Особенности технологических процессов в машиностроении

Технологические процессы в машиностроении — это слож­ные динамические системы, в которых в единый комплекс вклю­чены оборудование, инструмент, обрабатываемые заготовки (собираемые узлы), СТО, вспомогательные и транспортные уст­ройства, а также рабочие (операторы, сборщики). ТП должен обес­печивать заданные качество продукции и производительность тру­да, а также стабильность качества во времени, необходимом для выпуска продукции в требуемом объеме. К управлению ТП в ма­шиностроении применимы общие положения теории управления.

Любая система управления состоит из объекта управления и управляющего устройства. Объектом управления являются ТП, операция, технологическая система и т. д. Управляющим уст­ройством может быть техническое устройство (например, авто- подналадчик), а в случаях, если объектом управления является ТП — система ТПП, в которой вырабатываются управляющие решения.

В общем случае ТП в машиностроении представляют в виде многомерного объекта (рис. 3.1, а), на входе которого действует вектор входных переменных :

Составляющие этого вектора характеризуют прежде всего пол­ный набор свойств заготовок и полуфабрикатов (размеры и их отклонения, шероховатость и микротвердость поверхностей, структурные параметры и т. д.), используемых в данном объек­те.

 

Рис. 3.1. Схема представления ТП без разделения (а) и с разделени­ем на технологические операции (б)

(1, …., N — порядковый номер операции)

 

Выходные переменные описывает вектор

составляющие которого характеризуют, например, свойства го­товой детали (точность размеров, формы и взаимного располо­жения поверхностей; шероховатость поверхностей; их микротвер­дость и др.). Составляющими как входного, так и выходного векторов могут быть не только конструктивно-технологические свойства заготовок, деталей, сборочных единиц, но и величины, отражающие технико-экономические показатели ТП.

Параметры, характеризующие условия протекания ТП, опи­сывает вектор :

Составляющие этого вектора — температура, давление, подача, частота вращения, а также факторы, оказывающие дестабилизи­рующее действие на ход ТП.

Размерность векторов , ,  для реальных процес­сов очень велика, и учесть все их составляющие невозможно. Часть составляющих этих векторов рассматривают как случай­ные функции.

Вектор  содержит как измеряемые, так и не измеряемые входные переменные. Некоторые из них могут быть управляю­щими и характеризовать, например, параметры заготовок или ТП. Учесть все входные переменные, влияющие на ход процес­са и выходные переменные, невозможно. На практике ограни­чиваются только небольшой частью основных входных перемен­ных, определяющих выходные переменные, а остальные отно­сят к неконтролируемым факторам. Задача управления состоит в компенсации влияния этих факторов.

ТП представляет собой структуру последовательно соединен­ных элементов — технологических операций. Каждая операция характеризуется собственными, только ей присущими вектора­ми входных и выходных переменных, а также векто­ром условий Размерность векторов входных и выходных переменных для операций значительно меньше, чем размерность одноименных векторов ТП.

Составляющая вектора входных переменных первой техно­логической операции является только частью составляющих век­тора входных переменных ТП (рис. 3.1, б):

Неиспользованные в первой операции входные переменные  поступают на вход второй операции. Составляющая ха­рактеризует те свойства изделия, которые не подвергались из­менению в первой технологической операции.

Вектор выходных переменных первой операции вклю­чает составляющую , которая в дальнейшем не будет изме­няться и непосредственно войдет в вектор  выходных пере­менных процесса, а также составляющую  входных пере­менных для второй операции. Для множества составляющих вектора  справедливо

где — символ объединения множеств.

Другой составляющей для второй операции является вектор , выделяемый как составляющая вектора :

Вектор входных переменных для второй технологической опера­ции имеет вид

Неиспользованные на второй операции входные переменные ТП поступают на вход третьей операции — составляющая

Вектор выходных переменных ТП

где — составляющие вектора входных переменных , обозначающие неиспользованные в ТП входные переменные, например параметры качества необрабатываемых поверхностей заготовок; — вектор выходных переменных последней опе­рации ТП; — составляющая вектора выходных перемен­ных процесса, формируемая на промежуточных операциях, на­пример параметры качества поверхностей, обработанных на не­которой операции и далее не обрабатываемых.

Практически каждая составляющая вектора выходных пере­менных ТП формируется на нескольких операциях. Однако при­нято считать, что доминирующее влияние на составляющие век­тора выходных переменных, характеризующие параметры каче­ства готовой детали, оказывают финишные операции.

Среди показателей, описывающих ход ТП, выделяют наблю­даемые и управляемые переменные.

Наблюдаемые переменные воздействуют на объект в каче­стве возмущающих (дестабилизирующих) факторов и при управ­лении объектом не могут быть изменены. Это, например, виб­рации оборудования, характеристика среды (температура, влаж­ность), напряжение в сети и т. д. Параметры наблюдаемых переменных при наличии соответствующих датчиков могут быть определены, но воздействовать на них при управлении ТП не­возможно либо сложно и дорого. Число наблюдаемых перемен­ных колеблется (от единиц до десятков). Степень влияния этих переменных на работу системы управления при фиксированном управлении изменяется тоже в широких пределах.

Управляемые переменные могут быть изменены системой уп­равления или человеком. Для технологической системы к таким переменным можно отнести, например, погрешности, вызывае­мые геометрическими неточностями оборудования, жесткость тех­нологической системы, износ инструментов, параметры процес­сов резания. Несмотря на то что все управляемые переменные могут быть изменены, возможность и целесообразность такого изменения следует определять в каждом конкретном случае.

Выделение этих двух групп среди воздействующих на систе­му входных переменных связано с тем, что математическое опи­сание объекта по переменным из разных групп требует различ­ных методов.

В машиностроении ТП имеют вероятностный характер, по­этому измеряемые входные переменные не определяют однознач­но выходные параметры процесса.

В серийном и массовом производстве ТП, если они спроек­тированы правильно, представляют собой достаточно устойчи­вые детерминированные системы. Нарушения работы таких си­стем происходят по двум основным причинам:

1) изменение параметров процесса (режимов резания, харак­теристик заготовки и т. п.);

2)  износ оборудования и технологической оснастки.

Значительный разброс составляющих вектора выходных пе­ременных ТП отчасти объясняется наличием операций и пере­ходов, выполняемых при управлении непосредственно челове­ком. С повышением степени автоматизации процесса разброс составляющих вектора выходных переменных снижается.

Влияние, оказываемое на ход ТП действием факторов (со­ставляющих векторов входных переменных и векторов условий), неравноценно. Всегда можно выделить ряд факторов, имеющих доминирующее влияние на ход ТП. Успех управления зависит от того, удается ли в полной мере выявить все множество ука­занных факторов и определить для каждого из них степень вли­яния на ход ТП.

В машиностроении ТП имеют определенную направленность. При их протекании абсолютные значения параметров качества, характеризующих геометрические свойства объекта (отклонения размеров, формы и взаимного расположения поверхностей, их шероховатость и т. п.), от операции к операции уменьшаются. Значения параметров качества, описывающих объемные свой­ства материала, наоборот, возрастают, особенно после операций химико-термической обработки. Выполнение операций химико­термической обработки приводит к увеличению абсолютных зна­чений отклонений размеров, формы и т. д. Различная физичес­кая природа технологических операций требует различных под­ходов к выполнению функций управления.

Специфической особенностью процесса сборки изделий ма­шиностроения является возможность целенаправленного управ­ления качеством сборочных единиц и изделия в целом на осно­ве селекции деталей по группам в целях обеспечения наилуч­ших условий работы сопрягаемых деталей и сборочных единиц в условиях эксплуатации. Для этого в процессе сборки ответ­ственных изделий, как правило, предусматривают входной кон­троль деталей и агрегатов, а также операции по доводке ряда важных характеристик собранных узлов, например балансиров­ку вращающихся элементов, уплотнение с заданными характе­ристиками стыков и сопряжений, нормирование сил затяжки со­прягаемых элементов и т. д.

Многочисленность форм сопрягаемых деталей и узлов, а так­же большое число факторов, влияющих на качество собранного изделия, являются объективными причинами большой трудоемко­сти и сложности процессов сборки. Это же является причиной то­го, что управление процессом сборки является крайне сложным.

Реализация функции контроля и управления ТПсборки свя­зана прежде всего с выполнением предварительного контроля деталей и сборочных единиц и далее с контролем качества сборки методами технологических испытаний, например статических испытаний на герметичность и плотность соединений, контроля балансировки и легкости хода подвижных элементов, отсутствия заеданий и задиров и т. д. Другим аспектом указанной функции является индивидуальный отбор из имеющихся в наличии со­прягаемых деталей и сборочных единиц для обеспечения близ­ких к оптимальным характеристик сопряжений во всем изделии при условии использования всех деталей. Это позволяет изго­тавливать детали с более широкими допусками и собирать из них высокоточные изделия.