Файл: В.А. Полетаев Перспектива развития методов формообразования в машиностроении.pdf

10

геометрических элементов (прямая, плоскость, окружность, тело вращения), которые имеются в конструкции станка.

Машины, способные реализовать лишь вторую функцию технологии формообразования, т.е. переносить уже преобразованную к естественному виду геометрическую информацию на материал заготовки, отнесем к классу "неуправляемых".

Поскольку с понятием "управление" в кибернетике неразрывно связано понятие "обратной связи", разбиение на те же самые классы может быть проведено и с других позиций, что позволит лучше познакомиться со свойствами каждого класса.

Будем называть управляемыми процессы формообразования, которые могут проводиться по замкнутой схеме, т.е. с обратной связью по результату процесса и с внесением в случае необходимости коррекций в его ход. Соответственно оборудование, конструкция которого позволяет вмешиваться в ход процесса и целенаправленно изменять его результат, назовем управляемым.

Управляемым процессам будем противопоставлять неуправляемые, проводимые по заранее заданной программе, без обратных связей по текущему результату. Неуправляемым, программным назовем оборудование, конструкция которого не позволяет влиять на результат уже начатого процесса.

При таком определении классов "управляемых" и "неуправляемых" методов в качестве отличительного признака использовано наличие или отсутствие возможности влиять на результат процесса, вмешиваясь в его ход. Мы отделили процессы, всегда выполняемые по разомкнутой схеме программно, от процессов, которые можно осуществлять по замкнутой схеме, с обратными связями по результату. Сигналы обратных связей позволяют принять решение о необходимости вмешиваться в процесс, а конструкция оборудования, наличие в нем исполнительных механизмов, позволяет реализовать это решение. Слово "позволяет" выделено, потому что на практике стремятся вести формообразование даже на управляемом оборудовании по программной неуправляемой схеме. Как при этом используют свойство управляемости, будет показано далее. (Такая тенденция объясняется тем, что труд управления является в настоящее время самым дорогостоящим, поскольку он осуществляется либо человеком - оператором, либо весьма сложным устройством автоматического управления).

11

Классификация, резко разграничивающая методы формообразования на управляемые и неуправляемые (см. рис. 3), является, конечно, условной. В большинстве реальных методов в разных пропорциях сочетаются процессы обоих видов. Количественной характеристикой этих пропорций, отражающих "степень управляемости" процесса, может служить коэффициент Ку, представляющий собой отношение объема информации, передаваемой на заготовку с одновременным преобразованием из символического вида в "естественный", к полному объему передаваемой информации. Для целей, поставленных в настоящей работе, достаточна самая грубая классификация, округляющая все реальные значения этого коэффициента либо до нуля (неуправляемый процесс), либо до единицы (управляемый).

Учитывая сказанное, к управляемому формообразованию отнесем, например, обработку вручную, обработку на металлорежущих и на некоторых электрофизических и электрохимических станках. Типичными представителями неуправляемых методов формообразования являются литье и объемная штамповка.

Интересно отметить, что кибернетические свойства методов обработки и обрабатывающего оборудования в какой-то степени отражаются сложившимися в практике понятиями "станок" (машина для формообразования) и "оснастка для формообразования". При этом под машиной, станком подразумевается УПРАВЛЯЕМОЕ (в определенном нами смысле) оборудование, способное преобразовать из символической в "естественную" форму геометрическую информацию об изделии и, следовательно, переносить ее на заготовку в управляемом режиме, с обратными связями. Под оснасткой же подразумеваются элементы формообразующего оборудования, в которых в уже преобразованном, "естественном" виде содержится (полностью или частично) геометрическая информация об изделии. Передача этой информации с оснастки на заготовку происходит неуправляемо, за счет использования естественных физических механизмов.

Итак, в настоящем разделе проведена классификация существующих и потенциальных методов формообразования по их наиболее общему и инвариантному свойству, отражающему распределение во времени и пространстве двух основных функций, которые выполняет для потребителя эта технология. Соответственно можно ожидать, что это свойство коренным образом влияет на потребительные характеристики исследуемой технологии.

12

Поскольку управляемые методы формообразования обеспечивают выполнение обеих основных функций технологии формообразования, содержание этих понятий очень близко, и в рамках настоящей работы будем считать их эквивалентными.

Как было показано, неуправляемые методы обеспечивают выполнение только второй функции технологии, а именно переноса информации. Для удобства будем применять определение "неуправляемая" и к полной технологии формообразования, если перенос информации на заготовку осуществляется в ней неуправляемыми методами, не упуская из виду того факта, что эти методы обязательно должны быть дополнены управляемыми методами преобразования информации.

Таким образом, различные технологии формообразования будем относить к управляемым или неуправляемым в зависимости от того, каким методом производится перенос информации на заготовку.

3. ЗАВИСИМОСТЬ ОСНОВНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОТ СТЕПЕНИ УПРАВЛЯЕМОСТИ ТЕХНОЛОГИЙ

3.1 Точность

Точность является важнейшей потребительной характеристикой технологий формообразования. Процесс формообразования рассматривается в настоящей работе как преобразование и перенос на заготовку априорной геометрической информации. Помимо формы задания (символическая или "естественная") информация характеризуется содержанием и количеством. В рассматриваемой модели содержание преобразуемой информации однозначно задано - это сведения о форме заданной детали.

При этих условиях можно воспользоваться идеями, развиваемыми в работе [6], и охарактеризовать точность формообразования данного изделия количеством переносимой на заготовку информации. Допуск на погрешность формообразования данного изделия получит при этом однозначное количественное выражение как минимально допустимое количество информации заданного содержания, которое должно быть перенесено на заготовку. Рост погрешности формообразования выразится как уменьшение количества переносимой информации, а снижение погрешности - как увеличение этого количества.

13

Такая трактовка понятия "точность" позволяет вскрыть принципиально отличные точностные характеристики управляемых и неуправляемых технологий.

В неуправляемых технологиях вся геометрическая информация сначала преобразуется из символического вида в "естественный" и переносится на промежуточный носитель, а затем вся она практически "залпом" (с целью обеспечения максимальной производительности) передается на заготовку. Согласно закону передачи информации, сформулированному К. Шенноном [6], при передаче могут происходить лишь потери количества информации, что накладывает принципиальное ограничение на возможности неуправляемых методов: точность полу-

чаемых ими изделий не может превышать точность формоносителя.

Всегда имеющие место в реальных процессах потери информации приводят к заниженной точности изделия по сравнению с точностью формоносителя. Из физических соображений ясно, что потери геометрической информации при переносе, которые есть не что иное, как деформации формоносителя, увеличиваются с ростом используемых энергетических потоков. Поскольку в неуправляемых методах вся информация переносится на заготовку практически одновременно, то велики и потоки энергии, обеспечивающие физический процесс переноса. Вследствие этого неуправляемым методам присущи высокие абсолютные значения потерь геометрической информации.

Управляемые технологии допускают в любой момент растянутого во времени процесса формообразования "подпитку" системы извне дополнительной геометрической информацией в естественном виде. В принципе, используя такую "подпитку" информацией, в управляемом режиме можно изготовить деталь с любой наперед заданной точностью. Это объясняет внешне парадоксальную ситуацию, когда на станках получают детали более точные (содержащие большее количество геометрической информации), чем сам станок. Дополнительная информация поставляется извне, например, привносится мерительным инструментом.

Как будет показано ниже, универсальность управляемого оборудования достигается благодаря многократному использованию значительного количества геометрической информации, однажды заложенной в элементах конструкции этого оборудования. Так же, как и в неуправляемом оборудовании, при считывании этой информации имеют

14

место потери. Управляемое оборудование существенно более чувствительно к воздействию энергетических потоков - это неизбежная плата за его универсальность (специализированные формоносители неуправляемого оборудования оптимизируются для решения конкретной задачи, т.е. конструируются так, чтобы обеспечить минимальные потери информации, а также позволяют учесть и компенсировать систематические составляющие потерь заранее).

Потери геометрической информации, величина которых зависит от величины потока энергии, используемого для реализации физического процесса формообразования, назовем энергетическими погрешностями формообразования. Энергетические погрешности разделим на обратимые и необратимые по отношению к формообразующему оборудованию.

Обратимые энергетические погрешности вызываются, например, упругими и термоупругими деформациями элементов конструкции формообразующего оборудования, и после прекращения энергетического воздействия (по окончании рабочего цикла машины) они полностью исчезают. В пределах рабочего цикла эти погрешности могут накапливаться монотонно или периодически во времени (последнее имеет место, например, при возникновении механических колебаний).

Необратимые энергетические погрешности вызываются износом и необратимыми (пластическими) деформациями элементов конструкции. Эти погрешности не исчезают от цикла к циклу работы машины, именно они определяют ее ресурс.

Более подробно зависимость погрешностей от потоков энергии будет рассмотрена в отдельной работе, посвященной анализу направлений развития конструкции управляемого формообразующего оборудования.

3.2. Производительность и гибкость

Другой неотъемлемой потребительной характеристикой технологии формообразования является производительность. Понимая под производительностью темп, в котором данная технология обеспечивает достижение основного результата, рассмотрим связь этой характеристики со степенью управляемости технологии.

Реальные физические методы формообразования выполняют основные функции технологии формообразования в неодинаковой степени (управляемые - и преобразование, и перенос информации, неуправ-

15

ляемые - только перенос). Сравним сначала темп достижения результата при выполнении конечной функции - переноса информации на материал заготовки.

Неуправляемые методы, специализированные на выполнении только одной функции - переноса, обеспечивают на порядок большую производительность. Например, при объемной штамповке вся геометрическая информация переносится на заготовку за время порядка одной секунды, время заполнения формы при литье под давлением такого же порядка, а среднее время изготовления детали на металлорежущем станке - уже порядка сотен секунд. Но управляемые методы обеспечивают выполнение обеих основных функций технологии формообразования, поэтому анализ производительности этих методов приобретает особую важность. Проследим эволюцию технологии управляемого формообразования. Первые методы получения заданной формы деталей (ручные) относятся к управляемым. Человек в течение всего процесса формообразования контролировал его ход и вносил коррекции, придавая заготовке нужную форму. Такая процедура, основанная на затратах одного только живого труда, была малопроизводительна. Процесс управления (сравнение получающейся детали с ее мысленным образом, осознание отклонений и принятие решений о необходимых коррекциях) отнимал много времени.

Принципиальным шагом вперед, основанным на многократном использовании овеществленного труда, было создание эталона, наиболее трудно получающегося при ручной обработке, но и наиболее часто используемого геометрического элемента - окружности. Этот эталон был заложен в конструкции первых машин для управляемого формообразования - гончарных кругов и ранних токарных станков. Наличие такого эталона обеспечивало "автоматическое", не требующее управляющего вмешательства человека получение тел вращения, в то время как форма образующей задавалась вручную. Затем в конструкцию станка был введен эталон еще одного наиболее часто используемого геометрического элемента, прямой линии - направляющие. Эти два основных эталона позволяли получать в "автоматическом", "программном" режиме основные поверхности изделия. В функции оператора входило лишь задание взаиморасположения этих поверхностей на изделии. Для этого он пользовался нанесенным на чертеж образом изделия, а количественную сторону (задание размера) обеспечивал применением дополни-

16

тельных, не включенных в конструкцию станка элементов - эталонов длины (измерительный инструмент) или размера и формы (шаблоны).

Производительность управляемого оборудования становилась тем выше, чем больше эталонов имелось в его конструкции и чем меньше их использовалось "со стороны".

Дальнейшим шагом повышения производительности управляемого оборудования было создание механических программных средств (к ним относятся упоры, кулачки, копиры), определяющих последовательность считывания информации с эталонов станка, т.е. взаиморасположение элементарных поверхностей на изделии. Применение таких устройств ликвидировало затраты времени оператора на осмысление последовательности проведения процесса и на манипулирование органами управления.

Таким образом, в определенных элементах конструкций современного станка - эталонах - хранится в естественном виде информация о целых классах геометрических поверхностей и имеется возможность управляемого варьирования относительным расположением этих поверхностей в пространстве. Управляющая информация о взаиморасположении поверхностей выдается оператором последовательно, в моменты перехода от обработки одной из них к очередной. В конструкции наиболее производительных автоматизированных станков имеются, помимо этого, элементы, в которых программируются относительное расположение простейших поверхностей на детали и последовательность выдачи этой информации.

Учитывая, что неуправляемые методы выполняют, хотя и с большей производительностью, лишь часть функций технологии формообразования, для объективного сравнения их с управляемыми методами необходимо рассмотреть еще одно важнейшее потребительное свойство - гибкость.

Поскольку продукция формообразующих технологий лежит в основе всей материальной культуры общества, номенклатура этой продукции чрезвычайно велика и превосходит номенклатуру продукции любой другой технологии. По сравнению с ней исчезающе мала номенклатура используемого для формообразования оборудования. Так, номенклатурные перечни металлорежущих станков содержат порядка 103 единиц, машин для обработки давлением – 102 единиц, а самая нижняя известная оценка номенклатуры деталей, получаемых металлообработкой, составляет 109 [8]. Поэтому специфической особенностью

17

формообразующего оборудования является универсальность, т.е. способность изготовлять широкий спектр изделий различной формы.

В связи с этим для характеристики конкретной технологии формообразования используется специфическое свойство "гибкости", отражающее ее способность перестраиваться на изготовление нового изделия. Хотя гибкость является не менее важной характеристикой технологии в целом, чем производительность, автору не известны работы, посвященные количественным показателям гибкости. Исходя из содержания этого понятия, предложим в качестве показателя гибкости количество труда, которое надо затратить на проведение подготовительного этапа, т.е. на то, чтобы рассматриваемая система (данная технология формообразования) была способна преобразовать новый входной сигнал (заданную в символическом виде геометрическую информацию о новом изделии) и выдать новый выход - само изделие.

Принципиальная особенность управляемого оборудования состоит в том, что оно является универсальным преобразователем геометрической информации из символического вида в естественный. Подавляющая часть необходимой для выполнения этого преобразования геометрической информации закладывается при изготовлении станка в его эталоны на весь физический срок службы машины. Поэтому на подготовительном этапе достаточно преобразовать и заложить в промежуточные носители (оснастку, кулачки, копиры) лишь недостающую, обычно весьма малую часть полной геометрической информации об изделии.

Неуправляемые методы, такие, например, как литье, объемная штамповка, требуют, чтобы на подготовительном этапе была преобразована к естественному виду и перенесена на промежуточный носитель вся заданная чертежом геометрическая информация об изделии. Неуправляемое формообразующее оборудование есть всего лишь переносчик уже заданной в естественном виде геометрической информации на материал заготовки.

На этапе собственно формообразования промежуточный носитель одновременно переносит на заготовку всю содержащуюся в нем геометрическую информацию и всю необходимую для формообразования энергию. Проходящие через формоноситель потоки энергии (в наших примерах - механической и тепловой) деформируют его, т.е. вызывают искажения заложенной в нем геометрической информации. Для борьбы с этим эффектом формоноситель изготовляют из прочного, жесткого и