автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Формализация проектирования последовательности обработки резанием поверхностей деталей

На правах рукописи

Борисов Олег Эдуардович

ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ

Специальности1

05.03.01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗиЬЬ'ю

Владивосток - 2007

003066481

Работа выполнена на кафедре технологии машиностроения Дальневосточного государственного технического университета

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Старостин Владимир Георгиевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Литовка Геннадий Васильевич

кандидат технических наук, доцент Литовченко Александр Константинович

Ведущая организация ОАО «Дальприбор» (г Владивосток)

Защита состоится « 18 » октября 2007 г в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212 092 01 в ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» по адресу 681013, г Комсомольск-на-Амуре, пр Ленина, д 27

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

Автореферат разослан « 15 » сентября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета Пронин А И

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Формализация проектирования в технологии машиностроения является предметом исследований и разработок в силу двух причин потребности в создании систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР TII) и необходимости качественного развития технологии машиностроения как науки

Проблема заключается в широкой доступности вычислительной техники - аппаратного средства для проектирования технологии, и вместе с тем отсутствии программных средств, которые позволили бы осуществить это проектирование в автоматизированном порядке Такая ситуация, существующая уже много лет, обусловлена неготовностью существующей теории технологии машиностроения к применению в условиях компьютерного проектирования

Несмотря на то, что ряд проектировочных задач, таких как расчет режимов резания, временных норм обработки, подготовка технологической документации и некоторые другие успешно решается при помощи современных САПР, сфера структурного проектирования, в отличие от параметрического - до сих пор остается уделом ручного выполнения и традиционно считается творческим процессом

Одной из важных задач структурного проектирования технологии является построение последовательности обработки резанием поверхностей детали От того, в каком порядке будут обработаны поверхности, какие базы при этом окажутся использованными, каким образом и сколько раз деталь будет ориентирована на станке, зависит точность взаимного расположения поверхностей, что в итоге во многом определит качество работы механизма, включающего эту деталь

Будучи сложной и многофакторной по характеру, задача проектирования последовательности обработки не может быть эффективно решена методами традиционного проектирования и требует разработки формального их представления для реализации на компьютере

В настоящее время формализованных методик, алгоритмов и программ построения последовательности обработки практически не существует Решение задачи сводится к поиску аналогов, что не предполагает повышения уровня проектирования и бесполезно при создании единичных технологических процессов

Цель работы - создание методики и средств формализованного построения последовательности обработки детали резанием на основе

информационно-логических принципов проектирования

Задачи исследования:

1 Разработать геометрически-технологическую модель детали

2 Разработать модель и алгоритм формирования комплектов баз

3 Разработать методику, модель и алгоритм построения последовательности обработки поверхностей

4 Предложить методику по оценке и выбору предпочтительных вариантов последовательности обработки

5 Создать компьютерную программу по формированию комплектов баз для выбранной группы поверхностей детали

Методы и объекты исследования. Для решения поставленных задач использованы научные положения теории технологии машиностроения и теории систем, методы аналитической геометрии, математической логики и элементы реляционной алгебры

При создании программы применены принципы модульного и объектно-ориентированного программирования, технологии систем управления реляционными базами данных Microsoft Access, средства процедурного языка программирования Visual Basic

В качестве объектов исследования приняты машиностроительное производство, технологические базы, последовательность перехода от поверхности к поверхности при обработке и процессы их проектирования

Научная новизна работы состоит в следующем

1 Разработана геометрически-технологическая модель детали, учитывающая свойства детали, необходимые для построения последовательности ее обработки Описательная характеристика поверхностей автоматически преобразуется в шестимерные векторы их положения в прямоугольной системе координат

2 Создана модель формирования комплектов баз для обработки поверхностей детали, включающая алгоритм последовательного подбора одинарных, двойных и тройных комплектов баз В основе модели лежит решение «задачи покрытия» параметров требуемой ориентации детали параметрами базирующих свойств ее поверхностей Предложен метод обработки частных случаев, связанных с объединением нескольких поверхностей вращения в комплект баз

3 На основании модели формирования комплектов баз разработаны методика, модепь и алгоритм построения последовательности обработки поверхностей Выполнение алгоритма позволяет получить все завершенные варианты последовательности обработки в виде, пригодном для их оценки

4 Предложена методика распределения вариантов последовательности обработки по степени предпочтительности Распределение производится путем формирования блока локальных последовательностей, представляющих технологически благоприятные сочетания Присутствие этих сочетаний в каждой завершенной последовательное! и определяет ее технологическую оценку

Практическая ценность работы. Результаты проведенных исследований вносят новый вклад в развитие теории проектирования единичных технологических процессов обработки резанием

Предложенный метод представляет собой готовый алгоритмический базис как для «ручного», так и для автоматизированного проектирования последовательности обработки и выбора технологических баз

Разработана программа автоматизированного проектирования комплектов баз для групп поверхностей «Базирование 2005», основанная на методике и моделях, приведенных в работе Программа преобразует описательную характеристику детали в параметры, манипуляции с которыми позволяют производить выбор баз (свидетельство о регистрации в Отраслевом Фонде Алгоритмов и Программ № 5650 от 6 02.2006 г , свидетельство о регистрации ВНТИЦ № 50200600143 от 8 02.2006 г )

Использование результатов данной работы на производстве позволит повысить качество и скорость проектирования в области обработки резанием, а именно - в процессе формирования последовательности обработки и выбора технологических баз Табличная форма хранения сведений о детали дает возможность накапливать, хранить их и оперировать с ними средствами СУБД пакета Microsoft Office без необходимости устанавливать дополнительное программное обеспечение

Практическая реализация. Результаты, полученные в диссертационной работе, используются в практических работах по курсу технологии машиностроения, в курсовом и дипломном проектировании на кафедре технологии машиностроения ДВГТУ

Автор защищает:

1 Геометрически-технологическую модель детали

2 Модель и алгоритм формирования комплектов баз

3 Методику, модель и алгоритм построения последовательности обработки поверхностей

4 Методику по оценке и выбору предпочтительных вариантов последовательности обработки

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI Международном форуме молодых ученых стран АТР, г Владивосток, 2004 г , на региональной научной конференции «Молодежь и научно-технический прогресс», г Владивосток, 2006 г , на расширенном заседании кафедры технологии машиностроения ДВГТУ, г Владивосток, 2006 г , на расширенном заседании кафедры технологии машиностроения КнАГТУ, г Комсомольск-на-Амуре, 2007 г

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 печатных рабог. получено свидетельство о регистрации ВНТИЦ, свидетельство о регистрации ОФАП

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, результатов и выводов, списка использованной литературы и приложений

Работа изложена на 173-х страницах машинописного текста, включающего 26 рисунков, 24 таблицы

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, представлены основные положения, выносимые на защиту

В первой главе установлена сущность нового понятия «последовательность обработки», его структурное и функциональное место в проектировании технологического процесса обработки резанием

Показано, что технологический процесс и процесс его проектирования можно рассматривать в качестве сложных технических систем с развитыми структурной и параметрической частями, а также, что

Преимущественное развитие методов параметрического проектирования, обусловленное сравнительной легкостью получения ло-

кальных показателей и эмпирических (выраженных коэффициентами) зависимостей привело к недостаточной теоретической разработке вопросов проектирования структуры технологических процессов К ним относятся проектирование планов обработки поверхностей детали и последовательности перехода от одних поверхностей к другим, выбор технологических баз, формирование структуры операций и другие

Последовательность обработки как структурная задача проектирования выступает синтезирующим блоком геометрических и технологических свойств детали

При объединении информации, полученной на этапе создания планов обработки (в частности методы обработки поверхностей, используемое оборудование) с геометрической характеристикой поверхностей детали, заданной на чертеже, появляются исходные данные для определения последовательности ориентирования детали на станке в процессе ее обработки, обрабатываемых поверхностей и технологических баз Результирующая структура «движения» детали от состояния заготовки к состоянию соответствия требованиям чертежа предваряет этап проектирования состава операций, для которых она в свою очередь дает исходные данные

В главе рассмотрены преимущества формализованного подхода к проектированию, представленного в последующих главах Среди этих преимуществ важнейшие выполнение сложных алгоритмов, хранение и анализ больших массивов данных, обрабатываемых при проектировании, развитая возможность фиксации промежуточных результатов для возврата к ним в случае модификации готового техпроцесса

Структура описания технологического процесса повторяет структуру обработки операция - установ - позиция - переход - рабочий ход Движение по этим ступеням организации технологического проектирования может быть нисходящим или восходящим

Первый подход благоприятствует применению интуиции, характерной для «ручного» проектирования Описание процесса постепенно уточняется и дополняется по мере решения технологических задач В компьютерном проектировании такой метод неприемлем, так как предполагает недостаток информации для принятия решений, что чревато «уходом» проектировщика в сторону типовых вариантов, а машины - получением неразрешимой задачи

Как альтернатива, остается восходящее проектирование, предусматривающее принятие решений на основе информационной дрста-точности решения задач декомпозитированного процесса проектирования

Во второй главе задача проектирования последовательности обработки детали резанием «прослежена» в литературе

Анализ результатов технологической теории, полученных в области структурного синтеза техпроцессов (к ней относится проектирование последовательности и выбор баз), позволил сделать выводы-

■ Развитие теории технологии машиностроения традиционно происходило по пути накопления и обобщения производственного опыта, что привело к преимущественному развитию ее содержательной части вследствие устоявшегося приоритета аналитических исследований перед синтетическими

■ Появившиеся с развитием ЭВМ возможности автоматизации практически не были реализованы для структурного проектирования по причине недостаточной разработки вопросов формального представления и методов решения соответствующих задач

■ Автоматизированное проектирование техпроцессов посредством готовых аналогов или типовых решений, лежащее в основе существующих САПР ТП, являет собой результат попыток вести машинное проектирование ориентированными на человека методами, такой подход связан с проблемой обоснования получаемых решений и не подходит для создания единичных техпроцессов

■ Автоматизация структурного проектирования требует нового подхода, вскрывающего логические зависимости между элементами создаваемого процесса, разделенного на отдельные задачи, принятия решений на основе более или менее формализованных предпочтений, которые учитываются в ходе выполнения алгоритмов и других логических схем

■ Проектирование последовательности обработки до сих пор относится к работам, выполняемым технологом без ЭВМ.

В соответствии с современным состоянием технологической теории и темой данной работы определены направления исследований:

1. Формальное представление образа детали

2 Моделирование задачи выбора баз

3 Моделирование и алгоритмизация процесса по построению последовательности обработки поверхностей

4 Методическая разработка оценки и выбора вариантов последовательности обработки

В третьей главе представлена геометрически-технологическая модель детали, предложена методика ее применения в задаче формирования комплектов технологических баз для ориентирования детали на станке при обработке

Геометрически-технологическая модель детали Анализ различных методов описания образа детали позволил установить наиболее подходящий для решаемой задачи Таким методом признано параметрическое представление данных об отдельных поверхностях, при котором каждой из них приводится в соответствие шестимерный вектор положения

Этот вектор содержит логические переменные, выражающие перемещения относительно прямоугольной системы координат, которые необходимо и достаточно исключить для того, чтобы зафиксировать поверхность (а с ней и всю деталь) в пространстве Возможных перемещений (по аналогии со степенями свободы в механике) всего шесть три линейных вдоль координатных осей, и три угловых вокруг них

На рис 1 показаны примеры характеристики поверхностей шестимерным вектором положения

Такая характеристика удобна не только своей лаконичностью в определении поверхностей, но и возможностью логически оперировать шестимерными векторами

Вектор положения для всей детали или нескольких ее поверхностей вычисляется покомпонентным логическим суммированием (дизъюнкцией) векторов отдельных поверхностей Так определяется требуемая ориентация детали для ее базирования на станке Связи, обозначенные единицами в суммарном векторе, необходимо наложить на деталь в процессе базирования

/ 1 0 0 / 0 1 1

а 0 1 1 а 0 1 1

а — плоскость б — цилиндр

Рис 1 Примеры связи поверхностей с системой координат

Вектор положения поверхности становится вектором ее базирующих свойств (способности ориентировать другую поверхность при своей фиксации в пространстве) при учете развитости этой поверхности, ее протяженности вдоль данных координатных осей

Например, плоскость, изображенная на рис 1, потеряет возможность блокировать поворот детали вокруг оси У, если окажется неразвитой вдоль оси 2 Аналогично короткий цилиндр вместо единиц на месте угловых связей получит нули

Для автоматического перехода от исходных данных о детали, заданных на ее чертеже, к логическим переменным для решения задачи формирования баз и их комплектов, предложена структура атрибутов для описательной характеристики поверхностей детали

Таблица 1 Описательная характеристика поверхностей детали

Номер Вид и ориентация Развитость Состояние Ось Станок для обработки Доступность

01 Отверстие || X Нет Сквозное Нет Сверлильный +Х

02 Плоскость -}- 7. ХУ Открыта Нет Фрезерный -г

03 Отверстие |( X Нет Сквозное А03 Расточной -X

Здесь номер и состояние поверхности взяты с чертежа или эскиза, вид и ориентация объединены знаками параллельности или перпендикулярности, развитость обозначена наименованием осей, вдоль которых она есть, оси присвоен номер в случае ее принадлежности нескольким отверстиям, станок для обработки и доступность установлены на предыдущем этапе проектирования (выбор планов обработки)

Модель детали, оформленная в виде табл 1, содержит данные, достаточные для решения «задачи покрытия», в ходе которой будут сформированы комплекты баз для обработки отдельных поверхностей детали или групп поверхностей

Формирование комплектов баз предваряется определением группы поверхностей, подлежащих обработке - СТОК-группы (станочной группы однокоординатной обработки, объединяющей поверхности по последним двум признакам в описательной характеристике) и остальных поверхностей, часть которых может служить базами

Подготовка состава баз производится путем выбора из поверхностей, не принадлежащих обрабатываемой на данном этапе группы, подходящих для использования в качестве баз Для этого предусмотрен ряд критериев предпочтительности

Формальным аппаратом для получения комплектов баз является правило логического суммирования векторов положения отдельных поверхностей и решение так называемой «задачи покрытия» (в дальнейшем кавычки опустим)

Задача покрытия в общем виде формулируется так «для каждой из базируемых поверхностей или СТОК-групп требуется найти все сочетания поверхностей, суммарные вектора базирующих свойств которых содержат единичные компоненты, совпадающие со всеми единицами в векторах требуемой ориентации базируемых поверхностей или СТОК-групп» Потенциальные базы как бы покрывают единицами своих векторов единицы базируемых поверхностей Если покрытие оказывается неполным, когда на некоторые единицы требуемой ориентации приходятся нули базирующих свойств комплекта, то комплект отбрасывается, иначе - считается вариантом решения задачи

Таким образом, каждой СТОК-группе приводится в соответствие множество наборов поверхностей, не входящих в состав этой СТОК-группы, но обеспечивающих ее требуемую ориентацию При этом сначала определяются одинарные комплекты, затем, если среди них не окажется подходящих - двойные и, аналогично, тройные (см рис 2)

Способ моделирования процесса базирования путем оперирования шестимерными векторами не был предложен автором работы, но выбран как основа для разрабатываемой методики и модифицирован так, чтобы с его помощью можно было «рассчитывать» состоящие из множества поверхностей базы, применяемые для множества обрабатываемых поверхностей

Доработка решения заключается в изменении векторов требуемой ориентации детали и базирующих свойств комплекта баз таким образом, чтобы дополнительная угловая связь (пятая или третья единица в векторе), предоставляемая двумя отверстиями, оси которых параллельны, была учтена при решении задачи покрытия Эта пятая связь не появляется при логическом перемножении компонентов векторов и должна быть введена при анализе взаимного расположения отверстий (принадлежность осей, см табл ]), входящих в состав «базируемой» группы и комплекта баз

Приведены примеры ситуаций, не предусматриваемых существующей методикой, предложены необходимые модификации, сформулировано решение данной проблемы в общем случае

После генерации всех комплектов баз, позволяющих ориентировать деталь при обработке выдранной СТОК-группы, выполняется выбор из множества вариантов на оснЬве системы ограничений

Начало

Подходящие комплекты найдены''

Выделить базируемую группу из состава поверхностей детали

Определить требуемую ориентацию группы

Сформировать состав баз на основе не принадлежащих гр> ппе поверхностей

Решить задачу покрытия требуемой ориентации группы базирующими свойствами одинарных комппектов

Исключить из состава баз невыгодные в этом качестве поверхности

Сменить вид базирования (установка или выверка)

Решить задачу покрыт ия требуемой ориентации группы базирующими свойствами тройных комплектов

Формировать тройные комплекты баз для базируемой группы

Нет

Решить задачу покрытия требуемой ориентации группы бази-рчющими свойствами двойных комплект ов

Формировать двойные комплекты баз дтя базируемой группы

Исключить неподходящие комплекты

Исключить труднореализуемые комплекты

Сохранить варианты комплектов баз

-^

Да

Конец

Рис 2 Схема алгоритма для подбора комплектов баз

В четвертой главе приведена модель проектирования последовательности обработки поверхностей детали

Предложен и обоснован состав проектных процедур, включающий

■ Генерацию завершенных вариантов последовательности

■ Построение локальных последовательностей и их оценку

■ Упорядочение списка вариантов последовательности (по оценке)

■ Назначение предпочтительного начала обработки

■ Выбор варианта с наибольшей оценкой и желательным началом

■ Функциональную проверку и представление предпочтительного варианта

Структурной основой генерации вариантов последовательности является схема, изображенная на рис 3

Процесс заключается в многократном выполнении подбора баз для данной СТОК-группы на данном этапе формирования последовательности При этом каждый раз меняются исходные данные для этой процедуры обработанные поверхности постепенно переходят в состав потенциальных баз для создания из них комплектов, а «обработанные» СТОК-группы выстраиваются в последовательность обработки Последняя считается завершенной, когда все группы окажутся обработанными и при этом ни разу не окажется невозможно ориентировать СТОК-группу имеющимися базами

Краткое описание алгоритма генерации (рис 3) После задания переменных, значения которых будут меняться в процессе выполнения алгоритма, следует добавление исходных баз в банк (хранилище) баз, откуда они будут извлечены при формировании комплектов для «базирования» очередной СТОК-группы

После проверки отсутствия завершенной последовательности в соответствующем блоке и добавления к его содержимому одной СТОК-группы (для краткости - просто группы), готовые комплекты баз проверяются на возможность ориентировать поступившую группу хотя бы раз, при этом решается задача покрытия При успешном решении этой задачи новые базы от «обработанной» группы помещаются в банк, чтобы пополнить состав баз на следующем этапе

Цикл добавления групп на основе возможности их базирования прерывается, если окажется, что ни одна группа на данном этапе не может быть ориентирована Тогда заменяется выбранная на предыдущем этапе группа и производятся попытки продолжить последовательность

Как только блок последовательности заполнится группами поверхностей, текущая последовательность сохраняется в массиве результата и производится переход на два шага назад Текущая группа меняется на другую из состава только что отброшенных с конца, последовательность снова завершается и сохраняется

Далее переход назад увеличивается на шаг и выполняется для очередного изменения первоначальной последовательности

Начало С Конец —ч

Добавить новые базы в банк В отметить в нем использованные исходные базы

Задать переменные п 0 \ = всего групп поверхностей В банк потенциальных баз, К массив для хранения комплектов баз, }' массив блока вариантов последовательности И массив I отовых вариантов последовательности, В А 1' К 0 Сформировать состав исходных баз (ИБ) и добавить их в банк

Составить комплекты исходных баз

Составить комплекты из Да |

имеющихся в банке баз 1 Добавить следую-

X_ щую* группу в блок последовательности Р

Выполнить поиск среди комплектов баз для покрытия требуемой ориентации группы

Да Базирование^^

Убрать из последовательности последнюю группу и базы от нее из банка, снять отметки с примененных для нее ИБ

Убрать из последовательности п групп и базы от них из банка, снять отметки с ИБ на которые базировались эти группы

Рис 3 Генерация вариантов последовательности обработки

Примечания * - Номер которой следует сразу за номером только что

к схеме убранной группы с данного места

** - Всего групп поверхностей Б за вычетом составляющих уже построенную часть последовательности Р

В результате выполнения алгоритма генерации имеем множество вариантов последовательности обработки, которые подлежат автоматизированному анализу на предмет содержания в своем составе локальных последовательностей типа «группа I после группы II» или «группа I сразу после группы II» Последние задаются проектировщиком, исходя из технологических требований обработки, определенных и перечисленных в работе

Каждой локальной последовательности присваивается оценка, отражающая ценность реализуемого требования Сумма оценок локальных последовательностей, присутствующих в полной, составит ее итоговую оценку, по которой должно быть упорядочено множество вариантов последовательности

Следующим шагом устанавливается предпочтительное начало обработки детали, критерии для выбора которого приведены в работе

Отобранные таким образом варианты последовательности обработки направляются на проверку обеспечиваемой точности взаимного расположения поверхностей и после успешного ее прохождения подвергаются анализу с позиций базирования

Если на этапе генерации была зафиксирована возможность завершения отобранных впоследствии вариантов последовательное! и, то теперь наступает время выбора не просто допустимых, но наиболее предпочтительных комплектов баз для каждого этапа обработки Эта операция производится в полуавтоматическом режиме в соответствии с системой требований, изложенной в содержании третьей главы

Последовательность обработки с уточненными базами принимается к реализации

В пятой главе определены цели и средства создания программы проектирования комплектов баз для СТОК-групп детали Произведен анализ предметной области программы, установлены объекты (детали, поверхности) и отношения между ними (взаимная принадлежность, объединение по признакам, возможности ориентации и т д.)

Для представления рассмотренных объектов и связей предложено и обосновано применение структуры реляционной базы данных, которая соответствует структуре информационных объектов и подходит для описания предметной области проектирования баз

Разработана схема работы программы, обеспечивающая переход от упорядоченной характеристики поверхностей детали и выбранной СТОК-группы к одинарным, двойным и тройным комплектов баз Приведены области возможного применения программы

" В составе системы автоматизированного проектирования технологических процессов, в качестве ее подсистемы

■ Отдельным модулем, который позволяет технологу получить данные для базирования детали при «ручном» проектировании

Дано краткое описание пользовательского интерфейса, порядок ввода исходных данных и настройки программы

В приложении представлены свидетельства об официальной регистрации программы «Базирование 2005» в ОФАП и ВНТИЦ

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Разработана формальная модель структуры детали, основанная на ее параметрическом описании шестикомпонентными векторами положения Модель реализует универсальную форму описания поверхностей детали, пригодную для применения в условиях автоматизации проектирования

2 Показано, что задача выбора технологических баз и формирования из них комплектов может быть сведена к поиску полных «покрытий» компонентов вектора суммарной требуемой ориентации обрабатываемых поверхностей компонентами векторов базирующих свойств возможных баз При этом задача «покрытия» решается индивидуально для каждого сочетания «базы - обрабатываемые поверхности», что дает возможность корректировки векторов положения для того, чтобы «не потерять» недостающую угловую связь при базировании Решение задачи в таком виде позволяет «рассчитывать» базы для любых сочетаний обрабатываемых поверхностей детали

3 Разработана методика подготовки состава потенциальных баз, с помощью которой можно сократить объем данных, участвующих в дальнейшем переборе в ходе выполнения алгоритма по формированию комплектов баз Ограничения приведены в систематизированном виде и представляют основу взаимодействия проектировщика и САПР ТП при выборе технологических баз

4 Построен детальный алгоритм выбора баз для СТОК-группы, учитывающий помимо индивидуальных атрибутов взаимное расположение поверхностей детали и позволяющий корректно обрабатывать ситуацию базирования на поверхности вращения

5 Разработана методика формирования последовательности обработки детали, имеющая в основе многократное решение задачи базирования при поиске маршрутов, обеспечивающих точность ВРП методом постепенного перехода от одной поверхности к другой по мере обработки потенциальных баз

6 Предложена модель и создан алгоритм генерации последовательностей, предусматривающий поэтапное развитие вариантов начала обработки и доведение их до пустого множества необработанных поверхностей без потери баз хотя бы на одном этапе генерации

7. Проведена рационализация алгоритма генерации последовательностей обработки на предмет исключения заведомо непригодных вариантов, чтобы предотвратить их дальнейшее развитие в ходе выполнения алгоритма и сэкономить вычислительные ресурсы ЭВМ

8 Разработана методика оценки и распределения по предпочтительности полученных вариантов последовательности обработки, дающая возможность обоснованного выбора наиболее предпочтительного варианта

9 Создана программа автоматизированного проектирования комплектов баз для СТОК-групп «Базирование 2005», позволяющая

■ Создавать и накапливать формальные описания деталей и составляющих их поверхностей

■ Формировать множество возможных баз для последующей генерации комплектов, настраивая критериальные фильтры

■ Оперативно проверять полученное множество на возможность дальнейшего использования

■ Последовательно формировать одинарные, двойные и тройные комплекты баз для выбранной группы поверхностей

" Упорядочивать полученные комплекты по степени избыточности предоставляемых базирующих связей

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1 Борисов О Э Подготовка информации о доступности поверхностей для обработки // Размерная наладка, надежность и эффективность процессов машиностроительного производства Межвузовский сборник научных трудов - Владивосток, 2004 г, с 90-94

2 Bonsoff О Е Assurance of arrangement accuracy during automated cutting designing // Materials of the Sixth International Young Scholars Forum of the Asia-Pacific region countries - Vladivostok Far-Eastein State Technical University, 2004, part 1, pp 165-166

3 Борисов О Э , Старостин В Г Информационный подход к технологическому проектированию // Сборник трудов Дальневосточного отделения Российской инженерной академии Вып 11 - Владивосток, 2006 г , с 87-90

4 Борисов О Э Определение избыточности базирования при автоматизированном проектировании процессов обработки резанием // Молодежь и научно-технический прогресс Материалы региональной научной конференции Ч 1 - Владивосток ДВГТУ, 2006, с 140-141

5 Борисов О Э Технологический процесс как адаптивная информационная система // Молодежь и научно-технический прогресс Материалы региональной научной конференции Ч 1 - Владивосток ДВГТУ, 2006, с 143

6 Борисов О Э Автоматизация выбора баз при проектировании обработки деталей резанием «Базирование 2005» - М ВНТИЦ, 2006 -№50200600143

7 Борисов О Э Автоматизация выбора баз при проектировании обработки деталей резанием «Базирование 2005» // Инновации в науке и образовании - 2006, № 2 (13), с 8

8 Борисов О Э, Старостин В Г Оценка предпочтительности комплектов баз при формализованном технологическом проектировании // Сборник трудов Дальневосточного отделения Российской инженерной академии Вып 12 - Владивосток, 2007 г, с 126-128

9 Борисов О Э, Старостин В Г Формализованное проектирование последовательности обработки детали резанием // Журнал СТИН Вып 9 - Москва, 2007 г , с 30-35

Борисов Олег Эдуардович

Формализация проектирования последовательности обработки резанием поверхностей деталей

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 06 09 07 Формат 60x84/16 Уел печ л 1,16 Уч-изд л 1,0 Тираж 100 экз Заказ 118

Издательство ДВГТУ, 690950, г Владивосток, Пушкинская, 10 Типография издательства ДВГТУ, 690950, г Владивосток, Пушкинская, 10

Введение.

Глава 1. Последовательность обработки как составляющая часть структурного синтеза технологического процесса.

1.1. Структурное проектирование и его значение для создаваемого технологического процесса.

1.2. Последовательность обработки - блок синтеза геометрических и технологических свойств обрабатываемой детали.

1.3. Формализованный подход к проектированию технологии, преимущества и перспективы.

1.4. Формализованное построение последовательности обработки: цели и задачи.

Современное машиностроительное производство, продуктами которого являются уже не только и не столько космические корабли, военная техника и производственное оборудование, но и товары народного потребления или массового спроса, предъявляет особые требования к качеству изделий в сочетании с доступными на них ценами.

Компенсировать недостаток качества товаров увеличением объемов их производства, внедрением радикально новых методов и материалов сегодня уже не удается. Перепроизводство и острая конкуренция среди производителей, характерное для наших дней, оставляет только два пути к первенству среди производящих тот же товар: снижение цен или повышение качества. Второй путь является более перспективным, тогда как первый - лишь временное средство, возможности применения которого сильно ограничены.

Основным средством повышения качества изделий, сроков их разработки, обеспечение точности и стабильности их изготовления, а также получения минимума себестоимости, является совершенствование технической подготовки производства, развитие системы технологического проектирования.

Технологическое проектирование представляет собой главную задачу технической подготовки производства и составляет в среднем половину ее трудоемкости. Кроме того, из практики известно, что трудоемкость технологического проектирования обычно в 2-3 раза превышает трудоемкость конструирования.

Методической основой оптимизации технологических процессов, получаемых в результате технологического проектирования, являются технико-экономические принципы, которые позволяют разрабатывать и принимать к исполнению наиболее рациональные из группы рассматриваемых вариантов технологических процессов.

Согласно этим принципам, обработка детали должна исполнятся с наименьшими затратами труда, минимальной себестоимостью, при условии изготовления изделий в количествах и в сроки, установленные производственной программой. Реализация перечисленных требований обеспечивается вариантностью проектирования, в ходе которого порождаются альтернативные с технических позиций варианты.

В традиционном проектировании вопрос поиска оптимального решения не является приоритетным по причине того, что количество детально анализируемых вариантов невелико, а их оценка производится на основе интуиции и опыта проектировщика и лишь в отдельных случаях - сравнением наиболее простых количественных критериев.

В настоящее время задача выбора оптимальных технологических решений стала весьма актуальной. Это обусловлено, с одной стороны, невозможностью другими способами усовершенствовать технологию, а с другой - широким распространением и ростом доступности вычислительных машин. Таким образом, появились благоприятные условия для автоматизации технической подготовки производства, в том числе, для автоматизации проектирования процессов обработки. Открылись новые возможности для направленного поиска эффективных технологических решений в области структурного и параметрического проектирования.

Теория технологии машиностроения, особенно ее часть, связанная с проектированием технологических процессов, исторически является наукой с хорошо развитой содержательной частью и недостаточным формальным представлением этой содержательной части [28].

Автоматизация проектирования процессов обработки потребовала пересмотра методов решения многих задач проектирования, разработки способов их формализации, количественного описания и выбора критериев оптимальности. Являясь стимулом для разработки формальных методов поиска технологических решений, автоматизация проектирования во многом способствует применению этих методов и в неавтоматизированном проектировании.

Недостаточность формального представления теоретических положений технологии машиностроения ясно обозначилась в ходе создания систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП). Преимущественное развитие получили системы, где проектирование осуществлялось на основе унифицированных (типовых или групповых) технологических процессов или их фрагментов. Методы проектирования были построены на поиске именно таких процессов и соответствующей их доработки. Информация, хранящаяся в «электронных архивах», лишенная общих законов построения и представленная в различной форме, должна была подвергаться настройке при переходе от одной производственной ситуации к другой. Системы такого рода не могли претендовать на универсальность.

Попытки создать системы проектирования, инвариантные в отношении классов деталей, технологических комплексов и производственных условий успеха не получили.

Главным фактором, сдерживающим создание универсальных САПР ТП, следует признать недостаточное развитие технологической теории в области обоснованного принятия решений. Те задачи, которые в традиционном проектировании решаются интуитивно, требуют глубоких исследований для выявления логики их решения, установления информационных связей между соответствующими подзадачами и т. д. Полученные результаты уже можно будет представить в виде, доступном для обработки в условиях полной или частичной автоматизации.

Настоящая работа посвящена исследованиям в области формализации структурного синтеза технологических процессов, а именно - формализованному проектированию последовательности обработки поверхностей детали при ее многократном базировании относительно формообразующих элементов станка.

В основе разработанных методик, моделей и алгоритмов лежат положения математической логики, теории проектирования вообще и опыт технологии машиностроения, представленный в более или менее формализованном виде.

В работе также приведено краткое описание программной реализации решения такой задачи структурного проектирования, как выбор технологических баз.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНЕСЕННЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Структурная модель геометрически-технологического образа обрабатываемой детали.

2. Методика, модель и алгоритм выбора технологических баз и формирования из них комплектов.

3. Методика анализа технологических баз.

4. Методика, модель и алгоритм проектирования последовательности обработки поверхностей детали.

5. Методика по оценке и выбору спроектированных вариантов последовательности обработки.

6. Компьютерная программа - отдельный модуль САПР ТП по формированию комплектов баз для групп обрабатываемых поверхностей.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана формальная модель структуры детали, основанная на ее параметрическом описании шестикомпонентными векторами положения. Геометрические свойства детали характеризуются ее видом ее поверхностей и их связями с прямоугольной системой координат, а технологические - развитостью в направлениях, характерных для данного вида поверхностей. Модель реализует универсальную форму описания поверхностей детали, предполагающую общность их атрибутивной структуры.

2. Показано, что задача выбора технологических баз и формирования из них комплектов может быть сведена к поиску полных «покрытий» компонентов вектора суммарной требуемой ориентации обрабатываемых поверхностей компонентами векторов базирующих свойств возможных баз. При этом задача «покрытия» решается индивидуально для каждого сочетания «базы - обрабатываемые поверхности», что дает возможность корректировки векторов положения для того, чтобы «не потерять» недостающую угловую связь при базировании. Рассмотрены все возможные варианты присутствия отверстий среди баз и обрабатываемых поверхностей.

3. Разработана методика для подготовки состава потенциальных баз, позволяющая сократить объем данных, участвующих в дальнейшем переборе в ходе выполнения алгоритма формирования комплектов баз. Ограничения приведены в систематизированном виде.

4. Построен детальный алгоритм выбора баз для СТОК-группы, учитывающий помимо индивидуальных атрибутов также взаимное расположение поверхностей детали и позволяющий корректно обрабатывать ситуацию базирования на поверхности вращения.

5. Разработана методика формирования последовательности обработки детали, имеющая в основе многократное решение задачи базирования при поиске маршрутов, обеспечивающих точность ВРП методом постепенного перехода от одной поверхности к другой по мере обработки потенциальных баз.

6. Предложена модель и создан алгоритм генерации последовательностей, предусматривающий поэтапное развитие вариантов начала обработки и доведение их до пустого множества необработанных поверхностей без потери баз хотя бы на одном этапе генерации.

7. Проведена рационализация алгоритма генерации последовательностей обработки на предмет исключения заведомо равноценных или непригодных вариантов, чтобы предотвратить их дальнейшее развитие в ходе выполнения алгоритма.

8. Разработана методика оценки и распределения по предпочтительности полученных вариантов последовательности обработки. Распределение производится путем применения ряда технологических и функциональных критериев.

9. Создана программа автоматизированного проектирования комплектов баз для СТОК-групп «Базирование-2005», позволяющая:

- создавать и накапливать формальные описания деталей и составляющих их поверхностей;

- формировать множество возможных баз для последующей генерации комплектов, настраивая критериальные фильтры;

- оперативно проверять полученное множество на возможность дальнейшего использования;

- последовательно формировать одинарные, двойные и тройные комплекты баз для выбранной группы поверхностей;

- упорядочивать полученные комплекты по степени избыточности базирующих связей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ПЯТОЙ ГЛАВЕ

На основе ранее разработанных алгоритмов создана компьютерная программа [5, 6], имеющая ценность, во-первых, как подтверждение «работоспособности» предшествовавших теоретических изысканий, и, во-вторых, как возможный модуль системы автоматизированного проектирования технологических процессов.

Рассмотренная программа основывается на принципах построения реляционных баз данных, то есть оперирует множеством таблиц для получения новых таблиц, позволяющих сформировать в итоге требуемый результат. Операции с таблицами производятся при помощи разнообразных запросов на выборку, добавление, обновление и удаление данных согласно условиям, задаваемым в программе на языке SQL.

Разработана схема работы программы, обеспечивающая переход от входных данных (упорядоченная характеристика поверхностей детали и выбранная СТОК-группа) к выходным (множества одинарных, двойных и тройных комплектов баз).

Все операции с данными, не требующие участия оператора, скрыты посредством пользовательского интерфейса, который состоит из двух экранных форм. Использование элементов управления в составе этих форм дает возможности быстрого и практически безошибочного ввода исходных данных пользователем, сохранения их в базе данных, указания признаков СТОК-группы, ограничения состава отдельных баз и последующего формирования из них комплектов различной размерности.

Перспективы улучшения и модернизации программы сводятся к расширению ее функциональности за счет обеспечения работы с рядом СТОК-групп, что требует значительного усложнения кода программы и требуемых на ее выполнение вычислительных ресурсов. Реализация такого улучшения предполагается лишь в условиях реального коммерческого проекта САПР ТП.

1. Автоматизация проектирования технологии в машиностроении / Б. Е. Челищев, И. В. Боброва, А. Гонсалес-Сабатер; под ред. Н. Г. Бруевича. М.: Машиностроение, 1987. - 264 с.

2. Автоматизация проектирования технологических процессов в машиностроении / Под ред. Н. М. Капустина. М.: Машиностроение, 1985. 304 с.

3. Автоматизированные системы технологической подготовки производства в машиностроении / Под ред. Г. К. Горанского. М.: Машиностроение, 1976. 239 с.

4. Борисов О. Э. Автоматизация выбора баз при проектировании обработки деталей резанием «Базирование 2005» // Инновации в науке и образовании. 2006, № 2 (13), с. 8.

5. Борисов О. Э. Автоматизация выбора баз при проектировании обработки деталей резанием «Базирование 2005». М.: ВНТИЦ, 2006. -№50200600143.

6. Борисов О. Э. Определение избыточности базирования при автоматизированном проектировании процессов обработки резанием // Молодежь и научно-технический прогресс. Материалы региональной научной конференции. Ч. 1 Владивосток: ДВГТУ, 2006, с. 140 - 141.

7. Борисов О. Э. Подготовка информации о доступности поверхностей для обработки // Размерная наладка, надежность и эффективность процессов машиностроительного производства. Межвузовский сборник научных трудов. Владивосток, 2004 г., с. 90 - 94.

8. Борисов О. Э. Технологический процесс как адаптивная информационная система // Молодежь и научно-технический прогресс. Материалы региональной научной конференции. Ч. 1 Владивосток: ДВГТУ, 2006, с. 143.

9. Борисов О. Э., Старостин В. Г. Информационный подход к технологическому проектированию. // Сборник трудов Дальневосточного отделения Российской инженерной академии. Вып. 11. Владивосток, 2006 г, с. 87-90.

10. Владимиров Е. В. Автоматизация с помощью ЭВМ расчетов режимов резания и норм времени при одноинструментальной обработке деталей на металлорежущих станках. Минск: Изд-во АН БССР, 1975. 95 с.

11. Горанский Г. К. Расчет режимов резания при помощи ЭВМ. Минск: Госиздат БССР, 1963. 329 с.

12. ГОСТ 3.1109-82 (СТ СЭВ 2064-79, СТ СЭВ 2522-80, СТ СЭВ 252380).

13. Капустин Н. М. Разработка технологических процессов деталей на станках с помощью ЭВМ. В 2-х кн. М.: Машиностроение, 1976. -287 с.

14. КолесовИ. М. Основы технологии машиностроения: Учебник для машиностроительных вузов. М.: Машиностроение, 1997. - 592 с.

15. Комиссаров В. И., Леонтьев В. И. Точность, производительность и надежность в системах проектирования технологических процессов. М.: Машиностроение, 1985.-224 с.

16. Комиссаров В. И., Леонтьев В. И., Старостин В. Г. Размерная наладка универсальных металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1968.-208 с.

17. Куликов Д. Д., Падун Б. С., Яблочников Е. И. Автоматизация проектирования технологических процессов: Учебное пособие. Л.: Издательство ЛИТМО, 1984. 84 с.

18. Курс начертательной геометрии (на базе ЭВМ) / Под ред. А. М. Тевлина. М.: Высшая школа, 1983. 175 с.

19. Машиностроение. Терминология: Справочное пособие. Вып. 2. -М.: Издательство стандартов, 1989. - 432 с.

20. Митрофанов С. П. Научные основы групповой обработки. -Л.: Лениздат, 1959.- 156 с.

21. Основы технологии машиностроения. / Под ред. В. С. Корсакова. 3-е изд. переработ, и доп. - М.: Машиностроение, 1977. - 461 с.

22. Павлов В. В. Математическое обеспечение САПР в производстве летательных аппаратов. Учебное пособие. М.: МАТИ, 1978, 67 с.

23. Павлов В. В. Структурное моделирование производственных систем. М.: Мосстанкин, 1987. - 80 с.

24. Проектирование технологических процессов механической обработки деталей в АСТПП. Учебное пособие. / Павлов В. В. и др. М.: Мосстанкин, 1987.-76 с.

25. Системы автоматизированного проектирования технологических процессов, приспособлений и режущих инструментов. Учебник для вузов. / С. Н. Корчак, А. А. Кошин, А. Г. Ракович, Б. И. Синицын; Под общ. ред. С. Н. Корчака. М.: Машиностроение, 1988. - 352 с.

26. Старостин В. Г., Лелюхин В. Е. Формализация проектирования процессов обработки резанием. М.: Машиностроение, 1986. 136 с.

27. Старостин В. Г., Рассказов Д. М. Принципы формирования системы размерных связей детали // Сборник трудов Дальневосточного отделения Российской инженерной академии. Вып. 9. Владивосток, 2004 г., с. 123-126.

28. Цветков В. Д. Система автоматизации проектирования технологических процессов. М.: Машиностроение, 1972. 240 с.

29. Цветков В. Д. Системно-структурное моделирование и автоматизация проектирования технологических процессов. Минск: Наука и техника, 1979. 261 с.

30. Челищев Б. Е. Теория и практика создания комплекса многофункциональных автоматизированных систем для проектирования технологических процессов машиностроения. // Труды института № 410. НИАТ, 1982.-55 с.