Единичное проектирование приспособлений, стендов и средств измерений

Организация проектирования. До 80 % трудоемкости технологической подготовки ремонтного производства приходится на проектирование СТО и их изготовление силами собственного вспомогательного производства.

В составе отдела главного технолога предприятия имеются конструкторские бюро по проектированию СТО. Эти бюро проектируют, например, стенды для общей и узловой разборки и сборки агрегатов, машины для очистки деталей от прочных загрязнений, приспособления на металлорежущие станки, штампы для листовой штамповки, инструменты (резцы, фрезы, развертки и др.), пресс-формы для получения отливок из пластмасс и алюминиевых сплавов, стенды для статической балансировки деталей и испытания агрегатов, специальные приборы для измерения параметров расположения поверхностей, организационную оснастку (подставки, стеллажи, тару) и производственную мебель (столы, тумбочки) и многие другие средства. По заказам предприятий проектируют СТО и проектные организации, например ОАО «Институт «Сельхозтепроект» Министерства сельского хозяйства и продовольствия, РУП «Транстехника» Министерства транспорта и коммуникаций, однако основной объем проектных работ приходится на инженерные отделы заводов.

При освоении ремонта (обслуживания) автомобилей или недостатке опыта проектирования СТО их создают отдельными экземплярами, хотя намного экономичнее проектировать всю систему этих средств и поочередно создавать ее части.

Проектирование СТО начинают с разработки технического задания, которое по сути является постановкой задачи. Техническое задание на разработку СТО готовит технолог. Оно включает описание функций, производительности, основных параметров и оценочных критериев создаваемого средства. В техническом задании, например на проектирование приспособления к металлорежущему станку приводят сведения операционной карты: модель станка, операционный эскиз, материал заготовки и его характеристику, технологические базы, места приложения усилий закрепления, обрабатываемые поверхности, операционные размеры в начале и в конце обработки, параметры шероховатости, формы и расположения поверхностей, режимы обработки.

Проектирование приспособлений. На заводах Беларуси эксплуатируется около 2 млн. приспособлений. Срок их службы на порядок меньше срока службы оборудования, для которого они предназначены.

Приспособления проектируют к токарным, сверлильным, рсточным, шлифовальным, фрезерным и другим станкам. При разработке приспособлений необходимо иметь каталоги или паспорта этих станков.

Приспособление состоит из корпуса, опор, механизма закрепления заготовки в приспособлении, элементов закрепления приспособления на станке, устройств для установки, направления и контроля положения инструмента.

При проектировании приспособления изображают заготовку тонкими сплошными линиями (желательно в масштабе 1:1) и обозначают ее обрабатываемые поверхности и технологические базы. Изображают опорные элементы приспособления и инструмент, установленный на резцедержателе, скалке или в шпинделе станка, в крайних положениях и устройства для его направления (например, кондукторные втулки) и поддерживания (например, центра). Количество видов заготовки и расстояния между ними должны быть такими, чтобы можно было изобразить все элементы приспособления и дать представление об его устройстве и работе.

Опоры и устройства для закрепления ориентируют заготовку и лишают необходимого числа ее степеней свободы. Применяют опоры:

– цилиндрические со сферической, насеченной или плоской рабочими поверхностями;

– в виде пластин, шайб, призм, пальцев, оправок и центров с наружными и внутренними центрами;

– регулируемые подводные при обработке нежестких заготовок.

В зависимости от количества и вида лишаемых заготовкой степеней свободы ее технологические базы делят на установочные, направляющие, опорные, двойные направляющие и двойные опорные. Установочная база лишает заготовку трех степеней свободы – перемещения вдоль одной координатной оси и поворотов вокруг двух других осей. Направляющая база лишает заготовку двух степеней свободы – перемещения вдоль одной координатной оси и поворота вокруг другой оси. Опорная база лишает заготовку перемещения вдоль одной координатной оси или поворота вокруг оси. Двойная направляющая база лишает заготовку четырех степеней свободы – перемещений вдоль двух координатных осей и поворотов вокруг этих осей. Двойная опорная база лишает заготовку двух степеней свободы – перемещений вдоль двух координатных осей. Установочные базы должны иметь наибольшую площадь, направляющие – наибольшую протяженность, опорные – небольшие размеры.

В качестве технологических баз применяют:

– плоскую поверхность при обработке корпусов;

– два цилиндрических отверстия с параллельными осями и перпендикулярную к ним плоскую поверхность;

– центровые отверстия или фаски;

– наружную или внутреннюю поверхность вращения и перпендикулярную к ее оси плоскую поверхность;

– наружные или внутренние цилиндрические поверхности с пересекающимися осями.

Продолжая разработку приспособления, выбирают на основании технико-экономического расчета вид привода для закрепления заготовки. Привод может быть ручной (резьбовой, эксцентриковый, клиновой, рычажный и др.) или механический (пневматический, гидравлический, электромагнитный и др.). К заготовке прикладывают силы резания и закрепления, реакции опор и силы трения. Из уравнений равновесия заготовки находят значение расчетного усилия закрепления. Необходимое значение усилия закрепления, обеспечиваемое приводом, получают путем умножения расчетного усилия на коэффициент запаса k

k = k₀k₁k₂k₃k₄k₅k₆, (3.1)

где k₀ – коэффициент гарантированного запаса, равен 1,5; k₁ – коэффициент, учитывающий увеличение сил резания из-за случайных неровностей на обрабатываемых поверхностях, равен 1,2 при черновой обработке и 1,0 при чистовой обработке; k₂ – коэффициент, характеризующий увеличение сил резания при затуплении режущего инструмента, изменяется от 1,0 до 1,8; k₃ – коэффициент, учитывающий увеличение сил резания при прерывистом резании, при таком точении и торцовом фрезеровании равен 1,2; k₄ – коэффициент, характеризующий непостоянство силы закрепления, изменяется от 1,0 до 1,3; k₅ – коэффициент, учитывающий эргономический фактор, при удобном расположении рукоятки и малом угле ее поворота равен 1,0, в противном случае – 1,2; k₆ – коэффициент, учитывающий наличие моментов, стремящихся повернуть заготовку, при установке на штыри равен 1,0, при установке на опорные пластины равен 1,5.

Если в результате расчета значение коэффициента запаса k окажется меньше 2,5, то принимают k = 2,5.

Вычерчивают корпус приспособления, на котором размещены опоры и детали механизма закрепления заготовки. В качестве корпуса приспособления чаще применяют сварную деталь из листового и профильного проката или реже – отливку. Для выполнения отверстий под опоры и резьбу используют бобышки, жесткость корпусу придают применением ребер. На корпусе выполняют элементы для его установки на станке. Неподвижный корпус приспособления закрепляют на столе станка с помощью болтов с гайками. Головки болтов входят в Т-образные пазы стола. Часто на поверхности приспособления, соприкасающейся с поверхностью стола, устанавливают две призматические шпонки, шириной равной ширине паза стола. Эти шпонки быстро базируют приспособление при его установке. Корпус закрепленного приспособления не должен «свисать» со стола станка. Подвижный корпус, например в виде планшайбы, базируют и закрепляют на конической поверхности шпинделя станка. Если планшайбу устанавливают на наружную коническую поверхность, то планшайбу крепят к фланцу шпинделя болтами. Если для установки планшайбы используют внутреннюю коническую поверхность шпинделя, то конус приспособления крепят с помощью длинной резьбовой шпильки, проходящей через отверстие шпинделя.

Убеждаются, что погрешность установки заготовки не превышает допустимую. Детали приспособления рассчитывают на прочность, жесткость и износостойкость.

На рисунке 3.1 в качестве примера приведено спроектированное приспособление к сверлильному станку 2Н135 для одновременного сверления 24-х ступенчатых отверстий в накладке ведомого диска сцепления. Приспособление состоит из подвижной и неподвижной частей. В подвижную часть входит редуктор 2 с оправкой 1, шпиндельные узлы со сверлами 5 и кондукторная плита 6. Эта часть приспособления с помощью клеммового зажима крепится на плунжере шпиндельной бабки. Она перемещается вращение штурвала. Неподвижная часть приспособления, которую крепят к столу станка, – это подставка 7 под заготовку. В подставке имеются отверстия под оправку и для выхода сверл.

Редуктор приводится от шпинделя станка посредством центра 4 с лапкой. Редуктор распределяет момент между всеми шпинделями приспособления, не изменяя частоту вращения. В каждом шпинделе имеется осевое отверстие, в котором установлено сверло, промежуточный стержень и болт 3 с контргайкой. Сверло фиксируется от поворота разрезной втулкой с гайкой. Кондукторная плита установлена на оправке со шпонкой. Корпус редуктора со шпинделями, кондукторная плита и подставка ориентированы друг относительно друга оправкой. Между кондукторной плитой и корпусом расположена пружина.

Рабочая часть каждого сверла выполнена из твердосплавной пластинки, заточенной для получения ступенчатого отверстия. Частота вращения сверла 250 мин^–1. Глубину ступени обработанного отверстия регулируют вращением болта. При регулировке на подставку устанавливают металлическую модель детали. Подвижную часть приспособления при этом перемещают в крайнее нижнее положение, а каждое сверло – до его касания с моделью.

Для обработки накладки необходимо привести шпиндели во вращение, поднять с помощью штурвала подвижную часть приспособления до выхода оправки из отверстия приспособления, установить заготовку, опустить подвижную часть головки до касания сверлами заготовки и в течение 10 с производить их подачу.

Проектирование стендов (технологических машин). В зависимости от функционального назначения стенды (технологические машины) бывают разборочные, очистные, для определения технического состояния изделий, для нанесения покрытий (металлических, полимерных, лакокрасочных), механической обработки несложных поверхностей, сборочные, обкаточные, испытательные (для водяных и масляных насосов, усилителей рулевого механизма и др.), для контроля герметичности внутренних полостей, сушильные и др. Несмотря на то, что проектируемые стенды различны по устройству и назначению, можно определить общую методику их проектирования.

При проектировании стенда изображают тонкими сплошными линиями ремонтируемый (обслуживаемый) объект (желательно в масштабе 1:5) и обозначают его элементы, взаимодействующие со стендом (базовые поверхности, приводные валы и др.). На чертеже изображают опоры стенда, касающиеся технологических баз объекта. Количество видов объекта и расстояния между ними должны быть такими, чтобы можно было изобразить все элементы стенда и иметь представление о его устройстве и работе.

При изображении стенда показывают ремонтируемый (обслуживаемый) объект в рабочих (начальном и последующих) положениях на опорах стенда. Определяют скорость и мощность перемещения объекта. Выбирают механизмы, с помощью которых будут выполняться технологические переходы, приведенные в операционной карте. К таким механизмам относятся, например, двигатели различных видов (электрические, пневматические, гидравлические и др.) и тормоза, механизмы для закрепления, механизмы для технологического перемещения, устройства для подачи материалов и другие.

Вычерчивают корпус стенда, на котором расположены опорные элементы и установлены механизмы стенда.

Корпус стенда, как правило, выполняют в виде сборочной единицы из листового и профильного проката. Крепежными элементами являются резьбовые отверстия, выполненные в листах, профилях или в приваренных бобышках. Плоские направляющие выполняют в приваренных толстолистовых деталях. Жесткость корпусу придают приваренные ребра. Учитывают, что корпус в ряде случаев должен быть закреплен на полу с помощью фундаментных болтов.

Для испытательных и обкаточных средств выбирают нагружающее устройство. Для очистных машин и стендов для нанесения покрытий принимают устройство для подготовки и перемещения материала.

Предусматривают меры по защите рабочего от вредных или опасных факторов (механических, тепловых, лучистых, шумовых, химических и других воздействий) путем установки кожухов, щитков и экранов, блокировки перемещений при открытых люках и дверцах, использования вентиляции, светофильтров и др.

Двигатели, передающие и исполнительные механизмы устанавливают на раме (корпусе) и производят оптимизацию конструкции. Предусматривают подвод производственных ресурсов и отвод отходов.

Выполняют эргономическую проработку изделия. Органы управления должны находиться в зонах досягаемости рук и ног рабочего, усилия на рычаги и педали не должны превышать установленных значений, а показания приборов легко читаться. Стенд должен быть приспособлен к возможностям и особенностям человека.

Стараются, чтобы конструкция стенда была композиционно целостной и пропорциональной. Учитывают категории композиции – тектонику и объемно-пространственную структуру. Тектоника – это зримое отражение работы конструкции и материала объекта в его форме. Объемно-пространственная структура определяется взаимосвязью всех элементов машины как между собой, так и с пространством.

Устанавливают, что детали стенда прочные, жесткие и износостойкие.

На рисунке 3.2 приведен пример разработанного стенда. Настольный гайковерт предназначен для завинчивания гаек шатуна с моментом 68–75 Нм перед механической обработкой нижней головки.

Гайковерт состоит из основания 10, электродвигателя 1 с муфтой 2, планетарного редуктора 3 с устройством для ограничения крутящего момента, делителя момента 4 с двумя шпинделями и ключами 6, опорно-зажимного механизма 7.

Механизм гайковерта, создающий тарированный момент затяжки, включает в себя электродвигатель с муфтой и планетарный двухступенчатый редуктор со специальным с ограничивающим устройством.

Делитель момента с помощью цилиндрического дифференциала распределяет момент на равные части между шпинделями, в которые установлены подпружиненные торцовые ключи. Смыкание их с гайками производится рукояткой 5. Она взаимодействует с конечным выключателем 8, при помощи которого определяется момент подачи напряжения на электродвигатель.

Шатун с наживленными на болты гайками устанавливают на две оправки. Для установки кривошипной головки применяют цанговую оправку с приводом от пневмоцилиндра.

Поворотом рукоятки 9 подают сжатый воздух. Оправка ориентирует крышку шатуна относительно его тела без радиального смещения в направлении стыка. Торцовые ключи с помощью рукоятки 5 надевают на гайки. Одновременно с этим включается и электродвигатель. В зависимости от соотношения моментов трения в резьбах частоты вращения шпинделей могут быть различными, однако крутящие моменты одинаковы. После достижения необходимого момента затяжки обеих гаек происходит кинематическое разъединение потока мощности между электродвигателем и выходными валами планетарного редуктора. Рукоятки 5 и 9 возвращают в исходное положение. Шатун освобождается от ключей оправки.

Применение гайковерта сокращает основное время сборки в 1,7 раза по сравнению со сборкой одношпиндельным гайковертом и контролем момента затяжки динамометрическим ключом.

Техническая характеристика стенда

Тип настольный

Мощность электродвигателя, кВт 1,5

Максимальная частота вращения шпинделей, с^–1 14,4

Передаточное число редуктора 21

Габаритные размеры, мм

длина 1450

ширина 405

высота 400

Масса, кг 120

Проектирование специальных средств измерений. На предприятии проектируют и изготавливают специальные средства для измерения линейных размеров и параметров расположения.

Методика проектирования жестких калибров (пробок и скоб) изложена в курсах нормирования точности и технических измерений.

С помощью других средств собственного изготовления измеряют следующие параметры:

– отклонение от соосности двух или более поверхностей;

– радиальное биение;

– торцовое биение на заданном (чаще наибольшем) радиусе торцовой поверхности;

– отклонение пересекающихся осей от правильного относительного расположения;

– отклонение скрещивающихся осей от правильного расположения, а также отклонениями заданного расстояния между осями;

– непараллельность оси вращения и плоскости на определенной длине;

– неперпендикулярность поверхностей.

Отклонения от соосности шеек, их радиальное биение и торцовое биение фланцев измеряют с помощью индикаторной головки на штативе при вращении вала в центрах или на призмах с упором в свободный торец. Соосность опор корпусной детали и биения их торцов относительно поверхности опор измеряют с помощью индикаторной скалки, вращающейся в крайних опорах детали. Остальные параметры, как правило, измеряют относительным способом.

Комплект контрольного прибора включает корпус, эталон детали и индикаторы. В корпусе приспособления имеются опорные элементы для установки эталона контролируемой детали или самой детали. В необходимых местах прибора установлены неподвижно или с возможностью перемещения индикаторы для измерения линейной величины. При настройке прибора на опоры его корпуса устанавливают эталон, рабочие поверхности которого выполнены с минимальной погрешностью их относительного расположения. Измерительные наконечники индикаторов вводят в соприкосновение с рабочими поверхностями эталона. Стрелки индикаторов совмещают с нулевыми штрихами шкал. Затем вместо эталона на опоры корпуса прибора устанавливают контролируемую деталь. Измерительные наконечники индикаторов вводят в соприкосновение с ее поверхностями. Показания индикаторов определяют отклонения поверхностей от нормативного расположения.

С помощью прибора (рис. 3.3), например, измеряют диаметральные размеры юбки поршня в двух сечениях с ручным поворотом детали относительно ее оси. Перед измерениями детали на опорные элементы 2 прибора устанавливают эталон поршня, имеющий форму образцового цилиндра номинального диаметра, а стрелки индикаторов при этом совмещают с нулевыми значениями шкал. Затем снимают эталон и устанавливают измеряемую деталь. Измеряют размеры детали сначала в положении, при котором ось поршневого пальца горизонтальна (положение 1), а затем в процессе поворотов детали вокруг ее оси в одну и другую сторону на угол примерно 45 ^о (положения 2 и 3). Значение размера в правом сечении, отстоящем от ее торца на 5 мм, в положении 1 определяет диаметр юбки. Показания левого индикатора в этом положении детали определяют значения конусности юбки, а разность показаний каждого индикатора в положении 1, 2 и 3 определяет ее эллипсность.

3.2. Проектирование системы средств технологического оснащения

Организация проектирования. Для каждого предприятия, характеризующегося специализацией и производственной мощностью, существуют оптимальные множества видов СТО и их количество. При проектировании СТО их рассматривают как систему (рис. 3.4). Это означает, что проектируемые объекты, функции которых подчинены общей цели, находятся в связях и отношениях как друг с другом, так и с внешней средой, представляют собой целостное множество. Системный подход к проектированию СТО обеспечивает:

– рассмотрение частей СТО на любом структурном уровне без пропусков и повторений. Это важно для многоэтапной и многовариантной оптимизации, поочередной модернизации их и перекомпоновке при смене предмета труда;

– подчинение проектирования СТО цели технологической готовности производства;

– определение функции цели в виде минимума затрат прошлого (овеществленного), настоящего (живого) и будущего труда на создание и функционирование системы СТО;

– выявление системного эффекта в виде разности затрат, с одной стороны, на создание комплекса единичных машин и на создание их системы, с другой стороны,;

– наличие обратной связи как разницы с стоимостном выражении между входами и выходами системы для принятия промежуточных решений;

– учет ограничений, выраженных сроками подготовки производства, объемами выпуска и показателями качества.

Приведенный подход к разработке и созданию системы СТО предприятия обеспечивает экономически обоснованное и технически оправданное множество типов технических устройств и их модулей. Это уменьшает затраты труда и времени на создание СТО, упрощает их обслуживание и ремонт, позволяет переналадку при смене ремонтируемых (обслуживаемых) объектов.

Для удовлетворения спектра потребностей в технологических переходах над ремонтируемыми (обслуживаемыми) объектами проектные работы СТО ведут на трех их системных уровнях:

– вначале разрабатывают для каждого типа технологических переходов базовый исполнительный агрегат путем его структурного синтеза. Этот агрегат предназначен для выполнения технологического перехода, значение главного параметра которого соответствует модальному (наиболее часто встречаемому) значению функции спроса на агрегаты данного типа;

– затем в результате параметрического синтеза из каждого базового агрегата образуют ряд однотипных агрегатов с измененными значениями главного параметра. Этот ряд агрегатов способен выполнить все технологические переходы данного типа;

– и в заключение разрабатывают компоновки технологических машин, включающие исполнительные агрегаты, выбранные из их типоразмерных рядов.

Методы поиска новых устройств. Один из распространенных методов поиска технических решений – это малоэффективный метод «проб и ошибок», в виде случайного перебора возможных вариантов устройств и технологических воздействий и их сочетаний с использованием интуиции и опыта разработчика.

Литература по техническому творчеству и изобретательству содержит описание десятков логических и эвристических методов поиска новых устройств и процессов. Наиболее эффективные и применяемые из них следующие:

– метод «контрольных вопросов», как упорядочение перебора вариантов с преодолением инерции мышления. Один из наиболее удачных списков вопросов принадлежит Дж. Эйлоарту;

– эвристический метод, описанный Дж. Диксоном, базирующийся на использовании интуиции, фантазии и смекалки, абстрагировании от привычного хода мышления, нередко идущих вразрез с выводами формальной логики;

– метод «гирлянд случайностей и ассоциаций», основанный на сопоставлении схожих признаков случайных предметов и явлений;

– метод «музейного эксперимента», при котором древние методы и устройства служат аналогами для создания современных устройств. Метод учитывает действие философского закона «отрицания отрицания»;

– метод биоаналогии, учитывающий тот факт, что принципы или элементы растительного или животного мира являются прообразами устройств в технике;

– «мозговой штурм» (мозговая атака, совещание пиратов), предложенный А. Осборном после попытки усовершенствовать метод «проб и ошибок»;

– синектика – метод, предложенный В. Дж. Гордоном, как разновидность «мозгового штурма». Он отличается от метода А. Осборна обсуждением проблемы постоянными группами людей разных специальностей с использованием специальных приемов психологической настройки, применением некоторых видов аналогий и, так называемых, операционных механизмов;

– «морфологический анализ» (метод многомерных диаграмм), разработанный Ф. Цвикки. Здесь интуитивный поиск вариантов устройств заменяют интуитивным поиском классов и «координатных осей». При этом синтезируют, как известные, так и новые варианты, которые при простом переборе могут быть упущены;

– метод организующих понятий, разработанный Ф. Ханзеном. Согласно этому методу устанавливают множество понятий и определяют их отличительные признаки. После классификации и сопоставления элементов решений разрабатывают руководящие материалы с последующей комбинацией признаков различных организующих понятий и решений;

– метод «матриц открытия», разработанный А. Молем. Этот метод, как и метод Ф. Цвикки, преследует цель систематического исследования всех мыслимых вариантов, вытекающих из закономерности строения (морфологии) объекта. Однако он гораздо проще и при потере некоторой информации ограничивает количество рассматриваемых вариантов приемлемым числом;

– алгоритм решения изобретательских задач, разработанный Альтшуллером Г.С., включает уяснение условий задачи, преодоление привычных представлений об объекте и психологической инерции, системный подход, определение идеального конечного результата, использование типовых приемов решения. Алгоритм содержит девять этапов решения: переход от расплывчатой изобретательской ситуации к четко построенной и предельно простой задаче; учет имеющихся ресурсов пространства, времени и полей, которые можно использовать при решении задачи; определение образа идеального решения и физического противоречия, мешающего достижению этого решения; продолжение поиска решения, основанного на использовании ресурсов вещества и полей с наименьшими затратами; использование опыта, имеющегося в информационном фонде алгоритма; изменение задачи за счет снятия первоначальных ограничений; проверка качества полученного ответа по критерию затрат на преодоление физического противоречия; определение возможности максимального использования ресурсов найденного решения; анализ решения. На основе алгоритма Альтшуллера Г.С. в Минске разработана компьютерная программа «Изобретающая машина»;

– стратегия семикратного поиска Буша Г.Я., элементами которой являются анализ проблемной ситуации; анализ функций аналогов; формулирование изобретательской задачи; генерирование и конкретизация идей; оценка альтернатив и выбор рациональных вариантов; упрощение и определение использования объекта.

Приведенные методы отличаются друг от друга как сложностью, так и эффективностью поиска. Однако обнаруживается аналогия в структуре и элементах этих методов. Во-первых, процесс решения делится на ряд стадий, во-вторых, наблюдается определенная последовательность стадий, содержащаяся в методах.

В связи с непрерывным развитием науки и техники методы поиска новых технических решений должны отражать происходящие процессы и развиваться. Возможными путями развития являются обновление массивов информации, разработка эффективных поисковых процедур и эвристических приемов, оптимизация состава процедур на всех этапах алгоритма, комплексная формализация процедур, перенос алгоритма на электронные носители и создание соответствующей человеко-машинной программы.

Стремление формализовать поиск новых устройств заставляет выбирать подходящий метод из числа логико-эвристических. Из их числа наиболее подходящим является морфологический анализ Ф. Цвикки. Трудности применения метода заключаются в сложности выделения наиболее эффективного варианта из синтезируемых устройств.

Проектирование базовых исполнительных агрегатов (модулей). Постановка задачи структурного синтеза агрегата – из числа существенных признаков исполнительного агрегата СТО синтезировать структуру этого агрегата, выполняющего заданную технологическую функцию и обеспечивающего минимальные затраты, приведенные к одному технологическому переходу. Существенные признаки агрегата – это составляющие агрегат элементарные механизмы, их связи и отношения между собой. В структуре агрегата каждый из его признаков необходим, а все вместе они достаточны для обеспечения заданной функции агрегата. Заданная функция – это предписанный технологический переход (основной или вспомогательный) над ремонтируемым объектом.

На стадии структурного синтеза одновременно ведут поиск как новых, так и оптимальных технических решений.

Решение базируется на графовом представлении возможных вариантов структуры агрегата и выбора из них оптимальной структуры с применением аппарата динамического программирования.

Различные структуры агрегата (рис. 3.5) описываются графом Г, множество вершин которого p соответствует множеству элементарных механизмов, а множество ребер l – приведенным затратам на создание и эксплуатацию последующего механизма:

Г = (p, l). (3.2)

Граф, построенный на идеях «морфологического анализа», состоит из k горизонтальных рядов вершин, каждый из которых представляет множество исполнений механизма одного вида.

Варианты механизмов агрегата находят из логических и эвристических представлений о различных способах преобразования энергии и движения, разных конструкциях элементов и их взаимного расположения. Большое количество вариантов агрегата получают за счет сочетаний как известных, так и новых его частей.

Подмножество вершин, взятых по одной из каждого ряда графа, определяет одно исполнение агрегата. Несовместимость некоторых механизмов между собой сокращает количество вариантов агрегата. Множество сочетаний механизмов агрегата W, находящихся в конъюнктивно-дизъюнктивных связях «И – ИЛИ», выражается соотношением

, (3.3)

число таких исполнений достигает значения m₁·m₂·...·m_k.

Определим длину каждого ребра графа как затраты на создание и эксплуатацию последующего механизма, отнесенные к одному технологическому переходу. Расчет ведут для модального значения гистограммы потребностей (рис. 3.6.) в агрегатах данного типа.

Подмножество вершин на кратчайшем пути из вершины О в одну из вершин нижнего ряда вершин графа определяет оптимальную структуру агрегата. Этот путь определяют с помощью принципа оптимальности
Р. Беллмана, используя свойство аддитивности целевой функции по составным частям агрегата. При этом находят направления движения из каждой вершины графа с помощью реккурентного соотношения

L_i+1 = min (по всем вершинам графа) [l_(i+1)–1 + l_i], руб, (3.4)

где i – шаги решения; l_i – приведенные затраты на технологический переход (далее: затраты), отнесенные к i механизмам агрегата, при условии, что соответствующий участок графа выбран оптимальным образом, руб.; L_i+1 – затраты, отнесенные к i+1 механизмам, руб; l_(i+1)–1 – затраты, отнесенные к присоединению (i+1)-го механизма агрегата к i его механизмам, руб.

Выбранные на графе направления движения из его вершин обозначают стрелками. Эти связи обусловливают оптимальные сочетания механизмов на предыдущих шагах с механизмом на последующем шаге. Расчеты, при этом, ведут от вершин нижнего ряда к вершине О. В вершины графа вписывают значения l_i+1.

Двигаясь из вершин О графа в найденных направлениях через одну из вершин каждого яруса графа, находят сочетания механизмов агрегата, характеризующиеся, при прочих равных условиях, наименьшими затратами, отнесенными к одному технологическому переходу. Соответствующее значение целевой функции читают в верхней вершине графа.

Спроектированный агрегат способен выполнять самостоятельную функцию, он имеет стыковую поверхность с крепежными элементами для его установки на станине оборудования. Таким образом, агрегат превращается в модуль, который многократно применяют в технологических машинах, выполняющих различные операции. После производственной апробации технологические модули подлежат заводской стандартизации.

Пример разработки технологического модуля для очистки деталей от маслогрязевых и асфальтосмолистых загрязнений в растворах синтетических моющих средств.

Комплект очищаемых деталей двигателя включает блок цилиндров, шатуны, поршни, коленчатый и распределительный валы, крышки, картеры и другие детали. Для очистки применяют водный раствор Лабомид-101 или -203 при температуре 80–90 ^оС. Массовая доля очистных средств составляет 20–30 г/л. Технологический модуль образуется из шести типов устройств (табл. 3.1), выполняющих функции подачи деталей в зону очистки, технологического перемещения деталей в рабочей камере, подогрева раствора, взаимодействия раствора с деталями, активации очистного раствора и его регенерации. Устройство каждого типа может быть выполнено в различных видовых исполнениях. Сведения морфологической матрицы представлены в виде графа (рис. 3.6), который формирует 2304 варианта модуля. Значения затрат приведены в долях базовой величины (БВ).

Таблица 3.1

Морфологическая матрица составляющих устройств технологического модуля для очистки деталей

Оптимизационные расчеты начинаем с определения путей движений из вершин предпоследнего 6-го яруса графа, поскольку ниже его 7-го яруса значения затрат l_i формально равны нулю.

Сравниваем между собой пути выходящие из вершин 6а, 6в и 6д. Все самые короткие пути из указанных вершин ведут в вершину 7д. Все дуги, ведущие в эту вершину, ориентируем стрелками, а в вершины 6-го яруса вписываем значение функции цели l_i+1 = 0,08 БВ.

Аналогично, все самые короткие пути из всех вершин 5-го яруса проходят через вершину 6в, из вершин 4-го яруса – через вершину 5а, из вершин 3-го яруса – через вершину 4д и из вершин 2-го яруса – через вершину 3д. Из вершины 1в возможны четыре пути движения, но самый короткий из них ведет через вершину 2а. Отмеченные короткие пути из вершин ярусов обозначаем стрелками, а в вершины графа вписываем соответствующие значения функции цели l_i+1.

Теперь легко находится самый короткий путь из вершины 1в в одну из вершин 7-го яруса. Этот путь можно прочитать, если двигаться из вершины 1в в направлении ориентированных дуг. Кратчайший путь проходит через вершины 1в – 2а – 3д – 4д – 5а – 6в – 7д. Значение функции затрат равно 0,71 БВ. Прохождение кратчайшего пути через вершину 5а соответствует очистке деталей без движения их в очистном растворе, что весьма эффективно при очистке деталей в межсменное время при отключенной подаче тепла на нагрев раствора. Эту возможность нельзя использовать в течение рабочей смены. Поэтому мысленно исключаем из графа вершину 5а и связанные с ней дуги. После повторения расчета получаем сочетание вершин графа: 1в – 2а – 3д – 4д – 5д – 6в – 7д. Это сочетание описывается конструктивными признаками: комплект деталей на очистку подают конвейером, устройство для перемещения деталей в рабочей камере обеспечивает их вращение вокруг горизонтальной оси, нагрев технологического раствора производится пленочными нагревателями, раствор взаимодействует с очищаемыми деталями вихрями в сплошной среде (что достигается при погружном способе очистки), раствор активирован роторами-активаторами, раствор регенерируют с помощью механических фильтров. Новое значение функции затрат на очистную операцию равно 1,05 БВ.

Принципиальное устройство разработанного технологического модуля приведено на рисунке 2.12.

Главные параметры исполнительных агрегатов (см. рис. 3.7) связаны с основными характеристиками ремонтируемых объектов. Системный подход требует сведения в одну группу одноименных переходов, выполняемых оборудованием различных видов. Для удовлетворения потребности в технологических воздействиях на ремонтируемые объекты необходимо иметь около 50 типов исполнительных агрегатов. Этот важный вывод о структуре технологических машин позволяет сосредоточить основные проектные работы на разработке небольшой номенклатуры исполнительных агрегатов и их рядов, из которых могут быть скомпанованы различные машины.

Анализ применения исполнительных агрегатов в технологических машинах показывает (табл. 3.2), что наиболее насыщенными агрегатами должны быть разборочные, сборочные, контрольно-измерительные, металлообрабатывающие, балансировочные и обкаточные машины. В свою очередь, наиболее часто применяют исполнительные агрегаты для базирования, закрепления, внутриоперационному перемещению деталей и сборочных единиц. Насыщение средств ремонта этими агрегатами существенно повышает уровни механизации и автоматизации ремонтного производства в целом.

Введение в состав технологических машин устройств для подачи и ориентирования заготовок и деталей на операциях определения их технического состояния, контрольных, обрабатывающих и сборочных существенно сокращает (в 1,5–2,5 раза) трудоемкость этих операций.

Таблица 3.2

Применение исполнительных агрегатов в технологических машинах

Проектирование типоразмерных рядов исполнительных агрегатов. Параметрический синтез исполнительных агрегатов СТО как стадия проектирования учитывает тот факт, что технологические переходы одного типа описываются различными значениями основного параметра (массой перемещаемого ремонтируемого объекта, моментом вращения и др.). Агрегаты, входящие в типоразмерные ряды, служат для выполнения одноименных перехода, поэтому для них возможно выделение одного главного параметра, с которым связаны существенные характеристики этих агрегатов.

Постановка задачи построения оптимального типоразмерного ряда (ОТР) агрегатов – построить их ряд с такими значениями главного параметра, чтобы удовлетворялась потребность в этих агрегатах с наименьшими затратами. Задачу решают путем составления различных рядов значений главного параметра агрегатов без пропусков и повторений и выбора из этого множества тех значений параметра, которые обеспечивают минимальные затраты на создание и эксплуатацию агрегатов ряда.

На стадии параметрического синтеза сохраняют конструктивную схему устройства, тем самым ограничивают множество его исполнений и обеспечивают преемственность.

Исходными данными для решения данной задачи являются результаты решения предыдущей задачи синтеза оптимальной структуры агрегата, а также гистограмма спроса на агрегаты с различными значениями главного параметра, сведения о затратах на создание и эксплуатацию агрегатов при различных значениях главного параметра, производительность агрегатов.

ОТР агрегатов находят следующим образом.

Строят интегральную функцию спроса в координатах «главный параметр – потребность» (рис. 3.8). Функция представляет собой сумму технологических переходов в год n_i, выполняемых агрегатами со значениями главного параметра, не превосходящими значение М_i (i = 1…l, l – число дискретных значений главного параметра). Кумулята начинается в вершине О и заканчивается в вершине L. Процентное отличие любых двух значений главного параметра друг от друга, отложенных на оси абсцисс, должно быть соразмерено с точностью экономических расчетов, сопутствующих проектированию механизмов. Это отличие должно в 2–3 раза превосходить относительную величину экономического допуска расчетов эффективности проектируемых механизмов. Так, например, использование метода удельных показателей дает ошибку прогноза себестоимости механизмов до 50 %, балльный метод до 20 %, метод корреляционного анализа – до 10 %, а методы, основанные на изучении парка деталей СТО, – до 5 %.

Агрегат со значением главного параметра М_i может выполнять все функции агрегатов с предыдущими значениями главного параметра.

В выбранных координатах строят множество различных рядов агрегатов, удовлетворяющих функции спроса. Этому условию соответствуют кумуляты, начинающиеся в точке О, оканчивающиеся в точке L и расположенные внутри контура, ограниченного кумулятой спроса, горизонталью и вертикалью, проходящими, соответственно, через точки О и L. Вершины перегибов графа определяют значения главного параметра, входящие в ряд. Максимальное число таких рядов, образованных из агрегатов с числом значений главного параметра l, равно 2^l. Горизонтальные ребра графа соответствуют затратам З' на ввод агрегатов в эксплуатацию с фиксированными значениями главного параметра, вертикальные – затратам З" на эксплуатацию агрегатов.

Затраты З' равны

З' = k₁ К, руб, (3.5)

где k₁ – доля капиталовложений, относящихся к году эксплуатации агрегатов; К – капиталовложения в агрегаты.

При расчете величины К учитывают фактор серийности – увеличение объема выпуска агрегатов с одним и тем же значением главного параметра приводит к уменьшению капиталовложений в отдельный агрегат.

Потребность во введенных агрегатах, выраженная количеством технологических переходов, определяют разностью между ординатой функции спроса и количеством переходов, выполняемых агрегатами с меньшими значениями главного параметра.

Затраты З" равны технологической себестоимости, связанной с эксплуатацией агрегатов.

Таким образом, длина пути из вершины О в вершину L определяет затраты на ввод в эксплуатацию и саму эксплуатацию ряда агрегатов, приведенные к одному году их использования.

Задача выбора ОТР сводится к поиску кратчайшего между вершинами О и L на координатной плоскости (М;Σn_i). Путь, соответствующий минимальному значению ΣЗ'_i + ΣЗ"_i определяют с использованием рекуррентного соотношения

З_j+1 = min (по всем узлам сети) [З_(j+1)–j + З_j], руб (3.6)

где j – шаги решения; З_j+1 – затраты, соответствующие пути для j+1 шагов, считая от вершины L, руб; З_j – затраты, соответствующие пути движения для j шагов, при условии, что этот путь выбран оптимальным образом, руб; З_(j+1)–j – затраты, соответствующие (j+1)-му шагу, руб.

В вершины вписывают соответствующие значения З_j+1 и стрелками указывают направления движения из этих вершин на ближайшем шаге.

По соображениям полного использования агрегатов в типоразмерном ряду, путь движения из каждой вершины графа, не принадлежащих диагонали ОL, направлен вертикально в верхнюю вершину. Движение из вершины (М_l–1, Σn_i) возможно лишь по горизонтали вправо. Таким образом, неизвестными являются направления движения из остальных вершин диагонали ОL, которых на одну меньше, чем значений главного параметра, используемых для построения дискретной кумуляты спроса.

После определения направления движения из первой вершины О становится известным кратчайший путь движения по сети вершин, который обеспечивает минимум приведенных затрат на ввод в действие и функционирование агрегатов ряда. Вершины перегибов найденного пути дают значения главного параметра агрегатов, составляющих ОТР. Полученные значения параметра должны быть согласованы с системой предпочтительных чисел.

Необходимость широкого рассмотрения всевозможных вариантов технических решений требует применения вычислительной техники. С целью сокращения трудоемкости расчетов при решении задач структурного и параметрического синтеза агрегатов и их рядов используют программы для персональных ЭВМ, которые находят кратчайшее расстояние между двумя заданными вершинами сети. Такими вершинами являются вершина О и одна из вершин нижнего яруса (рис. 3.6 и вершины О и L (рис. 3.8).

Пример определения ОТР исполнительных агрегатов для разборки прессовых соединений ремонтируемых двигателей.

Типоразмерные ряды пневматических и гидравлических приводов с фильтрующей и распределительной аппаратурой применяют для закрепления и перемещения деталей и узлов при разборке, сборке и испытаниях объектов и обработке за