктам деятель­
ности производства, уровню и спектру шумов, видам и интенсив­
ности различных излучений и др. Естественно, что для каждого
производства должны разрабатываться нормы его экологически
чистого функционирования.
ВОПРОСЫ для
САМОПРОВЕРКИ
1. Содержанве понятия «гибкость щюизводственвой стстемы».
2. Ортанизациовиые формы щ>оизводсгвенного щюцесса.
3. Модель |фитериального симплекса.
4. Интеграция и дифференциация производственного процесса.
5. Номенклатура изделий и принципы ее формирования.
6. Выбор вида и метода получения заготовки.
7. Ооаовные положения выбора технол(Я71еских баз.
8. Классификация временной структуры технологической операции.
9. Способы размернс^ насгройга станка.
10. Два принципа управления ходом технологического процесса.
11. Основные предпосылки механизации и автоматизации [фоизводственного
щюфсса.
12. Содержание понятий «безотходная технология» и «экологически чистое
производство».
II
раддел ± ±
ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
СИСТЕМ
Глава 5
Основные положения
теории систем
§ 1. Основные понятия
и определения
Решение задач проектирования, создания и эксп­
луатации производственных систем невозможно без широкого
применения моделирования как способа научного познания ре­
альной действительности. Моделирование позволяет исследовать
свойства реальной системы путем замены этой системы или
отдельных ее элементов некоторой моделью, по своим свойствам
воспроизводящей свойства реальной системы. Назначением мо­
делирования производственных систем является описание движе­
ния материальных и информационных потоков по рабочим пози­
циям их обработки или сборки во времени. Результаты, получа­
емые с помощью моделей, являются важным, а иногда и единст­
венным источником информации, который исследователь испо­
льзует: при проектировании новой производственной системы;
оценке качества и эффективности работы созданной производст­
венной системы; разработке эффективных автоматических или
автоматизированных систем управления и др.
Использование моделей, заменяющих систему или ее часть,
сокращает сроки разработки системы и материальные затраты.
Наличие модели, с достаточной достоверностью воспроизводя­
щей основные свойства системы или ее отдельных элементов,
позволяет выявить причины некачественной работы и наметить
рациональные пути ее совершенствования.
Существует множество определений понятия «система», од­
нако все они сходятся в том, что система —- это совокупность
элементов и устройств, находящихся в отношениях и связях
между собой и образующих определенную целостность, еди­
нство.
Свойства системы проявляются при ее взаимодействии с вне­
шней средой, причем система является активной стороной этого
процесса. Под внешней средой будем понимать множество суще149
ствующих вне системы элементов, оказывающих влияние на си­
стему или находящихся под ее влиянием.
При выделении системы из внешней среды реализуется при­
нцип развития, который проявляется в иерархической природе
понятия «система».
Каждый элемент системы может, в свою очередь, рассмат­
риваться в качестве системы, а система, взятая в целом, может
быть элементом более общей системы.
Элемент системы — простейшая неделимая часть системы.
Ответ на вопрос, что является элементом системы, зависит от
цели рассмотрения исследуемого объекта. Следовательно, эле­
мент — это предел деления системы с точки зрения решения
конкретной задачи и поставленной цели.
При исследовании объекта (техническое устройство, произ­
водственный процесс и др.) ставится задача не просто отделить
объект от внешней среды, а требуется выяснить более детально,
что представляет собой объект или процесс, что в нем обеспечи­
вает выполнение поставленной цели. Так как элементов оказыва­
ется достаточно много и они неоднородны, то возникает необ­
ходимость многоступенчатого разделения системы. Для этого
вводится понятие структуры системы, которое отражает наибо­
лее существенные взаимоотношения между элементами или под­
системами, которые мало меняются при изменениях в системе
и обеспечивают существование системы и ее основных свойств.
Введение понятия структуры системы позволяет получить:
ряд важных количественных оценок эффективности производст­
венного процесса; обеспечить синтез структур производственной
системы, оптимальных с точки зрения принятия критерия и нала­
гаемых ограничений; минимизировать транспортные потоки (за­
готовок, деталей и инструмента); объединить с помощью транс­
портной системы технологическое и вспомогательное оборудова­
ние и др.
В реально действующих системах выделение и организацию
подсистем можно вести по составу элементов, входящих в систе­
му, функциональному или другим признакам. Например,
возьмем промышленное предприятие. Если за подсистему при­
нять множество рабочих мест на производстве, то при соответст­
вующем определении подмножеств можно получить админист­
ративную структуру: предприятие — цех — участок —рабочее
место. Если же за подсистему принять множество переменных,
характеризующих функциональную деятельность предприятия
(выпуск продукции, потребление сырья, использование рабочей
силы и др.), то будут выделены функциональные подсистемы:
отдел главного технолога, механика, снабжения, кадров и др.
В любое определение системы входит понятие связь, обес­
печивающая возникновение и сохранение структуры и целостных
свойств системы. Понятие связь одновременно характеризует
150
строение (статику) и функ1щонирование (динамику) системы.
Важную роль в системах играет понятие обратной связи, явля­
ющейся основой саморегулирования и адаптации систем к изме­
няющимся условиям функционирования.
Структурные связи относительно независимы и могут высту­
пать как инвариант при переходе от одной системы к другой.
Благодаря этому, закономерности, полученные при юучении си­
стем, отображающих объекты одной природы, могут быть ис­
пользованы при исследовании систем, отображающих объекты
другой физической природы.
Таким образом, система представляется в виде целостного
образования, построенного из элементов различной физической
природы, находящихся в определенных причинно-следственных
и функционально-целевых отношениях. Целостность системы
проявляется в принципиальной несводимости ее свойств к сумме
свойств составляющих ее элементов. Каждый элемент системы,
каждое определенное в ней отношение или свойство зависит от
его места и функции внутри системы как целого. Принципиаль­
ным качеством систем является обусловленность их поведения
свойствами структуры, т. е. действующими в системе связями
и отношениями.
§ 2. Принципы системного
подхода к моделированию
При разработке автоматизированных технологи­
ческих систем машин возникают проблемы, меньше связанные
с рассмотрением свойств и законов функционирования элемен­
тов, а больше — с выбором оптимальной структуры системы,
лучшей организации взаимодействия элементов, определением
оптимальных режимов функционирования, учетом влияния вне­
шней среды и др.
Общими свойствами сложных систем являются: 1) наличие
большого числа взаимодействуюпдах элементов; 2) система
и входящие в нее элементы в большинстве своем являются мно­
гофункциональными; 3) взаимодействие элементов в системе мо­
жет происходить по каналам обмена информацией, энергией,
материалами и др.; 4) наличие у системы общей цели, несмотря
на разнообразие входящих в нее элементов; 5) переменность
структуры (связей и состава системы), обеспечивающей многоре­
жимный характер функционирования, возможность адаптации
как в структуре, так и в алгоритме функционирования; 6) взаимо­
действие элементов в системе и с внешней средой в большинстве
случаев носит случайный (стохастический) характер; 7) система
является человеко-машинной, так как часть функций выполняется
автоматически, а другая — человеком (следует отметить высо­
кую степень автоматизации, в частности, широкое применение
средств автоматики и вычислительной техники для управления
151
и механизации труда человека); 8) управление в большинстве
систем носит иерархический характер.
Исследование сложных систем влечет за собой необходимость
разработки методов их исследования и анализа результатов. При
этом с точки зрения результатов далеко не безразлично, с каких
позиций осуществляется подход к исследованиям и каковы пред­
посылки, на которых базируется проведение эксперимента. При
анализе и синтезе сложных систем получил развитие системный
подход, в основу которого положено рассмотрение изучаемого
объекта или процесса как системы, состоящей из взаимодейству­
ющих элементов, построение математической модели для него
и исследование его свойств методом моделирования.
Необходимость системного подхода при создании сложных
систем объясняется тем, что темпы развития науки и производст­
ва увеличиваются, сложность систем возрастает, что увеличивает
длительность их разработки, в результате чего большинство
систем к моменту ввода их в эксплуатацию могут оказаться
морально устаревшими или ненужными. Проектирование слож­
ных систем требует больших капитальных затрат, поэтому нуж­
ны гарантии, что будет создана система с нужными свойствами.
К числу задач, решаемых на основе системного подхода,
относят: определение общей структуры системы; организацию
взаимодействия между подсистемами; учет влияния внешней сре­
ды; выбор оптимальной структуры и оптимальных алгоритмов
функционирования.
Методологию системного подхода рассмотрим на примере
гибкой производственной системы (ГПС), предназначенной для
обработки определенного типа заготовок и состоящей из мно­
жества элементов и множества связей между ними. Предста­
вление ГПС в виде множества взаимосвязанных элементов,
выступающих как единое целое, и является основой системных
исследований. Сущность такого подхода состоит в том, что
для представления ГПС в виде системы необходимо ее разделить
на функционально законченные части и только после этого
выявить отношения частей в общей схеме объекта. Характер
разделения системы на составные части це только определяет
элементы, связи и структуру системы, но и позволяет выявить
и изучить основные организационные, конструктивные и тех­
нологические свойства ГПС.
Разделение — свойство, характерное для любой сложной си­
стемы, которое отражает одну из сторон ее структуры. Так, все
элементы ГПС могут быть отнесены к основным и вспомогатель­
ным ее составным частям. К основным относят станки, конт­
рольно-измерительные машины и т. д., к вспомогательным —
промежуточные накопители, устройства транспортирования и др.
При этом каждая составная часть системы может быть отдель­
ным элементом или их совокупностью. Характер и допустимый
предел разделения сложной системы зависят от типа решаемых
152
задач. Правильное исходное разбиение является важной пред­
посылкой построения исходной математической модели системы
(процесса), поскольку нерациональное разбиение системы усло­
жняет ее анализ.
Целостность объекта или процесса определяет другую сторо­
ну их структуры и характеризуется связями составных частей на
различных уровнях разбиения, а также общими свойствами
объекта системы как целого. Для более глубокого понимания
свойства целостности следует рассматривать два аспекта: 1) свой­
ства системы не являются суммой свойств ее элементов или
частей и 2) свойства системы зависят от свойств элементов
и частей, так как изменение в одном элементе вызывает измене­
ния во всех остальных элементах и в целом во всей системе.
Образование системы более высокого ранга (уровня) сопрово­
ждается появлением новых закономерностей, отражающих ее
существо, критерии, цели, новые задачи и функции. Однако зако­
номерности, действующие в системе более низкого ранга, продо­
лжают функционировать в каждой составной части системы, но
доминирующее значение приобретают новые закономерности,
отражающие связи внутри вновь образованной системы.
С учетом этих соображений ГПС можно представить как
адаптивно-взаимосвязанную систему производства, содержащую
множество активных автоматизированных элементов (станки
с ЧПУ, устройства транспортирования материальных, энерге­
тических и информационных потоков), множество связей между
ними, предназначенных для автоматического изготовления де­
талей.
Станочная система является активным элементом и исполни­
телем автоматизированного производства, т. е. частной систе­
мой, обеспечивающей изготовление деталей с заданными параме­
трами в последовательности, определяемой производственной
системой более высокого ранга, с которой связаны граничные
элементы станочной системы. Особенность взаимодействия ста­
ночной системы с системой более высокого ранга, внутри кото­
рой она функционирует, определяется векторами входов и выхо­
дов, которые в целенаправленной системе формируют ее опреде­
ленные состояния.
Зависимости между параметрами в сложной системе являют­
ся разнообразными и сложными, в результате чего построение
единой модели оказывается затруднительным. Поэтому для мо­
делирования сложных систем используют принцип многоуров­
невого (иерархического) описания, которое предполагает внедре­
ние различных формальных языков описания, каждый из кото­
рых отражает функционирование системы в соответствии с поня­
тиями и отношениями, принятыми на том или ином уровне
иерархии. Чтобы получить такое математическое описание, необ­
ходимо выбрать параметры, позволяющие описывать функци153
онирование системы: во-первых, как элемента более широкой
системы; во-вторых, как целостное явление; в-третьих, как слож­
ную систему, структуру которой необходимо представить с до­
статочной для данного уровня детализацией.
Многоуровневое описание системы характеризуется рядом
общих свойств.
1. Выбор уровня описания системы, в терминах которого она
описывается, в основном зависит от цели исследования. Для
многих систем выбор уровня описания является естественным
и определяется ее назначением. Выделение нескольких уровней для
исследуемой системы позволяет вести параллельное построение
моделей на каждом уровне описания различными специалистами.
2. В общем случае описание функционирования системы на
различных уровнях не связаны между собой, поэтому принципы
и законы, используемые для описания системы на любом уровне,
не могут быть формально выделены из принципов, используемых
на других уровнях.
3. Требования, предъявляемые к работе системы на верхнем
уровне, выступают как условия или ограничения для нижеследу­
ющих уровней.
4. На каждом уровне имеется собственный набор принципов,
составляющих язык описания системы.
5. Понимание системы возрастает при последовательном пе­
реходе от одного уровня к другому. Чем ниже производится
спуск по иерархическим уровням, тем более детально раскрыва­
ется система, чем вьппе поднимается, тем яснее становится смысл
и назначение всей системы.
ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ
1.
2.
3.
4.
ФизичесЕЕЙ смысл понятий системы, структуры систшсы и связи.
Основные свойства и особенности сложных систем.
Сущность системного подхода к моделированию.
Представление ГПС в виде сложной системы.
Глава 6
О б щ и е ВОПрОСЫ
моделирования
производственных систем
§ 1. Сущность моделирования
Свойства любой системы проявляются в процессе
ее функционирования. Для определения этих свойств следует
подать на входы системы возмущающие воздействия и проанали­
зировать сигналы на выходе. Однако почти всегда проведение
таких экспериментов с реальной системой экономически невыгод154
но, а с проектируемой — невозможно. Поэтому эксперименты
для изучения свойств системы проводят не с реальными система­
ми, а с их моделями.
Модель — это некоторая другая система, сохраняющая сушественные свойства оригинала и допускающая исследование физи­
ческими или математическими методами.
Моделирование — это процесс проведения экспериментов на
модели вместо прямых экспериментов на самой системе. Моде­
лирование широко используется, так как значительно облегчает
научные исследования и часто оказывается единственным сред­
ством познания сложных систем.
Чертеж детали, макет самолета, система уравнений, описываюищх технологический процесс или движение кинематического
механизма,— все это модели объектов проектирования, изготов­
ления и управления.
Основой моделирования является теория подобия, которая
утверждает, что абсолютное подобие моделируемого объекта,
процесса и модели может иметь место лишь при замене изуча­
емого объекта точно таким же. Модель должна отображать
сущность исследуемого процесса, соответствовать цели конкрет­
ной задачи исследования, давать необходимые данные для вычис­
ления целевой функции и не содержать второстепенных связей.
Модель, являясь абстракцией определенного варианта системы,
дает возможность многократного проведения опытов для позна­
ния сущности процесса и получения удовлетворительных резуль­
татов решения. Изменяя характеристики системы, можно по­
знать ее поведение при этих характеристиках и анализировать
влияние различных факторов: наблюдать будущие ситуации в ви­
де, не искаженном влиянием внешней среды, проводить обобще­
ние и оценивать новые идеи по совершенствованию организации
исследуемого процесса.
Модель — это не только внешнее сходство. Главное — пове­
дение модели и реального объекта должны подчиняться оди­
наковым закономерностям. Изучив их на доступной для исследо­
вания модели, можно предсказать свойства проектируемого
объекта или процесса.
Описание системы можно представить в виде множества
различных моделей, в каждой из которых получает выражение
какой-то аспект системы, некоторая концепция отображения
ее свойств, состояния и поведения. Различают структурную
модель системы; информационную модель с делением на фу­
нкции, задачи и процедуры; сетевую модель; модель докуме­
нтооборота, оперирующую с носителями информации; модели
грузопотоков и др.
При создании ГПС структурная модель обычно рассматрива­
ется на уровнях организации, функций управления и технических
155
средств. В связи с этим вводятся понятия организационной,
функциональной и технической структуры.
При анализе организационной структуры ГПС как объекта
управления решаются задачи: описания состава ГПС и постро­
ения ее структурной схемы; определения функций подсистем
и раскрытия их структурной схемы; описания материальных и ин­
формационных связей; построения обобщенной структурной ин­
формационной модели ГПС.
При анализе функциональной структуры изучают функции
управления в структурных подсистемах ГПС; выбирают состав
автоматизируемых функций и их взаимосвязи; составляют обо­
бщенную функциональную структуру задач управления ГПС.
При анализе технической структуры определяют основные
элементы, участвующие в основных информационных процессах
(подготовке, сборе, передаче, хранении и воспроизведении инфор­
мации); составляют формальную структурную модель системы
технических средств с учетом топологии расположения элементов
системы, информационного и энергетического взаимодействия их
между собой и с внешней средой.
Независимо от уровня рассмотрения модели системы общая
задача структурного анализа позволяет получить, исходя из за­
данного описания элементов системы и связей между ними,
заключение о структурных свойствах системы и ее подсистемах.
Таким образом, модель — это представление системы с точки
зрения принятой концепции о ней. Отсюда можно сделать заклю­
чение: традиционное деление ГПС на подсистемы, функции, до­
кументы, работы не следует рассматривать как неизменное, по­
скольку оно будет уточняться по мере углубления знаний о дейст­
вующих закономерностях.
§ 2. Классификация моделей
По способу построения все множество моделей
можно разделить на физические и абстрактные.
Физическая (натурная) модель — это установка или устрой­
ство, позволяющее проводить исследование изучаемого процесса
путем его замены подобным ему процессом с сохранением основ­
ных законов. Физические модели используют тогда, когда из-за
сложности системы или недостаточной априорной информации
не удается построить адекватную модель и когда даже с помо­
щью моделирования на абстрактной модели получение удовлет­
ворительных результатов встречает непреодолимые трудности.
При физическом моделировании задаются характеристики
внешней среды и исследуется поведение либо реального объекта,
либо его модели при заданных или создаваемых искусственно
воздействиях внешней среды. Физическое моделирование может
156
протекать в реальном или нереальном масштабе времени, а так­
же может рассматриваться без его учета.
В организации производства физические модели (макетирова­
ние) используют в виде макетов заводов, цехов и производствен­
ных участков с различными способами расположения на них
рабочих мест, транспортных средств, коммуникаций и т. д. Не­
смотря на универсальность метода физического моделирования,
постановка натурного физического эксперимента с современны­
ми сложныкш системами иногда бывает чрезвычайно затруднена,
а порой и невозможна (например, причина и следствие разнесены
во времени и пространстве).
Избежать дорогостоящих натурных экспериментов и сокра­
тить время на проверку гипотез позволяет использование абсграктных моделей, в которых описание объектов и процессов
осуществляется на каком-то языке. В качестве языков моде­
лирования могут использоваться, например, естественный язык,
язык чертежей, схем, математический язык и др.
Описание объекта или процесса, выполненное на математи­
ческом языке, называют математической моделью. В простейших
случаях для этого используют известные аналогии между меха­
ническими, электрическими и другими явлениями. Математичес­
кие модели отличаются тем, что средством описания моделей
л изучения их поведения является формальный аппарат матема­
тики.
Отсюда следует важное преимущество — широкая возмож­
ность KOjm4ecTBeHHoro аналюа моделей с помощью математи­
ческих методов. Другое важное преимущество математических
моделей — универсальность языка математики, возможность ис­
пользовать одни и те же модели для исследования физически
различных систем. Так, уравнения движения материальной точки
в поле тяготения представляют собой модель чрезвычайно широ­
кого класса реальных явлений. Эта модель описывает как движе­
ние планет солнечной системы, так и полет ракеты. Еще одно
полезное свойство — возможность получать результаты, относя­
щиеся не к отдельной конкретной реализации, соответствующей
определенным начальным данным и фиксированным значениям
параметров исследуемой системы, а сразу к целому множеству
возможных вариантов поведения системы.
По форме описания абстрактные модели делят на аналитичес­
кие и имитационные. По степени отражения влияния на модели
внешних воздействий — на детерминированные и вероятностные
(стохастические).
Аналитические математические модели — модели, в которых
связи между объектами характеризуются функциями (алгебра­
ическими, дифференциальными, интегральными и др.), позволя­
ющими с помощью соответствующего математического аппара­
та и, как правило, с применением ЭВМ сделать необходимые
157
выводы о системе и ее свойствах, провести оптимизацию ис­
комого результата. Наиболее существенная характеристика ана­
литических моделей заключается в том, что модель не является
структурно подобной объекту моделирования. Под структурным
подобием понимается однозначное соответствие элементов и свя­
зей модели элементам и связям объекта. Этот метод помогает
быстро получить результат, но накладывает ограничения на мо­
дель системы.
Иногда применение аналитических моделей затруднительно
из-за большой сложности. Для повыщения вычислительной эф­
фективности используют различные способы. Один из них связан
с разбиением задачи большой размерности на подзадачи мень­
шей размерности так, чтобы автономные решения подзадач
в определенной последовательности дали решение основной за­
дачи. При этом возникают проблемы организации взаимодейст­
вия подзадач, которые не всегда оказываются простыми. Другой
прием предаолагает уменьшение точности вычислений, за счет
чего удается сократить время решения задачи.
Аналитические модели всегда требуют допущений и упроще­
ний. Однако результаты расчета отчетливее отражают присущие
исследуемому процессу основные закономерности.
При имитационном моделировании для реализации математи­
ческой модели на ЭВМ необходимо построить моделирующий
алгоритм, который воспроизводит процесс функционирования
системы во времени, причем имитируются элементарные явле­
ния, составляющие процесс, с сохранением их логической струк­
туры и последовательности протекания во времени, что позволя­
ет по исходным данным получить сведения о состояниях процес­
са в определенные моменты времени, дающие возможность оце­
нить характеристики системы.
Термины «имитация» и «моделирование» являются почти си­
нонимами. Термин «имитационное моделирование» означает,
что имеем дело с такими математическими моделями, с помо­
щью которых результат нельзя заранее вычислить или пред­
сказать, поэтому для предсказания поведения реальной сложной
системы необходим эксперимент (имитация) на модели при за­
данных исходных данных.
Эксперимент с имитационной моделью заключается в варьи­
ровании входных данных, вносящих изменения в процесс модели­
рования, который выполняет проектировпщк по результатам
анализа выходных данных. Это приводит к необходимости вклю­
чения проектировщика в цепь обратной связи между входом
и выходом имитационной модели, который управляет ходом
машинного эксперимента и выбирает рациональные (с точки
зрения задаваемых критериев и ограничений) варианты проек­
тируемой системы (рис. 6.1).
158
Основное
преимущество
имитационного моделирования по сравнению с аналитическим — возможность решения более сложных задач. Имитахщонные модели позволяют
достаточно просто учитывать
такие факторы, как наличие дискретных и непрерывных элементов, нелинейные характери-
Входные
переменные
i X • • . J,
^^ &5 . ^ •^- • "^
^ | нмитационт
модель
''^
§^^
Ш
Ш • • » U/
'*^ ^
Выхооше
переменные
СТИКИ элементов системы, МНО-
Рис. 6.1. Схема имитационного мо-
гочисленные случайные воздейделирования
ствия и другие, которые часто
создают трудности при аналитических исследованиях. Имитаци­
онное моделирование — эффективный метод исследования слож­
ных систем, а часто и единственный практически доступный
метод получения информации о поведении системы, особенно на
этапе ее проектирования.
Метод имитационного моделирования позволяет решать за­
дачи анализа больших систем, включая задачи оценки вариантов
структуры системы, эффективности алгоритмов управления
и влияния изменения параметров системы. Имитационное моде­
лирование может быть положено в основу структурного, ал­
горитмического и параметрического синтеза сложных систем,
когда требуется создать систему с заданными характеристиками
при определенных ограничениях, которая является оптимальной
по критериям оценки эффективности.
Реализация имитационных моделей возможна с использова­
нием универсальных языков программирования (ФОРТРАН,
ПАСКАЛЬ и др.), специализированных языков моделирования
(S1MSCRIPT, GPSS, SIMULA и др.), а также систем имитацион­
ного моделирования (СИМФОР, СИМПЛ, СЛЭНГ, НЕДИС
и др.). Для моделирования могут использоваться универсальные
ЭВМ типов ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ и персональные ЭВМ.
ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ
1.
2
3.
4.
Сущность понятий «модель» и «моделирование».
Особенности физического и математического моделирования.
Ограничения аналитических моделей.
Особенности и преимущества имитационных моделей.
Глава 7
ГПС как объект
моделирования
§ 1. Структура ГПС
ГПС представляет собой систему с комплексно
автоматизированным производственным процессом, работа всех
компонентов которой (технологического оборудования, транс­
портных средств, средств контроля и инструментообеспечения
и др.) координируется как единое целое системой управления,
обеспечивающей быстрое изменение программ функционирова­
ния технических средств системы при смене объекта производст­
ва (рис. 7.1).
Технологическая система представляет собой совокупность
взаимосвязанных технологических машин (станков с ЧПУ, робо­
тов, манипуляторов и др.), осуществляющих формообразование
деталей в автоматическом режиме.
Транспортная система состоит из транспортных и накопи­
тельных устройств, осуществляющих межоперационное хранение
и доставку заготовок, приспособлений, готовых деталей к ос­
новному технологическому оборудованию и автоматическому
складу.
Складская система служит для хранения нормативного запаса
заготовок, приспособлений и инструмента выдачи их в производ­
ство, накопления и хранения готовых деталей.
Система инструментообеспечения осуществляет оперативную
подготовку и хранение инструментальных наладок и приспособ­
лений, а также его контроль, учет и доставку инструмента и осна­
стки к основному технологическому оборудованию.
Система контроля осуществляет: контроль технических
средств ГТ1С и деталей; диа­
гностику работоспособно­
Систепа управления
сти автоматического обору­
\
*
дования, входящего в состав
Систепа
технологической,
транс­
ГС
контроля
портной, складской систем
и системы инструментообе­
Систепа
Складская
спечения, контроля.
инструпентосистепа
одеспечсмия
Система управления со­
стоит из средств вычисли­
тельной техники в виде упра­
Тратпартмая cm тепа
вляющего вычислительного
комплекса со средствами
Рис. 7.1. Обобщенная схема ГПСпрограммного обеспечения
-* — информационные потоки;
и осуи1ествляет: разработку
<—» — материальные потоки
160
оперативных заданий для станков и систем обслуживания (пере­
работка, передача и накопление информации, относящейся к со­
гласованию перемещения в пространстве и времени заготовок,
инструментов, оснастки и др.); учет выполнения плановых зада­
ний; управление технологическим и вспомогательным оборудо­
ванием (переработка, передача и накопление информации, от­
носящейся к технологическим режимам обработки, маршрутам
и др.).
§ 2. Принципы проектирования
ГПС
I. Принцип агрегатно-модульного построения —
это создание ГПС на базе гибких производственных модулей
(ГПМ). ГПМ, являясь компонентами ГПС, сами могут состоять
из типовых элементов: станков с ЧПУ, манипулятора, накопи­
теля и др.
П. Агрегатно-модульный принцип — это формирование соста­
ва технических и программных средств на основе применения
стандартного аппаратно-программного интерфейса и возмож­
ность компоновки на единой конструктивной базе ГПС с различ­
ными функциями, разработка типовых проектных решений. При­
менение этого принципа приводит к минимуму затрат на транс­
портирование материальных потоков, снижает количество детале-операций при повышении гибкости ГПС.
П1. Принцип иерархичности — это соподчинение функциональ­
ных элементов, компонентов и автоматизированных средств
управления различных уровней, обеспечение сочетания централи­
зованного управления и автономности функционирования от­
дельных элементов и подсистем ГПС. На нижнем уровне иерар­
хии находятся ГПМ. Более высокий уровень ГПС содержит два
и более элемента низших уровней иерархии. В свою очередь, ГПС
в иерархическом отношении рассматривается как составная часть
системы более высокого уровня.
IV. Принцип интеграции — это органическое соединение про­
изводственных процессов автоматизированных систем, их слия­
ние в единый производственный процесс и единую систему управ­
ления.
V. Принцип совместимости — это оптимальное соотношение
универсальности и автоматизации программно-управляемого
и программно-перестраиваемого оборудования, т. е. информаци­
онные, программные, технические, энергетические и другие хара­
ктеристики элементов ГПС и структурных связей между система­
ми должны обеспечивать их совместное функционирование с ми­
нимальными доработками. Технологическое оборудование ГПС
при смене обрабатываемых деталей перенастраивается путем
ввода новых управляющих программ.
161
VI. Принцип развития — это обеспечение возможности попол­
нения, совершенствования и обновления систем и компонентов
ГПС, что предполагает поэтапное развитие ГПС как с точки
зрения масштабов и органюационной структуры системы, так
и с точки зрения уровня ее автоматизации.
Гибкое производство следует рассматривать как новую кон­
цепцию, при которой коренным образом должны ломаться при­
вычные подходы к технологии машиностроения, организации
и управлению производственным процессом.
§ 3. Временные связи,
действующие в производственном
процессе
Любой производственный процесс протекает во
времени. В ГПС роль человека в производственном процессе или
его части перестает быть определяющей — работает и управляет
производственным процессом ЭВМ, а человек лишь контролиру­
ет или решает наиболее сложные вопросы, которые по тем или
иным причинам не могут решить вычислительные средства систе­
мы управления.
Промежутки времени, необходимые для изготовления детали
на станке, функционально связаны с промежутками времени,
затрачиваемыми транспортной системой. Под временными связя­
ми понимается временная последовательность конечных состоя­
ний производственного процесса.
Время использования /жш агрегата в ГПС можно представить
состоящим из двух частей: первой — зависящей от работы ГПС
при вьшолнении какой-либо технологической операции произ­
водственного процесса (tj) и второй — определяемой простоями
в ожидании обслуживания (foJ: /и1:п=^т+''ожПри вьшолнении операции производственного процесса
^исп колеблется в широком диапазоне в зависимости от разного
рода случайных и неслучайных причин. Время t^^ зависит от
технических характеристик агрегатов и их взаимосвязи в ГПС.
Известно, что время tj слагается из подготовительно-заключи­
тельного времени, приходящегося на единицу продукции, и штуч­
ного времени, затрачиваемого на выполнение данной операции.
Штучное время
где to — основное технологическое время; f, — вспомогательное
время; /об — время обслуживания рабочего места; /д — время на
личные потребности.
162
время to — это время, затрачиваемое на изменение качества
заготовки фазмеров, структуры материалов и др.):
где m — число поверхностей, которые обрабатываются на дан­
ной операции; i — количество рабочих ходов; / — требуемое пе­
ремещение инструмента относительно заготовки; S — рабочая
подача инструмента; j — число переходов.
В состав вспомогательного времени входят: время на установ­
ку спутника с заготовкой в станочное приспособление (/заг); время
на разгрузку станка (/раз); время холостых перемещений приспо­
собления itj_a); время холостых перемещений пшинделя с инст­
рументом (<„,); время смены инструмента (^си) и время на конт­
роль и измерение (/„».):
'в ^^ 'заг I" 'раз ' 'х.п "г 'х.и ' 'ел i <взм-
При переходе от изготовления деталей одного типоразмера
к другому изменяется численное значение всех составляющих t,.
Время на перемещение спутника с заготовкой или деталью
складывается из времени на его загрузку; времени на перемеще­
ние транспортного средства (/щр) и времени на разгрузку. Длите­
льность 1-й транспортной операции
*тр
'заг I 'пер i 'раз*
Составляющие /заг и tp^ изменяются незначительно, а время
^пер — в достаточно широких пределах.
Так как агрегаты ГПС расположены на разном расстоянии от
промежуточного накопителя или склада, то расстояние, на кото­
рое должно переместиться транспортное средство при обслужи­
вании каждого станка, различно. Средняя скорость перемещения
транспортного средства также не остается постоянной. С увели­
чением расстояния, на которое перемещается транспортное сред­
ство, увеличивается и его средняя скорость.
При работе ГПС возможны простои транспортных средств
(рис. 7.2). Напишем соотношения для времени простоя транс­
портной системы:
п р и /о«, + ^ о 6 с , < Ч
*пр ^^^ *А,
1,'ож, I *обс,/)
ПрИГож, + ? о б с , > ^ ,
Ц = 0,
163
Поток заявок
t
1 1
^аж
адспуживание'^^
•^^явак
^ ^
t,u;-,
ШШ^
-м«
faicj
t
У/М,
'пр
Ы
J«fr,+; ^
^»
Рис. 7.2. Схема простоев травспортных средст» ГПС
где /ож — время ожидания поступившего i-ro требования на об­
служивание транспортной системой; fogc, — время обслуживания
ьго требования; /А, — промежуток времени между поступлениями
1-го и (i-l)-ro требования на обслуживание.
ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ
1.
2.
3.
4.
Какве подсистемы входагг в состав ГПС?
Каковы принципы построения проюводствевного 1ц>оцесса ГПС?
Физическая супщость понятия «временные связи».
Основные функции транспортной системы н системы управлеоия ГПС.
Глава 8
Формализация
Производственного
процесса в ГПС
§ 1. Декомпозиция ГПС
Исходным моментом при формализации описа­
ния и последующего моделирования производственного процесса
в ГПС является его представление в виде сложной системы,
функционирующей как некое множество агрегатов, подчиненных
решению единой задачи. Для формализации производственного
процесса в ГПС необходимо предварительное изучение струк­
туры составляющих его агрегатов, результатом чего является
описание процесса, позволяющее определить количественные ха­
рактеристики агрегатов, степень и характер взаимодействия меж­
ду ними, место и значение каждого агрегата в производственном
процессе. Содержательное описание производственного процесса
в ГПС определяет параметры моделирования. Для этого необ­
ходимо: определить цель исследований; выделить рассматрива­
емую ГПС как элемент некоторой системы, чтобы исследовать
164
поведение ГПС как целого; выделить в ГПС составляющие ее
элементы и формально их описать; изучить взаимодействие эле­
ментов ГПС.
Рассмотрим производственный процесс как совокупность опе­
раций, причем каждая из них характеризуется двояко. С одной
стороны, производственная операция выполняется над заготов­
кой, представляющей собой элемент вещественного потока, пре­
образуемый в ходе производственного процесса. Понятие веще­
ственного потока введено в связи с тем, что в ГПС изготовление
деталей повторяется и все процессы возобновляются, в резуль­
тате происходит постоянное поступление новых заготовок, инст­
румента, оснастки и выпуск готовых деталей. Структура вещест­
венного потока, т. е. состав и последовательность в потоке его
различных элементов, определяет последовательность вьшолнения производственных операций и, тем самым, структуру произ­
водственного процесса.
Выполнение операции требует определенных технических
средств. Такими средствами являются: станки, инструменты,
оснастка и др. Следовательно, описание элементов производст­
венного процесса в ГПС и моделирование их функционирования
сводится к формальному описанию и моделированию технологичо:кого оборудования и элементов вещественного потока.
Несмотря на разнообразие ГПС, отличающихся друг от друга
функциональным назначением, уровнем автоматизации и други­
ми параметрами, в них можно выявить общие признаки.
1. Структурно любая ГПС состоит из конечного множества
технологических машин (станков, транспортных средств, накопи­
телей и др.) ТМ {TMi, ТМг, ..., ТМ^, в которых реализуются
технологические операции. Технологические машины представ­
ляют собой структурные элементы системы, т. е. агрегаты А {Ai,
Аг, ..., А,].
2. ГПС включает конечное множество структурных связей
Л {''i, 2, Гг, и ••; г„, „_*, ...} между агрегатами и внешними система­
ми. Эти связи имеют разный характер и обеспечивают передачу
заготовок, инструмента, изготовленных деталей, а также спра­
вочную и управляющую информацию между агрегатами, обес­
печивая функционирование ГПС.
3. Каждый агрегат имеет вход и выход, служащие соответст­
венно для приема и выдачи заготовок, деталей, инструмента
и информации.
4. Агрегаты ГПС функционируют не изолированно друг от
друга, а во взаимодействии, при которой свойства одного аг­
регата зависят от условий, определяемых поведением других.
5. Все технологические операции leL являются конечными по
времени.
165
6. m C функционирует во времени, взаимодействуя с внешней
средой, и в каждый момент времени может находиться в одном
из возможных состояний Z(t).
7. Продолжительность технологических операций t/ {leL} по
изготовлению различных деталей на различных агрегатах являет­
ся случайной взаимно независимой величиной.
8. Момент поступления i-й детали на^-й агрегат есть величина
случайная.
9. Маршруты обработки деталей в ГПС есть множество воз­
можных маршргутов М {Ми Мг, ..., М,}.
10. Последовательность запуска заготовок для обработки мо­
жет быть: а) детерминированной, когда вся последовательность
поступления партий или отдельных заготовок в обработку пред­
полагается заранее известнойп{пх,Пг, ...,П1^],т. е. фиксированной
последовательностью, задаваемой подсистемой оперативного
планирования; б) стохастической, являющейся реализацией слу­
чайного запуска из определенной совокупности партий или от­
дельных заготовок, определяемого требованиями сборки или
неритмичностью заготовительного производства.
В качестве математического аппарата, наиболее просто и аде­
кватно отображающего способы разбиения сложных систем
на части, удобно использовать схему агрегатов и агрегативных
систем, когда сложная система рассматривается как агрегативная, а ее элементы описываются в виде кусочно-линейных
агрегатов. Введя понятие кусочно-линейных агрегатов (в даль­
нейшем агрегатов) — своеобразных модулей, на которые мож­
но разделять сложные динамические системы, можно строить
модели таких систем в виде совокупности агрегатов, связанных
между собой.
Таким образом, при форма­
л
"2
лизованном
описании ГПС бу­
йпанокЗ
Станок2
Стнок1
дем
представлять
ее как множе­
— —
ство
составляющих
агрегатов
Род от ^1
А [Аи Аг, ..., As), между которы­
ми имеют место связи R {R\,
Ri, ..., R^. Структуру ГПС при­
нято изображать направленным
Станок 1
Рис. 8.1. ГПС с роботом в качестве
транспортного средства (а) и ее
граф (б)
166
Станок!
СтанонЗ
Рис. 8.2. ГПС с конвейером в качестве
транспортного средства (а) и ее граф (б)
или ненаправленным графом. Вершины графа обозначают
технические средства (агрегаты), а ребра — отношения, свя­
зывающие агрегаты.
Рассмотрим процесс декомпозиции на примере ГПС линейной
компоновки (рис. 8.1), в котором выделим три типа связей.
1. Внешние связи Rj {ri, г',}, с помощью которыз^ агрегаты
соединяются с другими системами. По внешним связям Г) посту­
пают заготовки (fw), управляющая информация и выдаются
готовые детали r'l и оперативная информация о деталях (jfa-r).
2. Взаимные связи i?,, ^ {''i, 2, ^г, и Г\, з> ''з, ь Г\. 4, U, i}> которые
соединяют агрегаты А1...Л4 между собой в прямом и обратном
направлениях и которые строятся в соответствии с производст­
венным процессом.
3. Внутренние связи il, ^{г,, ь Г2_2, '"з, з. '•4,4} аграгатов, обес­
печивающие связь между входом в агрегат и выходом из него.
В результате получаем граф, из которого видно, что парамет­
ры (например, производительность) агрегата Ai определяет про­
изводительность агрегатов А2, Аз и А^.
Если в этом примере в качестве транспортного средства ис­
пользовать конвейер, то система будет иметь вид, представлен­
ный на рис. 8.2. Параметры агрегата Ai определяют производите­
льность последующих агрегатов, в частности агрегата А2, кото­
рый является зависимым от агрегата А^. Соответственно параме­
тры агрегата А^ являются зависимыми от АгСледовательно, структура ГПС выступает как определенный
закон взаимосвязи агрегатов и отражает детальное описание
связей между системными компонентами. Для формального опи­
сания структуры ГПС ее следует рассматривать как систему
взаимодействующих агрегатов (станков, транспортных средств,
контрольно-измерительных и др.), информация о которых явля­
ется исходной для декомпозиции модели ГПС, т. е. для деления
модели на взаимодействующие элементы, отражающие сложную
многоэлементную структуру.
§ 2. Формализация
функционирования технических
средств ГПС
Понятие «функционирование агрегата» будем ин­
терпретировать как работу станка, транспортного средства
и другого оборудования. В соответствии с основными положени­
ями теории массового обслуживания рассматриваемые агрегаты
следует считать адекватными одноканальной однофазной систе­
ме массового обслуживания (рис. 8.3).
Для любого агрегата х„ означает заготовки, поступающие на
обслуживание (обработку, транспортирование, контрольно-изме­
рительную операцию и др.), и управляющую информацию,
167
I _
a Xjoa — изготовленные детали и опеJ-й агрегат ~^ *'*'* ративную информацию для управлеГ^^ ^л ния. Символ Хп характеризует детали,
не принятые для обслуживания агреРис. 8.3. Агрегат ГПС как
гатом, а также соответствующую ин-
H
элемент системы массового
фоомапию
о луживания
Агрегат представляет собой эле­
мент, координаты которого линейно меняются между момен­
тами наступления событий. В зависимости от целей исследования
число рассматриваемых состояний оборудования ГПС может
быть увеличено или уменьшено с учетом принципа исследования
процессов с дискретными состояниями и непрерывным временем.
Совокупность функций, выполняемых станками по изготовле­
нию деталей, можно разбить на следующие фазы: прием заготов­
ки; временное ее хранение в случае занятости станка; обработка
заготовки; хранение изготовленной детали при отсутствии транс­
портного средства; передача детали в транспортную систему
и простой станка. Аналогичные функции выполняет и транспорт­
ное средство: прием заготовки со склада или от ;-го станка;
хранение ее; транспортирование; хранение после транспортирова­
ния при занятости j-xo станка; передача наfe-йстанок или склад;
простой при отсутствии заявок на обслуживание. Подобные фун­
кции вьшолняют контрольно-измерительные машины, промежу­
точные накопители и др.
Таким образом, функции агрегатов ГПС с точки зрения вре­
менных затрат и последовательности их выполнения аналогичны
и отличаются только числовыми характеристиками и структур­
ными признаками по передачам. Рассмотрим работу j-то аг­
регата как последовательную смену его состояний в интервале
времени to-'?- В каждый момент времени ге(Го, f^) j-й агрегат
характеризуется внутренним состоянием Z(t) (прием, хранение,
обслуживание и т. д.), тогда состояние любого агрегата
Z{i)=F{to, и, Z[to, (х^,), (xJ,J,
где F — оператор переходов агрегата; to — начальный момент
времени; ty — следующий за to момент времени, в который про­
изошло изменение состояния агрегата (поступление заготовки,
начало обслуживания и др.); Z[tQ, (x„),J — начальное состояние
агрегата.
§ 3. Модели потока заявок
на транспортную систему
Запросы от технологического оборудования на
обслуживание транспортной системой в ГПС представляют со­
бой поток заявок на выполнение транспортных операций. Об­
служивание вьшолняется одним шш несколькими транспортными
168
средствами. В условиях мелкосерийного производства при бо­
льшой номенклатуре деталей затраты времени на их изгото­
вление носят стохастический характер. Анализируя распреде­
ление входного потока заявок на обслуживание транспортной
системой, практически невозможно предсказать моменты по­
явления и число заявок. Вследствие этого поток заявок следует
считать случайным.
Технологическое оборудование ГНС, требующее обслужива­
ния транспортной системой, как правило, не связано между
собой, так как каждый станок вьшолняет операцию до конца,
а передача детали между станками осуществляется транспортной
системой. Поэтому есть основание утверждать, что число заявок,
поступивших от оборудования после произвольного момента
времени, не зависит от количества заявок, поступивших на транс­
портную систему до этого момента времени. Такое свойство
независимости потока заявок от числа ранее поступивших заявок
и момента времени их поступления называется отсутствием по­
следействия, а сам поток называется потоком требований без
последействия.
В любой момент времени на транспортную систему ГПС
может поступить одна заявка, вероятность одновременного по­
ступления двух и более заявок мала. Потоки заявок, обладаюпще
таким свойством, назьгааются ординарными.
При анализе распределении потока заявок на обслуживание
транспортной системой необходимо учитывать, что вероятность
поступления определенного числа заявок в течение заданного
промежутка времени не зависит от начала отсчета, а является
функщ1ей длительности этого промежутка, т. е. качественная
характеристика потока заявок определяется только длительно­
стью промежутка времени, в течение которого производятся
расчеты. Это обстоятельство дает основание считать такой поток
заявок стащюнарным.
Таким образом, рассмотренный поток заявок на обслужи­
вание транспортной системой технологического оборудования
ГПС одновременно обладает свойствами стационарности, от­
сутствием последействия и ординарности, т. е. является про­
стейшим.
Полную характеристику простейшего потока называют ин­
тенсивностью поступления А заявок в систему, равной математи­
ческому ожиданию числа заявок, поступивших на транспортную
систему за единицу времени, т. е.
где Xj — число заявок от j-ro станка, поступивших в транспорт169
ную систему за время to-.t^", Pj(t) — вероятность поступления
заявок за время tQ...tg, s — число станков.
Среднее число заявок А, поступивших в транспортную систему
за единицу времени, определяется производительностью отдель­
ных станков ГПС. Для простейшего потока с интенсивностью
Я интервал между соседними событиями имеет распределение
с плотностью
m=Xe-"(t>0).
Следовательно, анализ потока заявок на транспортную систе­
му можно проводить с позиции теории массового обслуживания.
Такой анализ позволяет определить коэффициент использования
транспортной системы, среднее время ожидания обслуживания
деталей у станка, среднюю длину очереди заявок, коэффициент
использования станков и др.
§ 4. Модели отказов оборудования
Для любой технологической машины в виде тех­
нических условий (ТУ) регламентируются свойства, которыми
она должна обладать при эксплуатации. Отклонение свойств
машин от ТУ рассматривается как неисправность. Состояние
неисправности будем именовать термином «отказ».
Виды отказов технологической машины.
Конструктивные — возникают как следствие несовершенства
конструкции. Нагрузка, действующая на машину и ее элементы,
имеет случайный характер. При конструировании стремятся
учесть возможность возникновения пиковых нагрузок, сущест­
венно превьппающих нормальные эксплуатационные.
Технологические — возникают при нарушении технологии из­
готовления деталей, в ре­
зультате чего качество де­
талей и узлов имеет случай­
ные вариации. При резких
колебаниях качества надеж­
ность одних деталей оказы­
вается ниже надежности
других.
Эксплуатационные — для
каждой
технологической
машины
устанавливают
ограничения на условия ее
эксплуатации (температуру,
вибрации, нагрузки и др.).
Рис. 8.4. Функция распределения F (/)
регламентируют правила
и плотность вероя-ности экспоненциального распределения / (О
170
ухода за машиной И ее узJ •^
J
лами. Нарушение правил эксплуатации приводит к преждевре­
менным отказам.
Таким образом, вариации времени безотказной работы поро­
ждаются вариациями качества изготовления, условий эксплуата­
ции и процессами старения деталей машины. Среди отказов
различают: устранимые, когда машина подлежит восстановле­
нию после ремонта, и неустранимые, когда машина изымается из
эксплуатации. Время работы между двумя устранимыми отказа­
ми называется временем безотказной работы. Время безотказной
работы любой машины имеет случайный характер, поэтому мо­
дель отказов связана с использованием методов теории вероят­
ности и математической статистики.
На рис. 8.4 приведены графики изменения функции F(t) и пло­
тности распределения f(t) для одного из часто встречающихся
распределений времени отказов оборудования.
ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ
1. Сущность процедуры декомпозиции ГПС.
2. Признаки ГПС, характеризующие ее как сложную систему.
3. Агрегативный подход, используемый для описания функционирования
технических средств ГПС.
4. Сущность моделей входного потока и отказов оборудования.
Глава
9
Анализ ГПС на основе
теории массового
обслуживания
§ 1. Понятие системы массового
обслуживавня
В большинстве случаев приходится считаться не
только с реальной возможностью случайных факторов, которые
накладываются на строгие закономерности, но и с тем, что они
иногда являются определяющими для всего производственного
процесса. Рассмотрим несколько примеров, в которых случайный
характер функционирования системы является его характерной
особенностью.
Пример 1. При построении ГПС возникает вопрос: сколько
станков может обслужить транспортное средство того или иного
вида, чтобы простои оборудования по причине несвоевременной
доставки деталей были бы минимальны.
Пример 2. При эксплуатации оборудование выходит из строя.
Восстановлением его занимаются ремонтные бригады. Опреде171
лить такое число ремонтных бригад, которое позволяет миними­
зировать время простоя оборудования.
Перечисленные примеры обладают общими чертами; на вход
системы (транспортная система, ремонтная служба) поступают
заявки (рабочие, станки), нуждающиеся в обслуживании (в полу­
чении детали или инструмента, ремонте). Подобная интерпрета­
ция функционирования систем приводит к возможности пред­
ставления любого рассмотренного примера в виде системы мас­
сового обслуживания (СМО), когда система заменяется одним
или несколькими каналами обслуживания, на вход которого (ко­
торых) поступают заявки.
Во всех СМО характерны следующие элементы.
1. Входной ноток (поток заявок или требований). Процесс
поступления заявок носит, как правило, случайный характер.
К числу показателей, необходимых для описания входного пото­
ка, относятся: характеристики источника заявок, тип заявки и
длина интервалов времени между поступлениями заявок.
2. Механизм обслуживавия. СМО различаются: числом об­
служивающих каналов; количеством одновременно обслужива­
емых заявок; продолжительностью и типом обслуживания. Ука­
занные выше характеристики процесса обслуживания также опи­
сываются с помощью случайных величин.
3. Дисциплина очереди. Если канал обслуживания занят, то
пришедшие заявки образуют очередь. Правила поведения очере­
ди могут быть: естественный порядок (первым пришел — пер­
вым обслужился), приоритетное обслуживание и случайный от­
бор заявок.
Если изучены или заданы входные потоки заявок и механизм
обслуживания (число каналов обслуживания, продолжительность
обслуживания и др.), то это дает основание для построения
математической модели системы. С помощью математических
моделей, отражающих основные свойства реальных систем мас­
сового обслуживания, рассчитывают характеристики, определя­
ющие поведение этих систем при их функционировании. К числу
характеристик любой СМО относятся: вероятность простоя ка­
нала обслуживания; вероятность нахождения в системе и требо­
ваний; среднее число требований, находящихся в системе; среднее
время ожидания требований в очереди; среднее число занятых
каналов обслуживания и др.
§ 2. Построение модели СМО
На начальном этапе создания модели следует
представить рассматриваемый процесс в виде СМО, для чего
необходимо: выявить элементы, выполняющие роль канала об­
служивания (транспортное средство, ремонтная бригада и др.);
определить характер и параметры входного потока и потока
172
обслуживания; определить возможность образования очереди
и характер ее обслуживания; определить порядок прохождения
заявок через каналы обслуживания, т. е. структуру СМО с многи­
ми каналами обслуживания; оформить модель системы графи­
чески.
Пример (рис. 9.1). Пусть ГПС состоит из трех станков, а об­
работка деталей осуществляется за две операции. Функции между
станками распределены так: первый станок обрабатывает базо­
вую поверхность, а обработка других поверхностей производится
на одном из двух оставпшхся станков. Тогда поступившая на
обработку заготовка должна сначала (первая операция) обрабо­
таться на первом станке, а вторая операция должна вьшолняться
на втором или третьем станке. Очередь в этом случае может
возникнуть как на первой операции, так и на второй. Получим
многофазную многоканальную СМО.
Следующим этапом в применении теории массового обслужи­
вания для анализа и синтеза исследуемой системы является мате­
матическое описание функционирования модели СМО, для чего
необходимо:
1. Составить перечень состояний СМО, т. е. множество {Zj].
В любой момент времени СМО может быть в одном из состоя­
ний Zj, определяемом по числу заявок, находящихся в системе.
Например, Zo — каналы обслуживания свободы.
2. Определить направление перехода СМО из состояния
ZJ в состояние Z^.
3. На основании пп. 1 и 2 построить граф состояний (рис. 9.2).
Будем изображать каждое состояние прямоугольником (вершина
графа), а возможные переходы из состояния в состояние — стрел­
ками, соединяющими их (дуги графа). Направление стрелки ука­
зывает направление перехода.
4. Определить параметры потоков переходов X,k(t) из состоя­
ния ZJ в состояние Z^ и проверить эти потоки на стационарность
(независимость параметров потоков от времени), ординарность
(одновременно в потоке может происходить только одно собы­
тие), отсутствие последействия (предыдущее событие не влияет
на последующее). В случае отсутствия одного из свойств потока
следует преобразовать условия задачи.
Очередь 1
^1
-—*\
ОчередьТ
»
±
/rgffg/1 oScAjfiKuBaHUJiji^Y^ Канал оВслджиВания fit
A2I
•
Канал оЪслутиеания fij
J
1^3
Рис. 9.1. Структура многофазной многоканальной СМО:
Л, — интенсивность поступления заявок; ц, — интенсивность обслуживания
173
'
Zo
м
(т-п*11^
(m-t)A
т\
i.
•
^
f
fc
•
•
•
—
•
•
•
••
-
^
и
—
(т-п)А
Zn
ln-<
И
Zn*l
/'
A
Zm
im-1
ft
Рис. 9.2. Граф сосгоянвй замкнутой одноканальной одвофазной СМО
5. Разметить граф состояний, для чего каждой вершине графа
приписать вероятность P]{t), t. е. вероятность нахождения систе­
мы в Zj состоянии, а каждой дуге, соединяющей вершины Zj с
вершиной Zjc— интенсивность потока переходов системы из
ZJ В
Zi.
6. Составить систему дифференциальных уравнений относите­
льно вероятности Pj{t) по размеченному графу состояний.
Правило описания системы дифференциальных уравнений:
число уравнений равно числу состояний в размеченном графе
состояний. В левой части каждого уравнения стоит производная
вероятности состояния, а в правой части содержится столько
членов, сколько стрелок связано с вершиной, изображающей
заданное состояние. Каждый член уравнения в правой части
равен произведению интенсивности потока переходов, соответст­
вующей заданной дуге, умноженной на вероятность того состоя­
ния, из которого исходит стрелка. Если стрелка направлена из
вершины графа, то соответствующий член имеет знак « —», если
направлена в вершину графа — знак «-Ь». Полученная система
дифференциальных
уравнений
дополняется
уравнением
J-0
7. Обосновать существование установившегося режима при
работе СМО. Для СМО существует устойчивый режим работы,
если отношение р = Х/ц, называемое коэффициентом загрузки,
меньше единицы. Иными словами, устойчивый режим работы
системы возможен, если среднее число заявок на обслуживание,
поступающих в систему в единицу времени, меньше среднего
числа заявок, обслуживаемых каналом обслуживания. В против­
ном случае очередь будет неограниченно расти.
8. Перейти к системе алгебраических уравнений. Для устано­
вившегося режима производные от вероятностей состояний рав­
ны нулю, а величины Р,(?) и Я,^(0 не зависят от времени.
9. Решить систему алгебраических уравнений относительно
вероятностей Р, и определить требуемые характеристики функци­
онирования СМО.
174
§ 3. Пример анализа ГПС
с использованием теории
массового обслуживания
Особенности ГПС приводят к различным реше­
ниям в части конструкторско-технологической компоновки обо­
рудования, материального обеспечения рабочих мест и выбора
транспортной системы. При этом возникает вопрос, сколько
рабочих позиций ГПС может обслужить транспортное средство.
С одной стороны, обслуживание нескольких станков одним
транспортным средством снижает затраты, с другой стороны,
при многостаночном обслуживании возникают условия для по­
терь во время ожидания станком обслуживания, если одновре­
менно на нескольких позициях возникает потребность в новых
заготовках. В этом случае транспортное средство может подать
заготовку только на один из станков, а остальные станки должны
простаивать в ожидании.
Пусть исследуется замкнутая СМО (рис. 9.3) с ограниченным
количеством заявок в системе, т. е. обслуженные заявки вновь
возвращаются в систему. Интенсивность поступления требова­
ний в систему ювестна и равна X. Известно среднее время Тд^с об­
служивания заявки манипулятором. Тогда интенсивность обслу­
живания jU= 1/Гобс.
Требуется определить: вероятность Ро простоя канала обслу­
живания; вероятность Р„ того, что в системе имеется п заявок;
среднее число заявок N„, находяпщхся в очереди; среднее число
заявок Д., находящихся в системе; среднее время Го, ожидания
заявки в очереди; среднее время Т^ ожидания заявки в системе.
При построении математической модели состояние системы
будем связывать с числом заявок, находящихся в системе. При
этом возможны два состояния системы: число заявок (поступи­
вших в систему) и = 0, т. е. канал обслуживания простаивает;
число заявок Окп^т, где т — максимальное число заявок.
1. Составим перечень состояний системы: Zo при и = 0 — все
станки работают, манипулятор простаивает; Z] при и = 1 — все
станки, кроме одного, работают, манипулятор обслуживает стаГ"
Станок 1
1_.
Станок 2
. . .
Очередь
' -* 0 ©•••©
Манипулятор
/j
Станок т
Рис. 9.3. Схема замкнутой однокавальной однофазной СМО
175
нок, от которого поступила заявка на смену заготовки; Zz при
и=2 — работают т — 2 станка; например, на одном идет смена
заготовки, а другой ожидает обслуживания; Z„ при т=п — все
станки стоят, один станок обслуживается манипулятором.
2. Из состояния Zo система переходит в состояние Zj (/-й
станок закончил обработку). Из состояния Zj система может
перейти либо в состояние Z2 (еще один станок закончил об­
работку), либо в состояние ZQ (манипулятор произвел смену
заготовки и ожидает заявок на обслуживание). Перейти из со­
стояния Zi в состояние Zs, Z„ и т. д. система не может,
поскольку в качестве одного из ограничений принимаем, что
одновременно два и более станка закончить обработку не могут.
Переход системы из одного состояния в другое считаем мгно­
венным, т. е. не учитываем времени на прием заявок и смену
заготовок. Это можно сделать, либо считая это время малым
по сравнению с временем обслуживания, либо включая его
во время обслуживания.
3. Окончание обработки детали J-M станком переводит СМО
из состояния Z„ в состояние Z„+u т. е. момент окончания об­
работки детали j-м станком является входным потоком заявок,
поступающих в систему. Он характеризуется интенсивностью
X(t) — числом станков, оканчивающих обработку в единицу вре­
мени. Так как моменты окончания обработки станками независи­
мы, то можно считать, что рассматриваемый поток заявок на
манипулятор не имеет последействия. При обработке на ГПС
можно считать, что поток заявок стационарный, т. е. Я (О=const.
Это приводит к выводу, что входной поток заявок простейший
и может быть аппроксимирован экспоненциальным законом рас­
пределения, т. е. можно применять основные выводы теории
массового обслуживания.
Продолжительность обслуживания манипулятором одного
станка зависит от его местоположения и в общем случае является
величиной случайной. Можно принять, что поток обслуживания
(если время обслуживания — случайная величина) характеризу­
ется интенсивностью ц (t) = const.
4. Рассматривая процесс перехода из одного состояния в дру­
гое, можно заметить, что переход из состояния Z„ в состояние
Z„+i происходит под воздействием входного потока с интенсив­
ностью ^^. Переход СМО из состояния Z„ в состояние Z„_i проис­
ходит по мере обслуживания манипулятором станков, т. е. под
воздействием потока обслуживания с интенсивностью fi.
В соответствии с теорией массового обслуживания вероят­
ность того, что в системе находится п заявок, составит
(т—п)]
176
Используя равенство
т\р
lP^=l7^Po=l,
п=0
п=0 (f"-n)l
получим вероятность простоя канала обслуживания
-НШ'-
среднее число заявок, находящихся в очереди,
N^=t
(n-l)P„=m! f : 7 ^ ^ o = m - — ( 1 - Р о ) .
Среднее число заявок, находящихся в системе.
OflSopm.lS 0,2 a,tS 0,Z о
Q,QS0,09&Q,iS 0,1 0,tS 0,3 a
a)
Ю
o,as
0,108
'
о,го4
0,301 p
Рис. 9.4 Вероятность простоя манипулятора в ГПС из т станков (а), среднее
число заявок в очереди на манипулятор от т станков (б) и среднее время
ожидания заявки (в)
177
п-1
P
Среднее время ожидания заявки в очереди
То,
_1 Г /И
1+р1
Среднее время ожидания заявки в системе
^ 1 Г_т
Г.:
1"
/i|_l-Po Р_
Расчетные данные для ГПС с разным числом станков, об­
служиваемых одним манипулятором, в зависимости от р приве­
дены на рис. 9.4. Таким образом, на этапе эскизного проек­
тирования ГПС целесообразно использовать положения теории
массового обслуживания для оптимизации структуры. При этом
сравнение вариантов необходимо проводить с учетом стоимости
простоя при многостаночном обслуживании и величины капи­
тальных затрат на дополнительное оборудование, улучшающее
коэффициент загрузки оборудования. Представление ГПС как
СМО позволяет оценить мероприятия по сокращению времени
обслуживания и повьппению эффективности использования ГПС.
Принятая структура ГПС далее может быть оптимизирована
с учетом рациональных маршрутов обработки, алгоритмов упра­
вления транспортной системой, дисциплиной обслуживания на­
копителей, вариантов запуска заготовок деталей в обработку
и др. Подобного рода оптимизацию целесообразно проводить
с использованием имитационных моделей.
ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ
1.
2.
3.
4.
Сущность моделей СМО.
Методика построения модели СМО.
Основные элементы модели СМО и их характеристики.
Представление ГПС в виде замкнутой СМО.
Глава 10
Анализ И синтсз ГПС
с использованием
имитационного моделирования
§ 1. Основы создания
имитационной модели
производственного процесса
в ГПС
Основные требования к построению алгоритмов
моделирования производственного процесса в П1С сводятся
к следующему.
1. Моделирующий алгоритм должен отражать работу ГПС во
всей его сложности и разнообразии и вместе с тем не создавать
больщих трудностей для его машинной реализации.
2. Для использования принципа структурирования необхо­
димо, чтобы алгоритм был создан на основе универсальных
блоков, позволяющих путем объединения строить сложные мо­
дели ГПС.
3. В любой момент времени, определяемый моментом измене­
ния состояния агрегата ГПС, в системе могут произойти одно
или несколько событий (поступит заготовка или деталь на один
из агрегатов, закончится обслуживание и др.). Моделирующий
алгоритм должен реагировать на все изменения ситуаций в моде­
лируемой системе.
4. Моделирующий алгоритм должен отвечать требованиям
простоты его использования при составлении программ структур
ПТС (простота логики алгоритма, возможность разбиения его на
автономные части, простота внесения изменений).
5. Моделирующий алгоритм должен быть параметризирован,
т. е. включать в себя достаточное количество параметров, изме­
нение которых позволяет существенно менять параметры проек­
тируемой системы, а также должен обеспечивать получение ста­
тистических данных о функционировании имитационной модели.
В основу построения имитационной модели производствен­
ного процесса в ГПС положены принципы:
1. Принцип имитации непрерывного процесса функционирова­
ния ГПС, заключающийся в неразрывности времени при поступ­
лении заявок и их обслуживании.
2. Принцип ситуационности, позволяющий рассматривать со­
стояние системы в моменты наступления критических ситуаций,
связанных с изменением состояния системы.
3. Принцип исключения прошлого, позволяющий исключить
время, прошедшее до момента j-ro события как одного из усло­
вий при принятии решения относительно поведения алгоритма
179
моделирования в рассматриваемый момент времени. Принцип
исключения прошлого не снимает влияния предыдущих состоя­
ний в системе на последующие, а только переводит это влияние
в область количественных, а не временных характеристик.
4. Принцип единства времени, который заключается в том,
что программы агрегатов выполняются в строгой последователь­
ности в моменты возникновения событий независимо от того,
в каком агрегате возникла эта ситуация.
5. Принцип неполного прогноза заключается в том, что ре­
зультатом анализа события является время наступления пред­
полагаемого события в рассматриваемом унифицированном бло­
ке без анализа возможных событий в других блоках модели.
В предсказанный момент времени это событие может произойти,
а может и не произойти, так как его появление зависит от
ситуаций, складывающихся в других блоках исследуемой систе­
мы в течение предсказанного времени.
6. Принцип строгой последовательности означает заранее за­
данную последовательность анализа состояния переменных
в унифицированных алгоритмах при наступлении любого собы­
тия и в любом месте. Эта последовательность задается перемен­
ной/
Следовательно, имитационная модель производственного
процесса в ГПС должна быть адаптивной, наглядной, целенап­
равленной, развиваться итеративным способом, корректировать­
ся в процессе ее создания, что возможно лишь при модульном
принципе построения.
§ 2. Уннфицировавный алгоритм
j-ro агрегата
В основу алгоритма АГРЕГАТ положен ряд
условий и процедур, оценивающих значения переменных. Ал­
горитм АГРЕГАТ позволяет в рассматриваемые моменты време­
ни ty, соответствующие различным событиям (начало и конец
обработки, подход транспортного средства к накопителю или
складу и др.), вьшолнить все операции, связанные с ответной
реакцией унифицированного алгоритма на событие, возника­
ющее в момент времени t,.
Состояние J-ro агрегата в произвольный момент времени
описывается следующими переменными (рис. 10.1).
Унифицированный алгоритм АГРЕГАТ (рис. 10.2) относится
к классу асинхронных моделирующих алгоритмов с прогнозиро­
ванием состояния объекта и включает ряд логических условий
и процедур, находящихся в блоках ПРИЕМ, ОБСЛУЖИВАНИЕ,
ПЕРЕДАЧА, ПРОСТОЙ и ОТКАЗ. Рассмотрим события и усло180
fU,
tn(i4)
t„(i)
tn<i*l)
ыа*г)
Поступление
деталей
tU,
feicO'-i) fnp toic (П •np
^—-^
9^
•пр
Обслуживание
деталей
Обслуженные
детали
feicd*')
f,fc4*2)
Рис. 10.1. Диаграм"7" ма работы J-то аг­
регата с накопите*- лем (а) в без нако-
%I %
f,
'г
чf,
и
'«
h
^7
^
/д — янтфвал време­
ни между поступлени­
ями 1-й и (i+ 1)-й дета­
лей; t,^ — продолхвтельвость обслужива­
ния г-й детали; t^ —
интервал времени про­
стоя агрегата
о)
А
/„С/-/;
Поступление
деталей
II
детали
Обслуженные
детали
Т,
t„(H Г
i П fk \\.
h
I
h
fj
пителя (6):
t
вия, возникающие в унифицированном алгоритме, и действия,
которые должны быть приняты программой моделирования для
продолжения функционирования модели.
Условие 1: /'=0. Возможны две ситуации: J-VL агрегат занят
(ind=l) илиу-й агрегат свободен (ind=0). В первой ситуации j-й
агрегат должн принять поступившую деталь во входной накопи­
тель; спрогнозировать время до прихода следующей детали на
обслуживание j-ы агрегатом. Во второй ситуации у-й агрегат
должен принять поступившую деталь на обслуживание; спрог­
нозировать время до прихода следующей детали на обслужива­
ние у-м агрегатом. Эти процедуры вьшолняет блок ПРИЕМ.
Условие 2: /" = 0. В алгоритме решаются задачи: обработан­
ная деталь переходит в выходной накопитель у-го агрегата, осво­
бодив рабочую позицию; принимается решение о дальнейшем
181
поведении j-ro агрегата. Пер­
вая задача выполняется, если
Htm
обработанная деталь переда­
ется на другой агрегат или
в выходной накопитель. Даль­
нейшее поведение j-ro агрега­
блок ПРИЕМ
та зависит от наличия детали
во входном накопителе. Эти
процедуры
выполняет блок
Нет
ПЕРЕДАЧА.
Условие 3: /"=0 и Е>0.
Деталь принимается на обслу­
Мет
живание. В алгоритме реша­
ются задачи: принимается на
блок
Да
обслуживание очередная де­
ПЕРЕДАЧА
таль из входного накопителя;
7-й агрегат переводится в ре­
жим занятости; определяется
значение /обе (блок ОБСЛУ­
ЖИВАНИЕ).
блок
Влек
ОбСЛУЖИВАНИЕ
ПРОСТОЙ
Условие 4: /" = 0 и Е=0.
При этом j-vL агрегат перево­
дится в режим простоя (блок
Нет
ПРОСТОЙ).
Условие 5:
1'=0иЕ^Е+1
соответствует переполнению
блок
входного накопителя. Предна­
ОТКАЗ
значенный для этого условия
блок ОТКАЗ уменьшает зна­
К блоку ВРЕМЯ
чение Е на единицу и обеспе­
чивает передачу детали для
Рис. 10.2. Схема алгоритма А Г Р Е ­
дальнейшего
обслуживания на
ГАТ:
другие агрегаты. Передача де­
( — время до момеята прихода i-й детали;
талей с одного агрегата на
I" — время до конца обслуживания 1-й дета­
другой, учет особенностей
ли; ind — индикатор занятости агрегата;
структуры ГПС, алгоритмов
7 — агрегат занят, О — агрегат свободен,
S — очередь деталей на обслуживание,
управления и дисциплин об­
Е* — емкость накопителя
служивания, регистрация вы­
ходных параметров модели осушествляются за счет включения
в каждый блок алгоритма специальных открытых процедур, ко­
торые вьшолняются после вьшолнения основных процедур в бло­
ках ПРИЕМ, ОБСЛУЖИВАНИЕ, ПРОСТОЙ, ПЕРЕДАЧА
и ОТКАЗ.
182
§ 3. Построение имитационной
модели производственного
процесса в ГПС
Для моделирования производственного процесса
в ГПС необходимо объединить все агрегаты и описать структуру
связей между ними, носящую переменный характер во времени.
При обработке i-й детали в ГПС ^-й агрегат обеспечивает
выполнение своего набора операхщй, реализуя определенную фу­
нкцию jf^. Обработку множества деталей можно рассматривать
как сложную систему, в которой 1-я деталь является производст­
венным процессом Р,.
Функционирование процесса Р, в ГПС представляет собой
последовательность функций F,j, каждая из которых вьшолняется
на определенном временном интервале Uj. В результате выполне­
ния любой функции F,j в системе наступает событие Z,j. Для
каждого Р,, введем понятие локального времени t,. В ГПС все
/, изменяются одновременно, однако характер этих изменений
различен и определяется последовательностью временных ин­
тервалов t,j.
При моделировании ГПС функции F,j аппроксимируются
упрощенными функциями f,j, причем степень этого упрощения
определяет уровень детализации модели. Отличия У1, от F,j порож­
дают погрешности имитации реальной ГПС. В имитационной
модели функция F,j представляется парой f,j и t,j. Сначала при
неизменном значении t, реализуется f,j, а затем отображается
изменение t, на величину t,j, инициируя таким образом появление
события Z,j.
Рис. 10.3 иллюстрирует фрагмент моделирования функциони­
рования системы, так как по оси ординат нельзя отложить значе­
ние функции F,j. Согласно рис. 10.3 последовательно выполняют­
ся функции F,i, F,2 и F,i, а в системе соответственно происходят
события Z,i, Z,2 и Z,3. Причем с появлением каждого нового
события Z,j происходят изменения F,j и увеличение его временной
координаты /, соответственно на величину /,ь t,2 и t,^. В модели
появление событий реализуется ступенчатой линией (О, а, Z,i, b,
Z,2, С, Z,3).
В имитационной модели каждая f,j охшсывается алгоритмом
A,j. В ходе имитации происходят реализация f,j по соответ­
ствующим алгоритмам A,j и последующее изменение t, на ве­
личину t,j.
При реализации имитационной модели используются три
представления времени: ?, — реальное время системы, работа
которой имитируется на модели; /о — модельное время, по кото183
рому организуется синхрони­
зация событий в системе;
/„ — машинное время имита­
г„
ции
— затраты времени ЭВМ
i
на проведение имитации.
1,2
Существуют два способа
a
организации моделирования
во времени. Один из них —
/fn
моделирование с фиксирован­
0
ным временным шагом — тра­
h
f,i
~^
^
.
'"
.,
диционный способ примените­
льно к непрерывным динами­
Рис. 10.3. Функции 1-го процесса в
ческим системам. Однако его
имитационной модели
использование при моделиро­
вании дискретных систем малоэффективно.
Для моделирования дискретных систем распространен способ
«от события к событию», в котором время изменяется только
тогда, когда в системе происходит событие, требующее его учета
(начало обслуживания, приход транспортного средства и др.).
Такой подход позволяет экономно расходовать машинное время.
Выделение событий и переходов из одного состояния в другое
производится по ходу моделирования производственного процес­
са. Особенность метода «от событий к событию» состоит в том,
что, зная состояние системы в эти моменты времени, легко
спрогнозировать состояние системы в следующий момент. Мо­
менты возникновения событий можно рассматривать как собы­
тия, последовательность которых представляет собой динамичес­
кую работу сложной системы.
Предлагаемый метод построения модели рассмотрим на при­
мере у-го агрегата, имеющего входной и выходной накопители
(рис. 10.4, а). В 7-м агрегате f-я деталь обслуживается случайное
время Гоб« которое не зависит от поступления других деталей.
Предположим, что г-я деталь поступает нау-й агрегат в случай­
ный момент времени U и последовательность интервалов между
поступлением деталей /п='у—^-l состоит из независимых вели­
чин. Детали обслуживаются в порядке поступления, т. е. ожида­
ющие начала обслуживания образуют очередь во входном нако­
пителе.
Работу j-xo агрегата можно описать следующим линейным
процессом:
f,
f
z{i)={E4i),V{i),t"{t\E"{t%
где Е'{() — число деталей во входном накопителе в момент t\
t' (t) — время до поступления очередной детали во входной нако­
питель; t" (t) — время до окончания обслуживания детали, нахо184
дящейся в момент t на j-M агрегате; E"(t) — число деталей
в выходном накопителе в момент t.
На рис. 10.4, б изображена динамика производственного про­
цесса, причем t'(t)H t"(t) убывают с одинаковой скоростью. Для
воспроизведения работы j-ro агрегата в течение отрезка времени
Г достаточно знать значения процесса функционирования только
в моменты tu h, ..., /v, ••• • Моделирующий алгоритм должен
реализовать пересчет состояния j-ro агрегата от одного события
к другому:
/v+1 = /,+A/v, где Af,=min {t' {Q, t" (/,)}.
Для отражения функционирования проектируемой системы во
времени в модель введен блок ВРЕМЯ, который также вьшолняЗаеатовки
Входной
накопи­
тель
DD-D
—
агрегат
—
Выходной
накопи­
тель
ьь-ь
о)
Рис 10.4. Модель функционирования j-ro агрегата с накопителями (а) и диаграм­
ма его работы (б)
185
ет функцию индикации поступления деталей на свободный аг­
регат, т. е. обнуление значения t" ъ момент времени ty, если
переменная ind/=0.
Процедуры, выполняемые блоком ВРЕМЯ: 1) определяет
A/v=min{/'(/,), /"(О}; 2) уменьшает t'{ty) и /"(/,) на А/,; 3) если
mdj=0, TOf"0vj=0.
Объединяя выполнение алгоритма АГРЕГАТ и блока ВРЕМЯ
в цикле, получим имитационную модель одноканальной одно­
фазной СМО. Выполнение принципа единства времени, положен­
ного в основу построения имитационной модели производствен­
ного процесса в ГПС, приводит к необходимости одновремен­
ного перемещения всех агрегатов по временным осям на ве­
личину А^, определяемую из выражения
^ty=m\n{t'J(ty), /;+*(0}, где;е1, 2, ..., п.
.
^
С ^°^°^° )
f
ввод исходных данных
I
"1 т
; =/
[
'
и
Алюритп АГРЕГАТ
I
;=у*г
Нет
Нет
( Конец Л
Рис. 10.5. Схема имита­
ционной модели ГПС
186
'
Так как моделирование осуществляется по событийному принципу, т. е.
фиксируются моменты времени перехода ГПС из одного состояния в другое,
то модель всех блоков реальной системы может быть построена на основе
единого универсального модуля. Тогда,
организуя циклический просмотр от
первого агрегата к последнему (рис.
10.5), при возникновении событий в лю­
бом агрегате данный алгоритм позволяет вьшолнить все операции, связанные
с ответной реакцией алгоритма: спрог­
нозировать время предполагаемого со­
бытия (поступление детали на у-й агре­
гат, начало или окончание обслужива­
ния и др.). Следовательно, для выполне­
ния принципа единства времени необхо­
димо иметь блок ВРЕМЯ не в каждом
агрегате, а один для всей модели.
Алгоритм АГРЕГАТ и блок ВРЕМЯ
выполняются циклически по индексу j ,
причем при однократном исполнении
программы в модели происходит изме­
нение модельного времени на А/», а при
многократном — на ^ Аг, где п — число циклов, выполняемых программой.
Для ограничения числа выполняе­
мых циклов введена переменная вели-
чина PR, изменяющая свое значение по какому-либо правилу при
моделировании. Если ввести заранее известное значение этого
параметра PRM, то условие
РЛ = РЛ/1/или PR^PRM
может быть выбрано в качестве условия, ограничивающего число
щослов выполнения программ модели.
В качестве параметров, осуществляющих выполнение про­
грамм имитационной модели, могут выступать следующие.
1. Время эксперимента, по истечению которого модель закан­
чивает работу. Функционирование имитационной модели в мо­
дельном времени достигается путем уменьщения содержимого
всех ячеек памяти, содержащих временные параметры t^ и /оби на
величину Af, равную шагу функционирования модели. Поэтому
в качестве модельного времени следует принять время 7^=^ А/.
л
Тогда условие окончания эксперимента ^ А/> Т^, где Т^ — заR
данное значение времени функционирования модели. Таким об­
разом, время моделирования будет возрастать, но его увеличение
будет происходить не равными частями, а в зависимости от
наступления событий.
2. Число деталей в партии и количество партий деталей, после
обслуживания которых происходит останов программы. Оконча­
ние работы программы можно осуществить при выполнении
какого-либо другого условия, назначаемого исследователем. Так
как модели необходимы для получения рекомендаций при проек­
тировании сложных систем, следовательно, имитационная мо­
дель должна иметь возможность определять значения любых
характеристик, интересующих проектировщика.
Все параметры, регистрируемые при работе модели, можно
представить тремя группами.
1. Параметры интегрального типа — регистрируются накоп­
ленные значения какого-либо параметра за период функциониро­
вания модели (число деталей, поступивших на вход системы
и станков, количество обработанных деталей и др.).
2. Параметры временного типа — временные параметры
между моментами наступления двух последовательных событий
в системе (время простоя станка, время отказа и др.).
3. Параметры, описывающие состояние системы в момент
регистрации (число деталей в накопителе, число занятых об­
работкой станков и др.).
При рассмотрении ГПС как сложной стохастической системы
большинство входных параметров (отказы оборудования, посту­
пление деталей в обработку, количество деталей в партии) пред187
ставляют собой случайные величины. Для определения харак­
теристик входных параметров, имеющих случайный характер, на
основе статистических данных определяют математическое ожи­
дание, дисперсию и закон распределения с помощью пакетов
прикладных программ обработки статистической информации.
Вычисление математического ожидания и дисперсии выход­
ных параметров, являющихся случайными (время ожидания z-й
детали в накопителе, характеристики очередей на транспортную
систему и др.), производится по полученному множеству их
значений в результате работы модели одной реализации доста­
точной продолжительности. Для экономии памяти ЭВМ матема­
тическое ожидание и дисперсию вычисляют в ходе моделирова­
ния путем наращивания итогов при появлении очередного изме­
рения случайной характеристики по рекуррентным формулам.
Математическое ожидание случайной величины у для и-го изме­
рения;);»
п
п
где М„_1 — математическое ожидание, вычисленное по предыду­
щим п—1 измерениям.
Дисперсия для п-го измерения:
D„=D„_i —+л—1
п
0'„-m,_l)^
где i),_i — дисперсия, вычисленная по предыдущим и— 1 измере­
ниям (начальное значение дисперсии принимается равным нулю).
При большом количестве измерений эти оценки являются
состоятельными и несмещенными. При имитационном модели­
ровании нестационарного режима функционирования ГПС тре­
буется получить N, реализаций случайных процессов по всем
выходным характеристикам. С этой целью необходимо провести
N, имитационных экспериментов.
Изменение характера сочетаний случайных собьггий в каждом
последующем эксперименте достигается заменой начальных зна­
чений генератора случайных чисел, используемого при моделиро­
вании. Это можно реализовать так: при каждом последующем
эксперименте в качестве начальных значений датчиков случайных
чисел используют последние значения предыдущего эксперимен­
та. Проводится N, имитационных экспериментов.
При каждом последующем эксперименте параметры системы
и нагрузки устанавливаются на исходные значения и в процессе
каждого эксперимента остаются неизменными или изменяются
по одним и тем же зависимостям. Генераторы случайных чисел
устанавливают в начальное состояние только перед моделирова188
нием и до конца моделирования вырабатывают последователь­
ности случайных чисел. Для обеспечения статистической достове­
рности результатов требуется проведение нескольких сотен экс­
периментов и обработки выходных характеристик.
§ 4. Модели имитации
стохастических входных параметров
Чтобы адекватно воспроизвести поведение реаль­
ной т с на ЭВМ, необходимо в имитационной модели рас­
полагать возможностями имитации случайных факторов и воз­
действий, обеспечивать удобные способы моделирования неоп­
ределенности и изменчивости по заданным статистическим хара­
ктеристикам. Важным достоинством предлагаемого подхода для
построения имитационной модели является возможность учета
стохастичности факторов (начало обработки детали, отказ обо­
рудования и др.). При этом можно пользоваться эмпирическими
данными, при использовании которых подразумевается, что мо­
делируется только прошлое системы. В этом случае основная
форма распределения вероятностей остается неизменной во вре­
мени. Более предпочтительным является метод статистических
испытаний, для реализации которого необходимо знать статисти­
ческие свойства стохастических факторов (например, законы их
распределения). Имея эти сведения, можно моделировать стоха­
стический фактор в виде случайного ряда чисел, который as
является точной реализацией действительности, но вместе с тем
имеет такие же статистические свойства, что и реальный произ­
водственный процесс.
Основным принципом моделирования сложных систем, соде­
ржащих стохастические или вероятностные элементы, является
разыгрывание выборок по методу Монте Карло. Проводится
розыгрыш случайного явления с помощью организованной про­
цедуры, включающей в себя случайность и получающей случай­
ный результат. В действительности конкретная реализация слу­
чайного процесса складывается каждый раз по-иному, также
в результате статистического моделирования получаем каждый
раз новую, отличную от других реализацию исследуемого про­
цесса.
При большом количестве реализаций их можно использовагь
как некий иосусственно полученный статистический материал,
который может быть обработан обычными методами математичечской статистики. После такой обработки могут быть получе­
ны любые интересуюхцие нас характеристики: вероятности собы­
тий, математические ожидания, дисперсии случайных величин
и др. При моделировании случайных процессов методом Монте
Карло пользуются самой случайностью как аппаратом исследо­
вания.
189
Этот метод позволяет получать данные предшествующего
опыта искусственным путем за счет использования генератора
случайных чисел в сочетании с интегральной функцией распреде­
ления вероятностей для исследуемой или проектируемой систе­
мы. Таким генератором может быть таблица, программа ЭВМ
или какой-либо другой источник равномерно распределенных
случайных чисел. Подлежащее разыгрыванию распределение ве­
роятностей может быть основано на результатах экспериментов,
либо может представлять собой известное теоретическое рас­
пределение. Случайные числа используют для получения дискрет­
ного ряда случайных переменных, имитирующего результаты,
которые можно было бы ожидать в соответствии с разыгрыва­
емым вероятностным распределением.
Разработанная имитационная модель, просчитываемая на
ЭВМ, должна иметь возможность: получать равномерно рас­
пределенные случайные числа и использовать их для генерации
случайных величин с требуемыми характеристиками.
Применение в имитационных моделях метода Монте Карло
с теоретическими распределениями вместо эмпирических данных
позволяет: получать обобщенные характеристики, а не харак­
теристики, соответствующие только прошлому или настоящему
при использовании эмпирических данных; иметь лучшие резуль­
таты с точки зрения затрат машинного времени и требуемого
объема памяти ЭВМ; проще изменять параметры генератора
случайных чисел при проверке чувствительности или проигрыва­
ния различных возможных вариантов.
В ЭВМ случайные числа получаются с помощью рекуррент­
ных математических методов, называемых псевдослучайными
числами, которые так называются потому, что, пройдя все стати­
стические тесты на случайность и раномерность распределения,
они остаются полностью детерминированными. Это означает,
что если каждый цикл работы генератора начинается одними
и теми же исходными данными (константами и начальными
значениями), то на выходе получаем одинаковые последователь­
ности чисел.
§ 5. Пример имитационной модели
функционирования ГПС
механической обработки
При проектировании ГПС важной задачей явля­
ются определения потребности в технологическом и вспомога­
тельном оборудовании, обоснования структуры проектируемой
системы исходя из конкретных производственных условий. По­
ставленная задача чаще всего решается традиционными метода­
ми технологического проектирования, которые сводятся к рас­
чету числа работающих и количества оборудования по трудоем190
кости (станкоемкости) работ. Такой подход представляется упро­
щенным вследствие высокой цены, которую приходится платить
за ошибки при проектировании ГПС.
Рассмотрим применение имитационной модели для проекти­
рования эффективной структуры ГПС на примере ГПМ для
обработки тел вращения. Номенклатура деталей, подлежащих
обработке на проектируемой ГПС, состоит ю 30 наименований,
программа выпуска 32000 шт., детали выпускаются партиями
100...120 шт. В состав ГПС входят робототехнические комплексы
(РТК) на базе станков 1720ПФ30, КТ141П и Ш756ДФЗ, а также
Q Начало^
•
/
(
Блок ВВОД
1
Блок
ПЛАИИРОВАИИЕ-1
Подпрограииа
ПланЧ
'<
Блок
плАиировлнт-г
Повпршаииа
Подпрограмма
План!
«
Блок
ОТКАЗЫ
ПаЗпрограмма
Отказ
i
Блок
ШЕНА
« •
Подпрограмма
Смена
\
По8праграмиа
Авария
Подпрограмма
Агрегат
Блок
ЛГРЕГАТ
•
М
БЛОК
ВРЕМЯ
Нет
•
Подпрограмма
/таиск
-CjjoffaH
\'
6АОН
время
/
SAOK ВЫВОД
I
f
t
Q
Konett)
Рис. 10.6. Схема модели
191
оборудование, необходимое для доделочных операций: вертика­
льно-фрезерный станок ГФ2171 для обработки отверстий во
фланцах, фрезерования шпоночных пазов, уступов и др.; токар­
ный станок 16К20ПФ1 для тонкого обтачивания шеек валов;
автоматизированный моечный автомат. Детали хранятся на ав­
томатизированном складе. На РТК и рабочие места детали до­
ставляются напольной тележкой-роботом. РТК и рабочие места
оборудованы накопителями.
Решение данной задачи осложняется тем, что принятие про­
ектных решений осуществляется в условиях неопределенности,
которая является следствием наличия в системе большого коли­
чества неоднозначно действующих факторов (разнообразие тех­
нологических маршрутов и очередность поступления деталей на
обработку и др.).
Рассмотрим имитационную модель функционирования ГПС,
ориентированную на поставленную проектную задачу (рис. 10.6).
Блок ВВОД предназначен для ввода информации и приведения
модели в исходное состояние. Блок ПЛАНИРОВАНИЕ-1 (см.
рис. 10.7, а) выполняет две функции.
1. Определение очередности запуска заготовок на обработку,
которая формируется из номенклатуры деталей, подлежащих
обработке в ГПС случайным образом. Такое решение связано
с тем, что, во-первых, на стадии проектирования невозможно
установить очередность запуска заготовок на обработку, во-вто­
рых, использование генератора случайных чисел позволяет ме­
нять очередность запуска и проигрывать на модели множество
вариантов.
2. Реализация поступления заготовок на обработку по кален­
дарным срокам для случая имитации функционирования ГПС
в течение длительного срока (например, месяца, квартала, года).
В исходных данных устанавливаются процентные соотноше­
ния, показывающие, как объем работ распределяется по квар­
талам, месяцам и декадам. В соответствии с этим заданием
модель после определения очередности запуска вводит опреде­
ленные временные ограничения на поступление заготовок на
обработку.
Блок ПЛАНИРОВАНИЕ-2 (рис. 10.7, б) реализует определен­
ную в блоке ПЛАНИРОВАНИЕ-1 очередность запуска загото­
вок на обработку и по мере выполнения операций организует
передачу деталей с агрегата на агрегат согласно маршруту об­
работки.
Блок ОТКАЗЫ реализует в модели отказы технологического
и вспомогательного оборудования. Вероятностный характер от­
казов воспроизводится с помощью генератора случайных чисел.
Блок СМЕНА организует в модели имитацию работы ГПС
в одно-, двух- или трехсменном режиме.
192
с
Начало J
Г"^
/ Определить стаикоемкаоть обработки всех
деталей
2 Рассчитать плановые
задания па кварталам,
месяцам и депадам
Из Лвменклатур/юго
списка генерировать Слу­
чайным odpaion 7-ю деталь
Снять деталь с обслужи­
вания на J-м агрегате
и поставить в очередь
на вбслу/кивание
(внутреннюю очередь)
На
1. Поставить 1-ю деталь
в очередь на поступление
т ofpaSomKy
(внешнюю очередь)
2 Определить врепя по­
ступления 1-й детали
на обработку, удовлет­
воряющее плановым
заданиям
j-й
^/Ъгрегат мотет ^
Jbimb передана деталь^
J/3 внутренней
^ереди?
Да
ntaj-u"
_, ''агрегат помет''
выть передани деталь"
из внешней
J4epedul
Да
\Иет
Передать деталь
из очереди
на обслуживание
на j~u агрееат
Перевести
J — й агрегат
в режим простоя
1
Нет
С
fCOHCIf
а)
J
У=;>Г
I)
С '""'"' )
Рис. 10.7. Алгоритм функционирования блока ПЛАНИРОВАНИЕ-1 (а) и блока
ПЛАНИРОБАНИЕ-2 (б):
J — порядковый номер агрегата; Л' — число агрегатов
Блок АГРЕГАТ (рис. 10.8) включает в свой состав ажоритмы
функционирования агрегатов ГПС, которые в совокупности опи­
сывают структуру и логику функционирования системы.
Блок ВРЕМЯ определяет величину временного отрезка, кото­
рый отделяет рассматриваемое событие от ближайшего будуще­
го и совместно с блоком ВРЕМЯ осуществляет перемещение
193
модели по временной оси на
величину этого отрезка, т. е.
в точку, соответствующую
наступлению очередного со­
бытия. Одновременно блок
ВРЕМЯ осуществляет реги­
страцию выходных параме­
Htm
тров функционирования аг­
регатов. От блока ВРЕМЯ
управление
в модели пере­
Режим спеииого
простоя
дается блоку ПЛАНИРО­
ВАНИЕ-!, с которого начи­
нается каждый новый цикл
работы модели.
Условием окончания мо­
Режип отказа
делирования по желанию
\
пользователя может быть
выбрано: заданное время
функционирования ГПС; за­
вершение обработки задан­
Режип нападки
ной номенклатуры; задан­
1
ное число циклов и др. При
/fern
вьшолнении условия окон­
чания работы модели упра­
вление передается блоку
Рабочий режип
ВЫВОД, в котором рассчи­
тываются выходные пара­
Алгоритм райоты
метры модели.
j-ta агрегата
Входными параметрами
1
модели являются: 1) номен­
клатура и программа вы­
пуска деталей, размеры
j'j*1
и повторяемость партий за­
пуска; 2) технологические
процессы изготовления де­
талей, затраты времени на
Рис. 10.8. Алгоритм АГРЕГАТ
обработку и наладку обору­
дования по операциям; 3)
состав оборудования (качественный — определяется в соответст­
вии с вьшолняемыми в ГПС технологическими операциями, ко­
личественный — назначается пользователем и может меняться по
ходу моделирования); 4) технические характеристики транспорт­
ной системы и транспортной партии; 5) надежность оборудова­
ния — для каждого агрегата в исходных данных задается средняя
наработка на отказ и средняя продолжительность восстановле­
ния работоспособности; 6) сменный режим — число рабочих
смен, их продолжительность и ограничения на проведение опре194
деленных видов работ (например, проведение наладочных работ
только первой или второй сменой); 7) сведения о распределении
загрузки ГПС по календарным срокам; 8) организационная стру­
ктура и алгоритм функционирования ГТ1С, формальное описание
которых содержится в подпрограммах блока АГРЕГАТ. При
изменении структуры или алгоритма функционирования достато­
чно изменить или разработать новые подпрограммы Агрегат,
Авария и Поиск.
Выходные параметры модели позволяют судить о степени
соответствия спроектированной ГПС ее служебному назначению
и оценить эффективность использования отдельных единиц
и групп однотипного оборудования.
Оценка проводится сопоставлением заданных и фактически
вьшолненных к требуемому сроку объемов работ по всем груп­
пам оборудования. Для каждого агрегата ГПС формируется
баланс затрат времени в виде: времени работы станка по про­
грамме; времени, затрачиваемого на загрузку детали; времени на
наладку и др.
ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ
1. Основные принципы построения имитационной модели 1фОизводственш>го процесса в ГПС.
2. Алгоритм АГРБГАТ как модель описания технических средств ГПС.
3. Основные логические условия алгоритма АГРЕГАТ и их физический
смысл.
4. Способы организации процесса моделирования функционирования слож­
ной системы во времени.
5. Функции, выполняемые блоком ВРЕМЯ в имитационной модели.
6. Модели описания входных параметров, имеющих вероятностный хара­
ктер.
7. Возможности регистрации выходных параметров имитационной моделью,
используемых при проектировании.
Раздел
ш
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИБКИХ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
СИСТЕМ
Анализ и синтез ГПС
Глава 11
§ 1. Основы проекгарования ГПС
Проектирование ГПС включает следующие этапы.
1. Формулировка назначения и требований к ГПС, фор­
мализация этих требований и выбор критериев для оценки пока­
зателей качества проекта. Перечень показателей качества проекта
ГПС включает, как правило, затраты на изготовление заданной
программы выпуска изделий, коэффициент загрузки оборудова­
ния, мощность материальных потоков, длительность производ­
ственного цикла изготовления и др.
2. Декомпозиция ГПС на подсистемы. Определение назначе­
ния каждой подсистемы исходя из функций ГПС. Формализация
требований к подсистемам.
Выявление межструктур­
ных связей подсистем. Ка­
ждую подсистему разбива­
ют на отдельные производ­
ственные структурные под­
разделения, которые также
разделяют на ряд модулей
—
'^-т-^:
^^т
и
агрегатов.
¥
1
V
k-V
\
3.
Алгоритмический
N,
r^
2^^
и параметрический этап
проектирования начинают
i 1 1 Si
с построения математичес­
П.. 6 j \ V
ких моделей подсистем.
t ^
"Г ^ / i tr 1 1u—
Производят формирование
материальных, информа­
>
4
5^
ционных и энергетических
1
потоков подсистем.
Рис. 11.1. Основной элемент ГПС:
4. Решение задач синте^
, _
,
за подсистем на базе ана-
f-
г
тirf" -^
t — токарный спшок; 2 — ограждение; 5—тагговый стол 4 ^ ; ^ - ПР; 5 - устройтю
управленияПР; в —устройство ЧПУ
196
>тт
ЛИТИЧССКИХ МОДСЛеИ.
На
ЭТОМ ЭТаПв СОЗДаЮТ Мате-
магическую модель производственного процесса с материаль­
ными, информационными и энергетическими потоками.
5. Проводят компоновку и планировку элементов ГПС. Эту
задачу решают путем построения размерных связей между элеме­
нтами ГПС и окончательного формирования материальных, ин­
формационных и энергетических потоков.
Основным элементом производственного процесса является
рабочее место (позиция). В зависимости от содержания операции
и организации ее на рабочем месте располагают: технологическое
оборудование (рис. 11.1), одного рабочего или группу рабочих,
ПР, манипуляторы, накопители, режущий и контрольно-измери­
тельный инструмент, оснастку и др. Рабочие места объединяют
в производственные подразделения, где осуществляют часть про­
изводственного процесса по изготовлению изделия или по об­
служиванию технологических процессов.
§ 2. Критернн оценки и последовательность
выполнения проектных
решении ГПС
Возрастаюпще требования к качеству проектиро­
вания ГПС требуют совершенствования методологии проектиро­
вания и использования систем автоматического проектирования
(САПР). При создании САПР закладываются непрерывные ите­
рационные процессы выполнения проектных операций в последо­
вательности, определяемой выбранной методологией проектиро­
вания ГПС. Процесс проектирования ГПС чаще всего итерацион­
ный, в ходе которого генерируются несколько вариантов как
отдельных этапов проектирования, так и всей системы. Из сфор­
мулированной в общем виде задачи проектирования ГПС следу­
ет, что глобальным критерием выбора оптимального варианта
должен быть показатель приведенных затрат на изготовление
изделий. Вследствие сложности определения данного показателя
используют интегральные критерии.
Например при выполнении компоновочного проектирования
может быть использован интегральный критерий
Критерий мощности грузопотока, тм/год:
1=1
flty=l
где q, — масса изделий i-го наименования, перемещаемых в уста­
новленный промежуток времени, т; 1^ — расстояние между а-м
197
и у-м рабочим местом, м; со — число операщй 1фи изготовлении
i-ro изделия; п — число наименований изделий, перемещаемых за
год. Критерий съема продукции с единицы объема участка (цеха),
шт/м':
W2=NIV,
где N—программа выпуска деталей в цехе, шт.; V — объем
цеха, м^.
Выбранные показатели оцениваются по их влиянию на приве­
денные затраты. В этом случае многокритериальная функция
оценки качества проектного решения
AF=l^k,
1-1
Pij-P'
^r
mm,
где Ftj — значение i-го показателя в j-м варианте решения;
Ff — экстремальные значения показателя; и — число показате­
лей оценки качества решения; ki — весовой коэффициент при i-u
показателе.
Сложность решения многокритериальных задач заключается
в определении к„ который отражает влияние каждого из показа­
телей на приведенные затраты в конкретных производственных
условиях. Фактический уровень эффективности принятия реше­
ния, как правило, определяется по отношению к нормативным
показателям проекта, сумма которых по данному проектному
решению принята за 100%.
Расчетный уровень качества решений, %:
где Wis, W-iji — нормативные показатели; W^^, Wia — расчетные
показатели в проектном решении.
Интегральный показатель качества принятого решения опрел
делится по сумме частных показателей: Wk,= ^ W,k,.
Данная система показателей позволяет создавать сквозные
и непрерывные САПР, в которых будут заложены математичес­
кие модели интегральных и частных критериев, а также принятые
ограничения. В этом случае будет обеспечен выбор оптимального
варианта решения на всех стадиях проектирования.
Последовательность проектирования ГПС. На первом этапе
разрабатывают структурную модель, используя принципы де­
композиции сложных систем, в которой отражают состав и вза­
имосвязь элементов ГПС. Одновременно разрабатывают функ198
Рис.
11.2. Последовательность
ХИскадные 1 * Основная ' \ВспопогательиыГ\
проектирования ГПС:
донные
1 — 1фограмма выпуска; 2 — размеры,
масса и матфвал иэдеп^; 3 — параме­
тры качества издемй; 4 — трудоем­
кость операций; 5 — пшаж освовного
оборудования, 6 — режим работы про­
изводства; 7 — расчет количества ос­
вовного оборудования; 8 — выбор при­
нципа построения ТС, 9 — выбор со­
става производственных участков; 10
— опредепенве количества основного
оборудования на участке; 11 — расчет
производственной площади; 12 — раз­
работка требований к условиям работы
участка; 13 — составление чаданий на
нестандартное оборудование; 14 — ко­
мпоновка щюизводственных учасхов;
15 — планировка основного оборудо­
вания; 16 — проепврованве складской
системы; 17 — цроектирование транс­
портной овстемы; 18 — проектирова­
ние системы инсгруменгообеспечения;
19 — проектирование системы ремонт­
ного и технического обслуживания; 20
— проектироание системы контроля
качества изделий; 21 — проектирование
системы охраны труда; 22 — проекти­
рование (зстемы подготовки и управ­
ления производством; 23 — определе­
ние площади цеха; 24 — компоновхв
цеха, 25 — уточнение плавировки обо­
рудования; 26 — определение количест­
ва работающих; 27 — расчет техни­
ко-экономических показателей проекта;
28 — выбор оптимального варианта
щюекта
-т
1
г
-
п
18
19
ш
п
1
го
12
г/
и
22
I
/'>
Синтез \
ГПС
15
I
I
2i
24
25
26
27
циональные модели, отоб­
ражающие свойства элеме­
гв
нтов ГПС, необходимые
LZдля выполнения ими своего
назначения. На следующем
этапе переходят к постро­
ению алгоритмических моделей, которые отражают последовате­
льность взаимодействия элементов при работе ГПС. Затем сле­
дует параметрический этап, на котором определяют количествен­
ные значения взаимосвязей между физическими параметрами
элементов ГПС. Параметрические модели описываются уравне­
ниями материально-энергетического баланса. На окончательном
этапе решают задачу построения моделей размерных связей меж­
ду элементами ГПС (рис. 11.2).
На основании исходных данных проектируют основные
и вспомогательные системы. ГПС строят путем синтезирования
основных и вспомогательных систем и установления единой си199
стемы материальных, информационных и энергетических связей
в пространстве и времени. Каждый вариант проекта формируется
после прохождения всех блоков схемы. Путем изменения параме­
тров систем при многократных циклах генерируется несколько
вариантов, причем разработка каждого последующего варианта
проекта осуществляется только после анализа результатов пре­
дыдущего. Выбор оптимального варианта происходит по системе
критериальной оценки. Число разрабатываемых вариантов зави­
сит от уровня унификации проектных решений, сложности
объекта проектирования и уровня автоматизации проектных опе­
раций.
§ 3. Структурный синтез ГПС
Исходными данными для проведения структур­
ного синтеза ГПС являются: математическое описание целевой
задачи с указанием свойств системы; описание процессов, проте­
кающих в подразделениях; ограничения на показатели системы
и показатели качества элементов системы. В основу структурного
синтеза входят декомпозиция кодов целевых задач, их комбина­
ция и использование процедуры, называемой методом введения
промежуточных элементов для определения связей объектов. Си­
нтез структуры ГПС является первоначальным этапом постро­
ения системы, поэтому жесткую оптимизацию на этом этапе
вести преждевременно, так как нет достаточной информации об
объекте проектирования. Более целесообразным является под­
ход, при котором остается несколько вариантов решений, из
которых выбирают наиболее рациональный.
Синтез ГПС представляет собой многоступенчатую задачу,
в которой на каждом этапе формируется ряд конкурирую­
щих вариантов. Методы структурного синтеза едины при созда­
нии различных подразделений ГПС, поэтому эти методы мо­
гут быть унифицированы и входить в состав математического
обеспечения САПР. При значительном количестве элементов
в производственных подразделениях следует уделять внимание
вопросу выбора метода решения задач большой размерности
в условиях ограниченного времени проектирования и объема
памяти ЭВМ.
ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ
1. Назовите основные этапы проектирования ГПС.
2. Какие критерии оценки компоновочных решений Вы знаете?
3. Какие исходные даЕсные необходимы для проведения структурного син­
теза?
200
Глава 12
Проектирование
основной системы
§ 1. Расчет количества
основного оборудования
Проектирование основной системы проводится
на базе методологических основ проектирования ГПС, из кото­
рых вытекает, что начальным этапом формирования является
расчет количества основного (технологического) оборудования
каждого типа при наличии разработанных технических процессов
изготовления всех изделий.
На основании разработанных технологических процессов рас­
считывают время работы станков (станкоемкость) или сбороч­
ного оборудования (машнноемкость) на различных операциях и,
зная объем выпуска изделий каждого наименования, определяют
количество технологического оборудования
N=t(^OAФ•60),
1-1
где t, — станкоемкость выполнения операции при изготовлении
1-го наименования изделия, мин; О, — объем выпуска f-ro наиме­
нования изделия, шт.; Ф — эффективный годовой фонд времени
работы оборудования, ч; и — количество наименований изделий.
Полученное количество оборудования округляют до ближай­
шего большего целого числа iV^,. Коэффициент загрузки обору­
дования k, = N/Nap.
Количество оборудования в ГПС определяют суммированием
количества по всем типам оборудования. Данный подход справе­
длив при проектировании ГПС, изготовляющей небольшую но­
менклатуру изделий. В случае широкой номенклатуры вьшускаемых изделий количество оборудования определяют, исходя из
программы вьшуска. Рассмотрим метод приведения программы
вьшуска при автоматизированной сборке.
На первом этапе проводят группирование сборочных единиц
по служебному назначению (например, группа передних бабок,
группа коробок подач и др.). В каждой группе выделяют наибо­
лее типичный представитель. Чаще всего это сборочная единица,
вьшускаемая в наибольшем количестве в пределах группы, име­
ющая всю необходимую техническую документацию. Остальные
сборочные единицы каждой группы приводятся к типичному
представителю. Приведение программы вьшуска заключается
в условном приравнивании по машиноемкости изготовления ка­
ждой сборочной единицы группы к выбранному представителю.
201
Машиноемкость сборки приводимой сборочной единицы опреде­
ляется как произведение общего коэффициента приведения на
машиноемкость изготовления представителя. Общий коэффици­
ент приведения
где ^=(Л/щ,/Мп)' — коэффициент приведения машиноемкости
по массе; Л/цр — масса приводимой сборочной единицы; Л/ц —
масса типового представителя; ^={0^10^" — коэффициент при­
ведения по серийности; Одр — объем выпуска приводимой сбо­
рочной единицы; О^ — объем выпуска типового представителя
(для сборки изделий среднего габарита х=0,2...0,33); к^ — коэф­
фициент приведения по точности (для изделий нормальной точ­
ности к^=\; для изделий повышенной точности 1,1; для изделий
высокой точности 1,2); kop=n'„Jnoa — коэффициент приведения по
оригинальности деталей в узле; Лод и Лод — соответственно коли­
чество наименований оригинальных деталей в приводимой сбо­
рочной единице и типовом представителе.
При определении количества станков в многономенклатур­
ном механическом производстве чаще всего пользуются одним из
пяти методов приведения программы выпуска, каждый из кото­
рых выбирается в зависимости от количества и стабильности
номенклатуры деталей.
Первый метод. На первом этапе проводят классификацию
деталей с целью статистического описания номенклатуры дета­
лей и их основных характеристик. При этом учитываются: слу­
жебное назначение и конструктивная форма, размеры, материал,
масса и др. На следующем этапе анализируются характеристики
номенклатуры деталей с целью выбора деталей-представителей
для проектирования технологических процессов. В группу дета­
лей-представителей включаются три — пять деталей, имеющих
наибольшую, среднюю и наименьшую сложность, наибольшую
точность и особенности в конфигурации поверхностей. На ос­
новании разработанных технологических процессов определяется
станкоемкость обработки деталей-представителей, затем — ста­
нкоемкость наиболее простых и наиболее сложных деталей. По­
скольку известны значение станкоемкости и закон ее распределе­
ния, можно определить среднее значение станкоемкости по каж­
дой операции и, умножив ее на объем вьшуска, вычислить станко­
емкость на годовую программу и требуемое число станков.
Второй метод начинается с разбивки номенклатуры деталей
на группы по размерам. Из каждой группы выбирается три —
пять деталей-представителей, на которые разрабатывают тех­
нологические процессы, и определяют станкоемкость по типам
оборудования для каждой детали-представителя. Разделив ста­
нкоемкость каждой детали на ее массу, рассчитывают стан202
коемкость детали одного килограмма этих деталей, которая
и принимается как средняя для всей группы. Умножая массу
всей группы деталей на среднюю станкоемкость одного ки­
лограмма этой группы по типам оборудования и суммируя
по всем группам, где используется данный тип оборудования,
определяем общую станкоемкость изготовления всей номенк­
латуры деталей на данном типе станка. Аналогично произ­
водится расчет по другим типам станков.
Третий метод используется при проектировании ГПС с неста­
бильным выпуском деталей. При этом выбирается условная сбо­
рочная единица и на все ее детали разрабатывается технология
изготовления. Годовая станкоемкость определяется умножением
расчетной станкоемкости по типам необходимого оборудования
на годовой объем выпуска деталей по заданной программе.
При реконструкции действующих производств используют
четвертый метод, при котором из сгруппированных по конструк­
тивным соображениям групп выбирают три-четыре типовые де­
тали и на них разрабатывают прогрессивный технологический
процесс, для которого определяют новую станкоемкость изгото­
вления Т'^.
Отношение этой станкоемкости к старой 7^ есть коэффициент
коррекции к— T'JTe< 1.
Этот коэффициент распространяется на все детали группы и,
умножив старую станкоемкость на этот коэффициент, определя­
ют новую станкоекмкость изготовления всей группы.
На стадии предпроектного периода используют пятый метод
приведения программы выпуска по технико-экономическим пока­
зателям. Он находит использование при проектировании ГПС,
предназначенной на выпуск нестабильной продукции, если изве­
стны ее показатели по массе, размерам, сложности и точности.
В этом случае технологические процессы обработки деталей не
разрабатывают, а используют показатели: станкоемкость меха­
нической обработки 1 т деталей предполагаемого изделия; годо­
вой вьшуск продукции с одного станка для принятого режима
работы производства; годовой вьшуск изделий на один станок
в денежном выражении.
§ 2. Выбор принципа построения
основной системы
Формирование основной системы производится
по одному из принципов.
I. принцип создания технологически замкнутых систем, в ко­
торых протекают одновременно механообрабатывающие и сбо­
рочные процессы. При этом повышается ответственность за вы­
пуск качественной продукции и упрощается структура управле­
ния производством.
203
п. Технологический принцип, на основании которого создают
одноцелевые технологические системы, например сборочные или
механообрабатываюпще. Достоинством таких систем является
то, что специализация приводит к единой системе управления
сборочными или механообрабатывающими работами, единому
уровню требований к качеству деталей и выполнения сборочных
работ.
III. Смешанный принцип, когда часть технологических подра­
зделений работает по технологически замкнутому принципу,
а другая — по технологическому принципу.
Выбор того или иного принципа зависит от сложности изде­
лий, программы выпуска и режима работы производства. Каж­
дое подразделение ТС может быть сформировано по одному из
трех принципов: линейному, предметному или групповому. Кажждый принцип построения подразделений определяет состав, ко­
личество и расположение технологического оборудования и вы­
бирается в зависимости от номенклатуры и объема выпуска
изделий.
При поточном производстве используется линейный принцип,
характеризующийся определенной последовательностью вьшолнення операций технологического процесса в каждый момент
времени. С расширением номенклатуры изготовляемых изделий
становится целесообразным использовать единство технологи­
ческих маршрутов и формировать подразделения, используя
предметный принцип. При этом построение подразделений про­
изводится по конструктивному виду изделий, например участки
корпусных деталей, валов, зубчатых колес и т. д. При значитель­
ной номенклатуре изготовляемых изделий эффективен групповой
принцип, характеризующийся использованием однотипного обо­
рудования, например, на токарном, фрезерном, шлифовальном
участках и т. д.
Для выбора принципа построения подразделения ГПС можно
использовать показатель как степень кооперации, определяемый,
исходя из среднего числа материальных связей между технологиN
ческим оборудованием x=Y, kt/N, гдеfc,— число материальных
связей, которыми z-e оборудование связано с остальным обору­
дованием; N — количество технологического оборудования.
Для рассмотренных принципов построения подразделений
возможны четыре границы: нижняя граница линейного принципа
(рис. 12.1, а); граница между линейным и предметно-однонаправ­
ленным принципом (рис. 12.1, б); граница между предмет­
но-разнонаправленным и групповым принципом (рис. 12.1, в)
и верхняя граница группового принципа (рис. 12.1, г).
Границы устанавливают, исходя из схем формирования тех­
нологических подразделений, приведенных на рис. 12.1, по ко204
О)
Рис. 12.1. Схема формирования подразделения ГПС
торым определяют число материальных связей и степень ко­
операции.
Согласно схеме, приведенной на рис. 12.1, а, нижняя граница
линейного принципа определяется по формуле
х=—=(ЛГ-2)2-|-2-1 = 2 - - .
N
N
Граница между линейным и предметно-однонаправленным
движением изготовляемых изделий (см. рис. 12.1, б)
x=Y,k,=(N-4)4+2-3
+
2-2=4--.
Граница между предметно-разнонаправленным движением
изделий и групповым принципом построения ГПС (см. рис.
12.1, в)
д;=(ЛГ_4)10+4-6=10--.
N
205
Верхняя граница груп­
пового принципа по­
строения ГПС (см. рис.
12.1, г)
x=2N-2.
Области использова­
ния рассмотренных при­
нципов приведены на рис.
12.2. Пользуясь графи­
ком, можно выбрать при­
нцип построения произво­
дственных участков, если
известны: количество тех­
нологического оборудова­
ния N, технологические
маршруты изготовления
изделий, на основании ко­
торых определяется число
материальных
связей,
и степень кооперации.
При создании автома­
тизированных участков
Рис. 12.2. Границы принципов аостроения
количество технологичес­
1фОизводственных подразделениЁ
кого оборудования на
них целесообразно прини­
мать в размере 4... 10 единиц. Эти границы устанавливают исходя
из того, что менее четьфех единиц оборудования нецелесоо­
бразно обслуживать централизованной ЭВМ, а при числе станков
свьппе десяти усложняется система программного управления
комплексом.
Таким образом, предварительное формирование ТС, включа­
ющее определение состава и количества структурных подразделе­
ний и технологического оборудования, на этом заканчивается
и переходят к формированию вспомогательных систем, обес­
печивающий работу ТС.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
\. Как рассчитать количество технологического оборудования?
2. Расскажите о методе приведения программы выпуска изделий в сборочном
щзоизводстве.
3. Что вам известно о методах приведения программы выпуска в механичес­
ком производстве?
4. Назовите принципы построения ГПС.
5. Как выбрать принцип формированиях основных подразделений?
206
Глава 13
Проектирование
вспомогательных систем
§ 1. Складская система (СС)
Назначение СС — обеспечивать снабжение ТС
полуфабрикатами в подготовленном для транспортирования ви­
де и их хранение. Существуют следующие принципы организации
складирования: централизованный, децентрализованный и ком­
бинированный.
Сущность централизованного принципа заключается в том,
что в ГПС имеется единый склад, с которого полуфабрикаты
и оснастка поступают в ТС без промежуточного хранения. Этот
принцип используется в многономенклатурном производстве
с небольшим грузопотоком и при малых сроках и объемах
хранения полуфабрикатов и изделий.
Децентрализованный принцип хранения полуфабрикатов, из­
делий и оснастки предусматривает наличие складов только на
производственных участках и используется при больших грузопо­
токах. Комбинированный принцип хранения предусматривает
наличие централизованного склада и складов на производствен­
ных участках. Преимущество такого принципа заключается в бо­
льшой гибкости и эффективности изготовления изделий широкой
номенклатуры с большим объемом выпуска.
Проектирование СС должно вестись с обязательным учетом
накопителей в ТС. Необходимость создания запасов на промежу­
точных операциях производственного процесса вызвана тем, что
непоточное производство характеризуется нестабильным входя­
щим и выходящим грузопотоком. Нестабильностью работы
ГПС является изменение станкоемкости выполнения операций,
неритмичность материальных потоков, частые переналадки обо­
рудования и др.
Цель функционирования СС состоит в том, чтобы принимать
с транспортной системы материальный поток с одними парамет­
рами, размещать и хранить грузы и выдавать их обратно в транс­
портную систему с другими параметрами.
Исходные данные при проектировании СС: годовой грузопо­
ток поступления на склад; нормативный запас грузов; число
наименований грузов, одновременно хранящихся на складе; раз­
меры груза и его масса; параметры точности и конфигурация
груза; срок хранения.
СС при приеме и отправке грузов меняет свое состояние, а так
как в непоточном производстве внешние грузопотоки носят сто207
хастический характер, то и переход системы из одного состояния
в другое является случайным.
В основу проектирования СС закладываются технологические
процессы складских работ, при разработке которых решаются те
же задачи точности и производительности, что и при разработке
теми же способами процессов изготовления изделий. Например,
при установке полуфабриката на спутник для достижения требу­
емой точности при дальнейшей обработке используют теории
размерных цепей и базирования, аналогично решаются задачи
и при установке поддона в ячейку склада. Складирование вклю­
чает приемку грузов, их размещение, хранение и отпуск.
Приемка состоит из разгрузки; сортировки; проверки соответ­
ствия груза по наименованию и количеству; подготовки (установ­
ки полуфабрикатов на спутник, укладки в поддоны и т. д.)
и введения сведений о грузах в ЭВМ.
При размещении и хранении грузов определяют места хране­
ния; перемещают грузы к соответствующей ячейке; устанавлива­
ют на место хранения и вводят информацию в ЭВМ.
Отпуск грузов включает: перемещение грузов из ячейки в зону
комплектования и комплектование груза; погрузку; выдачу ин­
формации о готовности к транспортированию.
СС должна иметь следующие подразделения: автоматизиро­
ванный склад в цехе и на участках для хранения полуфабрикатов,
изделий и оснастки, материалов, поковок и штамповок, литых
заготовок, отделение сборки и разборки технологической осна­
стки, отделение установки и съема полуфабрикатов, мойки и кон­
сервации технологической оснастки, накопители у технологичес­
кого оборудования.
Проектирование автоматизированного склада начинается
с определения величины запаса хранения грузов и выбора средств
для складированя. При выборе средств следует учитывать раз­
меры, форму, массу, требования к пространственной ориентации
грузов, характеристики транспортной системы и др. При этом
определяют тип складского оборудования, его производитель­
ность и месторасположение. С помощью складской тары произ­
водится увязка между собой номенклатуры грузов и согласова­
ние внешних и внутренних грузопотоков. К таре относят спут­
ники, палеты, поддоны, кассеты и др.
Для расчета СС разбивают номенклатуру грузов на группы по
размерам, массе или технологии переработки. Из каждой группы
выбирают типичного представителя и определяют запас хранек
ния грузов S=YJ S„ где S — запас хранения грузов i-ro наимено1=1
вания; к — число наименований в группе.
208
Длина типового представителя группы грузов,
li=^M[l]=t l.S.IS,
где /, — длина груза f-ro наименования.
Аналогично определяют ширину Ь, и высоту А, типового пред­
ставителя группы. При расчете величины транспортной партии
находят математическое ожидание объема, занимаемого типо­
вым представителем рассматриваемой группы грузов,
V=M[V\='Z l,b.h.SilS.
1-1
После этого определяется произведение M[l]M[bi\ М[Щ и сра­
внивается с величиной V. При равенстве этих величин средние
длина, ширина и высота всех наименований грузов составляют
Если равенство не соблюдается, то вьшолняют соответст­
вующую корректировку величин 1и bi я hi с целью достижения
указанного равенства.
При расчете грузов широкой номенклатуры масса типового
к
Представителя группы m=Y, m.SJS.
1=1
Характеристики неравномерности внешних потоков определя­
ют через коэффициенты. При часто изменяющейся номенклатуре
грузов исходные данные для проектирования СС должны быть
заданы в вероятностном виде. Нестабильность номенклатуры
может привести к следующим ситуациям, которые следует учи­
тывать при проектировании СС: 1) изменение количества полуфа­
брикатов и изделий в таре не требует конструктивного изменения
тары; 2) изменение количества полуфабрикатов и изделий в таре
требует изменений в конструкции тары; 3) изменение конструк­
ции тары приводит к необходимости иметь различные размеры
ячеек в стеллажах. При этом изменяются положения датчиков,
фиксаторов, перегрузочных и грузозахватных устройств и т. п.
При расчетах СС для хранения широкой номенклатуры про­
дукции количество ячеек в стеллажах принимают на 10% больше
расчетного. Параметры склада для хранения оснастки рассчиты­
вают с учетом того, что на нем должен находиться запас в раз­
мере 30% оснастки, находящейся в ГПС.
Важным этапом в проектировании СС является определение
состава и количества транспортных средств, выполняющих
209
-
а)
Н^
^
б)
^3-
н ^
г)
Рис. 13.1. Схемы размещения штабелирующего оборудования в СС
складские работы. Штабелирующее оборудование подразделяет­
ся на две группы: крановое и напольное. Преимущества краново­
го оборудования по сравнению с напольным: увеличение объема
хранения грузов за счет большей высоты складирования; высокая
производительность и возможность полной автоматизации про­
цесса складирования. К преимуществам напольных штабелеров
относят низкую стоимость, большую маневренность и лучшее
использование объема склада.
На рис. 13.1 приведены схемы размещения штабелирующего
оборудования в СС с одним стеллажом и одним штабелером
(рис. 13.1, а); с одним стеллажом и двумя штабелерами, рас­
положенными с двух сторон (рис. 13.1, б); с одним стеллажом
и двумя штабелерами, расположенными с одной его стороны
(рис. 13.1, в); с двумя стеллажами и одним штабелером, переме­
щающимся между стеллажами (рис. 13.1, г). Выбор схемы зави­
сит от объема хранения, величины внутрискладского грузопотока
и условий складирования.
При организации грузопотока в СС возможны две схемы:
тупиковая и сквозная. При сквозной схеме штабелер имеет воз­
можность для выхода из стеллажа для выдачи грузов, разворота
или их перемещения из одного прохода в другой.
Для приемоч:даточной секции следует обеспечить удобст­
во подъезда и стыковку с транспортными средствами. При­
мер стыковки приемо-сдаточной секции автоматической СС с
подвесным конвейером дан на рис. 13.2. В ГПС с большим
грузопотоком целесообразно разделять приемную и сдаточную
секции.
210
Рис. 13.2. Вариант стыковки приемо-сдаточной сенщн автоматической СС с под­
весным конвейером:
1 — подвесной конвейер; 2 — стеллаж; 3 — приемо-сдаточные сежции; 4 — автоматический
хран-штабелер; 5— поддон; 6 — подьемво-опуашая секция; 7 — захваты подвесного кон­
вейера; 8 — оборудование
Возможны следующие виды планировочных решений СС: ра­
диальные, линейные, Т-образные, замкнутые (кольцевые), вер­
тикальные, комбинированные.
Радиальная планировка предусматривает расположение скла­
да в центре участков (рис. 13.3, а). При линейной планировке (рис.
13.3, б) грузы транспортируются вдоль склада и оборудования.
Такая планировка целесообразна при малом количестве обслужи­
ваемого оборудования. Три Т-образной планировке (рис. 13.3, в)
материальные потоки перемещаются перпендикулярно к складу,
что позволяет рационально использовать производственную пло­
щадь. При кольцевой планировке (рис. 13.3, г) склад располагает­
ся вдоль замкнутой транспортной трассы. При вертикальной
планировке (рис. 13.3, д) склады расположены на разных уровнях
с вертикальной передачей грузов от склада к оборудованию.
Комбинированные планировочные решения сочетают несколько
видов планировок и обеспечивают максимальную гибкость и ко­
роткие транспортные грузопотоки.
Для обеспечения бесперебойной работы оборудования возле
него располагают накопители, емкость которых рассчитывают
с учетом неравномерного поступления грузов. Иногда роль нако­
пителей может быть возложена на транспортную систему. Заде­
лы полуфабрикатов размещают между технологическим обору211
I
и
dx
Ш [loj
I I II I I П
Ш
Ш
Ш
\/
Ш
1.11111111IJ-1
V
Й Й Й"^
^
& ^ фф
/\
/s
1,,! I 111 I I I \TSjy
/\
di Ш Ш Ш
г/
л»
/
/Д А Л Л Л Д А А А Д Л А А Д <
^^/•ЛДЛ Д Д А Д А А Д А»\ ,
(
г-~^
1,
1-
Fii ^ i i \ | Р п Н
6)
т
Рис. 13.3. Виды планировочных решений СС;
1 — оборудование; 2 — стеллажи; 5 — жран-штабелд»; 4 — трвнспортвая тележжа;
5 — сжлад
дованием по ходу технологического процесса, а средства, обес­
печивающие эти заделы, должны автоматически выдавать, при­
нимать и адресовать полуфабрикаты на рабочие позиции в лю­
бой заданной последовательности.
§ 2. Транспортная система
Транспортная система предназначена для достав­
ки грузов со склада в заданный момент времени к требуемому
участку; доставки, ориентации и установки полуфабрикатов или
изделий в требуемый момент времени на рабочие позиции; съема
212
полуфабрикатов или изделий с оборудования с последующим
транспортированием в заданный адрес; отправки в накопитель
грузов, а из накопителя в требуемый момент времени в заданный
адрес доставки полуфабрикатов или изделий на склад.
1Слассификация грузов: по массе — легкие до 0,5 кг, средние
0,5...16 кг и тяжелые свыше 16 кг; способу загрузки — в таре, без
тары, навалом, ориентированные; форме — корпусные, типа ва­
ла, дискообразные, длинномерные и т. д.; виду материала — ме­
таллические, неметаллические и т. д.; свойствам материала —
твердые, хрупкие, магнитные, вязкие и т. д.
Классификация транспортных систем по назначению —
внутрицеховая и межоперационная; способу перемещения — в
таре и без тары, спутниковая и бесспутниковая; принципу дви­
жения — периодическая и непрерывная; направлению движе­
ния — двусторонняя и односторонняя; уровню расположения
рабочей ветви — напольная, эстакадная и подвесная; схеме дви­
жения — линейная и замкнутая; конструктивному исполнению
тележки — рельсовая и безрельсовая; характеру связи с обо­
рудованием — внешняя и внутренняя; виду укладки — навалом
и ориентированные.
Транспортирование на спутниках используют при изготовле­
нии изделий сложной конфигурации, которые трудно перемещать
роботами, что позволяет автоматизировать смену полуфабрика­
тов, благодаря единству баз спутника и вспомогательных баз
приспособлений. Полуфабрикаты устанавливаются и зажимают­
ся с помощью оснастки, смонтированной на спутнике. При изго­
товлении крупногабаритных деталей в ГПС заготовки могут
доставляться на налётах, представляющих собой сменные столы
станков.
Транспортные системы с двусторонним перемещением грузов
по одной линейной трассе целесообразно использовать в непо­
точном производстве при незначительном количестве обслужива­
емого оборудования и значительном времени изготовления всех
изделий транспортной партии. В транспортных системах с за­
мкнутой схемой движения при значительном количестве обслу­
живаемого оборудования и среднем времени изготовления всех
изделий становится целесообразным использованием нескольких
транспортных средств периодического действия, а при тех же
условиях и малом времени изготовления — транспортные систе­
мы непрерывного действия.
При проектировании ГПС следует ориентироваться на созда­
ние общей транспортной системы, что позволяет решить задачу
по ориентации полуфабрикатов и изделий при их транспор­
тировании между рабочими позициями. Решение данной задачи
приводит к сокращению количества транспортных операций за
счет исключения ряда дополнительных работ по ориентации
213
изделии на отдельных этапах производственного процесса, что
снижает машиноемкость транспортирования.
Для транспортных систем разработаны унифицированные уз­
лы, позволяющие компоновать из них эффективные надежные
системы в короткие сроки.
При формировании материальных потоков следует стремить­
ся к сокращению объема транспортных операций и снижению
трудозатрат при данном объеме работ. Решение первой задачи
может быть достигнуто путем сокращения массы перемещаемых
грузов за счет рационального календарного планирования и вы­
бора рациональных конфигураций заготовок, приближающихся
по форме и размерам к готовой детали.
Уменьшение длины транспортирования грузов решается не­
сколькими способами. Основной путь — это рациональная ком­
поновка и планировка ГПС. Компоновочные решения ГПС
должны базироваться на единстве различных технологических
и производственных процессов изготовления изделий. Наиболее
эффективен технологически замкнутый принцип построения
ГПС, когда оборудование расположено по ходу технологичес­
кого процесса, что позволяет сократить длину транспортирова­
ния грузов.
Сокращение длины транспортирования может быть достиг­
нуто за счет увеличения объема транспортной партии путем
использования контейнерной перевозки грузов, а также за счет
сохранения постоянства высоты приемо-сдаточных секций, что
обеспечивает сокращение вертикальных перемещений грузов при
транспортировании.
Снижение трудозатрат достигается благодаря использованию
автоматизированных транспортных средств (робокары, каретки,
роликовые и подвесные конвейеры, электротележки с управ­
лением от ЭВМ и др.). В транспортной системе следует ис­
пользовать однотипные транспортные средства, что упрощает
их обслуживание.
Важное значение имеет типизация процессов транспортирова­
ния, путем использования унифицированных транспортных
средств, позволяющая на стадии проектирования разрабатывать
эффективные процессы транспортирования и устанавливать на­
иболее рациональный типаж транспортных средств и сократить
время вьшолнения транспортных операций. В качестве исходных
данных для проектирования процесса транспортирования необ­
ходимо иметь: схему потоков с указанием их мощности на каж­
дой трассе, сведения об используемом оборудовании и др.
Для построения внутрицеховой схемы потоков необходимо
знать процессы изготовления изделий, определяющие последова­
тельность прохождения грузов между участками, компоновку
цеха, грузооборот по цеху, номенклатуру, размеры и массу пере­
мещаемых грузов, технические требования на перемещение гру214
зов. При широкой номенклатуре изделий исходные данные для
проектирования процесса транспортирования целесообразно за­
давать в веротностном виде
Ч^^^";}*'-'^где Р — вероятность отклонения и мощность грузопотока от
номинальной величины А*; А — фактическое значение мощности
грузопотока; а, р — отклонения параметра; [Р] — доверительная
вероятность или надежность оценки изменений параметра А.
Транспортная схема должна обеспечивать: минимальное ко­
личество операций и переходов; минимальное число переустано­
вок грузов; автоматизацию всех этапов процесса транспортиро­
вания; максимальное совмещение времени транспортных опера­
ций с временем обработки; использование эффективных транс­
портных средств; применение однотипных средств транспортиро­
вания и щ>. Вышеизложенное относится и к межоперационной
схеме потоков. Технологический процесс транспортирования
включает в себя погрузку, перемещение груза, разгрузку, подъем,
кантование, установку на оборудование. Следует использовать
типовые технологические процессы, разработанные для опреде­
ленных групп полуфабрикатов и изделий, имеющих общность
маршрута перемещения, состава транспортных партий, условий
захвата грузовых единиц, структуры стыков с производственным
оборудованием и последовательности вьшолнения переходов
в операциях по перемещению грузов. Технологический процесс
транспортирования находит свое отражение в маршрутных и опе­
рационных картах, в которых указывают режимы транспортиро­
вания и машиноемкость работ для выбранного типажа транс­
портного оборудования.
В группу основного транспортного оборудования, которое
выпускается серийно, включают: конвейеры, промышленные ро­
боты, робокары, электрические тележки и др. К группе вспомога­
тельного транспортного оборудования относят ориентаторы, адресователи, сбрасыватели, толкатели.
Количество транспортных средств в каждой группе
1-1
где кс — коэффициент спроса, учитывающий неравномерность
поступления требований на обслуживание оборудования в еди­
ницу времени; к^, — коэффициент использования транспортного
средства по времени; Ф, — эффективный годовой фонд времени
работы принятого типа транспортного средства; п — количество
215
грузопотоков, обслуживаемых данным типом транспортного сре­
дства.
Машиноемкость транспортных операций
Г« = QT^iqn • 60)=z,T^{z^ • 60),
где Q — величина грузопотока, т/год; ^п — средняя величина
о
'7'
6)
ю
й S
о
о
г;
^;
«•;
о
^
й
©icSiO
-r-i
";
^;
со
• ^ — » -
«;
ff]
0
о
•ж
^ ^
л;
о
crt
[XHIi
А*;
Рис. 13.4. Варианты стыковки транспортной системы с оборудованием
216
транспортной партии изделий, т; z-^ — величина грузопотока
в единицах тары или транспортных партиях, шт.; Zm — величина
транспортной партии, шт.; Гц — длительность цикла работы
транспортного средства, мин (движение транспорта к месту по­
грузки, погрузка, движение с грузом, задержки, принимаемые
в размере 15% времени движения транспортного средства с гру­
зом).
При проектировании роботизированных комплексов следует
рассмотреть возможность использования одного робота для об­
служивания двух и более единиц оборудования. Так как в непо­
точном производстве длительность оперативного времени ^ц не
постоянна и распределяется по закону P—F{t^, то можно счи­
тать, что вероятность обслуживания роботом в случайный мо­
мент времени i-ro оборудования будет P=til{toR+ ti), где (, — вре­
мя, затрачиваемое роботом для обслуживания оборудования, не
совмещенное с временем работы оборудования.
Варианты организации потоков полуфабрикатов на рабочую
позицию Р оборудования О показаны на рис. 13.4, а, из которого
видно, что возможны девять различных вариантов.
На рис. 13.4, б, в представлены соответственно загрузка полу­
фабрикатов с трех позиций А, Б, В я разгрузка рабочей позиции
Р в направлениях осей X а Z, а. также указаны направления
подачи полуфабрикатов на позиции загрузки и разгрузки в напра­
влении осей X' и Z'.
На рис. 13.4, г — м изображены варианты реализации спосо­
бов загрузки и разгрузки оборудования О в зависимости от
конструктивных особенностей оборудования, загрузочных и раз­
грузочных позиций, планировки ГНС и др.
§ 3. Система инструментального
обеспечення (СИО)
При механической обработке, соединении дета­
лей при сборке ТС должна быть состыкована с СИО. Функции
СИО: организация перемещений инструментов; хранение и на­
стройка инструментов; восстановление инструментов (напьшение, замена твердосплавных пластинок, заточка и др.); очистка
инструментов; сборка инструментов; контроль за состоянием
режущих кромок инструментов.
В ГПС стремятся использовать стандартизованный инстру­
мент, что сокращает трудоемкость его восстановления.
I. При замене инструментов по отказам его меняют по мере
потери работоспособности через случайный промежуток време­
ни. Момент поломки или катастрофического износа в автомати­
зированном производстве должен устанавливаться средствами
217
диагностики. Датчики контролируют состояние режущей кромки
и проводят контроль при обработке и после нее. При контроле
в процессе обработки происходит измерение параметров процес­
са, таких, как ток в приводе главного движения, потребляемая
мощность, спектр звука в зоне резания или вибрации. Если
текущее значение контролируемого параметра превысит допусти­
мое значение, подается сигнал на смену инструмента. Оценка
режущей способности инструмента после обработки может про­
водиться с помощью индуктивных, инфракрасных или лазерных
датчиков.
II. При смешанном способе смены инструмент меняется через
определенный интервал времени, а инструмент, вышедший из
строя раньше установленного периода, заменяют по отказу. Пе­
риод стойкости инструмента устанавливается на основании об­
работки информации об эксплуатации инструмента в ГПС. При
этом способе большая часть инструмента будет заменена до
использования полного ресурса работоспособности. Несмотря на
это, часто времени на смену инструмента при данном способе
затрачивается меньше, чем при замене по отказам.
П1. Сущность смешанночрупоовой смевы инструмента заклю­
чается в том, что группа инструментов, имеющая равное значе­
ние ожидаемой стойкости и один закон ее распределения, меняет­
ся одновременно по мере достижения ими заданного периода
стойкости, независимо от времени работы каждого инструмента.
В этом случае время на смену одного инструмента сокращается
по сравнению со смешанным способом смены, но при этом
возрастает частота его замен.
При выборе способа смены инструмента в условиях значи­
тельного рассеяния стойкости инструментов смешанно-группо­
вая смена оказывается целесообразной в автоматических линиях.
В ГПС в основном используют смену по отказам или смешанную
замену.
Сокращение номенклатуры используемого инструмента мо­
жет бьггь достигнуто путем введения в технологический процесс
прогрессивных методов обработки, например, таких, как фрезе­
рование отверстий вместо многократного его растачивания набо­
ром расточных оправок, использования комбинированного инст­
румента и т. п. На стадии проектирования технологических про­
цессов и ГПС учитываются затраты на систему инструментообеспечения.
Важным параметром СИО является количество инструмента
каждого наименования, циркулирующего в ГПС. Минимальная
величина оборотного фонда инструмента каждого типоразмера
Щ=Н1+Н2 + Нг, где Щ —число инструментов на рабочей по­
зиции; Яг — число инструментов, находящихся на восстановле­
нии и настройке; Яз — страховой запас в СИО.
218
Минимальная величина оборотного фонда в ГПС определяет­
ся в зависимости от вида инструмента, нормы времени пребыва­
ния на восстановлении и настройке, времени его работы до
смены, количества одновременно работающих инструментов на
одной рабочей позиции. Максимальная величина оборотного
фонда инструмента Я=Яф+Ян, где Я, — норма расхода инст­
румента за выбранный промежуток времени.
Оборотный фонд оснастки принимается из расчета ее количе­
ства на рабочих позициях и запаса на участке инструментальной
подготовки. В ГПС устанавливают месячную норму потребления
инструмента по нормативам, составленным на основании стати­
стических данных. Кроме того, существуют методы расчета, при
которых исходят из годовой потребности в инструменте на одну
единицу оборудования или тонну изделий с учетом условий
производства или определяется в денежном выражении.
В структуру СИО закладывается централизованный метод
обеспечения подготовленными комплектами инструмента каж­
дого вида в соответствии с программой вьщуска изделий.
Типовая структура СИО (рис. 13.5) состоит из отделений: вос­
становления инструмента, ремонта оснастки, обслуживания инст­
рументом рабочих мест, сборки и настройки инструмента и конт­
рольно-проверочного пункта (КПП). В свою очередь, отделение
обслуживания инструментом рабочих мест включает секции: хра­
нения и комплектования инструмента, доставки инструмента
к рабочим местам и разборки отработанного инструмента.
Назначение отделения обслуживания инструментом рабочих
мест заключается в обеспечении ТС инструментом в соответст­
вии с программой выпуска изделий. Секция комплектования
инструмента обеспечивает подготовку плановых заданий на ком­
плектацию, сборку и настройку инструмента.
Комплектование режущего, слесарно-сборочного и измери­
тельного инструмента в секции осуществляется согласно заданий
СИО
Отделение
васстаповпения
инструмента
Отделение
ремонта
оснастки
£
Секция хранения
и комплектования
инструмента
Отделение обспуживания
Отделение
сборки и настройки
инструментам
инструмента
рабочих мест
Секция достатки
инструмента
к рабочим пестам
КПП
Секция разборки
отработанного
инструмента
Рис. 13.5. Структура СИО
219
на настройку и доставку инструмента к рабочим местам, выдава­
емых системой оперативно-календарного планирования. Количе­
ство инструмента, направленного в основную систему, определя­
ется с перерасчетом стойкости инструмента каждого типораз­
мера, используемого на дальнейших операциях, что обеспечивает
выполнение нескольких операций без дополнительных настроек
и переустановок инструмента.
При доставке инструмента к оборудованию ТС следует ис­
пользовать унифицированную тару, в которой должны быть
ложементы, расположение которых соответствует позициям ин­
струментальных магазинов, револьверных головок, резцедержа­
телей и сборочных устройств оборудования. Комплектование
инструмента включает: получение инструмента с центрального
инструментального склада; поддержание оборотного фонда ин­
струмента в установленных пределах; подбор инструмента; пода­
чу инструмента и карт настройки в отделение сборки и на­
стройки.
Для сокращения объема инструментальных потоков в секции
обслуживания инструментом рабочих мест весь инструмент до­
лжен находиться на стеллажах с ложементами с учетом частоты
его запроса в ГПС по запросам размеров. Крупный и тяжелый
инструмент располагают на нижних стеллажах, а легкий и редкоиспользуемый — на верхних.
Подготовка инструментальной транспортной партии проис­
ходит после выполнения операций по сборке и настройке инст­
румента. Доставляться к оборудованию инструмент может рабо­
чими; внутрицеховой и межоперационной ТС; подвесной ТС,
связанной с инструментальными магазинами. Перемещение инст­
румента может происходить поштучно, комплектами, блоками
и целыми инструментальными магазинами.
При проектировании ТС следует ориентироваться на обору­
дование, имеющее одинаковые способы замены инструмента, что
упростит инструментальное обслуживание.
Способ обслуживания инструментом выбирают в зависимо­
сти от частоты запросов инструмента и емкости инструменталь­
ных магазинов.
Первый способ заключается в применении магазина инст­
рументов такой емкости, чтобы обеспечить изготовление изделий
в «безлюдные» смены (вторые и третьи). При таком способе
в конце первой смены вручную происходит размещение инст­
румента на последующие смены, в том числе устанавливаются
дублеры быстроизнашиваемого инструмента и запасной инст­
румент.
Сущность второго способа заключается в использовании
сменных магазинов инструментов, позволяющих расширить чис­
ло используемого инструмента. При таком способе работа ор­
ганизуется по принципу: одно наименование изготовляемого из220
делия — один магазин. При этом способе оборудование должно
иметь возможность автоматической смены инструментальных
магазинов с установленными в них заранее инструментами.
Третий способ предусматривает автоматизированную по­
штучную подачу ю центрального инструментального магазина,
расположенного над оборудованием, в магазин оборудования
требуемого инструмента для обработки заготовок и удаление из
магазина поломанного и изношенного инструмента. Данный спо­
соб позволяет за счет оперативной смены инструмента снизить
число инструментов, находя1цихся в ГПС и повысить коэффшщент использования оборудования.
При расчете средств, обеспечивающих смену инструмента,
суммарное число смен инструментов Псм=Ииа+Пд5 где Ии — коли­
чество инструмента, необходимое для изготовления всей про­
граммы выпуска; а — коэффициент, учитывающий величину
партии запуска в производство; n„ — количество дополнитель­
ных смен инструмента, связанное с некомплектностью его раз­
мещения.
Качество изготовляемых изделий в автоматизированном про­
изводстве зависит от качества настройки инструмента вне ТС
в секции сборки и настройки инструмента. Однако при высоких
требованиях к точности изделия только настройка инструмента
вне оборудования не обеспечивает их выполнение, так как на
точность оказывают влияние и такие факторы, как точность
установки заготовки и др. Поэтому на технологическом оборудо­
вании устанавливают системы автоматической размерной на­
стройки.
При проектировании отделений по восстановлению инструме­
нта следует ориентироваться на прогрессивные технологические
процессы, такие, как электрохимическая заточка алмазными кру­
гами твердосплавных инструментов, шлифование метчиков многоннточными кругами, электроимпульсная и лазерная обработка
закаленных элементов оснастки и др. Количество оборудование
в этих отделениях принимается в процентном отношении от
количества оборудования в ТС.
Для уменьшения мощности грузопотока инструментов при
компоновке ГПС желательно отделение восстановления инстру­
мента располагать рядом с секцией хранения и комплектования
инструмента и КПП. Для сокращения трудоемкости восстанови­
тельных работ используют Ш*, автоматические тележки, обору­
дование с ЧПУ и др. Особое внимание при восстановлении
инструментов следует уделять режимам заточки, от которых
зависит диапазон изменения стойкости.
На СИО возлагается задача ремонта оснастки, который выпо­
лняется в специальном отделении. В нем проводится малый
и средний ремонт приспособлений, оснастки и др. Количество
оборудования и его типаж определяют по нормативам.
221
Абразивный инструмент хранят в вертикальном положении,
но предварительно испьггьшают на разрыв. Абразивы должны
быть подготовлены для эксплуатации в абразивных цехах, т. е.
предварительно выполняют сборку и правку абразивов с после­
дующей статической или динамической балансировкой. Для по­
вышения эксплуатационных свойств проводят химико-термичес­
кую обработку абразивов.
При наличии сборочных процессов в ГПС следует предусмот­
реть кладовую слесарно-сборочного инструмента, площадь кото­
рой определяется, исходя из объема сборочных работ основного
производства. В кладовой хранят инструмент для клепки, сборки
резьбовых соединений, запрессовки, вальцевания, притирки
и других работ. В автоматизированном сборочном производстве
весь инструмент должен быть скомплектован с унифицированной
оснасткой, позволяющей автоматически проводить его смену на
сборочном оборудовании. Доставка слесарно-сборочного инст­
румента к ГПС осуществляется автоматизированной транспорт­
ной системой в унифицированной таре.
§ 4. Система контроля качества
(СКК) изделий
На СКК возлагаются следующие функции: хране­
ние информации об изготовляемых иделиях (их конфигурации,
технических требованиях и др.); настройка контрольно-измери­
тельных устройств; своевременное обнаружение брака; операци­
онный и приемочный контроль качества; выдача информации по
результатам контроля в систему управления.
В СКК входит ОТК, включающий измерительную лаборато­
рию, которая разрабатывает схемы и планы контрольных прове­
рок средств измерений и вьшолняет наиболее сложные из них,
контрольно-поверочные пункты (КПП), цеховые контрольные
пункты (КП) и испытательные отделения.
Способы контроля качества иделий классифицируют: по на­
значению — приемочный, профилактический, прогнозируюпщй;
взаимодействию с объектом изготовления — активный (пря­
мой и косвенный), пассивный (после каждой операции или через
несколько операций), параметрический (количественный, допусковый) и функциональный; конструктивному решению — внут­
ренний • (самоконтроль) и внешний; реализагщи во времени —
непрерывный (в дроцессе изготовления) и периодический (тесто­
вый).
Перспективным является активный контроль при обработке,
позволяющий исключить брак путем своевременной коррекции
процесса изготовления и повысить производительность за счет
совмещения времени изготовления с временем контроля.
222
При проектировании СКК следует уделять внимание воп­
росам снижения трудоемкости контрольных операций путем
использования автоматических контрольных устройств (рис.
13.6), позволяющих проводить контроль широкой номенклатуры
изделий.
Выбор контрольных средств и методов контроля зависит от
точности юмеряемых юделий, их номенклатуры, формы и раз­
мера, числа контролируемых параметров, условий измерений,
требуемой производительности и экономичности. Каждый метод
и используемые при этом методе средства измерения обладают
собственными погрехпностями и эффективной областью исполь­
зования. При выборе средств измерения погрешность измерения
принимается не более 10... 15% допуска контролируемого параме­
тра. Контрольно-измерительные средства действуют по одному
из, трех методов: прямому, косвенному и комбинированному.
При прямом методе используют средства, имеющие контакт
с измеряемой поверхностью и бесконтактные средства, опре­
деляющие контролируемый параметр как при обработке, так
и после нее.
Двухконтактное контрольное устройство (рис. 13.7) работает
следующим образом. При шлифовании заготовки 2 измеритель­
ные губки i и i постоянно контактируют с обрабатываемой повеУстройсгва контроля качества изделий,
основанные на методе
Г
прямом
1
Комбинированном
Косвенном
X
Контроль
заготовок
Контроль положения
инструмента
Контроль положении
рабочих органов оборудования
1
Контактные устройства
Контроль до
обработки или сборки
Устройства, прекращающие
обработку при достижении
заданного параметра
Бесконтактные устройства
Контроль при
обработке или сборке
Подналадчики
Контроль после
обработки или сборки
Системы
адаптивною
управления
Контрольноизмерительные
машины
Рис. 13.6. Классификация СКК
223
Рис. 13.7. Двухконтактяые контрольные устройства:
а — схема контроля отверсгай; б — ховтроль диаметра вала при шлвфовавив
рхностью. В Процессе изменения диаметра обрабатываемой дета­
ли происходит поворот измерительной губки 3 и регулировочный
винт 4 воздействует на рычаг-указатель 5. По достижении задан­
ного размера происходит замыкание электроконтактов 6 и про­
цесс шлифования прекращается.
Косвенный метод не обладает указанным свойством, но позво­
ляет получать информацию о контролируемом параметре по
характеристике одного или нескольких элементов оборудования,
например по величине перемещения рабочего органа станка,
несущего режущий инструмент. При комбинированном методе
измерения одновременно происходят контроль параметров изго­
товляемого изделия и элементов оборудования.
Большое влияние на выбор средств контроля оказывают усло­
вия протекания процесса обработки, в частности возможность
доступа контрольно-измерительных средств в рабочую зону, тем­
пература в зоне обработки и др. При механообработке важным
фактором, оказывающим влияние на выбор средств контроля,
является тип стружки.
224
в непоточном автоматизированном производстве находят
применение измерительные головки, смонтированные в унифици­
рованной инструментальной оправке, которую размещают в ин­
струментальных магазинах. С их помощью проводят контроль
не только параметров изготовляемого изделия, но и положения
спутников и заготовок перед обработкой, а также определяют
износ инструмента. Находят использование автоматические си­
стемы размерной настройки оборудования, поволяющие автома­
тически перед обработкой устанавливать требуемое положение
режущей кромки инструмента относительно баз, определяющих
положение заготовки, что обеспечивает точность изготовления
партии деталей даже при переходе с одного типоразмера заготов­
ки на другой. Применяют метод поднастройки станков малыми
перемещениями исполнительных органов. При этом системати­
ческие погрешности (например, износ инструмента, температур­
ные" деформации станка) компенсируются подналадчиком по ме­
ре их возникновения. По результатам измерений заготовок про­
изводят коррекцию положения режущей кромки инструмента.
Описанные системы позволяют автоматически обеспечивать точ­
ность не только диаметральных и линейных размеров, но и гео­
метрической формы деталей.
Перспективным путем сокращения трудоемкости контроля
качества изделий является использование систем адаптивного
управления процессом обработки юделий, повышающих качест­
во изготовляемой продукции. Разработаны системы адаптивного
управления: упругими перемещениями ТС за счет изменения
размера статической и динамической настройки; скоростью изна­
шивания режущего инструмента, относительным положением де­
талей и усилиями при сборке, а также многомерные адаптивные
системы, позволяющие управлять одновременно несколькими
параметрами.
По техническим требованиям некоторые изделия должны про­
ходить контроль параметров качества не только в статическом
состоянии, но и в динамическом, для чего в ГПС применяют
испытательные станции. Испытания подразделяют на производ­
ственные и экспериментальные.
Производственные испытания обычно входят в процесс изго­
товления изделия и, в свою очередь, подразделяются на обкатку
вхолостую и испытание под нагрузкой. Экспериментальные ис­
пытания не связаны с производственной программой и проводят
в экспериментальных цехах.
Контроль качества изделий может быть организован на рабо­
чей позиции и в контрольных отделениях. Контроль на рабочей
позиции осуществляют на технологическом оборудовании или
около него. Контроль качества при обработке с помощью
средств активного контроля не удлиняет цикл изготовления изде­
лия, а контроль изделия на оборудовании после изготовления
225
приводит к его простою. Причем точность проведения контроля
в этом случае ниже по сравнению с внешним контролем.
Применение пассивного контроля качества часто не оказывает
влияния на продолжительность производственного цикла, так
как контроль изделий может быть проведен при транспортирова­
нии или складировании изделия. Контроль качества на КП ор­
ганизуется, если: применяют разнотипные или крупногабаритные
средства контроля, которые неудобно доставлять к рабочим
позициям; средства контроля на рабочих позициях не обеспечива­
ют необходимую точность из-за температурных деформаций,
вибраций и др.; проверяют большое количество изделий, удоб­
ных для транспортирования; проверяют продукцию после по­
следней операции перед ее сдачей на склад.
При разработке СКК существует следующая последователь­
ность проектных работ: разрабатывается техническое задание
(ТЗ) на СКК; составляется алгоритмическая модель работы СКК
и уточняются характеристики изделий; определяются параметры
алгоритмической модели; выбираются средства СКК; оценивает­
ся ожидаемый экономический эффект.
При разработке ТЗ на СКК указывают все выходные вели­
чины (контролируемые параметры, возможные нарушения, при­
чины их возникновения и способы устранения) и параметры
каждой выходной величины: точность ее определения, частота
выдачи информации оператору, форма ее выдачи и т. д. Кроме
того, в ТЗ на разработку алгоритмов работы СКК выдаются
сведения о способах преобразования имерительных сигналов (на­
пример, метод определения выходной величины, рекомендуемый
датчик и др.). Построение алгоритмической структуры проис­
ходит на базе основных этапов технологического процесса конт­
роля качества (рис. 18.3).
При входном контроле заготовок проверяют их соответствие
по размерам, массе, физико-химическим параметрам (химичес­
кий состав, твердость), внешнему виду (наличие сколов и др.).
Могут также контролироваться геометрические размеры поверх­
ностей, используемых в качестве баз.
Контроль при установке заготовок в тару производится для
обеспечения ориентации заготовок при их автоматической уста­
новке. Контроль заготовок на механообрабатывающем оборудо­
вании может начинаться как с измерения размеров ответствен­
ных поверхностей, так и их положения на станке с помощью
щуповых головок, что уменьшает погрешность установки заго­
товки.
Контроль точности готовых деталей проводят на КП. Здесь
же контролируют твердость, шероховатость и др. Заключитель­
ным этапом контроля качества является испытание готовой про­
дукции.
226
Г
На складе
Входной
контроль
заготовок
Контроль при
формировании
транспортной
партии
На сборочном
Контроль
после
сборки
На механообрабатывающем
Контроль
заготовок
перед
обработкой
1 I
II
. - I 1—.
Контроль
заготовок
при
обработке
оборудовании
Контроль
деталей
после
обработки
оборудовании
Контроль
при
сборке
Контроль при
формировании
транспортной
партии на складе
Контроль
перед
сборкой
Контроль готовой продукции
в испытательнс)М отделении
Контроль
готовых
деталей
наКП
1
]
Рис. 13.8. Основные этапы технологического процесса ковггроля качества изделий
Для контроля качества изделий строят структурные и функци­
ональные модели СКК. Элементы системы по функциональному
назначению подразделяют на: внешние элементы, через которые
система обменивается с внешней средой материальными, инфор­
мационными и энергетическими потокоми; внутренние элементы,
в которых может храниться информация; средства преобразова­
ния пространственных координат и физических параметров изме­
ряемых изделий; коммутаторы, управляющие распределением
материальных, информационных и энергетических потоков.
Параметры элементов СКК определяют из технических усло­
вий на приемку заготовок, готовых деталей и требований к про­
изводительности контроля.
Контроль на контрольно-измерительных машинах (КИМ)
включает: подготовку к измерению (установку контролируемого
изделия и подвод измерительного средства); само измерение
и обработку результатов. Автоматизация обработки данных из­
мерений дает надежную информацию о качестве изделий.
В механообрабатывающем производстве на КП определение
качества материала заготовки сводится к наружному осмотру,
при котором выявляют наличие трещин, расслоений, раковин и
т. д. Анализ химического состава, исследование металлографи­
ческих свойств и рентгеновское исследование проводят в заводс­
кой центрально-измерительной лаборатории. Шероховатость по­
верхностей детали проверяют в цеховых условиях по эталонам.
Разработав процессы контроля качества, определяют время
измерений, типаж и количество измерительных средств, а также
необходимые площади для размещения этих средств. Число кон­
трольных пунктов, округленное до целого числа,
227
n.= trrJ>J(Ф. 60),
1-1
где i^i — среднее время контроля одной детали i-й группы, мин;
Рд, — число деталей данной группы поступивших на КП за год,
шт.; Фэ — эффективный годовой фонд времени работы пункта, ч;
т — количество групп деталей.
В ГПС контрольно-поверочЕше пункты создают для: пери­
одической или сменной поверки при возврате измерительных
средств с участков; изъятия из эксплуатации изношенных средств
измерения; осуществления контроля эксплуатации средств изме­
рения; проведения инструктажа по применению средств измере­
ния; контроля работы средств измерения в СИО и своевремен­
ного их направления на периодическую поверку и в ремонт;
выявлепия причин брака продукции периодической поверки и на­
ладки измерительных приборов; выборочного контроля готовых
изделий.
Для контроля высокоточных изделий создают термокон­
стантные помещения, к которым предъявляют повышенные тре­
бования по температурному режиму, влажности, запыленности
и освещенности. В зависимости от конструкции сборочных еди­
ниц, определяюпщх технологический процесс испытания, его про­
водят в испытательном отделении сборочного цеха или на ис­
пытательной станции, где устанавливаются испытательные стен­
ды, оснащенные средствами диагностики.
§ 5. Система охраны труда
Для обслуживающего персонала необходимо со­
здать систему охраны труда, обеспечивающую безопасную рабо­
ту персонала и проведение организационных мероприятий по
созданию высокого Зфовня производственной среды и культуры
производства. Структура системы охраны труда представлена на
рис. 13.9.
В функщш подсистемы обеспечения безопасной работы вхо­
дят создание безопасной эксплуатации и обслуживания оборудо­
вания ГПС, ликвидация пожаров. В автоматизированном произ­
водстве роль данной подсистемы возрастает, так как увеличива­
ется насыщенность производства автоматическими средствами,
представляющими повышенную опасность для работающих. За­
щита от механических устройств обеспечивается защитными
ограждениями, блокирующими устройствами и пультами их ава­
рийного отключения.
Скорость перемещения исполнительных устройств при налад­
ке оборудования и во время его программирования не должна
превышать 0,3 м/с. Запрещается вьшолнять работы по установке
228
CticTeMa охраны труда
работающих
Подсистема обеспечения
безопасной работы
Подсистема обеспечения
санитарных
условий труда
Подсистема
обслуживания
1
Контроль за чистотой
помещений
Пожарная безопасность 1
•
Безопасная эксплуатация
и обслуживание
оборудования
Защита
от механических
устройств
Защита от
стружки и СОЖ
Электробезопасность
Контроль
воздушной среды
<
Защита от шума
Служба общепита
Медицинское
обслуживание
Бытовое
обслуживание
Контроль освещенности
Обеспечение
производственной
эстетики
-» Защита от вибраций
Рис. 13.9. Структура системы охраны труда
захватных устройств ПР без их отключения от источника пита­
ния. Захватные устройства снабжают блокирующими приспособ­
лениями от вьшадания изделия при прекращении подачи элект­
ро-, пневмо- или гидроэнергии. Захватные устройства ПР и робокар оснащают скобами, срабатывающими при контакте с препят­
ствием. Защитные устройства оснащают контактными, ультра­
звуковыми, индукционными и другими датчиками.
Для защиты от стружки и СОЖ используют защитные костю­
мы, очки, специальную обувь и оградительные устройства, под­
разделяющиеся на стационарные и переносные.
При создании в ГПС энергопотоков следует также предусмот­
реть защиту от вредного и опасного воздействия их на человека
(электрического тока, электромагнитного поля и т. п.).
Пожарная профилактика включает мероприятия, необходи­
мые для предупреждения возникновения пожара или уменьшения
его воздействия. Для активной пожарной защиты следует предус­
мотреть систему пожарных водопроводов, автоматические и руч­
ные стационарные пожарные установки, огнетушители и др.
Обеспечение санитарных норм воздушной среды путем устра­
нения паров, пыли, избыточной теплоты и влаги необходимо для
229
нормальной работы персонала. Соблюдение условий по уровню
освещенности помещений повышает производительность труда
и качество продукции, а также обеспечивает сохранность зрения,
спокойную работу персонала.
По характеру и способам вьшолнения уборочных работ они
подразделяются на уборку производственных помещений и убор­
ку на высоте (мытье окон, фонарей, карнизов, стен и т. п.).
Использование обрудования, имеющего высокую мощность
и быстроходность увеличивает уровень вибраций на единицу
объема помещения. Вибрации снижают качество продукции
и ухудшают самочувствие работающих. Введение дистанцион­
ного управления автоматизированным производством позволяет
решить проблему защиты от вибраций. С увеличением вибраций
возрастает шум на производстве, приводящий к утомлению ра­
бочих и, следовательно, возникновению опшбок в работе. При
проектировании ГПС вьшолняют расчет ожидаемого уровня шу­
ма на рабочих местах и предусматривают противошумные меро­
приятия (использование шумоизолирующих кожухов, глушите­
лей шума при выпуске сжатого воздуха из пневмосистемы, раз­
мещение мощных источников шума в звукоизолирующих поме­
щениях, использование виброизолирующих фундаментов или
опор, звукопоглощающих экранов и облицовки помещений
и др.). Если не удается достигнуть допустимого уровня шума
вышеперечисленными мероприятиями, то применяют индивиду­
альные средства защиты.
По видам обслуживания и размещения объекты бытового
обслуживания разбиваются на три группы: местное обслужива­
ние в радиусе 50 — 90 м, включающее курительные, санитарные
узлы, питьевые установки; цеховое и межцеховое обслуживание
в радиусе 200 — 400 м, включающее комплекс гардеробов, умы­
вальников и душевых помещений, помещений для психологичес­
кой разгрузки; общезаводское обслуживание в радиусе 500 — 800
м, включающее прачечные, ремонтные мастерские, детские сады
и др. Медицинское обслуживание также подразделяется на мест­
ное, включающее санитарные посты, помещения для личной
гигиены женщин и профилактики, и цеховое, включающее здрав­
пункты.
К службам местного общественного питания обслуживающе­
го персонала относят: торговые автоматы, киоски, а цехового
питания: буфеты, столовые и др.
При размещении оборудования следует обеспечить к нему
свободный и безопасный доступ работающих. Если автоматизи­
рованные участки оснащены несколькими пультами управления,
необходимо предусмотреть блокировки, исключающие возмож­
ность одновременного управления от различных пультов. Для
экстренного останова автоматических устройств кнопки аварий­
ных блокировок располагаются в пределах рабочей зоны опера230
тора автоматизированного комплекса на расстоянии не более
4 м одна от другой. При построении трасс материальных потоков
необходимо исключить пересечение их с трассой следования опе­
ратора.
Бытовые помещения располагают в отдельном блоке, рядом
с производственным корпусом, причем в нижней части его раз­
мещают вспомогательные отделения и санитарные узлы, а на
других этажах — гардеробы и конторские помещения.
§ 6. Система ремонтного
и технического обслуживания
(СТО)
СТО предназначена для поддержания заданного
состояния и условий работы производственного оборудования.
Структура системы ремонтного обслуживания включает: станоч­
ный и слесарный участки, склад запасных частей и мастерскую,
в которой производят ремонт электрооборудования и элект­
ронных блоков. Функции, выполняемые ремонтной системой:
надзор и уход за оборудованием с целью предупреждения поло­
мок; планово-предупредительный ремонт (ПИР) оборудования
и неплановый (оперативный) ремонт оборудования.
В СТО чаще всего входят: отделение по удалению и перера­
ботке стружки, участок для приготовления и раздачи СОЖ и ма­
сел, отделение очистки и регенерации СОЖ, трансформаторная
подстанция, отделение по зарядке аккумуляторов, отделение
очистки оснастки.
При разработке ремонтных работ следует: заранее изготовить
достаточное число деталей для ремонта; ввести систему ПНР;
использовать систему диагностики оборудования, узловой
^0 блочный метод ремонта оборудования, автоматизацию и меха­
низацию ремонтных работ.
Система ППР обеспечивает ремонт в заранее установленные
сроки после определенного числа часов работы каждой единицы
оборудования. Она включает в себя: межремонтное обслужива­
ние, текущий и средний ремонт, проводимые цеховой ремонтной
базой (ЦРБ); капитальный ремонт, выполняемый ремонтно-механическим цехом.
При межремонтном обслуживании устраняют мелкие неисп­
равности, регулируют механизмы и наблюдают за выполнением
правил эксплуатации оборудования. Введение системы ППР по­
зволяет своевременно устранять неполадки, уменьшать износ
оборудования, что удлиняет срок службы оборудования.
Состав необходимого оборудования для ремонтной системы
определяется из процесса ремонтных работ, а его количество —
исходя из числа и вида ремонта и станкоемкости ремонта одной
231
ремонтной единицы. Причем следует учесть, что часть деталей
и узлов будет получена по кооперации.
Средняя ремонтная сложность определяется следующим об­
разом. По системе ПНР выбирают категорию ремонтной слож­
ности по каждому виду оборудования и умножают на количество
этого оборудования. Затем суммируют по всем видам оборудо­
вания и делят на общее количество оборудования в ГПС, опреде­
ляя при этом среднюю категорию сложности ремонта. Средняя
ремонтная сложность определяется отдельно для механической
и электрической части оборудования.
Время простоя оборудования вследствие случайных поломок
зависит от способа организации оперативного ремонта. Суще­
ствуют три способа оперативного ремонта: ремонт станка, кото­
рый отказал раньще других; ремонт того станка, время устране­
ния отказа которого минимально; параллельный способ, когда
устраняют все отказы одновременно. Первый и второй способы
используются, если количество отказавшего оборудования пре­
вышает число наладчиков и возникает очередь из отказавшего
оборудования.
Для поддержания работоспособности ТС создают систему по
удалению и переработке стружки. Стружкоудаление состоит из
этапов: удаление стружки из зоны резания, удаление стружки от
станка, удаление стружки от группы станков, сбор стружки и ее
переработка.
Способы удаления стружки от станка: с помопц>ю конвейеров,
скребков и автооператоров; гравитационный, при котором
стружка сползает с наклонных поверхностей оснастки; смыв
стружки; откос сжатым воздухом; удаление электромагнитом.
Для надежного удаления стружки со станка его рабочую зону
заключают в специальную камеру, что позволяет увеличить по­
дачу СОЖ при обработке. При этом решается задача не только
удаления стружки, но и обеспечения надежной установки последуюпщх заготовок.
Проблема удаления стружки связана с обеспечением ее дроб­
ления при обработке. К способам дробления относят кинемати­
ческий, применение стружколомов на режущем инструменте
и подбор соответствующих режимов резания. Вибрационные
стружколомы колеблются с определенной частотой в направле­
нии подачи инструмента. К недостаткам кинематического спосо­
ба относится снижение стойкости режущего инструмента и ухуд­
шение качества обрабатываемых поверхностей.
Сложность удаления стружки от группы станков в ГПС связа­
на с тем, что изготовление широкой номенклатуры деталей часто
предполагает обработку заготовок из различных материалов,
а по условиям переработки стружки их смешивать нельзя. Поэто­
му создают участки по определенному виду обрабатываемого
232
материала, определяют порядок запуска деталей с учетом вида
материала, применяют бункеры для сбора стружки.
При выборе средств для транспортирования стружки учиты­
вают вид стружки (дробленая мелкая, элементная крупная, витая,
саблеобразная), количество стружки и ее материал. Для удаления
стружки используют скребково-штанговые, ленточные и винто­
вые конвейеры. При сборе стружки в бункеры у станков их замена
может быть осуществлена либо робокарами, либо транспортной
системой автоматизированного участка.
Механообрабатывающие ГПС включают подразделения по
хранению и приготовлению СОЖ и масел, которые целесообраз­
но располагать в крайних пролетах здания.
Система раздачи СОЖ бывает: централизованной, когда
СОЖ циркулирует по замкнутому трубопроводу, который имеет
ответвления к станкам; централизованно-групповой, когда СОЖ
подается по трубопроводам к кранам, установленным для груп­
пы станков, а возврат жидкости осуществляется транспортными
средствами; децентрализованной, при которой подача и возврат
СОЖ осуществляются в таре транспортными средствами.
Технология переработки отработанной СОЖ проходит в сле­
дующей последовательности. СОЖ очищают, удаляя мелкие частищл и шлам, устраняют обеднение путем добавки компонен­
тов, повышают биологическую стойкость на термоустановках,
отделяют посторонние масла и термостабилизируют. После вы­
полнения этого СОЖ готова к работе. Очистка СОЖ осуществля­
ется следующими методами: гравитационным (в отстойниках);
центробежным (в гироциклонах); центрифугированием (в сепара­
торах); магнитным (в сепараторах, уловителях, магнитных пат­
ронах и фильтрах); флотационным; реагентным и электрокоагуляционным.
В ГПС возможны следующие варианты: участки или цехи
обработки лезвийным инструментом, где в качестве СОЖ ис­
пользуется одна и та же эмульсия или синтетическая жидкость,
а для перемещения стружки применяют гидротранспорт; участки
абразивной обработки, где используется водная СОЖ, а шлам
удаляется с помощью гидротранспорта; участки обработки лез­
вийным инструментом с масляными СОЖ; участки обработки
лезвийным инструментом без СОЖ.
Для каждого из этих случаев разработана автоматизиро­
ванная система вспомогательных процессов. На рис. 13.10 по­
казана взаимосвязь вспомогательных операций в ГПС меха­
нообработки.
При обработке лезвийным инструментом с водной СОЖ (рис.
13.10, а) система вспомогательных процессов является наиболее
типичной. В зону резания металлорежущих станков {МС) подают
1 заготовку и 20 СОЖ. После обработки деталь перемещают 2 от
233
ш
Т|
3N
20\
т ^^^
,ТВ
•ШИЗ
Е
|м 1 /
r*\jj^
HiiMZHН 6 H^^h*'
fllJ
Д1 ш
^(Fja*\Ц^
Рис. 13.10. Последовательность вьшолвения всаомогательных операций э механическом цехе
станка, убирают 19 из зоны резания стружку, СОЖ и транспор­
тируют 18 их по цеху.
На участке переработки стружки выполняют следующие опе­
рации: отделяют 17 стружку от СОЖ, обезвоживают 16 ее на
центрифугах, моют 15 в моющем растворе {МР\ сущат 14,
сортируют 13 по размерам, при необходимости дробят И
и прессуют 12 в брикеты Б.
Полученная жидкость поступает на участок очистки и регене­
рации СОЖ, где ее очищают 3, удаляя мелкие частицы и шлам Ш,
ликвидируют 4 обеднение [подают составляющие компоненты
{СК)], повышают 5 биологическую стойкость на термоустановке,
отделяют включения масел {М) и термостабилизируют 6, а затем
подают 10 к станкам. Приготовляют 7 СОЖ на отдельном
участке путем подачи холодной воды {ХВ) и СК. С этого участка
жидкость подают 8 периодически к станкам. Разложение 9 от­
работанной СОЖ осуществляют на участке нейтрализации, от­
куда техническая вода {ТВ) поступает в канализацию или на
приготовление новой СОЖ.
При абразивной обработке с водной СОЖ (рис. 13.10, б) после
гидротранспортирования 18 шлама отделяют 17 жидкость и на­
правляют ее на участок очистки и регенерации. После восстанов­
ления СОЖ ее направляют 10 к станкам.
При лезвийной обработке с масляными СОЖ (рис. 10.13, в)
после удаления 19 стружки из зоны резания ее отделяют от
масла, которое очищают 3 от мелких частиц и подают 10 к стан­
кам. С целью компенсации потери СОЖ со стружкой и деталями
масло М периодически доливают 8 в систему. При обработке
лезвийным инструментом без СОЖ (рис. 10.13, г) число вспомо­
гательных операций сокращается.
При создании системы энергопотоков в ГПС в качестве источ­
ника электроэнергии необходимо предусмотреть наличие транс­
форматорной станции, активная мощность которой Л/=0,25Л/у,
где My — суммарная мощность всех электроустановок; 0,25 —
коэффициент.
Трансформаторные подстанции следует размещать в отдель­
но расположенных помещениях. Сжатый воздух получают на
компрессорных станциях, которые также располагают в специ­
альных помещениях.
Очистка изделий и оснастки от стружки, пыли, грязи и ма­
сел — важная часть производственного процесса. Современные
методы очистки предусматривают комплексное механическое
и физико-химическое взаимодействие моющих средств с очища­
емой поверхностью, в результате которого загрязнения удаляют­
ся с поверхности.
Очистка, ее режим и типы моющих растворов выбирают
в зависимости от вида загрязнения, размеров изделий, оснастки
235
и требований очистки. Основными характеристиками загрязне­
ний являются: фазовое состояние (вязкость жидких и температу­
ра плавления твердых загрязнений), вид связи с поверхностью
материала изделия (электростатические или ионные связи), при­
сутствие мелкодисперсных твердых частиц, возможность полиме­
ризации компонентов загрязнений с образованием твердого слоя,
химическое взаимодействие с моющей средой.
Методы очистки изделий и оснастки: струйно-мониторный,
заключающийся в подаче на очищаемую поверхность газожид­
костной смеси под большим давлением; струйный, при котором
мойка осуществляется при химическом и механическом воздейст­
вии струи раствора на очищаемую поверхность; погружения,
заключающийся в погружении изделия в раствор, который пере­
мешивается механически или с помощью ультразвука; продувка
сжатым воздухом; ручная протирка.
Струйно-мониторный метод обеспечивает высокое качество
очистки поверхностей, благодаря воздействию динамического
напора, высокой температуры и химической активности моющих
средств. Для очистки струйно-мониторным и струйным методом
необходимо иметь специальное оборудование, вытяжную вен­
тиляцию и очистные устройства. Эти методы не используют для
изделий, имеющих глубокие полости, карманы, в которых может
скапливаться раствор. Для изделий сложной конструкции целесо­
образно использовать метод погружения с перемешиванием рас­
твора с помощью ультразвука.
Продувку сжатым воздухом применяют для очистки изделий
от мелкодисперсных твердых частиц и деталей, имеющих не­
сквозные отверстия под резьбу.
Для очистки используют ванны, моечные машины, агрегаты
струйного обезжиривания, обдувочные камеры и др. Полный
цикл мойки состоит в прогисыванни, мойке с обезжириванием,
ополаскивании, сушке и охлаждении. В производственных усло­
виях может быть использован неполный цикл. При обработке
деталей с охлаждением их чаще всего очищают эмульсией, при
обработке без СОЖ — нагретым содовым раствором.
§ 7. Система управления
и подготовки производства (СПП)
СПП предназначена для контроля вьшолнения
производственного процесса и воздействия на него в случае от­
клонений от запланированного хода производства, а также для
разработки технологической и плановой документации, подго­
товки чертежей технологической оснастки, обеспечения необходи­
мыми полуфабрикатами и проведения организационных меро­
приятий по подготовке производственного процесса.
236
Первая часть основной задачи относится к системе упра­
вления производством, а вторая — к системе технической под­
готовки производства, которая подразделяется на систему тех­
нологической и организационно-материальной подготовки про­
изводства.
На систему управления возлагают следующие функции: оп­
тимальное управление работой ТС; управление системами транс­
портной, складской, инструментообеспечения, технического об­
служивания, контроля качества, охраны труда; оперативное пла­
нирование загрузки оборудования; оперативный учет выпуска
и качества продукции, в том числе подготовка соответствующей
информации для вышестоящих уровней управления; хранение
управляющих программ в долговременной и оперативной памя­
ти ЭВМ; автоматизация контроля и корректировки управляю­
щих программ; сбор, первичную переработку и хранение тех­
нической и технологической документации в ЭВМ; расчет тех­
нико-экономических показателей работы ГПС; возможность рас­
ширения функций путем блочного построения системы из типо­
вых элементов; выход из сбойных ситуаций с помощью наладоч­
ных команд.
При проектировании системы управления производством сле­
дует: автоматизировать вьшолнение всех указанных функций
с помощью ЭВМ; создать диспетчерский центр на случай аварий­
ного управления производством; в систему управления производ­
ством включать две взаимозаменяемые параллельно работа­
ющие ЭВМ, которые обеспечивали бы управление производст­
венным процессом и подготовку производства; систему управле­
ния производством строить по иерархическому принципу; встра­
ивать программируемые контроллеры и микроЭВМ в производ­
ственное оборудование; оснащать производственное оборудова­
ние адаптивными системами управления.
Под иерархией структуры управления понимается многосту­
пенчатый пирамЕщальный принцип ее построения с подчинением
низших уровней высшим. При такой структуре функции контроля
и управления производством распределяются на несколько уров­
ней с приоритетом управляюпщх сигналов старших уровней. При
проектировании иерархических систем следует учитывать, чтобы
каждая управляющая подсистема контролировала и осуществ­
ляла управление объектами только в пределах своей зоны; каж­
дая управляющая подсистема рассматривала систему низшего
уровня как самостоятельную и информацию о своей работе
передавала в систему более высокого уровня.
Разработка автоматизированной системы управления с раз­
граничением функций, выполняемых на каждом уровне, является
первым этапом в разработке рабочего проекта автоматизирован­
ной системы управления производственным процессом. При раз­
работке структуры выбранного варианта системы управления
237
выполняются следующие работы: уточняется состав подсистем,
включаемых в автоматизированную часть системы управления
ГПС; регламентируются функции управления по производствен­
ным подразделениям, подсистемам, службам и обслуживающему
персоналу; устанавливаются функциональные связи между под­
разделениями и подсистемами.
Разработка функциональной структуры системы управления
ГПС завершается составлением схемы информационных пото­
ков, которая отражает состав и маршруты движения информации
между подразделениями, обслуживающим персоналом и техни­
ческими средствами системы автоматизированного управления.
Основой для построения схемы информационных потоков
кроме планировочного размещения всех элементов ГПС служат
схемы материальных и энергетических потоков. Информацион­
ную связь осуществляют в числовом, текстовом или графическом
виде. Числовая информация передает количественные парамет­
ры, полученные при расчетах и измерениях. Текстовая инфор­
мация выражает качественные свойства производственного про­
цесса и отражает условия, при которых происходит описываемый
процесс. Графическая информация представляет собой диаграм­
мы, графики, схемы и чертежи.
Для составления математической модели ГПС помимо мате­
риальных, энергетических и информационных потоков требуется
знать и временные связи, определяющие момент поступления
материала, энергии и информации на каждый объект ГПС. Для
построения ГПС необходимо знать также размерные связи меж­
ду оборудованием и элементами конструкции здания, которые
находят свое отражение на планировке ГПС. Схема информаци­
онных потоков наносится на планировку ГПС (рис. 13.11).
Схема информационных потоков (см. рис. 13.11) позволяет
оценить требования к элементам системы управления: число
входов и выходов устройств сбора и переработки информации,
характеристики периферийных устройств, быстродействие про­
цессоров оперативных запоминаюпщх устройств. При постро­
ении системы управления стремятся использовать серийные сред­
ства вычислительной техники. Поэтому при проектировании тре­
буется на основании экономического расчета выбрать оптималь­
ный вариант системы управления. Параллельно с разработкой
системы управления производством проводится проектирование
программного обеспечения системы.
На базе процессов изготовления изделий задают данные для
проектирования автоматизированной системы управления ТС,
в которых указывают: функции системы, режим ее работы, спосо­
бы вывода оборудования из сбойных ситуаций. В техническом
задании указывают число управляющих программ, необходимых
для изготовления изделий, время их выполнения на оборудова238
I i
4-2;it~6
г-1;г-2
УПТП
УИПП
УК
Склад
I
^ F
[mo
Станок
€>-
t
Станок
Cmai
,
I
I
_____
6-t,...,6-1;7-t
гь
[ Cm
Станок
I
КИМ
I
1-l;...;i-tt
- - ^
5-t
i
Рис. 13.11. С х е м а и н ф о р м а ц и о н н ы х п о т о к о в а в т о м а т и з и р о в а н н о г о участка:
1 — 1 — программы ухфавления станками, 1 — 2 — сигнал готовности н работе; 1 — 3 — сиг­
нал «Работа»; 1 — 4 — запрос о загрузке станка; 1 — 5 — сигнал «Переналадка»;
/ — 6 — сигнал «Простой»; 7 — 7 — запрос о разгрузке станка; 1 — 8 — сигнал об окончании
обработки; / — 9 — сигнал «Конец простоя», / — 10 — сигнал о количестве обработанных
деталей; 1 — И — сигнал о вводе коррекции в ЧПУ станка; 2 — / — сменное задание участку
инструмеятальной подготовки производства (УИПП); 2 — 2 — информация о готовности
инструментов; 2 — 3 — запрос об инструменте, 3 — 1 — сигнал о бракованных деталях; 3 —2
— информация о работе контрольно-измерительной машины (КИМ); 4 — 1 — сигнал
датчиков стола накопителя; 4 — 2 — сменное задание участку подготовки транспортной
партии (УПТП); 4 — 3 — сигнал датчиков о загррке склада, 4 — 4 — запрос о загрузке
накопителя; 4 — 5 — запрос о разгрузке накопителя, 4 — 6 — информация о готовности
транспортной партии; 5 — 1 — информация от светолокационных датчиков; 6 — 1—
управляющая команда крану-штабелеру, 6 — 2 — сигнал датчиков крава-штабелера;
6 — 3 — информация о рг[боте крана-штабелера; 6 — 4 — сигнал «Сбой в работе»;
7 — 1 — сигнал «Отказ»; 7 — 2 — сообщение о причине простоя
НИИ, допустимое время задержки при передаче кадров на уст­
ройства ЧПУ оборудования и объем информации по коррек­
циям.
Диагностирование подразделяется на функциональную диа­
гностику, При которой производится измерение параметров, ха­
рактеризующих состояние оборудования, и статистическую, при
которой регистрируется изменение состояния оборудования
и производится расчет эксплуатационных показателей его рабо­
ты. Для диагностирования система оснащается датчиками, опре239
деляющими готовность оборудования к работе, производящими
поиск места и причин отказа и др.
Назначение системы диагностики — обеспечивать функцио­
нирование оборудования путем оперативного определения кри­
тических и аварийных ситуаций. Это выполняется путем сбора
информации о состоянии ответственных узлов основной и вспо­
могательной систем, переработки этой информации по алгорит­
му и принятия решения о возможности дальнейшего функци­
онирования элементов этих систем и вывода информации о неис­
правностях на пульт управления.
Величины информационных потоков необходимо определять
с учетом возможности развития ГПС, максимальных значений
параметров, используемых при проектировании транспортной
системы (например, максимальное число наименований изделий,
подлежащих изготовлению, максимальное количество тары, на­
ибольшее сменное заданше и др.).
При разработке системы управления складской системой в со­
став исходных данных включают номенклатуру изготовляемых
изделий и заготовок, периодичность их выпуска, размеры и мас­
су, характеристики штабелеров, автооператоров, подъемных сто­
лов и т. д., количество захватных устройств в ПР и позиций на
поворотных столах, количество стеллажей и число ячеек.
При разработке систем управления транспортными и складс­
кими потоками следует определить приоритетность обслужива­
ния оборудования; разработать режимы «Запуск» и «Плановый
останов»; организовать потоки заявок на доставку к месту назна­
чения для подвижных устройств, защиту системы и выход из
сбойных ситуаций, подготовку информации для исполнительных
устройств, устройств отображения и передачу ее при необходи­
мости в другие подсистемы.
Существуют два уровня управления складской и транспорт­
ной системами. На первом уровне решаются задачи управления
приводами транспортных средств; точного позиционирования их
у рабочих позиций, накопителей, ячеек стеллажей; останова
у транспортных средств в аварийных ситуациях; загрузки и раз­
грузки накопителей и ячеек склада. На втором уровне произ­
водятся управление материальными потоками, оценка причин,
вызвавших отклонение процесса транспортирования и складиро­
вания от заданного, учет движения и хранение груза.
Использование в транспортной и складской системах кодиро­
ванной тары и снабжение оборудования устройствами считыва­
ния кодов позволяют повысить надежность системы.
При проектировании системы управления СИО в качестве
исходных данных нужно знать: номенклатуру инструмента и дан­
ные о его стойкости; маршруты перемещения инструмента; пара­
метры СИО, определяющие размеры информационных и моде­
лирующих потоков, условия и параметры связи с другими вспо240
могательными системами. Для построения модели процесса инструментообеспечения необходимо в первую очередь решить воп­
рос оценки режущей способности инструмента в механообрабатывающем производстве. Существуют три способа оценки режу­
щей способности инструмента: контроль энергетических парамет­
ров при обработке; определение периода стойкости заранее и сра­
внивание его с суммарным фактическим временем работы инст­
румента; непосредственное измерение износа инструмента. При
разработке управляющей программы СИО необходимо предус­
мотреть четыре режима ее работы: запуск, рабочий, наладочный
и плановый останов.
При проектировании СКК следует проанализировать две
группы факторов, приводящих к браку. К первой группе относят
факторы, приводящие к длительному изменению параметров
качества изделий, такие, как например, изнашивание элементов
оборудования и оснастки. Контроль этих факторов целесообраз­
но проводить не чаще одного раза в неделю, что делает в боль­
шинстве случаев неэффективным автоматизацию данного вида
контроля. Ко второй группе относят случайные быстроизменяющиеся факторы, например, износ инструмента, погрешность
установки заготовок, колебание твердости и глубины резания
и др. Действие этих факторов заставляет использовать различные
методы и средства автоматического контроля (контроль загото­
вок перед обработкой и др.). Для СКК разрабатывают следу­
ющие управляющие программы: программу активного контроля
параметров качества изделий в рабочей зоне оборудования; про­
грамму, обеспечивающую управление уровнем настройки обору­
дования по результатам контроля параметров качества в партии
изделий; программу приемочного контроля (полную или выбо­
рочную).
На основании информации, полученной от средств диагности­
ки, производят замену элементов или блоков и дают инфор­
мацию об их месторасположении на складе запчастей. С помо­
щью специальных табуляграмм определяют вид ремонта. Оценка
состояния оборудования системой диагностики обычно выполня­
ется на основании анализа переходных процессов, автоколебаний
и шумов, сопровождающих работу отдельных узлов и блоков.
Автоматический опрос датчиков и обработка их результатов
на ЭВМ позволяют выявить причину, вызвавшую отклонение
в работе оборудования, и определить приоритет ремонтного
обслуживания. После устранения неисправности производят те­
стовый контроль оборудования.
Управление СТО предусматривает контроль работы систем
удаления стружки, раздачи СОЖ, подачи электроэнергии и сжа­
того воздуха. Информация о работе этих систем поступает на
ЭВМ, где определяется их состояние.
Работа системы диагностики и управления системой охраны
труда в основном сводится к проверке датчиков, контролиру241
ющнх безопасную работу обслуживающего персонала и санитар­
ные условия труда; различных блокировочных устройств, а также
к отработке сигналов с датчиков на аварийное отключение произ­
водственного оборудования.
В функции системы технологической подготовки производст­
ва входят: обеспечение технологичности конструкции изделия,
проектирование технологических процессов оснастки, заготовок
и разработка управляюпщх программ.
Технологичность изделий связана с такими требованиями, как
снижение номенклатуры изготовляемых изделий путем их унифи­
кации и стандартизации; развитие конструктивного подобия
и унификации поверхностей для типизации технологических про­
цессов; проработка конструктивных форм изделий, позволяющих
с необходимой точностью и жесткостью устанавливать изделия
на оборудовании при их изготовлении, транспортировании, скла­
дировании, контроле качества и др.; изготовление изделий при
минимальном количестве операций и переходов за счет исполь­
зования единых технологических баз; изменение конструкции из­
делия с учетом использования при его изготовлении стандарт­
ного инструмента, унифицированной оснастки, транспортных,
складских и других средств.
Автоматизированное проектирование технологических про­
цессов и разработку управляющих программ можно осуществить,
основываясь на одном из следующих методов. Метод адресации,
который основан на использовании принципа унификации, целе­
сообразен при внедрении в ГПС групповых и типовых технологи­
ческих процессов. Метод синтеза с изделием-представителем ис­
пользуется, если это изделие не содержит весь состав элементов
технологического процесса (операций, переходов, ходов), кото­
рый следует вьшолнить при изготовлении изделия, что приводит
к необходимости синтезировать его структуру на базе данных не
только о групповых и типовых технологических процессах, но
и об единичных. Метод синтеза без изделия-представителя пре­
дусматривает проектирование индивидуального технологическо­
го процесса, опираясь на общие закономерности технологии ма­
шиностроения.
Параллельно с проектированием процесса изготовления изде­
лий разрабатывается оснастка. В ГПС желательно ориентиро­
ваться на унифицированную оснастку. Основой для унификации
оснастки являются унифицированные технологические процессы.
Она должна обеспечить помимо требуемой точности изготовле­
ния изделий и возможности закрепления широкой номенклатуры
заготовок с помощью простейших элементов, свободный доступ
режущего, слесарно-сборочного или контрольно-измерительного
инструмента, а также обладать возможностью использования ее
для транспортирования и хранения полуфабрикатов.
242
Высший уровень управления включает системы оператив­
но-производственного планирования, учета и диспетчирования.
В задачу системы оперативно-производственного планирования
входят: обеспечение равномерного выпуска изделий при непре­
рывной загрузке оборудования, сокращение длительности про­
изводственного цикла и своевременное удовлетворение нужд
потребителей. Оперативно-производственное планирование, яв­
ляясь более высоким уровнем управления, охватывает весь цикл
изготовления изделий от стадии подготовки производства и ма­
териально-технического снабжения до выхода готовой продукции
изГПС.
В зависимости от условий производства и методов его ор­
ганизации применяют различные системы оперативно-произво­
дственного планирования. Наиболее типичными из них явля­
ются: показная, при которой устанавливают цикловые графики
выполнения каждого задания в согласовании с другими зада­
ниями; серийная по опережениям, которая предусматривает из­
готовление нормированной серии изделий на каждой стадии
производственного процесса; система планирования на склад,
основывающаяся на накоплении складского запаса полуфабри­
катов; система по цикловым комплектам, когда производится
группирование полуфабрикатов в зависимости от длительности
цикла их производства, времени подачи на участки и техно­
логического маршрута; система по комплектовочным номерам,
когда группирование производится в зависимости от включения
деталей в сборочные единицы; система по заделам, когда на
каждой операции устанавливают норматив задела по каждому
виду полуфабрикатов.
В функции системы учета входит регистрация хода производ­
ственного процесса и использования энергии, материалов и др.
Эти функции система решает путем диагностирования процессов,
протекающих в основной и вспомогательных системах. Из систе­
мы учета информация, содержащая данные о функционировании
ГПС, в определеный момент поступает в систему диспетчирова­
ния, которая принимает решения, направленные на устранение
несоответствия между запланированным и реальным ходом про­
изводства, и реализует эти решения путем передачи управляющей
информации на системы управления основной и вспомогатель­
ными системами, а также на СПП и оперативно-календарного
планирования.
Общее программное обеспечение и общее специальное про­
граммное обеспечение чаще всего не разрабатываются, так как
они поставляются вместе с вычислительной машиной. При раз­
работке технического задания на проектирование специального
программного обеспечения указываются все необходимые дан­
ные, полученные в ходе технологического проектирования ГПС,
243
а также язык и структура управляющих программ, возможность
их редактирования.
На заключительном этапе проектирования С1Ш проводят
выбор технических средств и их размещение в ГПС. При выборе
технических средств ориентируются на серийные устройства под­
готовки информации, ее ввода и вывода, внешние накопительные
устройства, устройства передачи и сбора информации, ее раз­
множения, процессоры.
Выбор проводится на основании следующих параметров: вре­
мени преобразования информации, емкости устройства, разряд­
ности слов, системы счисления, объема информации, достовер­
ности информации, эксплуатационной надежности и стоимости
устройства.
ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ
1. Расосажите оструктуреСС.
2. Кажие операции включает типовой техволотэтеский ма1И1фут складнрования?
3. Как клаояфицируются ТС?
4. Какие функция вьшоляяег СИО?
5. Расскажите оструктуреСИО?
6. Какие виды KOHtpoju качества яздалий Вы знаете?
7. Какие функция выполняет СТО?
8. Что вам язвество о принципах построения систем у1фавлевия производст­
венными процессами?
9. Расскажите оструктуресистемы ущ)авленяя я подготовки производства.
Глава 14
Компоновка
И планировка ГПС
§ 1. Пршщапы аостроешш
компоновочных решении
Синтез элементов проводится на протяжении все­
го процесса проектирования ГПС и имеет три иерархических
этапа: компоновки, построения схемы размещения оборудования
и планировочный. На первом этапе происходит размещение про­
изводственных подразделений, на втором — построение схемы
размещения оборудования в производственных подразделениях,
на третьем — окончательное размещение всего производствен­
ного оборудования в ГПС.
После компоновки ГПС образуется система материальных,
информационных и энергетических связей, определяющая вза­
имодействие подразделений ГПС. Выбор состава подразделений
и формирование связей между ними проводится на основе приня244
того в проекте критерия. При проектировании ПТС стремятся
достигнуть минимальной мощности грузопотока, объема цир­
кулирующей информации и потребляемой энергии. Окончатель­
ное формирование ГПС происходит на планировочном этапе,
когда размещается оборудование ГПС.
Целесообразно в качестве критерия при построении ГПС вы­
брать минимум мощности грузопотока. Создание системы мате­
риальных потоков позволит определить расположение проездов,
количество транспортных средств, стратегию управления ими,
коэффициент загрузки технологического оборудования и т. п.
Задача компоновочного этапа формулируется следующим об­
разом. Заданы множества подразделений ГТ1С R={ri, Гг, ..., г„},
площади этих подразделений S={Su S2,..., S„}, величина матери­
альных потоков между ними Q = {qu 92, ••-, Яп} и ограничения на
размещение этих подразделений. Требуется найти такое располо­
жение множества R с площадью S и взаимными материальными
связями между ними Q, которое обеспечит экстремум функции
минимума мощности грузопотока.
14.1. Прокподствеввые марпруты в груиякпокш
Группа нздепнн
Корпусные детали
Валы
Зубчатые колеса
Комплектующие изделия
М81ищ>уг
10 —3 — 1 —8 —S —4 —5 —10
10 — 5-2-5-4
— 5 — 10
10 — 5 — 3 — 4 — 5 — 10
10 — 5 — 4 — 5 — 10
Грузопотох,
тДюд
1500
1000
1000
500
В качестве исходных данных при компоновке ГПС необходи­
мо иметь состав основных и вспомогательных подразделений,
производственные маршруты изделий, величины грузопотока
для каждого маршрута и площади каждого подразделения. Мар­
шруты грузопотока можно задавать списочной структурой, мат­
рицей материальных связей и графом.
Исходя из условия использования унифицированных типовых
секций при строительстве проюводственных зданий, в качестве
ограничения при проектировании нового производства принима­
ются стандартная длина пролета, состоящая чаще всего из четы­
рех клеток, равная 48 м, и нормализованный ряд ширины проле­
та. При реконструкции производства длина, ширина и количест­
во пролетов заранее известны. Производственные подразделения
рационально располагать с двух сторон вдоль пролета, это опре­
деляет с учетом ширины магистрального проезда и принятой
ширины пролета ширину, а следовательно, и длину производст­
венных подразделений.
Построение рациональной компоновки ГПС рассмотрим на
следующем примере. Автоматизированный цех состоит из участ245
1500
Рис. 14.1. Графы матери­
альных потоков между
подразделениями {а — в)
и компоновочное решение
ГПС(г)
24м
4м
ков, изготовляющих: 1 —
корпусные детали площа­
дью 450 м^; 2 — валы
площадью 400 м^; 3 —
зубчатые колеса площа­
дью 360 м^, а также сбо­
рочного участка 4 площа­
дью 400 м^ и подразделе­
Т//7
ний; 5 — склада пло­
г;
щадью 80 м^; 6 — инстру­
ментальной подготовки производства площадью 80 м^; 7 — ре­
монтного площадью 80 м^; 8 — контрольного площадью 30 м^;
9 — управляющего вычислительного комплекса площадью 40
м^. Рассмотрим случай, когда вход и выход 10 на производствен­
ных участках и в цехе совпадают, что сокращает количество
холостых пробегов внутрицехового и межоперационного транс­
порта.
Заданы следующие маршруты изготовления изделий и вели­
чины грузопотоков (табл. 14.1).
На первом этапе компоновки строят граф материальных свя­
зей между подразделениями, причем ребра графа отражают вели­
чину материального потока между ними. Из анализа графа мате­
риальных связей (рис. 14.1, а) видно, что наибольшее значение
материального потока с входом-выходом 10 из цеха у автомати­
зированного склада 5, который и располагаем около входа-выхо-
tz4
246
да 10 (рис. 14.1, г). Причем склад следует размещать между двумя
пролетами, так как в этом случае центр тяжести площадки склада
будет размещен между наибольшим количеством производствен­
ных подразделений, что сократит длину грузопотока всей ГПС.
При этом длина склада вдоль пролета будет равна 4 м при
стандартной ширине пролета 24 м и ширине магистрального
проезда 4 м (рис. 14.1, г).
Преобразуем граф (рис. 14.1, б) с учетом того, что авто­
матизированный склад уже размещен в цехе. Следующим по
объему грузопотока является сборочный участок 4 — граф с ве­
ршиной 10; 5, который располагаем слева от входа-выхода
из цеха (рис. 14, г). Вновь преобразуем граф материальных
связей с учетом размещенных на плане цеха автоматизиро­
ванного склада и сборочного участка. Из графа (рис. 14.1,
в) видно, что наибольшие материальные потоки связывают
верпшны 10; 5; 4 с двум участками валов 2 и зубчатых колес
3. В первую очередь размещаем участок зубчатых колес 3,
так как он связан как со складом, так и со сборочным участком
(см. рис. 14.1, б), а затем располагаем участок 2. Оставшиеся
участок 1 корпусных деталей и контрольное отделение 8 раз­
мещаем с учетом того, что в первую очередь с правой стороны
от автоматизированного склада должен находиться участок,
имеюпщй наименьшую площадь, что позволяет приблизить гра­
ницу между подразделениями 1 и 8 к границе склада 5. Таким
подразделением является контрольное отделение 8.
Размещение участков и подразделений, не связанных с основ­
ным материальным потоком, проводят в последнюю очередь
и так, чтобы граница цеха и проезд между производственными
подразделениями по возможности приближались к прямой ли­
нии. К задаче построения оптимальных материальных потоков
относится также вопрос расположения входов и выходов с произ­
водственных подразделений. Минимальный транспортный путь
будет тогда, когда вход и выход из подразделений будут нахо­
диться как можно ближе один к другому. Применительно к рас­
сматриваемому случаю входы-выходы с участков 3 и 5 следует
совместить, а вход-выход с участка 4 расположить напротив этих
участков (см. рис. 14.1, г, зачерненные прямоугольники). Из тех
же соображений определяем расположение входов-выходов на
оставшихся производственных подразделениях.
§ 2. Проектирование схем
размещения оборудования в ГПС
Второй этап формирования ГПС — построение
схемы размещения оборудования в подразделениях с изображе­
нием на ней материальных связей. При линейном принципе
формирования производственных участков построения схемы не
247
вызывает трудностей, так как оборудование размещают по ходу
технологического процесса. В ГПС, особенностью которой явля­
ется множество различных технологических процессов, задача
выбора оптимальной схемы требует значительного времени на
решение. При широкой номенклатуре изделий экономически це­
лесообразным становится изменять схему производства при сме­
не номенклатуры, идя на дополнительные затраты при создании
крановых пролетов и затраты, связанные с демонтажом оборудо­
вания, что в дальнейшем окупится за счет сокращения затрат на
транспортирование, увеличения загрузки технологического обо­
рудования, повышения гибкости производства, оперативности
управления им и т. д.
Задача синтеза схемы производства фомулируется следу­
ющим образом. Задано множество производственного оборудо­
вания P={pi, рг, ..., Ря}, величина материальных связей между
ним Q = {qi, qi, - , qp), размеры оборудования V-{vi, ьг, ..., Vp}
и ограничения на размещение оборудования. Требуется найти
такое расположение множества Р в объеме V при материальных
связях Q, которое обеспечивает минимум мощности грузопотока.
В качестве исходных данных при синтезе схемы производст­
венных участков необходимо иметь состав оборудования на них,
производственные маршруты изделий, величины грузопотока
для каждого маршрута и размеры оборудования. Выбор струк­
туры установочных мест может быть произведен на базе типовых
схем таких мест для оборудования (рис. 14.2). Для грузопотока
величиной до 3000 т/год целесообразно использовать размещение
оборудования по схеме, показанной на рис. 14.2, а, а более этой
величины по схеме на рис. 14.2, б. В стесненных условиях произ­
водства при малых грузопотоках используют расстановку, пока­
занную на рис. 14.2, в, а при больших — на рис. 14.2, г.
Окончательный синтез ГПС происходит на последнем этапе
проектирования, когда формируется планировочное решение всех
то
ТО
Входвыход
то
ТО
ТО
то
Вход
то
ТО
Выход
то
ТО
ТО
Входвыход
то
то
ТО
б)
а)
ТО
то
то
ТО
Вход
1
Выход
в)
Рис. 14.2. Схемы установочных мест для технологического оборудования (ТО)
248
Рис. 14.3. Автоматизированный участок для обрабоки деталей
типа тел вращения и плоских призматических деталей:
/ — Ътанок; 2 — накопитель; 5 — кран-штабелер; 4 — стеллаж; 5 — кон­
сольный кран; 6 — пульт управления, 7 — конвейер, 8 — консольная
секция; 9 — стол комплектовщика; 10 — монорельсовая транспортная
система с автоматическим адресованием: трасса, электротягач, защитное
устройство; 11 — система сгружкоудаления; ИРК — инструментальнораздаточная кладовая; УСП — универсально-сборные приспособления
элементов системы. Размещение всех элементов ГПС в простран­
стве происходит на этом этапе на базе принятых компоновочных
и топологических решений. На плане ГПС необходимо иметь
систему материальных, информационных и энергетических пото­
ков, что позволит дать полное представление об организации
производства и управления им. Принятое планировочное реше­
ние должно полностью реализовывать спроектированный произ­
водственный процесс, обеспечивая выполнение всех поставлен­
ных условий и достигая при этом минимума приведенных затрат.
Комплексный подход к автоматизации производства требует
решения задач по автоматизации загрузки и разгрузки оборудо­
вания с помощью ПР или автоматических стыковочных агрега­
тов, а также по автоматизации доставки полуфабрикатов к рабо­
чим позициям посредством робокар, кареток-операторов, крапов-шталеберов и др. На рис. 14.3 приведен план автоматизиро­
ванного участка для обработки деталей типа тел вращения, где
транспортирование полуфабрикатов осуществляется монорель­
совой транспортной системой с автоматическим адресованием
грузов.
ВОПРОСЫ для САМОПРОВЕРКИ
1. Сформулируйте задачу компоновочного этапа.
2. Какой критерий используется ва этапе првнятвя планировочного
решения ГПС?
с п и с о к ЛИТЕРАТУРЫ
1. Автоматкшровавное проектирования и производство в машиностроении/Ю. М. Соломенцев, В. Г. Митрофанов, А. Ф. Прохоров и др. М.: Машиност­
роение, 1986. 256 с.
2. Автомятюировашвде системы управления предприятиями/В. Н. Четвери­
ков, Г. Н. Воробьев, Г. И. Казаков и др. М.: Высш. шк., 1979. 303 с.
3. Лидере А. А., Потапов И. М., Шулешкав А. В. Проектирование заводов
и механосборочных цехов в автотракторной промышленности. М.: Машиност­
роение, 1982. 271 с.
4. Базров Б. М. Расчет точности машин на ЭВМ. М.: Машиностроение, 1984.
256 с.
5. Балакшнн Б. М. Основы технологии машиностроения. М.: Машиност­
роение, 1969. 559 с.
6. Багель Дж. Управление производством.— М.: Мир, 1973. 304 с.
7. Вевтцель Е. С. Исследование операций. М.: Сов. радио, 1972. 552 с.
8. Волчкеввч Л. И., Ковалев М. П., Кузнецов М. М. Комплексная автоматиза­
ция производства. М.: Машиностроение, 1983. 269 с.
9. Гибкое автоматизироваЕшое щюизводство/В. О. Азбель, В. А. Егоров,
А. Ю. Звоннцкий и др. Л.: Машиностроение, 1985. 454 с.
10. Гибкие производственные комплексы/В. А. Лещшко, В. М. Киселев,
Д. А. Куприянов и др. М.: Машиностроение, 1984. 384 с.
11. Гусев А. А. Адаптивные устройства сборочных машин. М.: Машиност­
роение, 1979. 208 с.
12. Егоров В. А. Автоматизация проектирования предприятий. Д.: Машиност­
роение, 1983. 327 с.
13. Ждаяович В. Ф., Гай Л. Б. Комплексная автоматизация и механизация
в механических цехах. М.: Машиностроение, 1976. 288 с.
14. Игнатьев М. Б., Ильевский В. 3., Клауз Л. П. Моделирование систем
машин. Л.: Машиностроение, 1986. 304 с.
15. Комиссаров В. И., Леонтьев В. И. Точность, производительность и надеж­
ность в системе проектирования технологических процессов. М.: Машиностро­
ение, 1985. 224 с.
16. Максимей И. В. Имитационное моделирование он ЭВМ. М.: Радио
и связь, 1988. 232 с.
17. Маликов О. Б. Склады гибких автоматических производств. Л.: Машино­
строение, 1986. 187 с.
18. Парамонов Ф. И. Моделирование процессов производства. М.: Машиност­
роение, 1984. 232 с.
19. Проектирование машиностроительных заводов и цехов: Справочник в 6-ти
т./Б. И Айзенберг, М. Е. Зельдис, Ю. Л. Казарновский и др. М.: Машиност­
роение, 1974 — 1975.
251
20. Пуш В. Э., Пигерт Р., Сосовкин В. JL Автоматические станочные системы.
М.: Машиностроение, 1982. 319 с.
21. Размервый анализ технологических процессов/В. В. Матвеев, М. М. Тверс­
кой, Ф. И. Бойков и др. М.: Машиностроение, 1982. 264 с.
22. Робототехвшса и гибкие автоматизированные производства: в 9-ти кн. Кн.
5: Моделирование робототехнических систем и гибких автоматизированных щ)оизводств: Учебное пособие для втузов/С. В. Пантюхин, В. М. Назаретов,
О. А. Тягунов и др. М.: Высш. шк., 1986. 175 с.
23. Серов Н. К. Процессы и мера времени. Л.: Наука, 1974.191 с.
24. Сметав Б. Я., Яковлев С. А. Моделирование систем: Учебник для вузов.
М.: Высш. шк., 1985. 271 с.
25. Техянческав подготовка гибких автоматизированных сборочно-моатажных производств в приборостроении/Н. П. Меткий, М. С. Лапин, В. И. Гольц
в др. Л.: Машиностроение, 1986. 192 с.
26. Технологическая подготовка гибких производственных систем/С. П. Мит­
рофанов, Д. Д. Кулипов, О. Н. Миляев н др. Л.: Машиностроение, 1987. 352 с.
27. Управлеше ГПС: Модели и алгоригмы/Е. Д. Воронина, В. И. Плескунин,
Б. Ф. Фомин и др. М.: Высш. шк., 1987. 368 с.
28. Чарико Д. В. Основы выбора технологического процесса механической
обработки. М.: Машгиз, 1963. 320 с.
29. Чарико Д. В., Хабафов И. Н. Основы щх>ектирования механосборочных
цехов. М.: Машиностроение, 1975. 348 с.
30. Шекюв Р. Ишгтационное моделирование систем. М .: Мир, 1978. 417 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
3
Введение
Раздел I. ПРОИЗВОДСТВО И ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ПРОЦЕСС
10
.
12
Глава 1. Общие положганш о процессе
§ 1. Охфеделение процесса
§ 2. CBCxeBiia иачязггаиыя, характеризующих процесс
§ 3. Рассеяние по1^азателей процесса
§ 4. Модуль продолжительности процесса
§ 5. Методические основы изучения щюцессов
Вопросы для самопроверки
12
12
IS
20
22
24
30
Глава 2. Проюжодспо • его характериспоси
§ 1. Основные понятия и определения
§ 2. Предмет производства и предмет потребления
§ 3. Производственный и технологический щюцесо!
§ 4. Качество щзоизводственного процесса
§ 5. Производительность процесса и технологичность изделиа
Вопросы для самопроверки
30
30
31
33
42
51
59
. .
Глава 3. Взашнюсвязь конструкции изделии с процессом его изготовления
§ 1. Геометрическая структура изделий
§ 2. Фуикдгюнальные и технологические системы размеров . . .
§ 3. Основы теории 1фостранственно-временных взаимодействий .
§ 4. Основы базирования
§ 5. Геометрическое и силовое замыкание
§ 6. Смена баз
§ 7. РазмерЕц>ш ана^шз взаимодействий
§ 8. Методы достижения точности замыкания
Вопросы для самопроверки
59
59
65
68
74
8?
90
93
96
103
Глава 4. Создавве процессов с задаивымв свойствамв
103
§ 1. Гибкость производственной cncreitad
103
§ 2. Организационные формы щзоизводственного процесса . . . 105
§ 3. Система критериев и ограничений
109
§ 4. Принципы построения производственных процессов . . . . 113
§ 5. Номенклатура изделий
123
§ 6. Понятие о заготовке
124
§ 7. Выбор технологических баз
128
§ 8. Оценка точности варианта базирования
131
§ 9. ПостроеЕше временной структуры технологической операции
137
§ 10. РазмерЕВ.я настройка оборудования
140
§ 11. Управление процесом производства
143
§ 12. Механизация и автоматизация производства
145
§ 13. Безотходная технология и экология производства . . . .
147
Вопросы для самопроверки
148
253
Раздел П. ОСНОВЫ
СИСТЕМ
МОДЕЛИРОВАНИЯ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
149
Глава 5. Основные положения теории систем
§ 1. Основные понятия и определения
§ 2. ПриЕщипы системного подхода к моделированию
Вопросы для самопроверки
Глава 6. Общие вопросы моделирования производственных систем
§ 1. Сущность моделирования
§ 2. Классификация моделей
Вопросы для самопроверки
149
149
151
154
. . . 154
154
156
159
Глава 7. ГПС как объект моделирования
§ 1. Структура ГПС
§ 2. Принципы проектирования ГПС
§ 3. Временные связи, действующие в производственном процессе
Вопросы для самопроверки
160
160
161
162
164
Глава 8. Формализация производсгвганого процесса в ГПС
164
§ 1. Декомпозиция ГПС
§ 2. Формализация функционирования технических средств ГПС
§ 3. Модели потока заявок на транспортную систему
§ 4. Модели отказов оборудования
Вопросы для самопроверки
164
167
168
170
171
Глава 9. Анализ ГПС на основе теории массового обслуживания . . . .
§ 1. Понятие системы массового обслуживания
§ 2. Построение модели СМО
§ 3. Пример анализа ГПС с использованием теории массового об­
служивания
Вопросы для самопроверки
171
171
172
175
178
Глава 10. Анализ и синтез ГПС с использованием нмвтацно1вого моделиро179
§ 1. Основы создания имитационной модели производственного 1фоцесса в ГПС
§ 2. Унифицированный алгоритму-го агрегата
§ 3. Построение имитационной модели производственного процесса
в ГПС
§ 4. Модели имитации стохастических входных параметров . . .
§ 5. Пример имитационной модели функционирования ГПС механи­
ческой обработки
Вопросы для самопроверки
Раздел Ш. ПРОЕКТИРОВАНИЕ
СИСТЕМ
ГИБКИХ
179
180
183
189
190
195
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ
196
Глава 11. Анализ и синтез ГПС
196
§ 1. Основы проектирования ГПС
196
§ 2. Критерии оценки и последовательность выполнения проектных
решений ГПС
197
§ 3. Структурный синтез ГПС
200
Вопросы для самопроверки
. . . .
200
254
Глава 12. Проектирование основной системы
§ 1. Расчет количества основного оборудования
§ 2. Выбор принципа построения основной системы
Вопросы для самопроверки
201
201
203
206
Глава 13. Проектаровавие вспомогательвых систем
207
§ 1. Складская система (СС)
207
§ 2. Транспортная система
212
§ 3. Система инструментального обеспечения (СИО)
217
§ 4. Система контроля качества (СКК) изделий
222
§ 5. Система охраны труда
228
§ 6. Система ремонтного и технического обслуживания (СТО) . . 2 3 1
§ 7. Система управления и подготовки производства (СПП) . . . 236
Вопросы для самопроверки
244
Глава 14. Компоновка • планировка ГПС
§ 1. Принципы построения компоновочных решений
§ 2. Проектирование схем размещения оборудования в ГПС
Вопросы для самопроверки
Список литературы
244
244
. . . 247
250
251
Учебное издание
Медведев Виктор Алексеевич, Вороиевко Владимир Павлович,
Брюхажж Владимир Николаевич, Митрофавов Владимир Георгиевич,
Червяков Леонид Михайлович, Схиртладзе Александр Георгиевич
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГИБКИХ
ПРОИЗВОДСГВЕННЫХ СИСТЕМ
Редактор В. А. Козлов
Художник К. Э. Семенков
Художественный редактор Ю. Э. Иванова
Корректор В. А Жилкина
Оператор В. Н. Новоселова
Компьютерная верстка Н. С. Михайлова
ЛР 010146 от 25.12 96. Изд № ОТМ-31 Сдано в набор 01.09.99
Подп в печать 16 02.2000 Формат 60x88 У,,,. Бум газетн. Гарнитура «Тайме»
Печать офсетная. Объем 15,68 уел печ л , 15,68 усл. кр -отт., 16,50 уч.-изд л.
Тираж 6000 экз. Зак. № 715
Издательство «Высшая школа», 101430, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14
Набрано на персональных компьютерах издательства
Отпечатано в ГУП ИПК «Ульяновский Дом печати»,
432601, г Ульяновск, ул. Гончарова, 14
