Волчкевич Л.И. Автоматизация производственных процессов

Подождите немного. Документ загружается.

261

Каждый вариант – это неповторимое сочетание признаков объекта,

которые в дальнейшем будем называть отличительными; каждый из них

имеет диапазон качественных отличий или количественных значений

(частные варианты). Например, у отличительного признака "число пози-

ций" – это значения от максимального до минимального (см. гл. 5); при-

знак "компоновка позиции" имеет такие отличия: в линию, по окружно-

сти, по сложной траектории.

На с. 245 было отмечено, что выбор структурно-компоновочного ва-

рианта проектируемого оборудования на этапе технического предложе-

ния объективно содержит три этапа:

– формирование общей совокупности вариантов;

– их сравнительный анализ и отбор;

– выбор единственного варианта как основы всего дальнейшего

проектирования.

У каждого типа технических систем есть свой специфический набор

отличительных признаков, который тем шире, чем сложнее данная ма-

шина или система машин (см. гл. 6). В процессе оптимального проекти-

рования возможна многопараметрическая оптимизация, когда анализи-

руются совместно несколько признаков и находятся взаимосвязанные

параметры, и однопараметрическая оптимизация, когда тот или иной

признак-параметр можно рассматривать отдельно от остальных.

Метод полного перебора заключается в том, что для всех возмож-

ных вариантов определяются значения целевой функции, например про-

изводительности, себестоимости, приведенных затрат, после чего опти-

мальный вариант выбирается по экстремальным или граничным значени-

ям этой функции. Здесь наибольшая вероятность выхода на наилучшие

технические и организационные решения, однако высока сложность рас-

четов и обоснований, что может увести от разумных результатов. Поэто-

му метод полного перебора целесообразно применять при небольшом

числе вариантов, в частности после уменьшения их количества любыми

иными методами.

В последнее время весьма популярными становятся методы непол-

ного перебора, где специальными математическими и логическими прие-

мами можно выходить на оптимальные решения, не рассматривая гло-

бально все имеющиеся варианты. Развитие таких методов послужило

толчком к становлению особого направления в прикладной математике –

теории исследования операций, В его рамках сформированы такие мате-

матические методы, как динамическое программирование, линейное про-

граммирование, метод ветвей и границ и др.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

262

Меньше внимания уделяется оптимизации проектных решений там,

где вариантам невозможно или затруднительно дать исчерпывающую

количественную оценку, например при выборе геометрической оси ма-

шины (горизонтальной, вертикальной, наклонной).

Общая тенденция научно-технического прогресса – совершенство-

вание и усложнение технических средств – расширяет вариантность, по-

этому будущим инженерам необходимо знать и проблему многовариант-

ности, и подходы к ее решению.

Реплика. Хочется, чтобы преподаватели, имеющие подобные разделы в

своих лекционных курсах, трезво оценивали реальность. Математически привле-

кательная многопараметрическая оптимизация явилась "манной небе

сной" для

множества вузовских диссертантов, которые после успешной защиты горят

желанием поскорее поведать миру о своих методах и результатах, выбирая пер-

выми невольными слушателями собственных аспирантов и студентов

Вместе с тем, автору пока не приходилось видеть в практике проектно-

конструкторских организаций заметного применения таких методов; и к этому

следует подойти с пониманием. Носителями и проводниками таких методов

огут быть молодые выпускники вузов, но им далеко не сразу будет дано право

на принципиальные технические решения. А опытные инженеры теорией иссле-

дования операций не владеют (не учили

ее или успели забыть), но накопили бога-

тый опыт, обладают профессиональной интуицией, что помогает избегать

серьезных ошибок. Можно в этой связи еще раз напом

нить известную истину:

кто из проектантов не рассчитывает конструкции на прочность? Те, кто со-

всем не знает сопромата или знает его в совершенстве.

Главная слабость многих опытных проектантов – в неумении и

ли нежела-

нии отыскивать все возможные варианты технических решений; в зависимости

от привычных стереотипов, а вовсе не в отсутствии умения отобрать лучшие

из тех, что попали в поле зрени

я. Те, доведенные до конечных результатов, при-

меры математизированной оптимизации, которые автору довелось видеть,

редко содержали радикальные отличия от решений, принимаемых на основе

опыта, интуиции

и традиционных инженерных расчетов.

Поэтому при изучении в вузах вопросов оптимального проектирования не

надо излишне "зацикливаться" на математическом аппарате, каким бы строгим

и исчерпывающим он ни п

редставлялся. Важнее другое – научить будущих спе-

циалистов соответств ующему образу мышления, пониманию сущности процес-

са оптимизации, концептуальным eго основам.

8.2. ФОРМИРОВАНИЕ СОВОКУПНОСТИ

ВОЗМОЖНЫХ ВАРИАНТОВ

Каждый вариант по машине в целом – это конкретное сочетание

частных вариантов по всем отличительных признакам.

Глава 8. ВЫБОР ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ МАШИН-АВТОМАТОВ

263

Важнейший принцип подхода – ни один разумный с инженерной

точки зрения и технически возможный вариант не должен пройти

мимо проектанта! Процедуру формирования вариантов целесообразно

выполнять в такой последовательности.

1. Составление перечня отличительных признаков, характеризую-

щих данный объект. В перечень должны включаться только такие при-

знаки и их конкурентные реализации, по которым неопределенность не

может быть разрешена простейшими инженерными доводами или расче-

тами. Например, неразумно для сложных корпусных деталей включать

вариантом обработку их на роторных машинах: из-за трудностей пере-

грузки и больших габаритных размеров технологических роторов.

2. Оценка возможных численных значений или отличий по каждому

из признаков качественно и количественно; не имеет смысла во всех слу-

чаях пытаться давать признакам количественную оценку. Так, при выбо-

ре общей компоновки машины (горизонтальная или вертикальная гео-

метрическая ось) можно каждому доводу "за" или "против" дать количе-

ственную меру: по цене занимаемой площади, но уровню заработной

платы рабочих с учетом комфортности обслуживания и т.д. Однако и

качественные доводы могут быть (самостоятельно или в дополнение к

количественным) достаточно убедительными.

3. Оценка совместимости частных решений по отдельным отличи-

тельным признакам, например математически выбранное число позиций

машины может оказаться неразумным с позиции кинематики привода.

На рис. 8.1 показана конструктивная схема одного из вариантов тех-

нологической камеры установки вакуумного нанесения (УВН) тонкопле-

ночных покрытий на стеклянные линзы. Наносимый материал нагревает-

ся и испаряется: пары распространяются по объему камеры и, попадая на

поверхность объекта, конденсируются на ней.

Поэтому основной технологический узел, который формирует поток

материала, в УВН обычно называют испарителем. В рассматриваемой

установке (см. рис. 8.1) испаритель включает в себя электронную пушку

1, где катодный блок выполнен в виде охлаждаемого водой цилиндриче-

ского штока, магнитную фокусирующую линзу 2, системы поворота

электронного потока 3, систему сканирования пучка по поверхности 4,

тигель поворотного типа с испаряемым материалом 5, который также

охлаждается водой.

Вакуумная технологическая камера 6 имеет дверцу 8, через которую

после завершения технологического цикла заменяется комплект подлож-

кодержателей 9 с обрабатываемыми линзами. Процесс нанесения пленки

по толщине контролируется с использованием контрольного образца 10

ФОРМИРОВАНИЕ СОВОКУПНОСТИ ВОЗМОЖНЫХ ВАРИАНТОВ

264

Рис. 8.1. Конструктивная схема технологической камеры УВН

тонкопленочных покрытий

("свидетеля") и специальной оптической системы 11. Траектория испа-

ряемого материала может перекрываться поворотной заслонкой 7.

Приведенный на рис. 8.1 вариант – один из многих возможных (и

разумных!).

Различные варианты УВН тонких пленок могут отличаться следую-

щими отличительными признаками: 1) схемами вакуумных камер; 2) ви-

дом внутрикамерных устройств; 3) типами испарителей: 4) числом одно-

временно загружаемых и единовременно обрабатываемых подложек;

5) общей компоновкой – "масляными" или "безмасляными" средствами

откачки; 6) типом системы управления – от релейно-контакторных до

микропроцессорных и т.д.

По некоторым из этих частных вариантов (компоновка, тип испари-

телей) имеется по два-три значения, по другим число технически воз-

можных и разумных с инженерной точки зрения вариантов значительно

больше. Рассмотрим некоторые из них для простейшего случая, когда в

камере обрабатывается единовременно лишь одна подложка.

На рис. 8.2 показаны варианты схем вакуумных камер, в которых

выполняются операции вакуумно-технологического цикла нанесения (оса-

ждения) тонких пленок на подложку. Схема на рис. 8.2, a простейшая, ка-

мера непосредственно герметизируется дверцей (см. рис. 8.1, поз. 8). Дос-

тоинства такой схемы – конструктивная простота, относительно высокая

надежность; недостаток – низкая производительность, так как процессы

герметизации и нанесения пленок по времени не совмещаются.

Глава 8. ВЫБОР ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ МАШИН-АВТОМАТОВ

265

Совмещение по време-

ни достигается при созда-

нии и использовании мно-

гокамерных конструкций.

По варианту рис. 8.2, б ус-

тановка имеет технологиче-

скую и шлюзовую камеру.

В то время как в техно-

логической камере осуще-

ствляются операции очист-

ки подложки, нанесения

пленки и остывания, в шлю-

зовой выполняются замена

подложки и откачка камеры

до уровня вакуума основной

камеры. По завершении

этих операций открывается

заслонка шлюза и подложки

автоматически меняются местами: обработанные и охлажденные возвра-

щаются в шлюзовую камеру, а очередные из шлюзовой камеры поступа-

ют на очистку и обработку.

Развитием этой идеи является создание установок с двумя шлюзо-

выми камерами, расположенными по обе стороны от технологической

(см. рис. 8.2, в). Подложки поступают в технологическую камеру пооче-

редно, с двух сторон, лимитирующими по циклу будут процессы, выпол-

няемые в технологической камере.

Следующая схема (см. рис. 8.2, г) отличается от предыдущей "про-

ходным" характером транспортирования, когда каждая подложка загру-

жается в левую шлюзовую камеру, а выдается в правой. Создание много-

камерного оборудования нанесения пленок неизбежно сопровождается

появлением довольно сложных транспортирующих устройств, работаю-

щих в вакууме, что снижает в целом безотказность в работе.

Одна из причин этого: в процессе нанесения пленок, несмотря на

специальные защитные экраны, пленка осаждается не только на подлож-

ках, но и на поверхностях элементов транспортных систем, заслонок и

т.д. Стремление к повышению надежности приводит к созданию техно-

логических камер "тупикового" типа, с меньшим воздействием испаряе-

мого материала на элементы транспортных систем (см. рис. 8.2, д).

Требования компактности обусловили создание установок, схема

которых показана на рис. 8.2, е. Они имеют ту же производительность,

ФОРМИРОВАНИЕ СОВОКУПНОСТИ ВОЗМОЖНЫХ ВАРИАНТОВ

Рис. 8.2. Структурные схемы вариантов

вакуумных камер

266

что и обычные трехкамерные, но занимаемая ими площадь значительно

меньше, обслуживание упрощается.

Варианты на рис. 8.2, ж, з характеризуют идеи создания многока-

мерных установок с упрощенными механизмами транспортирования, без

шлюзовых заслонок. Необходимый перепад давлений достигается тем,

что изделия с элементами транспортных систем проходят сквозь узкие

щели, которые интенсивно откачиваются мощными насосами. Установка

по схеме на рис. 8.2, ж – дискретного действия, с периодической переда-

чей подложек из камеры в камеру. В первой камере осуществляется пер-

воначальная откачка, во второй – очистка подложки и нанесение пленки,

в третьей – остывание. Время транспортирования из камеры в камеру

сведено к минимуму, загрузка и съем подложек совмещены во времени

операциями.

Самый высокий вакуум в центральной, технологической камере; при

высоких требованиях по вакууму по сторонам от нее располагают две

или три камеры предварительного вакуума, что повышает производи-

тельность и качество изделий.

Разновидностью такой схемы является схема с непрерывным транс-

портированием изделий сквозь все камеры (см. рис. 8.2, з), которая нашла

широкое применение при нанесении пленок на непрерывный материал

(лента, проволока и др).

Все рассмотренные варианты построения УВН пленок по признаку

вариации схемы камеры используются в производстве. Однако при лю-

бой схеме вакуумной камеры по рис. 8.2 производительность оборудова-

ния для нанесения пленок с поштучной обработкой низкая, так как за

рабочий цикл выдается лишь одна единица продукции. Ведь такие эле-

менты вакуумно-технологического цикла, как откачка камеры, остыва-

ние, необходимо выполнять в полной мере, с полной длительностью. По-

этому большинство современных УВН пленок рассчитаны на загрузку в

камеру не одной, а комплекта подложек, которые в течение рабочего

цикла совершают дискретные или непрерывные перемещения внутри

вакуумированного объема. Эти перемещения реализуются специальными

внутрикамерными устройствами.

Разумеется, для каждого вида технологического оборудования со-

став отличительных признаков будет особым, неповторимым. В гл. 9 это

подробно иллюстрировано на примере оборудования для обработки сту-

пенчатых валов.

Глава 8. ВЫБОР ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ МАШИН-АВТОМАТОВ

267

8.3. ОТБОР ПО КАЧЕСТВЕННЫМ И

КОЛИЧЕСТВЕННЫМ КРИТЕРИЯМ

Многообразие технологических и структурно-компоновочных вари-

антов построения машин автоматов и их систем формируется вовсе не

для того, чтобы поскорее начать их глобально обсчитывать. Идея непол-

ного перебора состоит в том, чтобы рассматривать отличительные при-

знаки по возможности раздельно, в определенной последовательности,

сопоставляя варианты первично по быстродействию, производительно-

сти или по качественным критериям; технико-экономические расчеты

применять только после радикального сужения круга рассматриваемых

вариантов, а окончательный выбор, как это ни парадоксально, делать

на основе опыта и интуиции.

Отличительные признаки для любой машины всегда разнородны.

Это дает возможность рассматривать некоторые из них обособленно от

остальных, расчленяя общую задачу многопараметрической оптимизации

на ряд "шагов".

Сначала анализируются те признаки, которые определяют качество

изделий.

Например, при выборе принципиальной схемы УВН покрытий вна-

чале выбираются метод нанесения и вид испарителей по критериям необ-

ходимого качества покрытий (равномерность но толщине, плотность,

допустимый уровень дефектности), так как без этого все остальные поис-

ки вариантов теряют смысл. Далее анализируются признаки, от которых

зависит уровень производительности. Последовательность их рассмотре-

ния представлена схемой на рис. 8.3 (номера признаков сохранены, см.

с. 265). Общая задача выбора принципиальной схемы распадается на че-

тыре однопараметрических и лишь одну многопараметрическую задачи.

Аналогично для обработки ступенчатых валов (см. гл. 8) совместно

надо решать вопросы выбора числа позиций, участков-секций, станков-

дублеров, параллельно работающих независимых линий, так как они

имеют единое целевое назначение – обеспечить более высокую произво-

дительность по сравнению с простейшим вариантом: однопоточной ли-

нией с минимальным числом позиций и жесткой межагрегатной связью.

Производительность по ва-

риантам должна рассчитываться

либо по общей формуле

ис

хр

Q ,

либо по формулам для различных

видов машин (см. гл. 5).

ОТБОР ПО КАЧЕСТВЕННЫМ И КОЛИЧЕСТВЕННЫМ КРИТЕРИЯМ

Рис. 8.3. Схема последовательности

выбора параметров УВН

268

Любая машина проекти-

руется на определенный диа-

пазон выпуска продукции, т.е.

требуемый уровень произво-

дительности. Расчеты прово-

дятся с целью сопоставления

этих требований с ожидаемой

производительностью по ва-

риантам.

В качестве примера на

рис. 8.4 приведена типовая

диаграмма производительно-

сти вариантов автоматической

линии при различных степе-

нях дифференциации и кон-

центрации операций технологического процесса (числа позиций q), числа

участков – секций п

, на которое расчленяется линия, и числа независи-

мых линий р. Здесь же показаны требования в виде зоны Q

min

…Q

max

Каждый вариант с конкретными характеристиками q, n

и р имеет то-

чечное значение Q

. Очевидно, что конкурентны только варианты с Q

min

≤

≤ Q

max

. Более высокая ожидаемая производительность Q

> Q

max

оз-

начает, что линия более сложная и дорогая, но с тем же выпус-

ком – максимально Q

max

, следовательно, она неконкурентна.

Таким образом, не прибегая к прямым экономическим подсчетам,

можно из общей совокупности выделить выборку вариантов с приори-

тетными экономическими показателями.

Отбор вариантов по качественным критериям (см. гл. 7) должен

быть основан на их противоречивости, что показано далее на примере

выбора геометрической оси токарных многошпиндельных автоматов, т.е.

вертикальной или горизонтальной их компоновки.

Пример. Укрупненные компоновочные схемы токарных автоматов с го-

ризонтальной и вертикальной осями (подробно см. в гл. 1) приведены на рис. 8.5,

а, б, что всегда полезно прорабатывать для наглядности и уяснения доводов.

Критерии сравнительной оценки обоих вариантов с

водим в табл. 8.1. Плю-

сы и минусы соответственно означают: в пользу или не в пользу данного вариан-

та (см. разд. 7.2).

По занимаемой площади вертикальный вариант выгоднее в 2,0…2,5 раза,

что очень весомо (два "плюса"), но уже по второму критерию – наоборот, так как

шпиндели на верт

икальном автомате висячие и наладчику приходится работать с

поднятыми руками, по которым от кист ей к плечам и далее стекают масло и

эмульсия.

Глава 8. ВЫБОР ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ МАШИН-АВТОМАТОВ

Рис. 8.4. Производительность вариантов

автоматической линии при различном

числе позиций q, участков n

независимых потоков

269

Заправка обрабатываемых труб также удобнее при горизонтальной компо-

новке, так как при вертикальной необходимо пользоваться лестницей или антре-

солями. Удаление стружки удобнее также в горизонтальной конструкции, где

стружка проваливается внутрь станины, а отводной транс

портер вписывается в

общие габаритные размеры. Критерий унификации пока оставим в стороне.

Таким образом, формально счет 3:1 в пользу горизонтального варианта, но

качественные критерии неравнозначны, конструирование – не игра в футбол.

Если аргументы расходятся, н

еобходимо выделить среди них наиболее значимые,

отмеченные двумя знаками "плюс", и снова провести сравнение, но и тут счет 1:1.

Возникает дилемма: отдать предпочтение экономическому фактору (меньшая

стоимость занимаемой площади) или социальному (условия труда, комфортность

работы).

Рис. 8.5. Вариантность компоновки токарных

многошпиндельных полуавтоматов:

1 – станина; 2 – коробка привода; 3 – траверса; 4 – продольный суппорт на

центральной трубе (поперечные суппорты не показаны); 5 – торец шпиндельного

блока; 6 – коробка опор шпиндельного блока с механизмом его поворота;

7 – прутковая головка с направляющими труб

ами для свободных концов прутков

8.1. Критерии сравнительной оценки автоматов и полуавтоматов

Варианты

Автомат Полуавтомат

Критерий

сравнительной

оценки

горизонтальный вертикальный горизонтальный вертикальный

Занимаемая

площадь

– – + + – +

Удобство

наладки

+ + – – – +

Удобство

заправки ма-

териала

+ – – +

ОТБОР ПО КАЧЕСТВЕННЫМ И КОЛИЧЕСТВЕННЫМ КРИТЕРИЯМ

270

Окончание табл. 8.1

Варианты

Автомат Полуавтомат

Критерий

сравнительной

оценки

горизонтальный вертикальный горизонтальный вертикальный

Удаление

отходов

+ – + –

Возможность

унификации

Признак не рассматривается + –

Прочность,

сохраняемость

изделий

+ + + +

Итоговая

оценка

+ – + +

Теперь можно раскрыть перед студентами правильный ответ: еще в 40 –

50-е годы ХХ века выпускались и горизонтальные, и вертикальные многошпин-

дельные автоматы. С тех пор значимость социальных факторов настолько воз-

росла, что вертикальные конструкции исчезли.

А если оценивать н

е автоматы, а полуавтоматы, где вместо прутков – штуч-

ные заготовки, загружаемые рабочим в патрон вручную? Методы, маршруты,

режимы обработки, инструментальная оснастка идентичны; и компоновка гори-

зонтального станка почти та же самая (рис. 8.6, а). Но сравнительная оце

нка по зна-

чимости признаков меняется радикальным образом (см. табл. 8.1). Отсутствие

прутков позволяет скомпоновать шпиндельный блок с нижними опорами (см.

рис. 8.6, б). Теперь загрузка заготовок в вертикальном полуавтомате сверху вниз

удобнее, чем по горизонтали, как и нала

дка.

Среди достоинств горизонтальной конструкции – удобство удаления отхо-

дов, но этот довод не из важнейших. Правда, появился дополнительный аргу-

мент – горизонтальные полуавтоматы можно унифицировать с автоматами, а

вертикальные не с чем.

Снова крит

ерии разошлись:

3:2 пo общему счету и 1:1 по важ-

нейшим критериям. Что делать?

Задайте студентам этот вопрос и

дайте "наводку": прутки на токар-

ных автоматах применяются диа-

метром не более 60…80 мм, при

длине до 6 м большей тяжести ра-

бочему просто не поднят

ь.

Итак, признак унификации

значим только для моделей полуав-

Глава 8. ВЫБОР ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ МАШИН-АВТОМАТОВ

Рис. 8.6. Вариантность компоновки

токарных многошпиндельных

полуавтоматов

(номера позиций см. на рис. 8.5)