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

18

термостойкого материала. Это вызывает повышенную трудоемкость (а также энергоемкость) изготовления самого формоносителя, т.е. перенесения большого объема геометрической информации на заготовку, плохо поддающуюся изменениям формы.

Как правило, желательно, чтобы формоноситель не только передавал заданное количество геометрической информации за каждый цикл изготовления детали, но и допускал повторное использование на протяжении многих циклов. Это еще более усиливает требования к прочности формоносителя. Попытки обойти эту трудность, создавая непрочные формоносители (например, песчаные или оболочковые формы для литья), не снижают трудоемкости подготовительного этапа для всей партии изделий, так как каждая форма используется только один раз.

Для сравнения объемов информации, закладываемых в промежуточный носитель в управляемом и неуправляемом процессах, воспользуемся подходом, развиваемым в уже упоминавшейся работе французского физика Л. Бриллюэна [7]. По Бриллюэну, количество информации Iразм, заключенное в размере, пропорционально двоичному логарифму от величины, обратной относительной точности этого размера ε:

I разм = −log2 ε.

Для простоты предположим, что по всем трем координатным направлениям задана одинаковая относительная точность ε. Положение каждой точки линии в пространстве определяется тремя размерами, а для задания всей линии (в общем случае) необходимо задать положение порядка 1/ε точек этой линии. Тогда количество информации, заключенное в линии:

I линии = −3(1/ ε)log2 ε.

Поверхность в координатном пространстве, очевидно, можно задать 1/ε линиями, образующими эту поверхность, т.е.

I поверх = −3(1/ ε)2 I разм = −3(1/ ε)2 log2 ε.

Относительная погрешность изделий современного машиностроения находится в пределах 10-3-10-6, т.е. Iразм может меняться в пределах

10-20. Отношение Iлинии/Iразм при этом составляет порядка 103-106, а отношение I поверх/Iразм - порядка 106-1012. При использовании неуправляемого оборудования требуется переносить на промежуточный носи-

тель, например, всю информацию о прямой линии. В элементах конструкции управляемого оборудования (направляющих) уже заложена информация о прямой линии, и в этом случае на промежуточный носи-

19

тель (например, нерегулируемый упор) необходимо перенести лишь информацию о длине этой линии, которая, как было показано, на много порядков меньше полной информации о линии. Аналогичные рассуждения справедливы для плоскости, а также, например, поверхностей вращения, информация о которых заложена в подшипники станков.

Благодаря тому, что отпадает необходимость преобразовывать и фиксировать на промежуточном носителе большой объем информации, управляемое оборудование обеспечивает минимальную трудоемкость подготовительного этапа процесса формообразования. Зато этап собственно формообразования на управляемом оборудовании требует больших затрат труда, чем на оборудовании неуправляемом. Дополнительный труд связан с выполнением процесса преобразования основного объема информации и заключается в задании последовательности проведения процесса, т.е. способов комбинирования стандартных геометрических элементов в каждый момент времени, получении и обработке информации о текущем результате процесса, а также в коррекции этого результата в случае необходимости.

Управляемость - весьма общее фундаментальное свойство технологии. Столь же общей и важной является характеристика трудоемкости технологии.

Выводы, полученные при рассмотрении двух предельных случаев: полностью управляемой (Ку = 1) и полностью неуправляемой (Ку = 0) технологий, можно распространить и на общий случай технологии с произвольной степенью управляемости (0 < Ку <1 ):

1)трудоемкость подготовительного этапа снижается с ростом степени управляемости технологии;

2)трудоемкость этапа собственно формообразования повышается

сростом степени управляемости.

4. СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПОДХОДЫ К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И ЦЕЛЕСООБРАЗНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИХ РАЗВИТИЯ

Качественное содержание понятия "производительность формообразования" до сих пор не нашло еще полного отражения в количественных показателях.

Например, в работе [8] академик В.И.Дикушин приводит следующие показатели производительности:

20

1)абсолютная производительность, характеризуемая средней мощностью, которая целесообразно используется на формообразование

идругие неотъемлемые операции рабочего цикла;

2)производительность резания, определяемая средним весовым или объемным количеством металла, снимаемого в единицу времени рабочего цикла;

3)производительность формообразования, характеризуемая средней величиной площади поверхности, обрабатываемой на станке в единицу времени;

4)штучная производительность, определяемая количеством изделий, производимых на станке в единицу времени.

Первый показатель производительности из этого набора отвечает требованию общности - он основан на предположении, что одинаковые физические методы достижения заданного эффекта требуют в среднем одинаковых затрат энергии на единицу этого эффекта, хотя в каждом конкретном случае возможны отклонения от этой средней величины. Мощность в качестве основного показателя производительности используют во многих (если не в большинстве) областях техники. Показатель абсолютной производительности отражает величину энергетических потоков и совершенно необходим для характеристики любой машины, но все же он не является исчерпывающей характеристикой фор-

мообразующего оборудования.

Второй показатель - производительность резания - функционально

связан с первым показателем через удельную энергию металлосъема, Дж/см3.

Третий из принятых В. И. Дикушиным показателей - "производительность формообразования" - носит название, наиболее соответствующее основной функции станка. Однако содержание этого показателя не отвечает названию - площадь поверхности изделия есть интегральная характеристика, в которой растворяется все бесконечное многообразие форм изделий. Такой показатель пригоден лишь для сравнения производительности оборудования, предназначенного для изготовления деталей одинаковой формы, из одинаковых заготовок.

Содержанию понятия "производительность" в полной мере отвечает только показатель штучной производительности, поскольку он построен непосредственно на результате работы станка, на основном эффекте. Однако этот чисто феноменологический показатель не обладает общностью, зависит от выбора детали и позволяет лишь сравнивать

21

время обработки одинаковых деталей на разных станках, т.е. является относительным.

Отсутствие такого показателя производительности формообразующего оборудования, который бы полностью отвечал содержанию понятия "производительность" и обладал бы необходимой общностью, был бы абсолютным, обусловлено объективными причинами.

Во-первых, станок с ручным управлением (а такие станки в настоящее время преобладают) сам по себе не способен выполнять свои функции. В этом случае обрабатывающая система состоит из станка и оператора, осуществляющего управление, и понятие "производительность оборудования", не учитывающее возможностей оператора, не может полностью охарактеризовать темп получения результата.

Во-вторых, понятие "производительность станка" принципиально не является детерминированным и не может быть однозначно определено с помощью одного показателя. В общем случае станок - универсальная машина, предназначенная для изготовления целого спектра изделий различной сложности, каждое из которых требует своего набора свойств станка и своей последовательности применения этого набора свойств во времени. Перечисленные переменные образуют бесконечное число сочетаний, поэтому имеет смысл говорить лишь о статистической оценке производительности.

Но в то же время формообразующее оборудование является самостоятельным объектом, со своим фиксированным набором свойств, не зависящим от того, как именно его используют в каждом конкретном случае. Для такого объекта может быть найдена условная оценка одного из основных потребительных показателей - производительности, както объединяющая в себе набор свойств оборудования.

Например, американский профессор Л.Хакамак (Университет Северного Иллинойса) [10] предлагает в качестве характеристики станка набор из примерно десяти свойств, характеризующих его конструкцию, а в качестве комплексной оценки производительности рекомендует суммировать эти свойства с весовыми коэффициентами, выбранными экспертными методами. Дальнейшее развитие этот принцип получил в методике определения технического уровня станков, разработанной Б.Л.Богуславским [11]. Предложенный им показатель технического уровня представляет собой сумму "основной части", имеющей десять степеней градации в зависимости от уровня автоматизации станка (установлены экспертным путем), и "дополнительной части", которая мо-

22

жет быть получена сложением до 58 отдельных составляющих, отражающих конструктивное совершенство станка. Численные значения этих составляющих установлены также экспертно. Субъективное (экспертное) задание параметров и весовых коэффициентов является основным недостатком обеих методик.

Способы оценки производительности, основанные на сравнении результатов работы станка (штучная производительность по В.И. Дикушину), разработал ЭНИМС [12]. Для того чтобы перенести метод сравнения штучной производительности на универсальные станки, по методике ЭНИМСа требуется определить состав и распределение обрабатываемых на станке деталей, а затем вычислить средневзвешенную по ансамблю изготавливаемых на данном станке деталей штучную производительность.

Основной недостаток такого подхода заключается в том, что он не позволяет сравнивать станки, предназначенные для обработки деталей различных классов. Кроме того, сама процедура проведения статистической оценки по данной методике весьма трудоемка (более подробно об этом будет сказано ниже).

Впоисках показателя производительности формообразующего оборудования приходится сталкиваться еще с одним очень серьезным препятствием. Изделия, получаемые на станке, отличаются не только самой формой, но и точностью реализации заданной формы. Можно, конечно, сравнивать производительность при заданном уровне точности, но такой прием чрезвычайно сузит сферу применения показателя производительности, лишит его необходимой общности.

Вметодах, идущих "от конструкции" станка, оценка точности легко вводится, например, коэффициентом, связанным с классом точности станка, но выбор этого коэффициента может быть только экспертным. Да и само понятие "класса точности" не имеет однородного определения для всех типов станков.

Итак, показатели производительности, основанные на рассмотрении конструктивных особенностей станка, неполны и субъективны, а известные показатели, базирующиеся на результатах работы станка, хотя и объективны, не обладают общностью, и получение их весьма трудоемко.

Недостатки методик типа разработанной ЭНИМСом объясняются принятым в них феноменологическим подходом к проблеме. Объект производства - совокупность деталей - рассматривается в этих методи-

23

ках как "черный ящик". Далее система декомпонуется на совокупность отдельных объектов - деталей, каждый из которых опять-таки рассматривается как "черный ящик", изучение которого основано лишь на анализе входных и выходных сигналов (определяется время обработки деталей на станке - феноменологический параметр).

Затем проводится агрегирование полученных результатов в две ступени: сначала определяется ряд деталей-представителей по геометрическим признакам, потом время их обработки суммируется с весовыми коэффициентами, отражающими удельный вес данной деталипредставителя в общем объеме выпуска деталей.

Подобная методика включает две весьма трудоемкие и в то же время мало надежные процедуры декомпозиции и агрегирования исследуемой системы, но в основе ее лежит верный принцип - суждение по результатам.

На наш взгляд, устранить недостатки (не утрачивая достоинств) данной методики удастся, если вместо феноменологического подхода, вместо рассмотрения объекта как "черного ящика" попытаться осмыслить его сущность, внутреннее устройство.

Согласно принятой в работе [4] позиции, суть процесса формообразования - в переносе информации об изделии на заготовку, в результате чего получается готовая деталь.

Если бы удалось найти оценку перенесенной на заготовку геометрической информации, то это было бы количественной мерой важнейшей, на наш взгляд, составляющей потребительного эффекта, получаемого от станка.

Отношение количества перенесенной в процессе обработки информации к фактическому времени переноса явилось бы информационной оценкой производительности станка (а точнее - обрабатывающей системы) при осуществлении данной конкретной операции.

Для определения обобщенного показателя информационной производительности станка данной модели (данной обрабатывающей системы) достаточно рассмотреть выборку случайных деталей, не исследуя характер распределения, как это требуется по методике ЭНИМСа. При этом трудоемкость процедуры сокращается тем в большей степени, чем шире спектр обрабатываемых данной системой деталей. Этот эффект особенно проявится при определении производительности многофункциональных станков типа "обрабатывающий центр".