11.4. Структурная оптимизация технологических процессов
В наиболее общем виде задачу структурной оптимизации можно сформулировать как задачу выбора наилучшей структуры ТП для чего нужно, во-первых, предъявить определенные требования к совокупности выполняемых операций, и, во-вторых, ввести некоторые критерии предпочтения одной структуры другой.
При разработке ТП структурная оптимизация используется на следующих этапах процесса проектирования:
выбор заготовки и методов ее изготовления,
выбор технологических баз,
составление маршрута обработки,
разработка технологических операций.
Одним из наиболее важных этапов структурной оптимизации ТП является выбор технологических операций механической обработки. Вид операций и применяемое оборудование существенно влияют на трудоемкость обработки и связанную с ней технологическую себестоимость, которую обычно выбирают в качестве критерия для выбора вариантов ТП изготовления изделия.
Структурная оптимизация ТП в целом рассматривает последовательно каждую задачу технологического проектирования. Таким образом, весь процесс проектирования расчленяется на несколько взаимосвязанных уровней. Процесс проектирования на каждом уровне представляет собой многовариантную процедуру. В результате проектирования на всех уровнях образуется граф допустимых вариантов ТП, отвечающих заданным ограничениям – рисунок 36.
Рисунок 36 – Граф допустимых вариантов ТП
Задача структурной оптимизации состоит в поиске ветви графа, обеспечивающей экстремум целевой функции. В силу неупорядоченности параметров основной метод структурной оптимизации состоит в последовательном переборе возможных вариантов. Чтобы выбрать один оптимальный вариант, необходимо до конца спроектировать очень большое количество допустимых техническими и технологическими ограничениями вариантов ТП.
Для реального ТП изготовления деталей даже средней сложности таких вариантов может быть огромное множество. Перебор всех вариантов даже при помощи современных быстродействующих компьютеров занимает очень большое время. Для уменьшения времени проектирования используются следующие приемы.
Прием 1. Эффективность процесса проектирования можно резко повысить, если организовать отбор рациональных вариантов проектных решений на каждом уровне проектирования. Однако при этом возникает проблема формирования критериев промежуточного отбора наиболее рациональных вариантов на различных уровнях. Например, на уровне (этапе) выбора заготовки анализ вариантов можно производить по критерию «себестоимость заготовки». Данный критерий можно достоверно рассчитать на этом этапе. Но указанный критерий не является до конца объективным. «Дешевая» заготовка (например, круглый прокат для изготовления ступенчатого вала) даст «дорогую» механическую обработку. А «дорогая» заготовка (например, штамповка для изготовления такого же вала) обеспечит более «дешевую» механическую обработку. Целесообразно, поэтому, использовать в качестве критерия суммарную стоимость заготовки и механической обработки. Однако стоимость механической обработки можно рассчитать только после разработки всего ТП. Следовательно, пропадает смысл «поэтапной оптимизации».
Но, все – таки, если удачно назначить критерии на каждом уровне проектирования, такой подход имеет смысл. При его применении может оказаться несколько равнозначных вариантов ТП, но среди них уже гораздо легче выбрать оптимальный вариант.
Прием 2. «Предпроектная оптимизация». Множество возможных вариантов проектных решений может быть определено с помощью таблиц соответствий, на базе которых строятся алгоритмы, позволяющие выбирать множество допустимых решений, из которых путем последовательного перебора выбираются наилучшие решения согласно тому или иному критерию оптимальности.
Но и при локализованной структурной оптимизации перебор и анализ всех допустимых решений, выбираемых из таблиц соответствий, занимает большое время. Для сокращения времени счета при структурной оптимизации с использованием таблиц соответствий производят так называемую предпроектную оптимизацию на стадии разработки информационного обеспечения. Для этого из множество допустимых выделяют решения, предпочтительные по критерию себестоимости. Поиск решений в таблице соответствий сначала осуществляется по предпочтительным решениям. В случае отсутствия подходящего предпочтительного решения поиск производится по оставшимся допустимым.
Такой подход эффективен для случаев наличия экстремума целевой функции. Но в ряде случаев решение получается неопределенным: для диапазона условия применимости может иметься несколько эффективных решений.
Прием 3. Следующим шагом в развитии предпроектной оптимизации является переход от логических матриц соответствий к оценочным матрицам. В этом случае в соответствующих клетках матрицы соответствий проставляются значения себестоимости. Подобные матрицы заполняются для всех условий применимости. Алгоритм поиска оптимального решения по оценочной матрице состоит в поиске одноименной строки в оценочных матрицах для всех диапазонов условий применимости, обеспечивающей наименьшую сумму затрат для данного условия задачи. Рассмотренная процедура повторяется для каждого уровня проектирования, приводя в конечном итоге к варианту с оптимальной структурой.