автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Оптимизация холостых перемещений инструмента при фрезеровании сложных поверхностей на трехкоординатных станках с ЧПУ

На правах рукописи

НГУЕН ВАН НАМ

ОПТИМИЗАЦИЯ ХОЛОСТЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ИНСТРУМЕНТА ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ СЛОЖНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА ТРЕХКООРДИНАТНЫХ СТАНКАХ С ЧПУ

Специальность: 05.02.08 - Технология машиностроения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

8 АПР 2015

005566973

Иркутск —2015

005566973

Работа выполнена на кафедре «Оборудование и автоматизация машиностроения» ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет»

Научный руководитель: Пономарев Борис Борисович, доктор

технических наук, профессор, зав. кафедрой «Оборудование и автоматизация машиностроения» ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет»

Официальные оппоненты: Громашев Андрей Геннадьевич, доктор технических наук, главный технолог ЗАО «АэроКомпозит»;

Шленский Ярослав Юрьевич, кандидат технических наук, заместитель генерального директора ОАО «НИИХИММАШ»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Иркутский государствен-

ный университет путей сообщения»

Защита диссертации состоится 4 июня 2015 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.073.02 при ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, Конференц-зал.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет», официальный сайт www.istu.edu.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные и заверенные печатью организации, просим высылать по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, ИрНИТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.073.02 В.М. Салову: salov@istu.edu.

Автореферат разослан 15 апреля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, профессор,

В.М. Салов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для изготовления деталей со сложными поверхностями в настоящее время в условиях серийного производства широко применяются трехкоординатные фрезерные станки с числовым программным управлением (ЧПУ). Задача повышения эффективности их использования актуальна и требует, как теоретического, так и практического решения.

При обработке поверхности детали сложной формы на трехкоорди-натном фрезерном станке с ЧПУ самой продолжительной операцией в технологическом процессе является чистовая. При этом из-за особенностей технологии фрезерования сложнопрофильных поверхностей, значительно увеличивается продолжительность холостых перемещений на переходы инструментов от одной зоны обработки к другой, на смену и замену фрез при многоинструментальной обработке и ограниченных возможностях инструмента по стойкости. Продолжительность холостых перемещений в общем цикле обработки таких деталей соизмерима с временем резания при их формообразовании. При высокой стоимости станко-часа современного станка неэффективное его использование недопустимо.

Сокращение вспомогательного времени, затрачиваемого на холостые перемещения, может значительно повысить эффективность использования технологического оборудования, особенно дорогостоящих многоцелевых станков.

Однако, проблеме оптимизации вспомогательного времени, затрачиваемого на холостые перемещения при фрезеровании сложных поверхностей, до сих пор не уделялось должного внимания. Следует отметить, что и наиболее распространенные современные САМ системы не содержат модулей, позволяющих оптимизировать последовательность выполнения переходов, обусловленную формами отдельных областей (участков) поверхности детали и инструмента, используемого для их обработки. Порядок обработки отдельных участков поверхности детали с различными формами, последовательность смены инструмента, как показывает практика, до сих пор определяет технолог на основе личного опыта без применения современных методов моделирования и оптимизации. Зачастую количество вариантов последовательностей выполнения переходов измеряется десятками и сотнями. Простой перебор такого числа вариантов невозможен. В современном производстве необходим метод, который позволял бы автоматически и достаточно быстро выбирать оптимальный вариант последовательности выполнения переходов при чистовом фрезеровании, определял порядок смены инструмента с учетом его стойкости и конфигурации обрабатываемой поверхности.

Цель работы. Повысить производительность процесса чистового фрезерования на трехкоординатных станках с ЧПУ при формообразовании по-

з

верхностей деталей сложной формы путем минимизации вспомогательного времени.

Задачи исследования

1. Определение основных подходов в формировании общих и частных стратегий обработки деталей со сложными поверхностями на трехко-ординатных станках с ЧПУ, сложившихся в современном машиностроении.

2. Поиск критерия оптимизации последовательности выполнения переходов между участками сложной поверхности при формообразовании ее на трехкоординатном станке с ЧПУ.

3. Анализ алгоритмических решений и методов определения наикратчайшего маршрута перемещений инструментов от участка к участку и наивыгоднейшей последовательности обработки участков сложной поверхности с учетом ограничений по перемещениям и стойкости инструмента.

4. Разработка математической модели минимизации холостых перемещений при смене обрабатываемых участков и инструментов на основе точечного описания геометрии детали.

5. Разработка и отладка программных модулей оптимизации последовательности фрезерования участков сложных поверхностей деталей на трехкоординатных станках с учетом ограничений по стойкости инструментов.

6. Практическое подтверждение эффективности предложенных решений.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследования, включающие методы системно-структурного анализа; методы математической статистики; численные методы высшей математики; методы метрологических исследований.

Научная новизна исследования заключается в разработанной математической модели оптимизации последовательности обработки участков при фрезеровании сложных поверхностей на трехкоординатных станках с ЧПУ с минимизацией вспомогательного времени, затрачиваемого на холостые перемещения инструмента, с учетом дополнительных ограничений, в качестве которых приняты стойкость инструментов и минимальные и достаточные высоты подъема инструмента, гарантирующие выполнение его холостых перемещений от участка к участку без столкновений с заготовкой.

Практическая ценность исследования заключается в:

1) готовом к применению, отлаженном программном модуле, который может использоваться как дополнение к САМ системам, современного машиностроения при разработке технологических процессов и управляющих программ чистового фрезерования сложных поверхностей деталей;

2) методике расчета наивыгоднейшего маршрута технологических переходов, который дает возможность свести к минимуму длину холостых перемещений, количество фрез и число смен инструментов;

3) технологических рекомендациях определения последовательности выполнения переходов, позволяющих повысить производительность и минимизировать вспомогательное время, затрачиваемое на холостые переходы при фрезеровании сложных поверхностей на трехкоординатных станках с ЧПУ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Последовательность смены фрез, последовательность обработки участков сложной поверхности, период стойкости используемых фрез, высота подъема инструмента, гарантирующая выполнение его холостых перемещений от участка к участку без столкновений с заготовкой как факторы, влияющие на вспомогательное время.

2. Алгоритм минимизации холостых перемещений при переходах между обрабатываемыми участками на основании кластерного метода с учетом минимальной высоты подъема инструмента.

3. Алгоритм определения последовательности обработки отдельных участков сложной поверхности на основе алгоритмов решения логистических задач при управлении транспортными потоками и оптимизации их маршрутов.

4. Программный модуль определения последовательности обработки и холостых перемещений инструмента при фрезеровании сложных поверхностей.

5. Методика и результаты экспериментальной проверки теоретических разработок.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности 05.02.08 - Технология машиностроения. Диссертация соответствует пунктам области исследования № 2 (Технологические процессы, операции, позиции, технологические переходы и рабочие хода, обеспечивающие повышение качества изделий и снижение их себестоимости); № 4 (Совершенствование существующих и разработка новых методов обработки и сборки с целью повышения качества изделий машиностроения и снижения себестоимости их выпуска); № 7 (Технологическое обеспечение и повышение качества поверхностного слоя, точности и долговечности деталей машин).

Реализация работы

Работа проводится при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки России) по комплексному проекту 2012-218-03-120 «Автоматизация и повышение эффективности процессов изготовления и подготовки производства изделий авиатехники нового поколения на базе Научно-производственной корпорации «Иркут» с научным сопровождением Иркутского государственного технического университе-

та» в рамках Постановления Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. №218.

Результаты исследования переданы НИЛ «Высокопроизводительная механообработка, формообразование и упрочнение деталей машин» кафедры «Оборудование и автоматизация машиностроения» ФГБОУ ВО ИрНИТУ для использования при проведении экспериментальных исследований и работы с заказчиками, а также учебному центру компьютерных технологий ФГБОУ ВО ИрНИТУ для включения в учебный процесс при подготовке бакалавров и магистров по направлениям «Автоматизация технологических процессов и производств», «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», «Машиностроение».

Публикации. Основные теоретические положения диссертации нашли отражение в 7 публикациях, в том числе 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Получено одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались на научно-практических конференциях всероссийского и международного уровня: Всероссийской научно-технической конференции «Авиамашиностроение и транспорт Сибири» (апрель, 2014 г.) в ИрГТУ; ежегодной научно-технической конференции факультета АМиТ-ОАМ (апрель, 2013 г.; май, 2014 г.) в ИрГТУ. Автор диссертационной работы принимал заочное участие в VII Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (сентябрь, 2014 г.) в МГТУ имени Н.Э. Баумана.

Структура диссертационной работы. Работа включает один том, состоящий из введения, трех глав, заключения, библиографического списка литературы и приложения. Основной текст диссертации изложен на 164 страницах машинописного текста, включая 65 рисунков, 20 таблицы, библиографический список из 151 наименований. Приложения включают исходные тексты программ, протоколы проверки тестовых образцов на коор-динатно-измерительной машине и профилометре-профилографе на 30 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований; определена научная новизна, практическая значимость выполненных исследований, рассмотрены методы исследования, используемые при решении поставленных задач, определены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены существующие методы оптимизации частных стратегий при обработке поверхности сложной формы, которые включают в себя разбиение поверхности на отдельные конструктивно-

технологические участки, выбор фрез с наиболее подходящими формой и размерами для обработки каждого участка, определение стратегий резания на каждом участке и методы оптимизации общих стратегий, суть которых заключается в определении наивыгоднейших последовательностей обработки выделенных участков. Представлена классификация деталей со сложными поверхностями, общие сведение о технологическом оборудовании, инструментальном и программном обеспечении, используемыми при формообразовании таких поверхностей путем фрезерования.

Приведен обзор научных работ, в которых рассмотрены проблемы и перспективы применения методов оптимизации частных и общих стратегий при обработке деталей со сложными поверхностями. Отмечено, что выбору стратегий обработки посвящены исследования, выполненные в университетах и научных лабораториях Австрии, Великобритании, России, США, Украины ФРГ, в работах С.П. Радзевича, В.П. Зубова, A.B. Грошева, М.А. Абросимовой, А.И. Макарова, М.С. Пожидаева, Б.Б. Пономарева, В.М. Репина, Ф.В. Медведева, G. Sun, F. Wang, P. Wright, С. Sequin,

A. Hanta, R.J. Grieve, P. Broomhead, H. Pottmann, J. Wallner, G. Glaeser,

B. Ravani и др.

Рекомендации по практической реализации методик оптимизации многоинструментальной обработки сложных поверхностей даны в работах

C.П. Радзевича, A.C. Азотова, Б.Б. Пономарева, В.М. Репина, Ф.В. Медведева, G. Sun, F. Wang, P. Wright и С. Sequin. Анализ литературных источников позволил установить следующее.

1. В подготовке производства деталей, имеющих сложные поверхности и получаемых фрезерованием на станках с ЧПУ, такие проблемы, как выбор формы и размеров инструментов, разделение поверхности на отдельные конструктивно-технологические зоны (участки или области); определение траекторий врезаний-выводов инструмента, определение точки начала обработки на каждом участке; выбор частной стратегии формообразования, для каждого участка, могут считаться теоретически и практически решенными с использованием достаточно известных алгоритмов оптимизации.

Рисунок 1 - Деление поверхности детали на отдельные конструктивно-технологические зоны

Авторами ряда работ предложен способ деления поверхности, при котором считается целесообразным проверять тот или иной инструмент на способность фрезеровать заданную скульптурную поверхность, на основании чего просчитываются области технологических переходов для выбранного типоразмера инструмента. В работах С.П. Радзевича представлены теоретические основы зонирования поверхности на отдельные области по результатам решения задачи синтеза глобального формообразования, выбора наилучшего инструмента по критерию эффективности его использования для формообразования заданной поверхности. В работе G.Sun, Fu-Chung Wang, P.Wright и С.Sequin представлена стратегия и алгоритмы разбиения сложных поверхностей на отдельные конструктивно-технологические участки для многочисленных операций, включая черновую и чистовую обработку. При этом для каждой операции выбор формы и параметров фрезы основывается на минимизации времени обработки, а само деление определяет геометрия инструмента и поверхности.

2. Задача оптимизации общей стратегии обработки представляет собой поиск наивыгоднейшей последовательности обработки отдельных зон поверхности, обеспечивающей минимум затрат времени на холостые движения при переходе инструмента от участка к участку, и при его смене, а также минимального количества используемых при обработке инструментов.

Рисунок 2 - Аналогии между асимметричной задачей маршрутизации транспорта с ограничением по грузоподъемности и задачей определения оптимальной последовательности переходов инструмента

Самый краткий маршрут от предыдущего участка к последующему при чистовой обработке детали со сложной поверхностью может быть рассчитан с применением кластерного метода. Метод, основанный на кластерном анализе модели, позволяет исследовать поверхность детали любой

геометрической формы. Особенностью данного метода является разбиение электронной модели детали, содержащей сложные поверхности, на кластеры (массивы точек).

При решении задачи определения наивыгоднейшего маршрута инструментов при переходе от одного участка фрезерования к другому может быть использована известная «асимметричная задача маршрутизации транспорта с ограничением по грузоподъемности» (рис. 2), решаемая с помощью алгоритма Кларка-Райта, алгоритма Свира (sweep-алгоритм), адаптационного алгоритма поиска по большим окрестностям «Adaptive Large Neighborhood Search» (ALNS).

Во второй главе описан разработанный алгоритм минимизации холостых перемещений при смене обрабатываемых участков и оптимизации последовательности обработки отдельных участков.

Схематично процесс перемещения фрезы от одного участка обработки к другому и движений при замене фрез в процессе чистовой обработки сложной поверхности представлен на рис. 3, из которого следует, что холостые перемещения с увеличенной скоростью подачи происходят при движении инструмента из конечной точки отвода (IV) до точки его смены О, а при необходимости смены фрезы в процессе движения - из точки О до начальной точки врезания (II) и при движении от конечной точки отвода (IV) до начальной точки врезания (II) в заготовку при переходе к следующему обрабатываемому участку. Следует отметить, что стратегия смены фрез должна учитывать требования к качеству поверхности детали:

В случаях, когда к качеству поверхности детали, нормируемому параметрами шероховатости, требования невысоки, смена фрез осуществляется тогда, когда период стойкости их полностью выработан. После смены фрезы процесс обработки должен быть продолжен с того места, в котором произошел отвод инструмента от заготовки.

Для тех деталей, у которых требования к шероховатости поверхности высоки, смена инструмента должна происходить сразу после того, как процесс резания на участке полностью завершился. Это позволяет исключить появление следа на обрабатываемом участке от воздействия предыдущей и последующей фрез на заготовку и свести к минимуму затраты на доводочные работы. Изменение последовательности выполнения технологических переходов сопровождается изменением значения длины холостых перемещений. На основе проведенного исследования предложен метод определения оптимального маршрута фрез одного типоразмера при движении между одной группой участков. Метод реализуется в два этапа:

Первый этап: поиск минимального холостого перемещения инструмента при переходе к следующему обрабатываемому участку.

При этом проводится расчет длин переходов для всех пар участков, входящих в одну группу, то есть участков, обрабатываемых фрезой одного типоразмера. При этом необходимо определить положение локальной

плоскости безопасности для двух последовательно обрабатываемых участков (ЛП).

Ншнаня смев фрез (0)

! оыт I .

' ; Подход ф «миски»

1В°ЩМЯ(П. I Обработки««

| учзпок

Отвод 0}

Рисунок 3 - Схема перемещений фрез при чистовой обработке поверхности на трехкоординатном станке с ЧПУ

Рисунок 4 - Образование контролируемой геометрии

Второй этап: определение наивыгоднейшей последовательности обработки всех участков одной группы с учетом стойкости инструментов и найденного в результате выполнения первого этапа минимального холостого перемещения фрез между участками.

ю

На первом этапе целесообразно определить длину /,- г'-ого холостого перемещения инструмента из конечной точки Тх отвода с координатами (х^,yit,2; ) обработанного участка в начальную точку Т2 врезания с координатами (xj2,yj2,Zj2) следующего участка (рис. 4) /,• рассчитывается по формуле:

¡,=2zlp-z. -z, (1)

где zip — высота, на которой находится локальная плоскость безопасности. Минимальное значение может быть выражено зависимостью:

= 2z/Pmin - ZM - zh + _ (2)

При перемещении фрезы из точки Т\ в точку Т2 наибольший диаметр фрезы на поверхности стола станка и параллельной ему плоскости образует след в виде прямоугольника Р\Р2РзрЛ' а на поверхности детали проецируется след прямоугольника Р\Р2Рт,Рц, в результате чего образуется «контролируемая геометрия» Р\ Р'2 F3 Р\. При этом ширина прямоугольника равна наибольшему диаметру фрезы, а его длина - расстоянию от точки 7} до Т2 по горизонтали tt'. Минимальное значение высоты локальной плоскости безопасности 2iPmm равно сумме трех значений: высоты zk, на которой

фреза касается контролируемой геометрии (КГ) детали при движении ее по направлению tt' (рис. 4), припуска 1рг и запасной высоты А..

ziPmin =zk+lpr+h^ (3)

Решение задачи определения zk производится поэтапно, при этом:

Этап 1. Определение точек, принадлежащих контролируемой геометрии и представляющих множество U;

Этап 2. Определение zkj, описывающей локальную плоскость безопасности, на которой фреза соприкасается с точками, принадлежащими множеству U, нау-ой высоте при ее движении по направлению tt'.

Этап 3. Определение максимального значения из множества {zkj.},

являющегося значением высоты zk, на которой фреза условно касается контролируемой геометрии электронной модели при описании движения фрезы по направлению tt'.

Рисунок 5 - Схема определения расчетной высоты вершины концевой цилиндрической фрезы:

Р —радиус цилиндрической части фрезы, £> - вершина концевой цилиндрической фрезы

Схемы представленные на рисунках 5, 6 и 7 поясняют положение го-чек и аппликат при определении значения гк применительно к концевой

цилиндрической, сфероцилиндрической и конической фрезам.

Из рис. 5 следует, что высота точки С применительно к концевой

цилиндрической фрезе равна высоте вершины Б. может быть рассчитана по следующей формуле:

Ч] = *о=гс (4)

Значение гк. точки С на сфероцилиндрической фрезе может быть определено с помощью построений (рис 6).

Рисунок 6 - Схема определения расчетной высоты вершины сфероцилиндрической фрезы:

Я —радиус цилиндрической части фрезы; Н — расстояние от плоскости, в которой пе-

рел1ещается точка С (точка контакта) до центра полусферы; Ъ-расстояние от торцевой плоскости, образуемой режущей частью фрезы до центра полусферы (/г<К); а -расстояние от точки С до оси вращения фрезы

При фрезеровании скорость вершины (точка Е) полусферы при вращении полусферы сфероцилиндрической фрезы работает не эффективно и исключается из образующей инструмента. Для перехода фрезы в безопасную зону при ее смене или при переходе от одной области обработки к другой необходимо знать координату точки Б, а не точки Е (вершины фрезы).

Н = л//?2 -а2 _

• Н > И, когда точка С принадлежит отброшенной части полусферы фрезы. В таком случае точка С принадлежит отброшенной части полусферы фрезы, касание сфероцилиндрической фрезы с точкой С приобретает такой же характер, как касание концевой цилиндрической фрезы с точкой С, то есть:

zkj = ZD=ZC (6)

■ H < h, когда точка С не принадлежит отброшенной части полусферы фрезы. В этом случае zk. может рассчитывается по формуле:

zkj=zD=zc-AB-AD=zc + H-h (7)

Применительно к конической фрезе расчет zkj производится на основе построений, представленных на рис. 7. Я рассчитывается по формуле:

Н = АЕ - ВЕ = ——---^ = (8)

tan a tan от tan а _

■ Н > h, когда точка С принадлежит отброшенной части конуса фрезы, тогда

zkj =zD=zc (9)

■ Н < h, когда точка С не принадлежит отброшенной части конуса фрезы:

zkJ=zn=zc + AB-AD = zc+H-h

Рисунок 7- Схема определения расчетной высоты вершины конической фрезы:

Я- радиус цилиндрической части фрезы; Н - расстояние от плоскости, в которой перемещается точка С, до основания конуса фрезы; А - высота усеченного конуса от торцевой плоскости, образуемой режущей частью фрезы, до основания ее конической части (Ъ < К); а ~ расстояние от точки С до оси вращения фрезы; а-угол конической части фрезы

Таким образом, на основании найденной критической высоты, на которой фреза касается поверхности при ее движении по направлению и', может быть определено минимальное значение длины /,- г-го холостого перемещения инструмента из конечной точки 7] отвода от обработанного участка в начальную точку Т2 врезания на последующем участке.

На втором этапе используя известные подходы решения асимметричной задачи маршрутизации с ограничением по грузоподъемности, а в данном случае по стойкости инструмента, определяется наивыгоднейшая последовательность обработки всех участков сложной поверхности фрезами одного типоразмера.

В рамках проведенного исследования при количестве участков, подлежащих обработке, менее десяти в качестве одного из точных методов использован «жадный» алгоритм. Для поверхности с количеством выделенных участков более десяти применен адаптационный алгоритм поиска по большим окрестностям (АЬЫ8), обеспечивающий достаточно быстрое и точное решение задачи.

Первый из них предусматривает выполнение следующих действий:

1. Описываются все возможные варианты последовательности обработки п отдельных участков.

2. Исключаются недопустимые варианты.

3. Для каждого допустимого варианта формируется множество вариантов последовательности смены фрез.

4. Исключаются варианты последовательности смены фрез, при которых время резания инструмента превышает его стойкость.

5. Из остальных вариантов последовательностей смены фрез выбираются те, в которых число смен минимально.

6. Определяется вспомогательное время, затрачиваемое на холостые перемещения фрез для каждого варианта с минимальным числом их смен.

7. Выбирается оптимальный вариант последовательности смены фрез с минимальным вспомогательным временем, затрачиваемым на их холостые перемещения.

. «Жадный» алгоритм по-

зволяет выявить оптимальный вариант последовательности обработки отдельных участков. Ограничение по количеству участков обусловливается тем, что в случае, когда количе-

___________в г, ство участков более десяти,

Рисунок 8 - Процесс «разрушения» ■' '

и «восстановления» число всевозможных вари-

антов последовательностей обработки участков велико, что увеличивает продолжительность расчетов. Второй алгоритм - АЬЫБ - представляет собой синтез различных методов расчленения и объединения точек-участков. Методы оптимизации, используемые при А1ЛчГ8: метод самого выгодного включения (к уже построенному маршруту добавляется вершина, которая меньше всего увеличивает условно стоимость маршрута); метод парного обмена (удаляется пара не-

смежных переходов и два полученных пути объединяются в новый цикл меньшей длины. Процесс повторяется, пока никакое подобного рода перестроение не приведет к улучшению маршрута); метод-оптимизаций (к-ор(), который является обобщением метода парного обмена.

Для определения оптимального варианта последовательностей технологических переходов, используя алгоритм АГЛЧБ, следует:

1. Построить изначально выполнимый вариант последовательности обработки участков х.

2. Предположить, что построенный вариант х наилучший хъ=х, и что

весы методов разрушения/восстановления одинаковы р~ =(1,...,1),

3. Повторять до тех пор, пока условие «стопа», не будет удовлетворено. Для чего:

3.1. Выбрать методы разрушения с1еЯ.~ и восстановления ге£2+, используя их вес р~ и р+.

3.2. Осуществить процесс разрушения и восстановления, в результате получить новый вариант х, = г(с1(х)).

3.3. Оценить, принят ли вариант х,; если х, был принят, то поставить х = х, (х, не будет принят, если он является выполнимым вариантом).

3.4. Сравнить вспомогательное время для каждого варианта х, и хь, если вариант х, лучше, чем имевшийся вариант хь (*/)), то хь=х,; обновить вес метода разрушения/восстановления р~ и р+

4. Вернуться к хь.

АЫч[8 позволяет определить изначально выполнимый вариант последовательности обработки отдельных участков, далее дает возможность выбрать подходящий метод для разрушения этого изначального варианта. Завершив разрушение, алгоритм выбирает метод для восстановления разрушенного варианта с целью получения нового, лучшего (рис. 8).

Данный процесс повторяется до тех пор, пока последний выполнимый вариант не станет близким к оптимальному (повтор прекратится, когда условие «стопа» будет выполнено). В результате будет получен вариант последовательности обработки отдельных участков, при котором вспомогательное время, затрачиваемое на холостые перемещения инструмента, получит минимальное значение.

На основе алгоритма и математического аппарата, как результата исследования, разработан и отлажен программный модуль Ор^ипсийпоуе оптимизации последовательности выполнения технологических переходов, который на практике подтвердил свою работоспособность при решении задачи минимизации холостых перемещений инструментов при обработке фрезерованием сложных поверхностей на станках с ЧПУ.

Рисунок 9 - Интерфейс программного модуля Ор^ипсиПшпе

X Оагв сояж зг 3 500 3 . 98«?

3 2 Огж» "С. ога® 2г X. 53?- 85 3 - <&ове

3 Сиасстег 5<$2 .4? 2 - ггсза

5 Сивсоюег € 584 - -4 2 - 7 52 2

5 Ои.» СОВЙ Г- в 617,ОЗ 4 . 7207

€ Одцвпь^сшяе ж Э» «54 . 77 3 - 6811

7 Од а? сше зг 2-Х «@7. 1 - 4749

8 Оазгсвег а. о 718.68 1 - 2541

1© 9 СХз» -с оте зг 7 740.0 5 1 - 1344

XX Ю СХгз сотег 7€2 - 32 О . 9184

11 Сиа Тх ошв зг Ж 787.48

1.3 12 1287.48

14

Рисунок 10 - Параметры оптимальных технологических переходов

Применение программного модуля ОрйипстЛпоуе позволяет получить в результате последовательность обработки участков, последовательность смены фрез, минимальные значения высот подъема инструмента, которые гарантируют обработку без столкновений с заготовкой.

При решении поставленных задач в качестве критерия оптимизации принято вспомогательное время, затрачиваемое на холостые перемещения инструментов при обработке выделенных областей, что в полной мере отвечает условиям оптимизации по «цене» и «качеству»: повышению производительности обработки деталей сложной формы при сохранении качества поверхностного слоя.

Третья глава посвящена изложению результатов экспериментальных исследований, подтверждающих достоверность теоретических построений. Представлены результаты проверки работоспособности программного модуля Орйипс^тоуе, подтверждена его эффективность в сопоставлении с широко используемой на предприятиях системой КХ 7.5. На приведенных примерах показано, что применение программных модулей минимизации холостых перемещений при смене обрабатываемых участков и оптимизации последовательности их обработки позволяет значительно сократить время холостых перемещений и повысить эффективность дорогостоящего технологического оборудования.

Рисунок 11 - Стратегия чистовой обработки отдельных участков по вариантам без использования программного модуля Ор1шпсиипоуе и с его применением

С целью получения сопоставимых результатов эксперимент был реализован на одних и тех же тестовых деталях, включавших поверхности различной формы. Сравнение осуществляли по длине холостых перемещений инструмента, вспомогательному времени, вычисленному при неизменных режимах резания.

Экспериментальные исследования проводились, как в режиме виртуального моделирования процесса обработки, так и реального изготовления деталей на вертикально фрезерном станке DMC635 V фирмы Deckel Maho. Качество оценивалось по результатам сопоставления размеров и формы полученных деталей с размерами и формой электронных моделей с применением координатно-измерительной машины Contura G2 Carl Zeiss и путем оценки параметров микрорельефа поверхностей деталей, полученных с использованием традиционных методов подготовки управляющих программ и программного обеспечения, как результата настоящего исследования. Определение параметров шероховатости производилось с применением прибора Form TalySurf i200.

Экспериментальные исследования показали, что применение программного модуля Optiuncutmove, разработанного на основе алгоритма оптимизации последовательности обработки участков сложных поверхностей и алгоритма оптимизации холостых перемещений инструмента, по сравнению с системой подготовки управляющих программ в NX 7.5 позволяет сократить от 27 % до 44 % вспомогательного времени, что соответствует от 3 % до 17 % машинного времени.

;■-«*» " .5' "="4-«* I...... ' , -гуц'

__. . -

Рисунок 12 - После чистовой обработки тестовой детали: варианты без оптимизации и с оптимизацией

Рисунок 13 - График отклонений по параметрам шероховатости на поверхностях детали

Рисунок 14 - График отклонений точек на поверхности детали, обработанной по двум вариантам от электронной модели

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В процессе выполнения работы получены следующие научные результаты и могут быть сформулированы выводы:

1. В результате комплексных теоретических и экспериментальных исследований выявлены методы оптимизации частных и общих стратегий при обработке деталей со сложными поверхностями. Применение их в комплексе способствует повышению производительности и эффективности использования дорогостоящих многоцелевых станков.

2. Разработан метод определения оптимального маршрута фрез одного типоразмера при движении между группой участков, подлежащих обработке. Применение данного метода позволяет определить вариант маршрута с минимальным значением вспомогательного времени, затрачиваемого на холостые движения инструментов.

3. На основе точечного описания геометрии детали разработана математическая модель минимизации холостых перемещений при смене обрабатываемых участков.

4. Определены параметры, обеспечивающие минимизацию холостых перемещений при смене обрабатываемых участков и реализацию алгорит-

мов расчета длин и положений локальных плоскостей безопасности для последовательно обрабатываемых участков.

5. Получены математические зависимости параметров маршрутизации инструментов, разработаны алгоритмы определения наикратчайших маршрутов инструментов при смене участков обработки и смены фрез с учетом их стойкости.

6. На основе созданного математического аппарата разработан программный модуль Optiuncutmove оптимизации последовательности выполнения технологических переходов, маршрутов фрез при холостых перемещениях между участками обработки и их смене.

7. Применение программного модуля Optiuncutmove при получении деталей, имеющих сложную поверхность с большим количеством областей с явно выраженными границами и поверхностями сопряжения, позволяет сократить до 44 % вспомогательного и до 17 % оперативного времени чистовой обработки.

8. Разработаны технологические рекомендации для определения последовательности обработки и оптимального маршрута фрез, осуществляющих холостые перемещения от участка к участку в процессе фрезеровании сложных поверхностей.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ

1. Пономарев Б.Б., Нгуен Ван Нам. Алгоритм минимизации холостых перемещений инструментов при фрезеровании сложных поверхностей на трехкоординатных станках с ЧПУ / Б.Б. Пономарев, Нгуен Ван Нам // Известия МГТУ «МАМИ». - 2014. - Т. 2. - № 2(20). - С. 85-89.

2. Пономарев Б.Б., Нгуен Ван Нам. Алгоритм минимизации холостых перемещений инструмента при фрезеровании сложных поверхностей / Б.Б. Пономарев, Нгуен Ван Нам // Вестник ИрГТУ. - Иркутск : Изд-во Ир-ГТУ, 2012. - № 11. - С. 64-68.

3. Пономарев Б.Б., Нгуен Ван Нам. Алгоритм оптимизации вспомогательных перемещений инструментов при фрезеровании сложных поверхностей / Б.Б. Пономарев, Нгуен Ван Нам // Вестник ИрГТУ. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2013. - № 1. - С. 33-37.

4. Nguyen Van Nam, Ponomarev B.B. The Optimization Of Auxiliary Movement Of The Cutting Tool During The Milling Of Complex Surfaces On 3-Axis CNC Machine/ Nguyen Van Nam, B.B. Ponomarev // International Journal of Applied Engineering Research. - 2014. - Vol. 9. - № 24. -PP. 27655-27666.

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

5. Пономарев Б.Б., Нгуен Ван Нам. Программа определения последовательности обработки и минимизации холостых перемещений станка при фрезеровании сложных поверхностей / Б.Б. Пономарев, Нгуен Ван Нам // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014615919 от 5 июня 2014 г. / Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего професионального образования «Иркутский государственный технический университет». - 2014.

Статьи в прочих изданиях

6. Пономарев Б.Б., Нгуен Ван Нам. Алгоритм определения последовательности обработки и минимизации холостых перемещений станка при фрезеровании сложных поверхностей / Б.Б. Пономарев, Нгуен Ван Нам // Авиамашиностроение и транспорт Сибири - 2014 : сб. науч. тр. студентов и преподавателей Института авиамашиностроения и транспорта. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2014. - С. 178-185.

7. Пономарев Б.Б., Нгуен Ван Нам. Способ определения минимальных холостых перемещений инструментов различных типоразмеров при фрезеровании сложных поверхностей на трехкоординатных станках с чпу / Б.Б. Пономарев, Нгуен Ван Нам // Будущее машиностроения России : материалы VII Всерос. конф. молод, ученых и специалистовов (Москва, 24-25 сентября, 2014 г.) -М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. - С. 161-164.

Подписано в печать 19.03.2015. Формат 60 х 90 / 16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,5 Тираж 100 экз. Зак. 90. Поз. плана 9н.

Отпечатано в Издательстве ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет» 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83