Системный подход – методологическая основа технологии машиностроения

Разнообразие объектов, проектируемых и изготавливаемых в машиностроении (машина, изделие, деталь, сборочная единица, технологический процесс, средства производства и контроля и др.), ставит вопрос о необходимости их изучения с единых позиций. В связи с этим все большее значение для развития технологии машиностроения приобретают системные методы исследования объектов и процессов их взаимодействия [12].

Основу системного подхода составляет представление машины, изделия, детали, сборочной единицы, технологического процесса и т.п. как системы, имеющей связь с окружающей средой, состоящей из взаимосвязанного множества элементов и выступающей как единое целое. Технические объекты и технологические процессы в области машиностроения в дальнейшем будут обозначаться Т-системы (технические системы).

Любой технологический процесс (ТП) функционирует в связи с другими технологическими процессами и подсистемами производственного процесса. ТП состоит из совокупности операций, установов, позиций, переходов. Отсюда ясно, что технологический процесс является системой и для его синтеза и анализа возможно применять методы теории систем.

Первичным понятием теории систем является понятие объекта и окружающей его среды. Взаимодействие окружающей среды и технологического процесса представляется в виде связей (рис. 3.2.1). По направлению воздействия вся совокупность связей разделяется на подмножество входов Х и подмножество выходов У. Через свои входы система ТП воспринимает действие других подсистем производства и систем управления, а через выходы сама воздействует на них.

Рис. 3.2.1. Схема связей системы «Технологический процесс» с системами управления и технической подготовкой производства

Входами в систему ТП служат материальные потоки в виде заготовок и управляющая информация в виде технологической документации, плановых заданий. Эта информация содержит алгоритм управления процессом обработки деталей и календарные сроки их изготовления. К выходам системы относятся изготовленные детали и информация о технологических отклонениях, возникающих при их изготовлении, регистрируемых подсистемой оперативного учета. В подсистеме оперативного планирования и регулирования часть отклонений компенсируется, а информация о более серьезных отклонениях, таких как отсутствие или поломка инструмента, несоблюдение технологических размеров и др., передается подсистемой оперативного учета в подсистемы технологической и конструкторской подготовки производства.

Нормальное протекание технологического процесса обеспечивается системой оперативного управления, которая осуществляет согласование входных и выходных материальных, энергетических и информационных потоков во времени.

В целом, входы и выходы следует рассматривать как отношения между системой ТП и окружающей средой.

Качественная определенность технических систем и процессов обусловлена их структурой, под которой понимается совокупность устойчивых отношений между частями целостного объекта или процесса. Относительная выделенность частей Т-систем и их взаимосвязь – это две противоположности. В связи с этим структуру любого объекта или процесса можно рассматривать как единство противоположных сторон: расчлененности и целостности.

Расчлененность является одной из общих сторон структуры и характеризуется тремя признаками:

– качественной спецификой частей системы;

– количеством частей, на которые расчленяется система;

– взаимным расположением частей в пространстве и во времени.

Так, деталь типа «Тело вращения» можно разделить на элементы вращения и плоскости. Изменение качественного состава и количества этих элементов вызывает изменение структуры детали. Технологический процесс обработки разделяется на различное число качественно различных операций: токарные, фрезерные, шлифовальные и т.п. Изменение качественного состава и количества операций при обработке одной и той же детали вызывает изменение структуры технологического процесса. В то же время следует отметить, что качественные и количественные изменения в составе Т-системы в пределах меры не влекут за собой структурных изменений.

Так, увеличение количества фасок, канавок, резьб и т.п. не влечет за собой структурных изменений детали; замена фрезерной операции на строгальную при обработке плоских деталей или различная степень дифференциации однородных операций не приводит к существенным изменениям структуры технологического процесса и т.д.

Одинаковый количественный и качественный состав еще не свидетельствует об идентичности структур технических систем. Различное взаимное расположение одинаковых операций в технологическом процессе или узлов в сложных объектах оказывает существенное влияние на их структуру. Например, одинаковое количество переходов и их содержание, но выполняемых на различных станках, определяет различие структур технологических операций. Если эти переходы выполняются на токарно-револьверном станке, то это операция последовательного совмещения переходов, а если на токарном многошпиндельном автомате, то – операция параллельного совмещения переходов, т.е. операции различных структур.

Таким образом, только совокупность трех признаков – качество частей, количество частей и их взаимное расположение – характеризует способ расчленения.

Для каждой системы существует несколько способов расчленения на подсистемы или части. Например, технологический процесс можно расчленить на операции по-разному, деталь можно по-разному расчленить на элементы и т.п. Выбор способа расчленения определяется типом решаемых задач. Так, например, при проектировании заготовки деталь расчленяют на геометрические тела, при механической обработке – на поверхности, при проектировании операций для станков с ЧПУ – на линии движения инструмента.

Каждому способу расчленения соответствует определенный тип взаимосвязей частей системы – своя форма целостности.

Целостность – это вторая сторона структуры. Она характеризуется связями частей, благодаря чему объекты и процессы выступают как единое целое.

Для описания объекта или процесса как целого необходимо выбрать математический аппарат, наиболее просто и адекватно отображающий взаимосвязь элементов и структуру Т-систем. Наиболее удобным математическими аппаратом является теория графов и математическое моделирование.

Например, взаимосвязь структурных элементов в технологическом процессе или какой-либо его части (элементе) может быть задана графом S(Q,W) множество вершин которого соответствует операциям (переходам), а множество дуг – отношениям, отражающим временную упорядоченность частей процесса: ρ – последовательное совмещение элементов процесса; ω – параллельное совмещение элементов процесса (одновременное выполнение операций, переходов, приемов и т.д.); t – сдвиг по времени в выполнении элементов процесса (начало выполнения двух соседних элементов процесса сдвинуто на время t). На рис. 3.2.2 показана схема многоинструментальной операции и граф ее структуры. Вершинами графа обозначены технологические и вспомогательные переходы, а дуги используются для задания порядка выполнения их и времени между началами двух соседних переходов.

Взаимосвязь структурных элементов детали также может быть задана в виде графа S_д(Э, С), множество вершин которого соответствует элементам детали, а множество дуг – связям между этими элементами, в качестве которых могут выступать линейные размеры и требования взаимного расположения элементов. Пример модели детали типа «Тело вращения» представлен на рис. 3.2.3.

Так как внутри выделенных в объекте или процессе элементов при более глубоком исследовании можно выделить внутренние границы, т.е. входящие в него элементы (в операции – переходы, в переходах – рабочие хода и т.д.), то это дает основание говорить о многоуровневой структуре элементов объекта и связей между ними.

Рис. 3.2.2. Сема наладки многоинструментальной операции, выполняемой на токарном автомате: а – схема операции; б – граф ее структуры

Среди исследуемых свойств объектов и процессов важнейшим является функциональное свойство системы. В широком смысле функцию системы можно определить как ее способность к целесообразной деятельности в рамках более сложной системы, в состав которой она входит. Поэтому при системных исследованиях следует выделять общую функцию всего объекта или процесса и частные функции отдельных его элементов.

Комбинация свойств объекта (например, размеры, точность, качество поверхности, физико-механические свойства элементов детали) характеризуют состояние Т-системы. При изменении условий существования Т-системы или с течением времени возможны изменения ее состояния. Поэтому важным этапом исследования является установление наличия и закономерностей изменения свойств Т-системы или ее составных частей в ходе взаимодействия с другими системами.

Таким образом, при исследовании и описании Т-систем следует составить следующие модели:

– функциональную, которая призвана отразить назначение системы, время и место ее функционирования и функциональное взаимодействие с другими системами;

– структурную, которая призвана охарактеризовать состав элементов системы, их свойства и связи между элементами;

– информационную, которая содержит сведения об информационных потоках, связывающих систему с окружающей средой; требования к параметрическим характеристикам системы и возможности их обеспечения; сведения о наличии погрешностей и закономерностях их образования;

– организационную, которая объединяет функциональную, структурную и информационную модели в единую систему.

Рис. 3.2.3. Моделирование системы «Деталь»:
а – чертеж детали; б – граф структуры детали; Э_В – элемент вращения; Э_П – плоскостной элемент

Моделирование очень важно для формализации процессов проектирования при автоматизации последнего. Для описания дискретных объектов и процессов целесообразно использовать аппарат теории множеств, графов, линейной алгебры, математической логики и теории алгоритмов.

Для разработки информационной модели системы ТП вся необходимая информация делится на блоки по виду источников этой информации. Такая модель представлена на рис. 3.2.4.

В модели выделены следующие пять блоков:

– предмет производства (блок 1), источником информации о котором служат конструкторские чертежи,

– объем выпуска (блок 2), источником информации о котором служит плановое задание и сроки его выполнения,

– производственная обстановка (блок 3), источником информации о которой служат каталоги оборудования, приспособлений, инструмента и другой оснастки, имеющейся на предприятии,

– организация производства (блок 4), источником информации о которой служит структура завода, разделение его на цеха, участки и методы работы каждого подразделения,

– технологический процесс (блок 5), информацией о котором является набор технологической документации и который является предметом проектирования в технологии машиностроения.

Выясним взаимосвязи между блоками информационной модели.

Рис. 3.2.4. Информацион­ная модель системы ТП

Прямая связь ПП – ТП характеризует то, что вид ПП предопределяет вид ТП. Если предметом производства является машина, то проектируется ТП сборки, если – деталь, то ТП механической обработки, если – заготовка, то ТП изготовления отливки, штамповки и т.д.

Обратная связь ТП – ПП характеризует отработку технологичности ПП по результатам внедрения ТП.

Связь ПП – ПО определяется выбором того оборудования, которое необходимо для изготовления ПП.

Прямая связь ОВ – ТП заключается в определении типа производства, в условиях которого будет реализован данный ТП.

Обратная связь ТП – ОВ отражает то, что по данному ТП без увеличения парка станков и количества рабочих можно обеспечить только заданный объем выпуска ПП, на который проектировался данный ТП.

Связь ОВ – ПП предопределяет отработку технологичности ПП для данного типа производства.

Связь ОВ – ПО заключается в определении количества оборудования, оснастки и инструмента для выпуска заданного количества ПП.

Связь ОВ – ОП заключается в том, что организация производства должна проводиться в зависимости от его типа.

Прямая связь ПО – ТП отражает то, что для разработки ТП следует применять только те оборудование, оснастку и инструменты, которые имеются на данном предприятии.

Обратная связь ТП – ПО заключается в необходимости изменять производственную обстановку модернизацией оборудования, изготовлением новой оснастки и инструмента.

Прямая связь ОП – ТП заключается в необходимости при проектировании ТП учитывать реально существующую организацию производства.

Обратная связь ТП – ОП отражает возможную реорганизацию производства по проектируемому ТП.

Связь ОП – ПО характеризует распределение оборудования по цехам и участкам.

В начальный момент проектирования исходным является описание предмета производства, который является представителем технических систем. Эта система называется техническая система «Предмет производства» (ТСПП) и состоит из объединения сборочных единиц, каждая из которых является объединением деталей. Учитывая дискретный состав системы, она описывается выражением

1 ≤ i ≤ k; 1 ≤ e ≤ s;

1≤ n ≤ m;

1≤g ≤ z,

где ТСПП – символьное обозначение технической системы «Предмет производства»;

СЕ_i – символьное обозначение технической системы «Сборочная единица»;

Д_е – символьное обозначение технической системы «Деталь»;

Э_g – символьное обозначение элемента детали.

В структуре ТСПП выделяется три уровня детализации или расчленения: генеральная сборка, сборочная единица и деталь.

При всей сложности ТСПП можно выделить лишь две разновидности технологических процессов ее изготовления:

– сборочный технологический процесс изготовления сборочной единицы или всего объекта в целом, представляющий собой процесс, в ходе которого собираемые элементы (детали, сборочные единицы) меняют свое положение в пространстве и приобретают все необходимые связи (геометрические, кинематические, электрические и т.п.) между собой;

– технологический процесс изготовления отдельной детали, являющийся процессом изменения состояний и положений ее элементов от исходного до конечного, соответствующего требованиям конструкторского чертежа.

Выделенные разновидности системы ТП позволяют создать модели системного образования, описывающие существование объекта производства в период его изготовления. Это системное образование конкретизирует понятие «изделие» и в дальнейшем будем его именовать техническая система «Изделие» (символьное обозначение ТСИ).

Обе системы ТСПП и ТСИ описывают один и тот же объект, но в разное время его существования. Первая (ТСПП) отражает взгляд на него конструктора, вторая (ТСИ) — технолога, проектирующего технологический процесс изготовления предмета производства. Он в соответствующей документации (схемы сборки, операционные эскизы) отражает этапы существования объекта в ходе его изготовления. Общность объекта описания предопределяет и одинаковый поэлементный и структурный состав этих систем. Однако, с учетом временного фактора и происходящих с объектом изменений в описании систем имеют место некоторые различия, связанные с наложением технологических требований, изменением состояний элементов системы. С учетом сказанного, техническая система «Изделие» описывается следующим выражением

1 ≤ i ≤ k; 1 = e ≤ s;

1≤ n ≤ m;

1≤g ≤ z, 0 = h ≤ f,

где СЕ^Т_i — символьное обозначение сборочной единицы с наложенными технологическими требованиями;

Д^Т_i — символьное обозначение детали с наложенными технологическими требованиями;

ТСЗ — символьное обозначение технической системы «Заготовка»;

h — состояние заготовки в каждый момент времени протекания технологического процесса (f — конечное состояние).

Система ТСИ характеризует цели технологического процесса, дифференцированные по времени и месту его проведения.

При проектировании ТП технологом определяются средства труда, их взаимодействие с объектом производства, в результате чего в последнем происходят преобразования.

Сложные образования, в ходе функционирования которых происходят преобразования объекта (изменение размеров, шероховатости поверхности, положения в пространстве и т.п.) называются системами преобразования.

С учетом видов технологических процессов, эти системы разделяются на сборочные (техническая система сборки — ТСС) и обработки (техническая система обработки — ТСО).

Математическая модель сборочной системы имеет вид

где СЕ^Т_i , CE^Т_j — собираемые сборочные единицы (детали);

∏_i , ∏_j — сборочные приспособления;

СО — сборочное оборудование.

Математическая модель системы «Обработка» имеет следующий вид

где Э_б, Э_о — соответственно базирующий и обрабатываемый элементы технической системы «Заготовка»;

П — приспособление;

С — станок;

ПИ — приспособление для инструмента;

И — инструмент;

Т_ср — технологическая среда.

Граф структуры технической системы обработка представлен на рис. 3.2.5.

Рис. 3.2.5. Граф структуры технической системы «Обработка»: ТСЗ – техническая система «Заготовка»; Эб – базирующий элемент ТСЗ; Эо – обрабатываемый элемент ТСЗ; П – приспособление; С – станок; ПИ – приспособление для инструмента; И - инструмент

Технологический процесс — это объединение некоторого конечного числа технических систем «Обработка»

ТП = <ТСО₁, ТСО₂,..., ТСО_i, ..., ТСО_k>.

Технические системы «Обработка» включают технологические переходы. Системы «Обработка» по общности оборудования и приспособления объединяются в операции. При этом операция характеризуется и общностью базового элемента. Особенность операции определяется в первую очередь обособленностью ее целей. Это значит, что в структуре «Заготовка» необходимо выделять обособленные совокупности элементов, преобразуемых на каждой операции.

Выделенные здесь системные образования ТСПП, ТСИ, ТСО, ТСС и составляют объект дальнейших исследований технологии машиностроения.