Виды оптимизации технологических процессов

Выбор технических ограничений

Оптимизация технологических процессов зависит также от пра­вильного выбора технических ограничений, которые определяют об­ласть существования оптимальных решений. Следует иметь в виду, что не может быть речи о каком-либо оптимальном ТП в общем смысле, поэтому поиск оптимального технологического процесса должен быть ограничен определенными технологическими условиями. Чем точнее сформулированы ограничения, вытекающие из производственных условий, тем меньше вариантов процесса, рассматриваемого в качестве основы для выбора оптимального решения. В общем виде все параметры (величины, характеризующие элементы про­цесса обработки), определяющие состояние объекта в произвольный момент времени, могут быть представлены в виде следующих век­торов:

1) вектора входных и возмущающих параметров V =(υ₁, υ₂ , …, υ_p) К входным параметрам относятся неуправляемые перемен­ные, связанные с объектом обработки и состоянием оборудования.

Возмущающие параметры связаны с проявлением случайных ве­личин, характеризуемых изменениями неконтролируемых характе­ристик заготовки или внешней среды;

2) вектора технологических параметров Х= (x₁, x₂, …, x_n). Компоненты этого вектора являются управляемыми переменными, позволяющими выбирать необходимые условия обработки. Обя­зательным условием технологических параметров является возмож­ность их управления и контроля;

3) вектора выходных параметров У= (у₁, у₂, …, у_m). Выходные параметры, ранее названные производными переменными, опре­деляют основные характеристики качества продукции и технико-экономические показатели, связанные с рассматриваемым процессом.

Значение каждого из рассмотренных параметров находится в определенном интервале, задаваемом физической природой данного параметра или требованиями к технологическому процессу, поэтому группа ограничений, связанная с диапазоном варьирования па­раметров, может быть представлена в виде следующей совокуп­ности неравенств:

υ_{k min}≤υ_k≤ υ_{k max} , ;

x_{i min}≤ x_i ≤ x_{i max} , ;

у_{j min}≤ у_j ≤ у_{j max} , .

Решение задач технологического проектирования связано с учетом большого числа факторов, определяющих выполнение ка­кого-либо процесса обработки. Причем в каждой задаче требуется учитывать определенную группу факторов, в наибольшей степени влияющую на принимаемые решения.

Анализ процессов механической обработки показывает, что в большинстве случаев требуется учитывать пять основных групп факторов.

Первая группа факторов характеризует объект обра­ботки (заготовку). Ее составляют:

· вид материала, твердость и другие механические свойства,

· способ получения заготовки, ее размеры, масса,

· точность размеров,

· шероховатость поверхности.

Ко второй группе факторов относятся основные пара­метры орудий труда (станка, приспособления, инструмента):

· вид, кинематика и динамика станка,

· жесткость, прочность и точность отдельных элементов и системы в целом.

Третью группу факторов составляют выбираемые пара­метры инструмента для исследуемого процесса обработки:

· физико-механические свойства материала режущей части инструмента,

· геометрические параметры его заготовки,

· размеры и точность,

· степень изнашивания,

· шероховатость поверхности,

· зернистость и вид связки,

· стойкость инструмента.

Четвертая группа факторов характеризует процесс ме­ханической обработки. Сюда относятся

· время и глубина обра­ботки,

· скорость,

· подача,

· число проходов,

· усилие резания,

· давление, вид и способ подачи технологических сред.

Пятая группа факторов – это технико-экономические по­казатели:

· расход и износ инструмента и станка,

· производитель­ность и себестоимость обработки,

· качество изделия (точность, шероховатость поверхности и физико-химические свойства),

· вид и форма детали.

Вектор входных параметров V объединяет первую и вторую группы векторов. Вектор технологических параметров Х форми­руется из третьей и четвертой групп факторов, а вектор выходных параметров У включает пятую группу факторов.

Выбор необходимого числа параметров обработки связан с требуемой точностью описания математической модели процесса обработки и структурным уровнем отыскиваемых проектных ре­шений. Так, при проектировании маршрута обработки в качестве технических ограничений учитываются вид и материал заготовки, вид и форма детали, ее точность, шероховатость поверхности и физико-химические свойства, вид станка, традиционная форма обра­ботки на заводе, серийность и др.

Наиболее полно описывается математическая модель процесса обработки при выборе оптимальных режимов резания, точность получения которых во многом зависит от числа и достоверности описания технических ограничений.

Большим недостатком используемых в качестве технических ограничений стойкостных и силовых зависимостей для расчета режимов резания является недостаточно высокая точность. В справочной литературе по резанию металлов отсутствуют данные по диапазонам, в которых эти зависимости справедливы. Хотя известно, например, что зависимости для определения стойкости инструмента и усилия резания применимы в довольно узком интервале скоростей резания. Поэтому в настоящее время необходимо проводить исследования и обобщать имеющийся материал по созданию точных функциональных зависимостей, отражающий во всей полноте процесс резания металлов. Причем в основу этих работ должны быть положены результаты современных теорети­ческих и экспериментальных исследований по изучению тепловых явлений и напряженного состояния в зоне резания. При этом вы­полняемые исследования закономерностей протекания различных видов ТП механической обработки должны быть направлены на установление количественных зависимостей, позволяющих обосно­ванно выбирать технические ограничения при создании матема­тических моделей оптимизации решения технологических задач.

Задача оптимизации ТП является комплексной и требует про­ведения анализа и выбора технологических решений на различ­ных уровнях проектирования. Она обеспечивает минимальные зна­чения приведенных затрат с одновременным соблюдением ряда технических ограничений.

При комплексном подходе следует различать два вида опти­мизации ТП, выполняемых на различных этапах технологического проектирования (табл. 8.1):

 

Табл. 8.1. Виды оптимизации на различных этапах проектирования технологических процессов

Этапы проектирования ТП	Оптимизация
структурная	параметрическая
1. Выбор заготовки и методов ее изготовления	+	–
2. Выбор технологических баз	+	–
3. Составление технологического маршрута обработки	+	–
4. Разработка технологических операций	+	+
5. Нормирование ТП	–	+
6. Расчет экономической эффективности ТП	+	+

 

1) структурную оптимизацию – выбор оптимального техно­логического маршрута, операции, перехода, вида и методов изго­товления заготовки, способов базирования, оборудования, приспо­соблений, инструмента и т. д.;

2) параметрическую оптимизацию – выбор оптимальных па­раметров: допусков на межоперационные размеры, припусков, ре­жимов резания, геометрических размеров режущего инструмента и др.

Комплексный подход к оптимизации усложняет решение задачи. Так, при параметрической оптимизации необходимо иметь решение о выборе структуры соответствующего уровня. В то же время структурная оптимизация требует знания значений параметров, входящих в соответствующую структуру. Это противоречие может быть устранено при построении алгоритмов оптимизации техно­логических процессов за несколько итераций.

С точки зрения структурного описания уровней ТП различают этапы проектирования маршрута, операции и переходов. Здесь возможны два подхода к построению принципиальной схемы тех­нологического процесса:

1) маршрут→операция→переход;

2) переход→операция→маршрут.

В первом случае производится последовательный синтез сначала вариантов принципиальных схем обработки, а затем вариантов маршрута и операции. На каждом последующем этапе решения предыдущего этапа детализируются (как правило, в нескольких вариантах). Второй подход основан на анализе отдельных поверх­ностей и проектировании переходов их обработки. Далее переходы упорядочиваются в операции, а операции упорядочиваются в маршрут обработки детали.

Главной особенностью оптимизации технических решений в рассмотренных подходах является необходимость использования на всех уровнях различных критериев оптимальности. Анализ этих критериев показывает, что с точки зрения согласования оптималь­ных решений разных уровней предпочтительнее разработка про­цессов от наиболее общих вопросов к их детализации, что больше свойственно первому подходу. При этом возникает задача полу­чения оптимального решения при проектировании ТП в целом за счет оптимизации отдельных технологических решений на всех уровнях проектирования.

Для реализации рассматриваемого процесса проектирования в САПР ТП используется итерационный многоуровневый процесс оптимизации, содержанием которого является многократное повто­рение процедур анализа, синтеза и оценки. Анализ исходных дан­ных, условий и ограничений позволяет установить границы области возможных технологических решений. С помощью процедур син­теза получают технологические решения, допустимые по совокуп­ности граничных условий. Лучшие по некоторому критерию решения отбираются процедурами оценки.