Выбор вариантов технологических процессов изготовления деталей является сложной многокритериальной задачей на стадии технологической подготовки производства. Каждый из вариантов технологических процессов включает множество технологических решений:
- на этапе получения заготовки - выбор технологического метода и структуры технологического процесса изготовления заготовки;
- на этапе механической обработки заготовки - выбор планов обработки поверхностей и комплектов технологических баз, технологического оборудования и средств технологического оснащения, режимов резания и параметров режущего инструмента, структуры технологических операций и технологического процесса в целом.
В качестве критериев оптимальности вариантов технологического процесса используются технико – экономические показатели:
- стоимостные (цеховая и технологическая себестоимость);
- временные (продолжительность производственного или технологического цикла, основное и вспомогательное время обработки заготовки, производительность процесса обработки и др.);
- энергетические, связанные со снятием припуска при обработке,
- материальные (металлоемкость, коэффициент использования металла, коэффициент использования заготовки)
Перечисленные показатели влияют на эффективность выбранного варианта технологического процесса, однако их использование в качестве критериев оптимизации связано с большими трудностями в силу того, что указанные показатели находятся между собой в сложной системе отношений согласования и противоречия.
Отношение согасования между временными и стоимостными критериями оптимальности характеризуется тем, что при варьировании параметрами технологического процесса (например, увеличение подачи и скорости резания, повышение уровня технологического оснащения) повышение производительности процессов сопровождается одновременно снижением технологической себестоимости и обратно. Эта взаимосвязь критериев оптимальности вызвана тем, что повышение производительности процесса приводит к снижению основного времени обработки и, как следствие, к снижению затрат на восстановление и амортизацию технологического оборудования и заработную плату. Указанная взаимосвязь имеет место в том случае, когда доля затрат на восстановление и замену режущего инструмента невелика с остальными составляющими технологической себестоимости.
Отношение противоречия между временными и стоимостными критериями оптимальности характеризуется тем, что при варьировании параметрами технологического процесса уменьшение временных показателей одновременно сопровождается увеличением стоимостных. В качестве примера отношений противоречия между указанными критериями оптимальности можно привести зависимость между трудоемкостью и технологической себестоимостью корпусной детали механизма перемещения пиноли. Эта зависимость показана на рис.5.9.
Варьируемыми параметрами технологического процесса в данном примере являются метод получения заготовки (литье в земляные формы и кокиль) и используемое технологическое оборудование на стадии механической обработки.
1 – литье в кокиль – многоцелевой станок; 2- литье в кокиль – универсальный станок; 3- литье в песчаную форму - многоцелевой станок; 4 - литье в песчаную форму - универсальный станок
Рис.5.9. Кривая Парето для критериев оптимизации “технологическая себестоимость - трудоемкость” изготовления корпусной детали механизма перемещения пиноли.
Затраты на снятие припуска повышаются с увеличением производительности процесса и, прежде всего, на счет снижения стойкости инструмента и повышения затрат на амортизацию инструмента (рис.5.10).
S1> S2> S3> S4 – значения подач
Рис.5.10. Зависимость стойкости инструмента от скорости резания
Снижение трудоемкости изготовления детали объясняется уменьшением припуска на механическую обработку отливки и использованием высокопроизводительного оборудования (фрезерно-сверлильно-расточной станок типа ИР500МФ4). Увеличение технологической себестоимости при снижении трудоемкости объясняется увеличением затрат на использование точного метода получения отливки (литье в кокиль) при небольшом масштабе выпуска (1000 деталей в год) и затрат на амортизацию оборудования.
Следует отметить, что в условиях мелкосерийного и серийного производства оптимальные варианты технологического процесса х1 и х2 по критериям соответственно технологической себестоимости и трудоемкости, чаще всего не совпадают между собой. Поэтому отношения согласования между критериями носят локальный характер и превращаются в отношения противоречия в окрестности вариантов хl и х2 .
Выбор критериев оптимальности при проектировании технологического процесса представляет собой проблему технологии машиностроения. Можно отметить следующие методы многокритериальной оптимизации:
1) - выделения из допустимой области вариантов технологических процессов таких вариантов, каждый из которых не может быть улучшен по совокупности критериев (Парето-множество);
2) - ранжирования критериев оптимальности по степени их важности с последовательной оптимизацией по этим критериям;
3) - использования обобщенных критериев оптимальности;
4) - последовательных уступок и др.
Пример Парето – множества показан на рис.6.38. Например, вариант 2 не может быть улучшен по двум критериям С и Т. Вариант 1 лучше по критерию Т, но хуже по критерию С, а варианты 3, 4 лучше по критерию С, но хуже по критерию Т. Метод ранжирования критериев заключается в том, что в отдельных задачах критерию себестоимости С присваивается более высокий ранг по сравнению с критерием времени Т, а в других задачах – наоборот (например, для деталей, цикл изготовления которых влияет на время поступления их на сборку). Обобщенные критерии оптимальности W учитывают рассматриваемые критерии С и Т с различными весовыми коэффициентами a – W = a1 C + a2 T, где
a1 + a2 = 1, a1 , a2 >= 0
Метод последовательных уступок заключается в том, что определяются оптимальные варианты по каждому из рассматриваемых критериев оптимизации и далее расширяется окрестностность каждого оптимального варианта до тех пор, пока в пересечение окрестностей не попадет один из вариантов ТП
Особенность задач проектирования технологических процессов заключается в том, что их решение оказывет влияние на задачи управления производством на участках механической обработки заготовок, которые являются задачами верхнего уровня иерархии. Поэтому научно обоснованный выбор критериев оптимизации возможен лишь при проектировании технологического процесса не для каждой детали, а для совокупности деталей производственной программы выпуска и выбранная совокупность критериев оптимизации должна наилучшим образом влиять на решение задачи управления производством на участке [ ]. Недостаток перечисленных выше методов многокритериальной оптимизации состоит в том, это влияние не учитывается.
С точки зрения многоуровневых иерархических систем [ ] при выборе критериев оптимизации неоюходимо рассматривать двухуровневую систему «проектирование технологических процессов – управление производством», которая характризуется совокупностью задач:
- проектирование технологических процессов изготовления деталей di производственной программы выпуска (локальные задачи Zi1 первого уровня),
- управление производством на участке (задача верхнего уровня Z0).
Механизм разрешения противоречий между критериями оптимизации для каждой задачи Zi1 заключается в том, что критерии согласованы наилучшим образом между задачами Zi1 с точки зрения задачи верхнего уровня Z0 , т.е. реализуется «принцип согласования взаимодействий» в двухуровневой иерархической системе.
Рассмотрим метод многокритериальной оптимизации вариатов технологического процесса, позволяющий использовать критерии оптимизации, которые наилучшим образом согласованы с задачей управления производством - выполнения производственной программы выпуска с наименьшими затратами.
Если технологический процесс изготовления детали производственной программы участка оценивается двумя противоречивыми критериями «время – затраты», то весовые коэффициенты значимости не могут быть одинаковыми для всех деталей. На своевременное поступление этих деталей на участок (цех) сборки после их механической обработки влияние оказывает цикл (трудоемкость) и это влияние для различных деталей различно. Таким образом, для одних деталей производственной программы необходимо использовать критерии временного типа (цикл, трудоемкость), а для других деталей – критерии стоимостного типа (технологическая трудоемкость). Можно высказать следующее утверждение:
При разработке технологического процесса изготовления детали выбор критерия оптимальности из множества противоречивых критериев невозможен для каждой детали в отдельности. Коэффициенты значимостикритериев могут быть объективно установлены лишь в совокупности всех деталей производственной программы таким образом, чтобы наилучшим образом соответствовать целям их производства - выполненяе производственной программы выпуска с минимальными затратами.
Рассмотрим математическую модель двухкритериальной оптимизации технологических процессов (время Т – затраты С), с помощью которой противоречия между критериями Т и С разрешаются путем согласования критериев и целей производства [26]. Математическая модель содержит задачи двух уровней: технологические процессы деталей (задачи Zi1, i – номер детали, 1 – номер уровня) – производственная программа участка (задача Z0)
Задача Z i1
Для каждой детали di , i=1,n производственной программы участка разработано множество вариантов технологического процесса их изготовления, для каждого из которых рассчитаны значения технологической себестоимости Сi и производственного цикла Тi . Результаты расчетов представлены в виде множества точек в координатной плоскости Сi и Тi.
Требуется найти множество вариантов j изготовления детали di , для которых:
Сij = min Сis
{s: tis <= Ti } ( 5.7 )
для любого Тi
Множество Пi = {j}, обладающее свойством ( 5.7 ), называется множеством Парето. Множество Пi содержит варианты технологических процессов, которые не могут быть улучшены одновременно по двум критериям С и Т. Множество Пi определяет зависимость Сi = Ci ( Ti ), которая проходит через точки множества Пi.
Задача Z0
Для заданного срока выпуска деталей Т* найти вектор t = [T1 ,T2 ,…Tn] продолжительностей изготовления деталей di так, чтобы выполнить производственную программу с минимальными затратами:
CS = SCi ( Ti ) = min SCi ( Ti )
Сущность двухуровневой оптимизации заключается в том, что на первом уровне формируется исходная информация путем решения задач Zij для задачи верхнего уровня Z0 . После решения задачи Z0
определяются значения критериев Ci , Ti для каждой детали i, которым соответствует оптимальный вариант технологического процесса.
