Проектирование станков с ЧПУ и его механизмов можно представить в виде последовательного решения многовариантных (многоуровневых, многоцикличных и многоэкстремальных) задач синтеза, анализа и измерения.
При создании новых станков (объектов проектирования) приходится решать в основном сложные задачи синтеза, так как при заданном выходе неизвестными являются состояние или параметры, определяющие структуру объекта.
Процесс создания станка или его механизма всегда связан с решением задач анализа (А) и синтеза (C), при этом существуют два подхода к решению этих задач.
Если имеется аналог (или прототип), то процесс создания начинается с анализа, если аналог (или прототип) отсутствует, то процесс создания начинается с синтеза (рис. 1). Чаще всего при проектировании станков с ЧПУ преобладает первый подход, однако пионерские решения, сопровождаемые открытиями и изобретениями высших уровней, связаны с решением начальной задачи синтеза, что обычно сопровождается рождением нового поколения станков и их механизмов.
Задачи анализа и синтеза (рис. 1) объединены таким образом, что образуется непрерывный итерационный процесс.
Рис. 1. Обобщенное изображение процесса создания новых технических систем
Известны три основных направления решения задач синтеза:
- традиционное (полный перебор вариантов);
- современное (неполный перебор);
- перспективное (не полный перебор на новых принципах).
В пределах традиционного направления используется также метод дискретного синтеза, близкий по своей сути к методу проб и ошибок и несущий элементы неполного перебора, поскольку проектировщик ограничивается по своему усмотрению существенно сокращенным множеством D вариантов, обозримым за выделенное время.
Современное направление решений задач синтеза при проектировании станков с ЧПУ - это неполный перебор вариантов проектируемой системы, основанный как на использовании ЭВМ, так и на использовании человеко-машинных или эвристических подходов. Эвристические методы основаны на творческих способностях человека, а человеко-машинные объединяют творческие способности проектировщика с уникальными по быстродействию способностями ЭВМ. С математической точки зрения неполный перебор с ЭВМ тождествен поиску локального или глобального экстремума функций многих переменных и дает существенный выигрыш при строгой формализации задач синтеза сложных систем.
К перспективному направлению относится неполный перебор вариантов с ЭВМ на новых принципах, объединенных под названием искусственного интеллекта.
Выбор того или иного метода исследования, а тем более совокупности методов зависит в основном от степени сложности проектируемого объекта, определяемой числом n заданных свойств функционирования.
Различные технические системы могут быть условно разделены на 3 основных класса: I - относительно высокой сложности (n >10); ІІ - средней сложности (n = 10);
ІІI - малой сложности (n < 10).
Методология поискового творческого конструирования содержит 4 характерных этапа, каждый из которых требует применения определенной системы методов:
- I этап - внешнее проектирование, применение метода формирования обобщенного критерия качества на основе квалиметрии и определения совокупности ограничений;
- II этап - синтез знаковой модели (принципиальной схемы) с принятыми условными знаковыми обозначениями, применение метода синтеза на основе математического программирования на ЭВМ, сводимого в большинстве случаев к поиску глобального экстремума многоразмерной целевой функции (наиболее выгодно на сетке кода Грея);
- III этап - синтез образной модели (конструктивной схемы), применение эвристического метода синтеза без четкой формализации процедур синтеза;
- IV этап - проверка выполнения некоторых условий функционирования технической системы, применение метода анализа дополнительных свойств, так как может оказаться, что какой-то из показателей качества не учитывался на II и III этапах.
При положительных результатах проверки проектирование станков с ЧПУ считается законченным и можно переходить к разработке документации (рабочих чертежей).
С точки зрения иерархии проектирования, для станков и их механизмов можно выбрать следующие уровни проектирования сверху вниз (рис. 2): I - техническая идея (способ, принцип, метод); ІІ - структура (морфология станка, элементный состав, блочная структура компоновки, кинематическая структура и т. д.); ІІІ - схема (принципиальная, кинематическая, гидравлическая и т. д.), представляющая сумму структуры и связей между ее элементами (блоками); IV - конструкция и ее параметры; V - технология; VI - эксплуатация.
Рис. 2. Укрупненная блок-схема оптимального проектирования станка с ЧПУ
Поиск новой технической идеи создания станка на I уровне может сводится к поиску новых технологических принципов или способов формообразования с использованием положения о том, что все технологические процессы с точки зрения подготовленности их к комплексной автоматизации делятся на 4 класса. За основной признак принят способ действия обрабатывающей среды (инструмента И) на обрабатываемую среду (заготовку или деталь Д) (рис. 3).
Рис. 3. Обобщенная модель рабочей технологической машины и процесса формообразования
Взаимодействие от низшего к высшему классу может быть: точечное (точение острым резцом и т. д.); линейное (фасонное точение и др.); поверхностное (обработка давлением, литье по выплавляемым моделям, порошковая металлургия и т. д.); объемное (окраска в электростатическом поле, нагрев изделий и др.).
Предложенная классификация позволяет формализовать задачи проектирования станков с ЧПУ на I и II уровнях. Для выбора кинематики резания на I уровне и поиска новых структур (кинематических и компоновочных) с формализацией задач II уровня можно использовать классификацию кинематических схем резания, предложенную Г. И. Грановским и закодировавшую схемы сочетания элементарных поступательных и вращательных движений. С позиций системного подхода конструкцию станка можно рассматривать как иерархическую систему: станок - сборочная единица (узел, механизм) - деталь - часть детали - поверхность.
Структура оптимального конструирования станка и его отдельных элементов имеет общий характер независимо от иерархической сложности технической системы.
Решение задач проектирования станков на высших уровнях (I-III) требует применения современных методов поиска новых технических решений. Последовательность поиска новых технологических принципов и структур станков (других рабочих машин) с использованием системно-морфологического подхода можно проследить на примере.
Точно сформулируем задачу: изготовить двухступенчатую цилиндрическую стальную деталь с минимальным расходом металла.
Для металлорежущих станков структуру технологического процесса (рис. 3) рассмотрим по следующим признакам: заготовка (1 - вид; 2 - движение); рабочий процесс (3 - характер взаимодействия; 4 - состояние); режущий инструмент (5 - количество режущих кромок и тип; 6 - движение). Составим для всех элементов и признаков технологического процесса морфологическую матрицу (рис. 4).В каждой колонке морфологической матрицы может быть сколько угодно альтернатив (в зависимости от фантазии и знания заданной TC) и их комбинаций. Для колонки 5 в качестве режущего инструмента можно выбрать различные типы резцов, фрез, протяжек и даже сверл.
Рис. 4. Морфологическая матрица способов обработки двухступенчатой детали
Учитывая требование минимального расхода металла, выбираем четыре варианта сочетаний (комбинаций):
- І вариант: 1.1 - 2.3 - 3.2 - 4.1 - 5.2 - 6.1;
- II вариант: 1.4 - 2.2 - 3.3 - 4.3 - 5.4 - 6.4;
- ІІІ вариант: 1.2 - 2.3 - 3.2 - 4.1 - 5.3 - 6.2;
- IV вариант: 1.2 - 2.3 - 3.2 - 4.1 - 5.1 - 6.1.
Реализация вариантов представлена на рис. 5. Применительно к металлорежущим станкам известных конструкций подходят варианты I (фасонно-отрезной токарный автомат) и IV (токарно-отрезной станок). Нетрадиционные варианты - II (машина сварки трением) и III (фрезерно-отрезной автомат).
Рис. 5. Схемы обработки двухступенчатой детали
