автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности концептуального проектирования металлорежущих станков на основе графического синтеза формообразующих систем

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И АНАЛИЗ МЕТОДОВ ЕГО

РЕШЕНИЯ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Структурный состав формообразующих систем. Роль металлорежущих станков в процессе формообразования.

1.2. Основные положения теории формообразования.

1.3. Математическое моделирование процессов формообразования.

1.4. Концептуальное проектирование метаплорежуших станков.

1.5. Выбор рациональных вариантов компоновок металлорежущих станков.

1.6. Выводы. Постановка цели и задач исследования.

2. ГРАФИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ КОМПОНОВОК СТАНКОВ.

2.1. Основные операции для работы с объектами в трехмерном пространстве.

2.2. Подсистема графического синтеза компоновок металлорежущих станков.

2.3. Аспекты графического синтеза.

2.4. Функции и формы подсистемы графического синтеза, их описание.

2.5. Взаимодействие автоматизированной системы с другими САПР.

2.6. Выводы.

3. ГРАФИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

ФОРМООБРАЗОВАНИЯ.

3.1. Разработка подсистемы графического моделирования процесса формообразования.

3.2. Аспекты графического моделирования процессов формообразования.

3.3. Проектирование профильных инструментов в подсистеме формообразования.

3.4. Выводы.

4. КОНЦЕПТУАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ

СТАНКОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ГЛОБОИДНЫХ ЧЕРВЯКОВ.

4.1. Структурный синтез компоновок металлорежущих станков для обработки глобоидных червяков.

4.2. Оценка вариантов с труктур метшшорежущих станков.

4.3. Графический синтез вариантов компоновок металлорежущих станков.

4.4. Выводы.

Создание высокоэффективного технологического оборудования для изготовления конкурентоспособной продукции современного машиностроения требует сокращения сроков разработки данного оборудования, что невозможно без автоматизации процесса его проектирования. Эффективность автоматизированного проектирования существенно повышается в том случае, если обеспечивается его непрерывность, начиная с самых ранних стадий. Для этого в последнее время нашел применение метод структурного синтеза металлорежущих станков.

При структурном синтезе металлорежущих станков создается большое количество вариантов компоновок станков. Отбор некоторых из них для дальнейшей проработки осуществляется с помощью методов многокритериальной оптимизации. Применение методов оптимизации при проведении структурного синтеза металлорежущих станков позволяет повысить качество проектных решений. Кроме этого, применение ЭВМ способствует сокращению времени и снижению трудоемкости конструкторских работ при разработке концепций металлорежущих станков. Однако результаты структурного синтеза позволяют представить информацию конструктору фактически в виде структурных формул, что не совсем удобно для образного восприятия. Это приводит к поиску дополнительных решений по улучшению представления информации. Одним из таких, наиболее эффективных решений, позволяющих использовать все свои эвристические возможности конструктору и дающих наибольшую наглядность представления информации, является графическое моделирование при синтезе формообразующих систем металлорежущих станков. Реализация графического моделирования является актуальной для повышения эффективности концептуального проектирования металлорежущих станков.

Цель работы - повышение эффективности ранних стадий проектирования металлорежущих станков на основе графического синтеза формообразующих систем.

Для достижения поставленной цели были использованы основные положения методов структурного и графического синтеза формообразующих систем, положения теории формообразования, включающие ряд условий возможности обеспечения процесса формообразования.

Структурный синтез компоновок металлорежущих станков осуществляется на основе определения функции формообразования из уравнений номинально заданных поверхностей обрабатываемых деталей, и использовании ряда преобразований этой функции. После чего производится графический синтез компоновок с использованием принципов аналитической и проективной геометрии, а также вычислительных методов, используемых при обработке геометрических данных.

На последующем этапе производится графический синтез формообразующих систем на основе визуализации спроектированных компоновок станков с поверхностями обрабатываемых деталей, заданных при помощи уравнений в параметрическом виде.

Дальнейшая визуализация процесса формообразования позволяет оценивать возможность реализации данных процессов.

Вышеприведенная методика позволила добиться получения оптимальных компоновок станков для обработки заданных поверхностей деталей с минимальными затратами времени на этапе концептуального проектирования, что и привело к созданию автоматизированной системы концептуального проектирования компоновок станков и графического моделирования процессов формообразования.

Достоверность и обоснованность научных положений работы подтверждаются применением результатов теоретических исследований и программно-математического обеспечения при проектировании металлорежущих станков для обработки глобоидных червяков. Были выбраны рациональные варианты структур формообразующих систем и спроектирована компоновка, обладающая лучшими характеристиками по большинству критериев.

Научная новизна работы заключается в:

- установлении и формализации связей между кодовым описанием 6 компоновки, процессом формообразования и их геометрическим трехмерным представлением на экране монитора компьютера;

- разработке методики осуществления графического синтеза формообразующих систем с использованием объектно-ориентированного программирования.

Практическая полезность. Созданная система позволила упростить процесс синтеза компоновок станков, что отразилось на повышении производительности работы конструктора при создании новых видов и типов компоновок станков.

Применение созданной автоматизированной системы позволяет использовать эвристические возможности конструктора при поиске и создании новых видов и типов компоновок станков.

Автоматизированная система позволяет экспортировать созданные модели компоновок станков в различные САПР трехмерного моделирования.

6. Результаты работы используются в Дальневосточном научно-исследовательском институте технологии судостроения при разработке компоновок специального станка для обработки гребных винтов, а также в учебном процессе в Хабаровском государственном техническом университете.

1. Аверьянов О.И. Модульный принцип построения станков с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1987, - 232 с.

2. Аверьянов О.И. Научные основы формирования технических характеристик и компоновочных решений многооперационных станков. Дис. д-ра техн. наук. М., 1983. - 258 с.

3. Аверьянов О.И. Развитие модульного принципа построения многоцелевых станков с ЧПУ для обработки корпусных деталей. М.: Машиностроение, 1981.-231 с.

4. Аверьянов О.И., Воронов А.Л., Гелыптейн Я.М. Автоматизированное проектирование компоновок МС// Станки и инструмент. 1982. - № 8. - С. 67.

5. Аверьянов О.И., Гелыптейн Я.М. Автоматизированный банк данных станков с ЧПУ// Станки и инструмент. 1986. - № 5. - С. 7-11.

6. Аверьянов О.И., Гелыптейн Я.М. Информационное обеспечение проектирования металлорежущих станков. М.: ВНИИТЭМР, 1988. - 44 с.

7. Автоматизация поискового конструирования (искусственный интеллект в машинном проектировании)/ А.И.Половинкин, Н.К.Бобков, Г.Я.Буш и др.; Под ред. А.И.Половинкина. М.: Радио и связь, 1981. - 344 с.

8. Адаме Д., Роджерс Д. Математические основы машинной графики. М.:Мир, 1980.-240 с.

9. Архангельский А.Я. Программирование в Delphi 5 М.: ЗАО "Издательство БИНОМ", 2000 г. - 1072 с.

10. Базров Б.М. Расчеты точности машин на ЭВМ. М.: Машиностроение, 1984. -256 с.

11. Базров Б.М. Технологические основы проектирования самоподнастраивающихся станков. М.: Машиностроение, 1978. — 216 с.

12. Бессольце в A.M., Булыгина М.Н., Гутникова А.Д., Серебряков Ю.П. Автоматизация проектирования тяжелых и уникальных станков. М.: ВНИИТЭМР, 1985.-36 с.

13. Борисов А.Н. Общая задача теории формообразования поверхностей// Современные технологические и информационные процессы вмашиностроении: материалы междун. семинара' Под общ. ред Ю.С.Степанова. Орел.:ОрелГПИ, 1993. - С. 96 - 105.

14. Бухгольц Н.Н. Основной курс теоретической механики. Т. 2. М.: Наука, 1972. - 332 с.

15. Бушу ев В.В. Основы конструирования станков. М.: Изд-во «Станкин», 1992. 520 с.

16. Вайс С.Д., Левин М.П1., Барский О.А. Вопросы проектирования переналаживаемой оснастки гибких производственных систем. М.: ВНИИКИ, 1987. -44 е.

17. Васильев Г.Н Автоматизация проектирования металлорежущих станков. -М.: Машиностроение, 1987. 280 с.

18. Васильев Г.Н. Компоновочное проектирование станков и станочных систем. М.: ВНИИТЭМР, 1989. 60 с.

19. Васильев Г.Н. Оптимизация вариантного конструирования металлорежущих станков и станочных систем./'/ Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. 1996 с. 40-50.

20. Врагов Ю.Д. Анализ компоновок металлорежущих станков: Основы компонетики. М.: Машиностроение, 1978. - 208 с.

21. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М., 1976. - 872с.

22. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. 4-е изд. - М.: Наука, 1988. - 552 с.

23. Грановский Г.И. Кинематика резания, М.: Машгиз, 1948. 200 с.

24. Гречишников В.А. Системы автоматизированного проектирования режущих инструментов. М.: ВНИИТЭМР, 1987. 52 с.

25. Давыдов И.И. Улучшение показателей точности многоцелевых станков на основе анализа их компоновок. Дисс. . к.т.н. М., 1987. -215 с.

26. Дитрих Я. Проектирование и конструирование. Системный подход. -М.: Мир, 1981.-456 с.

27. Дьяконов В.П. Математическая система Maple V R3/R4/R5. М.: "СОЛОН", 1998-400 с.

28. Зозулевич Д.М. Машинная графика в автоматизированном проектировании. М.: Машиностроение, 1976. 240 с.

29. Иванов В.П., Батраков А.С. Трехмерная компьютерная графика/ Под ред. Г.М.Полищука. М.: Радио и связь, 1995. - 224 с.

30. Ивахненко А.Г. Автоматизация проектных работ на стадии структурного синтеза металлорежущих систем// "Проектирование технологических машин", сб. науч. трудов. Вып.4/ Под.ред. А.В.Пуша. М.: МГТУ "СТАНКИН", 1997, с.9-14.

31. Ивахненко А.Г. Концептуальное проектирование металлорежущих систем. Структурный синтез. Хабаровск: Изд-во ХГТУ, 1998. 124 с.

32. Ивахненко А.Г. Критерии выбора рациональных структур металлорежущих систем на ранних стадиях проектирования//' "Проектирование технологических машин", сб. науч. трудов. Вып.8/ Под.ред. А.В.Пуша. М.: МГТУ "СТАНКИН", 1997, с. 14-17.

33. Ивахненко А.Г. Повышение эффективности стадий раннего проектирования металлорежущих станков на основе структурного синтеза формообразующих систем. Дисс. . д.т.н. М., 1998. - 245 с.

34. Ивахненко А.Г. Проектирование компоновок станков и металлорежущих систем// "Проектирование технологических машин", сб. науч. трудов. Вып.4/Под.ред. А.В.Пуша. -М.: МГТУ "СТАНКИН", 1997, с. 1521.

35. Исхаков З.Ф. Повышение качества компоновок станков на основе использования экспертных знаний. Дисс. . к.т.н. М., 1996. 161 с.

36. Итин A.M., Пуш А.В. Автоматизация конструкторских работ на ранних стадиях проектирования станков// Станки и инструмент. 1991. № 11. С. 4-7.

37. Ито И., Синно X. Структурное описание металлорежущих станков. Статья 1. Перевод 05702. М.: БЦП, 1985 - 28 с.

38. Камаев В.А., Никитин С.В., Залевская Ф.Я. Поисковое конструирование. Итоги науки и техники. Сер. Техническая кибернетика. М.: ВИНИТИ, 1986. -52 с.

39. Каплинский Е.В. Выбор кинематической схемы манипулятора на основе анализа траектории объекта манипулирования// Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. 1996. № 2. С. 84-87.

40. Кочин Н.Е. Векторное исчисление и начала тензорного исчисления. М.: Наука, 1965. 424 с.

41. Краснов М.В. OpenGL. Графика в проектах Delphi. СПб.: БХВ -Санкт-Петербург, 2000. - 352 с.

42. Кушнир Э.Ф., Портман В.Т. Структурный синтез расчетных моделей механики станков// Станки и инструмент. 1991. - № 9. - С. 9-12, - N2 10. - С. 3-5.

43. Лашнев С.И., Юликов М.И. Проектирование режущей части инструмента с применением ЭВМ. М.: Машиностроение, 1980. - 208 с.

44. Лашнев СИ., Юликов М.И. Расчет и конструирование металлорежущих инструментов с применением ЭВМ. М.: Машиностроение, 1975.-392 с.

45. Левин А.И. Математическое моделирование в исследованиях и проектировании станков. М.: Машиностроение, 1978. - 184 с.

46. Литвин Ф.Л. Теория зубчатых зацеплений. М.: Наука, 1968.- 584 с.

47. Люкшин B.C. Теория винтовых поверхностей в проектировании режущих инструментов. М.: Машиностроение, 1968. - 372 с.

48. Металлорежущие станки/ Под ред. В.Э.Пуша. М.: Машиностроение, 1985.-576 с.

49. Перепелица Б.А. Отображение аффинного пространства в теории формообразования поверхностей резанием. Харьков: Вища школа, 1981. -152 с.

50. Перепелица Б.А. Разработка теории формообразования и проектирования режущих инструментов на основе многопараметрических отображений. Дисс. . д.т.н., Харьков, 1981, 421 с.

51. Позднеев Б.М., Колчин А.Ф. Интеграция и интеллектуализация конструкторско-технологического проектирования// Труды конгресса "Конструкторско-технологическая информатика (КТИ-96)", М.: МГТУ "СТАНКИН", 1996, с.108-109.

52. Портман В.Т. Классификация и синтез расчетных моделей механики станков// Станки и инструмент. 1988. - № 3. - С. 12-15.

53. Портман В.Т. Синтез компоновок станков на основе анализа процесса формообразования// Станки и инструмент. 1982. №7. С. 8-11.

54. Преимущества трехмерного моделирования в отличие от двухмерного// САПР и графика. 2000. - №12, - С. 32-36.

55. Проников А.С, Программный метод испытаний металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1985. -288 с.

56. Проников А.С. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978. - 592с.

57. Пуш А.В. Прогнозирование выходных характеристик узлов машин при их проектировании// Машиноведение, 1981, № 5, с. 54-60.

58. Пуш В.Э. Конструирование металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1977. - 390 с.

59. Пуш В.Э., Пигерт Р., Сосонкин B.JI. Автоматические станочные системы. М.: Машиностроение, 1982. - 319 с.

60. Радзевич С.П. Профилирование фасонных инструментов для обработки сложных поверхностей на многокоординатных станках с ЧПУ// Станки и инструмент. 1989. - № 7. - С. 10-12.

61. Разработка метода структурного синтеза технологических машин и промышленных роботов: Отчет заключит, по г/б теме. Рук. А.Г.Ивахненко/ Хабар, гос. техн. ун-т. №> ГР 01960010073. - Хабаровск, 1997. - 75 с.

62. Разработка экспертной системы структурного синтеза технологических комплексов для ГПС: Отчет заключит, по г/б теме. Рук. А.Г.Ивахненко /Хабар, гос. техн. ун-т. № РСГ 01.99.0004776. - Хабаровск, 1999.-56 с.

63. Решетов Д.Н., Портман В.Т. Точность металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1986. - 336 с.

64. Родин П.Р. Металлорежущие инструменты. Киев: Вища школа, 1979. - 431 с.

65. Родин П.Р. Основы формообразования поверхностей резанием. Киев: Вища школа, 1977. - 192 с.

66. Синно X. и др. Метод структурного проектирования металлообрабатывающих станков. (Сообщение 1). Метод вариантного проектирования: Пер. с японского языка. № перевода Л-32227. М.: ВЦП, 1985. -22 с.

67. Синно X. и др. Структурное описание металлорежущих станков. (Статья 2). Оценка структурного подобия: Пер. с японского языка. № перевода Г-65703. М.: ВЦП, 1985. 23 с.

68. Соловьев С.А. Перспектива: Учеб. пособие для учащихся худож.-граф. отд-ний пед. училищ.- М.: Просвещение, 1981. 144 с,

69. Соломенцев Ю.М. Конструкторско-технологическая информатика и автоматизация производства. М.: Станкин, 1992. - 127 с.

70. Станочное оборудование автоматизированного производства В.В.Бушу ев. Т.1.-М.:Изд-во "Станкин", 1993. 584 с.

71. Старостин В.К., Макаров В.М. Оценка компоновки металлорежущего станка// Станки и инструмент. 1987. - № 4. - С. 7.

72. Тимченко А .И. Перспективы изготовления и применения профильных бесшпоночных соединений в машиностроении. М.: ВНИИТЭМР, 1988. - 48 с.

73. Тихомиров Ю. Программирование трехмерной графики. СПб.: БХВ- Санкт-Петербург, 1999. 256 с.

74. Тихонов М.И. Концептуальное проектирование в интегрированных CAD/CAM/CAE системах// Труды конгресса "Конструкторско-технологическая информатика (КТИ-96)". М.: МГТУ "СТАНКИН", 1996, с. 137-138.

75. Федотенок А.А. Кинематическая структура металлорежущих станков.- М.: Машиностроение, 1970. 408 с.

76. Фоменков С.А., Петру хин А.В., Колесников С.Г. Структуризация физических знаний применительно к задачам конструирования технических объектов// Труды конгресса "Конструкторско-технологическая информатика (КТИ-96)". М.: МГТУ "СТАНКИН", 1996, с. 145.

77. Халдей М.Б. Автоматизация синтеза и оценки компоновок станков. Дисс. . к.т.н. М., 1996. 136 с.

78. Хомяков B.C. Компоновка станков// в кн. «Станочное оборудование автоматизированного производства» под ред. В.В.Бушуева, T.l. М.: Изд-во «Станкин», 1993. С.125-146.

79. Хомяков B.C., Давыдов И.И. Автоматизированное проектирование компоновок металлообрабатывающих станков// Станки и инструмент. 1990.- № 5. С. 4-7.

80. Хомяков B.C., Давыдов И.И. Кодирование компоновок металлообрабатывающих станков при их автоматизированном проектировании// Станки и инструмент. 1989. - № 9. - С. 8-11.

81. Хомяков B.C., Тарасов И.В. Оценка влияния качества стыков на точность станков// Станки и инструмент. 1991. - № 7. - С. 13-17.

82. Хомяков B.C., Халдей М. Автоматизация проектирования компоновок станков. Тезисы научно-технической конференции, Пермь, 1996.

83. Хомяков B.C., Халдей М. Информационная система синтеза компоновок станков// Труды конгресса "Конструкторско-технологическая информатика (КТИ-96)". М.: МГТУ "СТАНКИН", 1996, с.150-151.

84. Хория Теодору. Перспектива. Бухарест: Меридиане, 1964. - 594 с.

85. Чарнко Д.В. Основы выбора технологического процесса механической обработки. -М.: Машгиз, 1963. 320 с.

86. Шпур Г., Краузе Ф.-Л. Автоматизированное проектирование в машиностроении. М.: Машиностроение, 1990. - 224 с.

87. Этин А.О. Кинематический анализ схем обработки металлов резанием. М.: ЭНИМС, 1958.-96 с.

88. Этин А.О., Юхвид. Кинематический анализ и выбор эффективных методов обработки лезвийным инструментом. М.: ЭНИМС, 1994. - 184 с.

89. Юнусов Ф.С. Формообразование сложнопрофильных поверхностей шлифованием. М.: Машиностроение, 1987. - 245 с.

90. Evakhnenko A.G. Conceptual designing of metal cutting systems: methodology and methods// "The technical progress problems of me Far East region", comb. coll. of scientific works, Vol.3. Khabarovsk: Kh.S.T.U., 1997, pp.78-82.

91. Evakhnenko A.G. Method of structural design of technological systems of metal-cutting machines// Study and application on new technology. Vol.2: Comb, coll. of scientific works. Harbin: Harbin Engineering Press, 1994, P.45-48.