автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Повышение эффективности выбора технологической оснастки по критерию точности на основе использования автоматизированной системы

На правах рукописи

ТРЕБУШНИКОВ АЛЕКСАНДР ВЛАДИМИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ ПО КРИТЕРИЮ ТОЧНОСТИ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 2003

Работа выполнена в Московском Государственном технологическом университете «СТАНКИН»

- доктор технических наук, профессор М.Г. Косов

Научный руководитель Научный консультант Официальные оппоненты

- доктор технических наук У.Д. Батыров

- доктор технических наук, профессор В.П. Вороненко

- кандидат технических наук, доцент А.К. Алешин

Ведущее предприятие

- ММЗ «Знамя»

Защита состоится «/$£» 2003г в часов на заседании дис-

сертационного совета К212.142.01 при Московском Государственном технологическом университете «СТАНКИН» по адресу: 127055, Москва, Вадков-ский пер., 3-а.

Отзыв о работе, заверенный печатью, в 2-х экземплярах, просьба направлять по указанному адресу в специализированный совет К212.142.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ «СТАНКИН»

Автореферат разослан 2003г.

Ученый секретарь диссертационного совета

К.Т.Н.

И.М. Тарарин

2о

-3-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Точность изготовления деталей в условиях автоматизированной системы подготовки производства во многом определяется правильностью выбора конструкции станочного приспособления, обеспечивающего заданную точность обработки.

Точность технологической оснастки непосредственно связана как со структурой конструкции приспособления, так и с вопросами базирования и закрепления.

В связи с основополагающей ролью базирования, точности базирования в исследованиях уделяется значительное внимание. Вопросам, связанным с погрешностью закрепления, уделяется значительно меньше внимания, и если приходится определять погрешность закрепления, то при этом используются простейшие расчетные схемы.

Это связано с тем, что множество существующих и проектируемых конструкций приспособлений имеет многообразие структур и геометрических форм. Однако, общее в конструкциях приспособлений составляет то, что приспособление представляет собой совокупность упорядоченных в пространстве и метрически определимых элементов.

Это свойство позволяет при автоматизированном проектировании различные конструкции приспособлений представить на основе общей информационной модели, которая отражает как узел в целом, элементный состав конструкции, так и геометрические, точностные и жесткостные взаимосвязи ее элементов и позволяет оценить погрешность закрепления на этапе автоматизированной подготовки производства. Изложенное показывает, что вопрос разработки модели оценки точности установки детали на основе комплексной информационной модели является актуальным.

Цель работы:

Повышение качества и сокращение сроков проектирования технологической оснастки на основе рекомендаций по оценке точности закрепления корпусных деталей, получаемых с помощью автоматизированной системы.

Научная новизна:

Выявление существа функциональных связей между параметрами, определяющими точность закрепления корпусной детали в приспособлении с одной стороны и совокупностью размерных, силовых и физико-механических факторов с другой, и разработка на этой основе метода прогнозирования точности закрепления.

На защиту выносится:

1. Математическая модель формирования погрешности закрепления призматического тела в координатный угол, учитывающая взаимодействия всего комплекса деталей в приспособлении.

2. Методика определения погрешности закрепления путем схематизации взаимодействующих тел на основе метода граничных элементов.

3. Информационная модель, алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированной системы оценки погрешности закрепления.

Методы исследования:

Исследования проводились с учетом основных положений технологии машиностроения, теории размерных цепей, объектно-ориентированного анализа, дискретной модели точности, метода граничных элементов.

Практическая ценность работы заключается в создании методологического, программного обеспечения, направленного на повышение эффективности автоматизированного проектирования технологической оснастки.

Реализация работы:

Результаты работы были использованы при проведении плановых научно-исследовательских работ в МГТУ «Станкин» и в учебном процессе на кафедре «ТММ» МГТУ «Станкин».

Апробация работы:

Основные положения и результаты работы докладывались на НТК магистров, аспирантов и молодых ученых МГТУ «Станкин» и ИКТИ РАН (2001); семинарах кафедры «Теория машин и механизмов» МГТУ «Станкин».

Публикации:

По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объём работы:

Работа состоит из введения, 4 глав, основных выводов и приложений, изложенных на 158 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 111 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, дается ее общая характеристика, приведены сведения о практическом использовании полученных научных результатов и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится анализ состояния вопроса моделирования точности технологической оснастки. На основе обобщения фундаментальных исследований Б.С. Балакшина, Б.М. Базрова, И.М. Колесова, М.Г. Косова, С.Н. Корчака, В.Г. Митрофанова, Ю.М. Соломенцева, А.Г. Суслова, Н.М Султан-заде, В.Б. Ильицкого, J1.B. Худобина, У.Д. Батырова показано, что оценка точности закрепления корпусной детали может быть обеспечена на основе комплексного подхода к формализации процессов, происходящих при взаимодействии звеньев технологического оборудования. Показано, что оценка точности закрепления корпусных деталей в приспособлениях ведется

на основе контактного взаимодействия заготовки с установочными элементами. Вопрос влияния характера воздействия зажимов и всего комплекса связей в оснастке на точность закрепления деталей практически не рассматривался. Учет этого обстоятельства требует разработки информационной модели. Под информационной моделью понимается знаковая модель, представляющая собой систематизированную совокупность данных, описывающую существенные параметры объекта, выявленные на основе анализа результатов предметного исследования. Проведен обзор работ по контактным задачам в технологии и методов исследования процессов установки с помощью математического моделирования. Исходя из результатов анализа, в работе определены следующие задачи:

1. Разработать достаточно наглядную математическую комплексную модель, устанавливающую связь между погрешностью закрепления, контактными деформациями, геометрическими параметрами, допусками, отклонениями форм и положений стыкуемых поверхностей, учитывающую комплекс связей в оснастке.

2. Создать универсальный метод расчета, направленный на решение широкого класса задач оценки погрешности закрепления.

3. Разработать информационную модель, алгоритм и программное обеспечение определения погрешности закрепления.

Во второй главе представляется математическая модель формирования погрешности закрепления призматического тела в координатный угол.

Погрешность установки детали или инструмента записывается в виде векторного уравнения:

{*}*-&}+&}. 0)

где

{<5;;} - составляющая погрешности базирования;

К} — составляющая погрешности закрепления.

Пусть имеется тело (заготовка) Т, установленное в приспособлении, состоящего из корпуса Тх, установочных элементов Г2, Г3 и зажимов Т4, Т5, штоков Т6, Г7. Обрабатываемая поверхность <8>, геометрические и точностные параметры тела и элементов приспособления заданы заранее. Заданы также точностные параметры поверхности <Б> после обработки. Заданы также главный вектор {Я} и главный момент {М} сил резания. Требуется определить координаты и направления сил закрепления Р|, Р2 и т.д., чтобы точки А, геометрического образа, полученного после обработки поверхности <Б> детали, принадлежали некоторой области в, ограниченной точностными параметрами (заштрихованная область (рис. 1)).

1=1,2,...«, ,

где <5, тт, ^ипа* - минимальное и максимальное значения вектор-столбца параметров качества (отклонение формы, соосности, перпендикулярности и т.д.);

{<5(} - вектор-столбец параметров качества.

Другими словами, размерное моделирование процесса закрепления состоит в определении функциональных связей между набором параметров, характеризующих положение образа обрабатываемой поверхности и множеством параметров, описывающих состояние установочных элементов приспособления, зажимных устройств, состоянием стыкуемых поверхностей {6} = Д7\ Е, (3, а, й, Н, Кг)(С)Х (3)

где Ь - множество геометрических параметров элементов приспособлений заготовки;

АГ - множество отклонений геометрических параметров; Е - множество физико-механических свойств материалов элементов приспособления и заготовки; О - множество силовых факторов; Н - множество координат приложения сил закрепления; а - множество характеристик случайных величин; £ - множество коэффициентов трения; С - множество отношений; Яг - множество параметров шероховатости. Рассмотрим решение задачи на примере приспособления, представленного на рис. 1. Заготовка Т устанавливается в «координатный угол» и зажимается усилиями СЬ, <52. Заданы вес Р заготовки, главный вектор {Я} и главный момент {М} сил резания. Положение центра 01 масс элементов приспособления определено. Состояние рельефа стыкуемых поверхностей определено, заданы также коэффициенты трения. Известна контактная податливость стыков. Взаимодействие элементов в процессе закрепления рассматри-

вается как процесс контактного взаимодействия каждого зажимного элемента с деталью, установочными элементами и корпусом приспособления.

В настоящее время наметилось два основных направления формирования модели. Одно опирается на метод координат с деформируемыми связями Б.М. Базрова. По этому методу решение сводится к определению положения систем координат деталей или узлов, построенных на основных и вспомогательных базах, между которыми установлены упругие связи.

Второе направление ориентировано на дискретное представление узлов и деталей объемными и поверхностными элементами и сводится к решению контактных задач между несколькими телами с учетом граничных условий между узлами и состояния рельефа стыкуемых поверхностей.

В качестве метода исследования выбран метод граничных элементов, основанный на дискретной модели.

Решение поставленной задачи сводится к определению вектор-столбца {е}, смещения начал координат О, систем (хуг), построенных на центрах масс 0¡ деталей относительно начальных положений

{е}1 = [а;Ь; С; а, А У, ],

где а;, Ь„ С) — составляющие смещений начала координат относительно

осей хуг;

а,, (3;, у] - составляющие малых поворотов системы координат относительно осей хуг;

1 - индекс деталей приспособления.

Кроме того, подлежат определению контактные нагрузки {1^} и области {0}]( их распределения в стыках.

Тогда погрешность закрепления для точки А8, принадлежащей поверхности Б, определится как вектор {8} ее смещения от положения, занятого при базировании в новое положение (рис. 1), при малых смещениях координатных систем (хуг).

Построим для каждого 1-го узла или детали ортогональную систему координат , центр которой совпадает с центром масс С, или центром вращения.

При определенном положении узлов технологического оборудования и нагружении их силами происходит контактная деформация поверхностей стыков. В результате чего возникает изменение положения деталей и узлов. Движение каждого узла представляется как малые возмущения: поступательные {а^}, =[я, с;Т центра масс (или осей вращения) вдоль координатных осей, либо как малые вращения относительно этих осей

{Д4=[а,. Д у, Г.

Схему базирования в координатный угол можно наглядно представить в виде графа. На рисунке 2 показан граф, с помощью которого иллюстрируются взаимодействия элементов крепления, корпуса, заготовки, инструмента и станка (рис. 1). Вершинами графа обозначены узлы приспособления, дугами - число поверхностей контакта. С вершинами связаны системы координат х,у,г,.

Например, зажим 1 взаимодействует с корпусом О приспособления (дуга 1) и с обрабатываемой заготовкой 3 (дуга 2). В свою очередь заготовка 3 под воздействием усилий зажима контактирует с корпусом по различно ориентируемым поверхностям (дуги 5, 6, 7, 8).

Зажим 2 взаимодействует с заготовкой 3 (дуга 3) и корпусом О (дуга 4).

Соответственно будут различными кинематические условия контакта для дуг 1,2,3, 4, 5, 6, 7, 8.

Кинематические условия контакта для подвижных соединений запишутся для двух контактирующих точек шип соприкасающихся поверхностей:

Хт-ит + ип + Уп + Дтп = Ут, (4)

где ит; ип — проекции контактных перемещений точек ш и п на ось г5т;

У„,Ут - проекции на нормаль п кинематических перемещений точек ш и п в результате возмущений твердых тел;

Дт - нормальный зазор в стыке между стыками тип (принимается положительным), К = -1.

Рис. 2

При контакте с неподвижным корпусом и,+и2-Ут=-Дгап.

Контактные деформации представляются в виде:

Хит + и„ = (Ст + Сп) = СтпКт, (5)

где Ст,„ - суммарная податливость стыков;

>1т - контактная нагрузка в точке ш.

Обозначим координаты точек ш и п в системах координат Ск и Ср через ш(Хт Ут 2т) и п(Х„ У„ гп) и представим перемещение {Ут}Р и {У„}к точек в системах координат С^р в виде вектор-столбцов

{Ущ}р ~ [Ушх Ушу Ущг] , {Уп}к ~~ [Упх Упу Упг] ,

где УщхУту- и т.д. - проекции на координатные оси Ск, Ср. Выразим компоненты перемещений {Ут}р и {У„}к через координаты точек шипи малые возмущения систем координат в виде:

Ущх = ^р Рр2щ " УрУш

Ушу = Ьр - Ор£т + урХт (6)

Утг = Ср + (ХрУт ~ РрХт.

Приводятся выражения для матриц преобразования координат.

Матрицу [М]к.к-1 преобразований координат удобнее представить в виде матрицы четвертого порядка, для чего следует ввести однородные координаты. В этом случае формула преобразований координат будет иметь следующий вид:

[х, у, 2, 1]Т,=[М]|сы[х у г 1]ты, (7)

где Т- знак транспонирования матрицы.

Здесь х, у, г, - проекции вектора {рк} на координатные оси в старой и хь У1, Ъ\ в новой системах координат.

В результате преобразований координатных систем с учетом условий равновесия тел получено разрешающее матричное выражение вида

Контактная стыков

жесткость

И

Связь между внешними нагрузками и геометрией тел [В]

Малые возмущения

[0]

[А]

{Л}

1П

[м. м

,(8)

которое совместно с условием ограниченности давлений

Ni > О внутри области {D}

Ni - 0 вне области {D} и на границе ^

и позволяет определить границы области {D} и контактные нагрузки.

Полученные выражения (8), (9) устанавливают связь между контактной жесткостью стыков, внешними нагрузками, геометрическими параметрами тел, величинами зазоров и малыми поворотами тел. Для деталей призматической формы, если использовать в описании положений поверхностных элементов их малые возмущения относительно глобальной системы координат, то формулы (8), (9) можно привести к наглядному и более удобному для инженерных расчетов виду.

В основу метода малых возмущений в матрицах преобразований положено допущение COS = 1, sin W = Ф. Это объясняется тем, что отклонения формы поверхностей и их положений малы и положение системы координат, построенное на граничных элементах стыкуемой поверхности может быть представлено малыми возмущениями. Такой подход позволяет упростить выражения и наглядно представить связи между погрешностью закрепления, жесткостными, геометрическими факторами и погрешностями формы и положений.

Поэтому с учетом этой особенности матричное преобразование векторов запишется

1У тх 1 -ф 1 У V

V ту -Чгж 1 W * X

V mz 1 V

где , з - малые углы поворотов локальных систем координат х5у325 относительно системы хуг.

Ранее было высказано предположение о влиянии характера взаимодействия «нажимной элемент-деталь» на изменение вектора нагрузки. Поэтому в работе подробно рассмотрено на основе дискретной модели взаимодействие

нажимной планки 1 с заготовкой 2 (рис. 3) с использованием матричных преобразований вида (10).

В работе приводятся выражения в явном виде для формулы (8).

Граничные условия представляют собой равенство нулю соответствующего смещения начала координат системы ХрУр^ или одного или нескольких поворотов осей координатной системы. Если соответствующее малое возмущение равно нулю, например, а = 0, то соответствующая а строка в матрице [03 и элемент Ох столбца свободных членов обнуляются, а затем диагональный член принимает значение в.

Решение системы уравнений ведется итерационным методом. На каждом шаге итерационного процесса отрицательные значения нагрузок Н < О принимаются равными нулю. Соответственно ¡-ая строка матрицы [ХЗ] обнуляется, причем оставляется только диагональный элемент В вектор-

столбец {0} заносится произведение С,' 0.

1

Рис.3

-15В третьей главе рассматривается модель погрешности закрепления на основе метода малых возмущений.

Проведенный анализ показал, что при расчетах закрепления корпусных деталей часто используется решение плоской статической задачи.

Формулы получены для определения сил для удержания заготовки и не отражают оценку погрешности закрепления. В расчетных схемах не рассматривается взаимодействие деталей при опоре на пластинки. Кроме того, нагрузки прикладываются по идеализированным схемам без учета характера взаимодействия нажимного устройства с деталью. Задача ставится следующим образом (рис. 4).

30 . 30

Рис. 4

Рассматривается система, состоящая из четырех тел: 1, 2 - зажимные элементы, 3 - заготовка, 4 - установочные элементы приспособления.

Детали находятся в фиксированном начальном положении. Точки первоначального контакта А), А2,... в стыкуемых поверхностях определены.

Построим на центрах масс деталей координатные системы. Деталь 1 -система х„ у„, деталь 2 - система Хр ур, деталь 3 - система хт ут, деталь 4 -система х у. Предполагаем, что положение центра С масс определено.

Координатные системы х„ у„ и Хр ур заданы относительно системы xm ут следующим образом с помощью треугольников i„j„lcn, ipjpkp.

Начало координат 0„ совпадает с точкой in, ось хп совпадает с направлением отрезка ijn, хр совпадает с отрезком ipjp. Точки kn и кр - фиксированные точки. Оси и Zp направлены перпендикулярно плоскости треугольников, а оси уп и ур - направлены так, чтобы система координат была правой.

Координаты Х,„, Yin, Zm и т.д. вершин треугольников заданы в системе координат xm, уга, zm.

В фиксированном положении узлов при нагружении конструкции внешними нагрузками {Р} и моментами {М}, возникающими при закреплении, происходит изменение положения деталей и узлов. Движение каждого узла детали представляется поступательными перемещениями а„, Ь„, с„ и т.д. начал координат вдоль осей х„, yn, z„ и вращениями ап, ßn, Yn и т.д. относительно этих осей. Для плоской задачи представляют интерес соответственно перемещения а„, bn, an, a,,, bp, ар, a„, bm, am.

Решение задачи сводиггся к определению малых возмущений систем координат хпуп, ХрУр, xmym относительно их начального положения. Поверхности S|, S2, S3, S4 заготовки определены с учетом отклонений формы и положения.

Покроем рабочие поверхности зажимных приспособлений и детали плоскими поверхностными конечными элементами.

Плоская задача, поверхности покрываются отрезками (im jm) так, чтобы нормали к поверхности были внешними. Для деталей обход контура осуществляется против часовой стрелки.

Решение уравнений для контакта зажима приводит к матричному выражению (11), которое совместно с условием ограниченности давлений и граничными условиями определяет неизвестные задачи.

< 1 <3 .. 1 s • < ... 1 S< <1 1 H Oí 1 >4 Oí 1 1

II

sT (N E * ^ - * « « Ö

H + & M H + M eî* ... E H + E ... s H + S >> £H

r-l i—i ... T—1 ... rH о,

£ 1 i ... E i ... s B> i

s о э? 1 т-t s * + s в?

: : :

E О i r-Ч E H + E

: l

n и i С P4 4 + m i*

& i << H +

Представление элементов матриц преобразований координат через малые возмущения позволило согласно выражению (11) установить наглядную связь между, с одной стороны, внешними нагрузками О, зазорами А в стыках, наклонами стыкуемых поверхностей коэффициентами трения £ контактной жесткостью с и, с другой, контактными давлениями Ы, их областью распределения и малыми возмущениями систем координат (а, Ь, а).

В четвертой главе предложена методика расчета при помощи комплекса программ.

Методика иллюстрируется на примере приспособления, показанного на рис. 5а, для которой приводятся схемы кодирования информации и результаты расчета, описание вводимых массивов, результаты расчета, принятые допущения. Описываются идентификаторы, процедуры составления расчетной схемы.

Рассматривается в примере взаимодействие следующих пар деталей под действием нагрузки

корпус 1 - тяга 2 (предполагается, что прижим 3 жестко скреплен с тягой 2);

прижим 3 - заготовка 6;

заготовка 6 - установочные элементы 4;

заготовка 6 — установочный элемент 5.

Особенность кодирования информации состоит в том, что координатные системы хчучг<1, построенные на детали, задаются в пространстве координатным треугольником, причем обход по узлам против часовой стрелки так, чтобы начало системы совпадало с точкой ц, ось Хц направлена вдоль стороны треугольника 0^), ось перпендикулярна плоскости треугольника, ось уч направлена перпендикулярно плоскости хчгч так, чтобы система координат была правой. Это позволяет задавать системы координатами вершин треугольников, а косинусы углов, входящие в матричные выражения для преобразования координат определять в автоматизированном режиме.

Рис. 5

На рис. 6 приводится блочное представление исходных данных. В результате расчета определяются контактные нагрузки и малые возмущения систем координат. Например, для приведенного примера малые возмущения составили: а = -0,2593 мм, Ь = 0 мм, с = 0,00114 мм, а = 0 рад, р = -0,05 рад, у = -0,0003 рад. Дополнительно проверялась гипотеза о неодно-

значности приложения внешней нагрузки. На рис. 7 приводятся эпюры контактных усилий N. Показано, например, что закон распределения в контакте определяется в основном отклонениями форм и положений стыкуемых поверхностей.

Массив внешних нагрузок (в системах координат детали)

НОМСР

летали

Массив зазоров гаг

Номер пары

А Пг

Массив (11гк

Номер детали

Первый

Последний

Массив коп

Номер стыка

Помер контакт ир пары

Номер поверхн немеета

Стык 1 - деталь-корпус

Номер контактор пары Номер ума т Номер "»цемента

Массив ху$

Деталь Глоб. номер Коорд. X

Коорд.У

Коорд. Ъ

Массив №

Номер е

Массив координат худ

Номер X У г

Рис. 6

Р=1000 Р=1000 Р=1000, М=6100

Ч»-0 /-0 Ч»-0 /-0 Ф-0 /-0

Л N А N Д N

1 0 145 1 0 144,2 1 0 39,45

2 -0,001 135 2 -0,001 133,3 2 -0,001 72,82

3 -0,002 125 3 -0,003 112,5 3 -0,003 76,2

4 -0,005 95 4 -0,005 91,6 4 -0,005 79,6

5 -0,005 95 5 -0,001 130,g 5 -0,001 142,9

6 -0,002 125 6 -0,002 120 6 -0,002 138,3

7 -0,001 135 7 -0,001 129,2 7 -0,001 156,3

g 0 145 8 0 13g g 0 187,7

Рис. 7

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Проведенный анализ литературных источников показал, что авторами разработаны различные методики определения погрешности закрепления. При этом используемые для оценки точности закрепления математические модели недостаточно полно отражают процессы и явления, происходящие на этапе установки различных тел.

2. Во всех исследованиях в расчетных схемах установки и закрепления принимается, что силы закрепления прикладываются идеализированными, в то время как погрешности стыкуемых поверхностей, заготовки и зажима приводят к значительному изменению положения и направления крепежных усилий.

3. Погрешности закрепления деталей призматической формы целесообразно оценивать на основе рассмотрения комплексного взаимодействия деталей приспособления, включая как контакт заготовки с зажимами, заготовки с установочными элементами и деталей приспособления между собой.

4. Общие соотношения для комплексной модели контактного взаимодействия описываются на основе представления стыкуемых поверхностей наборами определенным образом ориентированных поверхностных элементов, а контакт между соприкасающимися узлами описывается Винклеровской моделью.

5. Универсальное описание задачи строится на основе информационной модели, включающей в себя следующие этапы: структуризацию объектов исследования, выявление связей и законов взаимодействия объектов, подготовка исходной информации.

6. Специфика формирования поверхностей, образующих деталь призматической формы позволяет использовать для матричного преобразования координат малые возмущения, что значительно упрощает используемые зависимости.

t

7. Предложенные матричные преобразования иллюстрируются на примере взаимодействия корпусной детали в приспособлении и, в

1

частности, рассмотрено взаимодействие зажима с корпусной деталью.

8. Оценку погрешности закрепления следует производить на основе предложенной методики, алгоритмов и программ, охватывающей

1 широкий спектр как плоских, так и пространственных задач.

9. Разработана методика расчета для различных схем взаимодейст-

I

вия, алгоритмы и программное обеспечение, реализованное на языке С++, которое может быть использовано в качестве подсис-I темы АСТПП.

i

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

В РАБОТАХ

1. Требушников A.B., Батыров У.Д. Контакт нажимной планки с заготовкой В сб. Информационные технологии в промышленности и экономике. - М.: Янус-К, 2003, с.

к

2. Требушников A.B. Методы исследования процесса установки де-

I

1 тали с помощью математического моделирования. В сб. Информа-

| ционные технологии в промышленности. Вып. 1. - М.: Янус-К,

® 2002, с. 37-42.

3. Требушников A.B. Моделирование процесса установки детали в приспособлении. В сб. Информационные технологии в промышленности. Вып. 1. - М.: Янус-К, 2002, с. 42-46.

s 4. Требушников A.B., Симанженков К.А. Повышение эффективности

выбора технологической оснастки по критерию точности на основе использования автоматизированной системы. // VI Всероссий-1 екая научно-практическая конференция «Современные технологии

-24в машиностроении - 2003». Сборник статей. - Пенза: ПДЗ, 2003, с. 241-243.

5. Требушников A.B. Автоматизированный выбор технологической оснастки по критерию точности. - ИКТИ РАН, М., 2003. - 18 с.// Деп. в ВИНИТИ № 649-В2003.

í

i

I !

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Требушников А.В.

Повышение эффективности выбора технологической оснастки по критерию точности на основе использования автоматизированной системы. *

с

Сдано в набор Подписано в печать

Формат 60*90/16 Бумага 80 гр/м2 Гарнитура «Times» Объем уч.-изд.л. Тираж 50 экз. Заказ №

I

Издательство «Станкин» 127055, Москва, Вадковский пер., 3d

ЛР №040072 от 22.08.99r. ПЛД №55-227 от 09.02.96г.

P 14443

С

Г

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования

1.1. Роль технологической оснастки в современном производстве.

1.1.1. Классификация станочных приспособлений

1.1.2. Элементы станочных приспособлений и их функции.

1.1.3. Погрешности установки заготовок в приспособлениях

1.2. Типовые схемы установок в приспособления.

1.3. Методы определения и расчета погрешностей, возникающих на этапе закрепления

1.4. Обзор работ по контактным задачам в технологии

1.5. Методы исследования процесса установки с помощью математического моделирования.

1.6. Постановка задачи исследования.

1.7. Выводы по главе 1.

Глава 2. Математическая модель формирования погрешности закрепления призматического тела в координатный угол.

2.1. Предпосылки и допущения.

2.2. Расчет точности положения детали по гипотезе распределения давлений, пропорциональных прогибам

2.3. Вывод основных соотношений для точностной модели.

2.4. Взаимодействие нажимной планки с заготовкой

2.5. Выводы по главе 2.

Глава 3. Моделирование погрешности закрепления призматических деталей на основе метода малых возмущений.

3.1. Постановка задачи и исходные данные.

3.2. Вывод основных соотношений.

3.3. Взаимодействие с корпусной деталью.

3.4. Выводы по главе 3.

Глава 4. Методика расчета погрешности закрепления

4.1. Алгоритм расчета.

4.2. Подготовка исходных данных.

4.3. Контакт прижима с заготовкой.

4.4. Выводы по главе 4.

Точность изготовления деталей в условиях автоматизированной системы подготовки производства во многом определяется правильностью выбора конструкции станочного приспособления, обеспечивающего заданную точность обработки.

Точность технологической оснастки непосредственно связана как со структурой конструкции приспособления, так и с вопросами базирования и закрепления.

В связи с основополагающей ролью базирования, точности базирования в исследованиях уделяется значительное внимание. Вопросам, связанным с погрешностью закрепления, уделяется значительно меньше внимания, и если приходится определять погрешность закрепления, то при этом используются простейшие расчетные схемы.

Это связано с тем, что множество существующих и проектируемых конструкций приспособлений имеет многообразие структур и геометрических форм. Однако, общее в конструкциях приспособлений составляет то, что приспособление представляет собой совокупность упорядоченных в пространстве и метрически определимых элементов.

Это свойство позволяет при автоматизированном проектировании различные конструкции приспособлений представить на основе общей информационной модели, которая отражает как узел в целом, элементный состав конструкции, так и геометрические, точностные и жесткостные взаимосвязи ее элементов и позволяет оценить погрешность закрепления на этапе автоматизированной подготовки производства. Изложенное показывает, что вопрос разработки информационной модели оценки точности установки технологической оснастки на основе комплексной информационной модели является актуальным.

Цель работы:

Повышение качества и сокращение сроков проектирования технологической оснастки на основе рекомендаций по оценке точности закрепления корпусных деталей, получаемых с помощью автоматизированной системы.

Научная новизна:

Выявление существа функциональных связей между параметрами, определяющими точность закрепления корпусной детали в приспособлении с одной стороны и совокупностью размерных, силовых и физико-механических факторов с другой и разработка на этой основе метода прогнозирования точности закрепления.

На защиту выносится:

1. Математическая модель формирования погрешности закрепления призматического тела в координатный угол, учитывающая взаимодействия всего комплекса деталей в приспособлении.

2. Методика определения погрешности закрепления путем схематизации взаимодействующих тел на основе метода граничных элементов.

3. Информационная модель, алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированной системы оценки погрешности закрепления.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведенный анализ литературных источников показал, что авторами разработаны различные методики определения погрешности закрепления. При этом используемые для оценки точности закрепления математические модели недостаточно полно отражают процессы и явления, происходящие на этапе установки различных тел.

2. Во всех исследованиях в расчетных схемах установки и закрепления принимается, что силы закрепления прикладываются идеализированными, в то время как погрешности стыкуемых поверхностей, заготовки и зажима приводят к значительному изменению положения и направления крепежных усилий.

3. Погрешности закрепления деталей призматической формы целесообразно оценивать на основе рассмотрения комплексного взаимодействия деталей приспособления, включая как контакт заготовки с зажимами, заготовки с установочными элементами и деталей приспособления между собой.

4. Общие соотношения для комплексной модели контактного взаимодействия описываются на основе представления стыкуемых поверхностей наборами определенным образом ориентированных поверхностных элементов, а контакт между соприкасающимися узлами описывается Винклеровской моделью.

5. Универсальное описание задачи строится на основе информационной модели, включающей в себя следующие этапы: структуризацию объектов исследования, выявление связей и законов взаимодействия объектов, подготовка исходной информации.

6. Специфика формирования поверхностей, образующих деталь призматической формы позволяет использовать для матричного преобразования координат малые возмущения, что значительно упрощает используемые зависимости.

7. Предложенные матричные преобразования иллюстрируются на примере взаимодействия корпусной детали в приспособлении и, в частности, рассмотрено взаимодействие зажима с корпусной деталью.

8. Оценку погрешности закрепления следует производить на основе предложенной методики, алгоритмов и программ, охватывающей широкий спектр как плоских, так и пространственных задач.

9. Разработана методика расчета для различных схем взаимодействия, алгоритмы и программное обеспечение, реализованное на языке С++, которое может быть использовано в качестве подсистемы АСТПП.

1. Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения. М.: Машиностроение, 1969.

2. Корсаков B.C. Основы конструирования приспособлений в машиностроении. -М.: Машиностроение, 1976.

3. Колесов И.М. Основы технологии машиностроения. Учебник. -М.*. Машиностроение, 1997.

4. Ильицкий В.Б., Микитянский В.В., Сердюк Л.М. Станочные приспособления. Конструкторско-технологическое обеспечение эксплуатационных свойств. -М.: Машиностроение, 1969.

5. Худобин Л.В., Белов М.Г., Унянин А.Н. Базирование заготовок и расчет точности механической обработки. Учебное пособие. — Ульяновск: УлПИ, 1994.

6. Бирюков В.Д. и др. Переналаживаемая технологическая оснастка. — М.: Машиностроение, 1988.

7. Абдель Аал М.М. Исследование жесткости станочных приспособлений. Автореферат. -М.: 1963.

8. Дударев В.И. Исследование деформаций элементов станочных приспособлений и влияние их на точность обработки. Автореферат. М.: 1974.

9. Ильицкий В.Б. Жесткость соединений заготовка-установочные элементы приспособлений. Автореферат. М.: Брянский ГТУ, 1973.

10. Шубников К.В. Погрешность установки деталей на фрезерных и расточных станках. Автореферат. Л.: ЛПУ, 1955.

11. Базров Б.М. Расчет точности машин на ЭВМ. М.: Машиностроение, 1984.

12. Левина З.М., Решетов Д.Н. Контактная жесткость машин. М.: Машиностроение, 1984.

13. Фираго В.П. Основы проектирования технологических процессов и приспособлений. — М.: Оборонгиз, 1963.

14. Сорокин А.И. Повышение точности установки заготовок на станках. Автореферат. М.: МИНХ и ГП, 1982.

15. Лукьянец О.Ф. Исследование плоскостности технологических баз и ее влияние на точность обработки корпусных деталей на автоматических линиях. Автореферат. М.: МВТУ, 1980.

16. Зимин В.В. Упругие деформации корпусных деталей при закреплении на металлургических станках и технологические методы их уменьшения. Автореферат. М.: МВТУ, 1983.

17. Колобов А.Ю. Разработка и исследование мало деформирующих схем надежного закрепления жесткостных заготовок точных деталей. Автореферат. М.: МВТУ, 1989.

18. Стаценко С.А. Уменьшение погрешности установки заготовок корпусных деталей в процессе их изготовления в ГПС. Автореферат. -М.: Мосстанкин, 1985.

19. Станочные приспособления. Справочник в 2-х томах (Ред. совет: Б.Н. Вардашкин и др.). М.: Машиностроение, 1984.

20. Колесов И.М. Исследование связей между формой, поворотом и расстоянием плоских поверхностей деталей машин. Автореферат. -М.: Мосстанкин, 1967.

21. Сычева Н.А. Обеспечение требуемой точности заготовок корпусных деталей в 1 ИМ с использованием столов-спутников. Автореферат.-М.: Мосстанкин, 1995.

22. Тимирязев В.А. Управление точностью гибких технологических систем. Обзор. М.: НИИМАШ, 1983.

23. Демкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. — М.: Наука, 1970.

24. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М.: Мир, 1989.

25. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977.

26. Лопатухин И.М. Исследование влияния конструкции насечки при закреплении рифлеными поверхностями на удерживающую способность зажимных устройств. Автореферат. М.: МИХН и ГП, 1967.

27. Косов М.Г., Кутин А.А., Саакян Р.В., Червяков JI.M. Моделирование точности при проектировании технологических машин. Учебное пособие. М.: МГТУ «Станкин», 1998.

28. Соколовский А.П. Расчеты точности обработки на металлорежущих станках. М.: Машгиз, 1952.

29. Рыжов Э.В., Аверченков В.И. Оптимизация технологических процессов механической обработки. Киев: Наукова думка, 1989.

30. Джандереджян С.И. Исследование и расчет деформаций и давлений в плоском стыке с учетом собственной жесткости деталей. Автореферат. Ереван: ЕрПИ, 1968.

31. ГОСТ 21495-76 Базирование и базы в машиностроении. М.: Издательство стандартов, 1982.

32. Жуков В.А. Расчет допусков на составляющие звенья с учетом жесткости составляющих деталей. Автореферат. — М.: Мосстан-кин, 1991.

33. Галин JI.M. Контактные задачи теории упругости. М.: ГИЗТЛ, 1953.

34. Косов М.Г. Моделирование точности при автоматизированного проектировании и эксплуатации металлорежущего оборудованИ-Я -Автореферат. -М.: Мосстанкин, 1985.

35. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х томах (Под ред.-А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова). М.: Машиностроение, 1985.

36. Косов М.Г. Имитационные эксперименты с моделями контактного взаимодействия тел. В сб. Расчеты на прочность и жесткость» -Вып. 6. М.: Мосстанкин, 1984.

37. Батыров У.Д. Механизм возникновения погрешностей при закреплении жестких призматических деталей в станочные приспособления и пути их сокращения. Автореферат. М.; МГТУ «Станкин», 2001.

38. Билик Ш.М. Макрогеометрия деталей машин.Изд. 2-е М.: Машиностроение, 1971.

39. Бобрик П.И. Зависимость жесткости плоских стыков от качество-обработки поверхностей. Труды МАТИ, вып. 5,1949.

40. Вотинов К.В. Временная инструкция по изучению и повышению» жесткости узлов станка. М.: ЭНИИМС, 1976.

41. Вотинов К.В. Жесткость станков. Л.: Лонитомаш, 1940.

42. Демкин Н.Б., Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. -М.: Машиностроение, 1981.

43. Исследование и расчет контактной жесткости. Методические* указания ЭНИИМС. М., 1969.

44. Максак В.И. Предварительное смещение и жесткость механического контакта. М., 1975.

45. Портман В.Т. Суммирование погрешностей при аналитическотч^и расчете точности станка. Станки и инструмент, 1980, № 1.

46. Портман В.Т., Шустер В.Г., Ребане Ю.К. Расчеты точности станков. Методические рекомендации. М.: ЭНИИМС, 1983.

47. Решетов Д.Н. Расчет валов с учетом упругого взаимодействия их с опорами. М.: Машгиз, 1939.

48. Решетов Д.Н., Кирсанова В.Н. Касательная контактная податливость деталей. «Машиноведение», 1970, № 2.

49. Рыжов Э.В. Контактная жесткость деталей машин. М.: Машиностроение, 1966.

50. Соколовский А.П. Научные основы технологии машиностроения. -М.: Машгиз, 1955.

51. Thornley R.H., Elewat I. The static and dynamic stiffness of interference shrink-fitted joints, International Journal of Machine Tools Manufacture, 1988, V 28, № 2.

52. Колесов И.М. Временные связи производственного процесса. В сб.: Основные направления Мосстанкина за 50 лет.- М.: Мосстан-кин, 1980.

53. Колесов И.М. К проблеме управления точностью формы, поворота и расстояния поверхностей при обработке на станках. В сб.: Самоподнастраивающиеся станки. М.: Машиностроение, 1970.

54. Балакшин Б.С. Теория и практика технологии машиностроения.-М.: Машиностроение, 1982.

55. Кован В.М. и др. Основы технологии машиностроения. — М.: Машиностроение, 1965.

56. Соколовский А.П. Жесткость в технологии машиностроения. — М.: Машгиз, 1946.

57. Базров Б.М., Балакшин Б.С. и др. Адаптивное управление станками. М.: Машиностроение, 1973.

58. Соломенцев Ю.М. и др. Адаптивное управление технологическими процессами. М.: Машиностроение, 1980.

59. Решетов Д.Н. Работоспособность и надежность деталей машин. — М.: «Высшая школа», 1974.

60. Портман В.Т., Бобров А.П. Анализ точности зубошлифовальных станков, работающих плоским кругом. Станки и инструмент, 1982, № 12.

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

62. Проников А.С. и др. Надежность в технике. Технологические системы, испытания станков с числовым программным управлением на технологическую надежность (методические рекомендации). М.: ВНИИАМ, 1979.

63. Проников А.С. и др. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978.

64. Проников А.С. Программный метод испытания металлорежущих станков. -М.: Машиностроение, 1985.

65. Пуш В.Э. Конструирование металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1977.

66. Пуш В.Э., Пигерт Р., Сосонкин B.JI. Автоматические станочные системы. М.: Машиностроение, 1982.

67. Косов М.Г. Метод расчета на ЭВМ контактных задач применительно к телам изменяющейся формы. В сб.: Волновые передачи. Вып. 4, М.: Мосстанкин, 1978.

68. Детали и механизмы металлорежущих станков под ред. Решетова Д.Н., т. 1. М.: Машиностроение, 1972.

69. Детали и механизмы металлорежущих станков под ред. Решетова Д.Н., т. 2. М.: Машиностроение, 1972.

70. Каминская В.В. и др. Станины и корпусные детали металлорежущих станков. М.: Машгиз, 1960.

71. Дащенко А.И., Нахапетян Е.Г. Проектирование, расчет и исследование основных узлов автоматических линий и агрегатных станков. М.: Наука, 1964.

72. Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. М.: Машиностроение, 1973.

73. Косилова А.Г. Точность обработки деталей на автоматических^^ линиях. М.: Машиностроение, 1976.

74. Косилова А.Г., Никодимов Е.Ф., Орловский В.А. Повышением точности обработки корпусных деталей. Вестник машиностроения, 1972, № 12.

75. Нгуен Хонг Ко. Моделирование точности позиционирования: промышленного робота с целью повышения эффективности обслуживания технологического оборудования ГПС. Автореферат--М.: Мосстанкин, 1990.

76. Гусев А.А.Основные принципы создания гибких сборочных систем. -М.: Машиностроение, 1988.

77. Соломенцев Ю.М., Басин A.M. Оптимизация технологических: процессов механической обработки и сборки в условиях серийного производства. -М.: НИИМАШ, 1977.

78. Соломенцев Ю.М., Митрофанов В.Г., Прохоров Н.Ф. и др. Автоматизированное проектирование в машиностроении / Под общ. ред. Соломенцева Ю.М., Митрофанова В.Г. — М.: Машиностроение, 1986.

79. Новое в расчетах и исследовании точности в машиностроении. Вып. 160. Под ред. д.т.н. Б.М. Базрова. М.: МИНХ и ГП, 1981.

80. Крагельский И.В., Михин Н.Н. Узлы трения машин. Справочник. М.: Машиностроение. 1984.

81. Дроздов Ю.Н., Павлов В.Г., Пучков В.Н. Трение и износ в экстремальных условиях. М.: Машиностроние, 1986.

82. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967.

83. Александров В.М., Коваленко Е.В. Задачи механики сплошных сред со смешанными граничными условиями. М.: Наука, 1986.

84. Александров В.М., Мхитарян С.М. Контактные задачи для тел с тонкими покрытиями и прослойками. М.: Наука, 1983.

85. Ахматов А.С. Молекулярная физика граничного трения. — М.: Физматгиз, 1963.

86. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. / Под ред. д.т.н. И.В. Крагельского. -М.: Машиностроение, 1968.

87. Браун Э.Д. Научные оценки трений и изнашивания фрикционных устройств. Диссертация на соискание уч. степени д.т.н. М., 1981.

88. Браун Э.Д., Евдокимов Ю.А., Чичинадзе А.В. Моделирование трения и изнашивания в машинах. М.: Машиностроение, 1982.

89. Гаркунов Д.Н., Поляков А.А. Повышение износостойкости деталей конструкций самолетов. -М.: Машиностроение, 1974.

90. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. — Киев: Техника, 1970.

91. Матвеевский P.M. Температурный метод оценки предельной смазочной способности машинных масел. М.: АН СССР, 1956.

92. Матвеевский P.M., Буяновский И.А., Лазовская О.В. Противоза-дирная стойкость смазочных сред в режиме граничной смазки. — М.: Наука, 1978.

93. Михин Н.М. Внешнее трение твердых тел. М., 1977.

94. Польцер Г., Майснер Ф. Основы трения и изнашивания. — М.: Машиностроение, 1984.

95. Рыжов Э.В., Суслов А.Г., Федоров В.П. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. — М.: Машиностроение, 1979.

96. Рыжов Э.В., Чистопьян А.Ф., Харченков B.C. и др. Повышение износостойкости деталей технологической оснастки напылением сжатой дугой. Вестник машиностроения, 1985, № 8.

97. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. — М.: Машиностроение, 1987.

98. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение контактной жесткости соединений. М.: Наука, 1977.

99. Бакулин В.Н., Рассоха А.А. Метод конечных элементов и голо-графическая интерферометрия в механике композитов. — М.: Машиностроение, 1987.

100. Власов В.М. Работоспособность упрочненных трущихся поверхностей. -М.: Машиностроение, 1987.

101. Галин JI.A. Контактные задачи теории упругости и вязкоупруго-сти.-М.: Наука, 1980.

102. Галин Л.А. Упругопластические задачи. М.: Наука, 1984.

103. Горячева И.Г., Добычин М.Н. Контактные задачи в трибологии. — М.: Машиностроение, 1988.

104. Козачок А.Г. Голографические методы исследования в экспериментальной механике. М.: Машиностроение, 1984.

105. Островский Ю.И., Щепинов В.П., Яковлев В.В. Голографические интерференционные методы измерения деформаций. — М.: Наука, 1988.

106. Повышение несущей способности деталей машин поверхностным упрочнением./ Л.А. Хворостулин, С.В. Шишкин, И.П. Ковалев, О.А. Ишмаков. М.: Машиностроение, 1988.

107. Попов Г.Я., Савчук В.В. Контактная задача теории упругости при наличии круговой области контакта с учетом поверхностной структуры контактирующих тел. Изв. АН СССР М.Т.Т., 1971, № 3.

108. Славин O.K., Сердобинцев Ю.П. Моделирование упруго-пластических контактных перемещений плазменно-упрочненныХ направляющих скольжения станков. // Расчеты на прочность. — М.: Машиностроение, 1990, вып. 32.

109. Шарафутдинов Г.З. Исследование контактного взаимодействия методом нелинейной фотовязкоупругости. Задачи мех. тверд, де-формир. тела. М.: Изд-во МГУ, 1985.

110. Шевелева Г.И. Расчет упругих контактных перемещений на поверхностях деталей ограниченных размеров. Машиностроение. Известия Вузов, № 4,1984.

111. Шевелева Г.И., Гундаев С.А. Решение контактной задачи методом последовательного нагружения. Известия Вузов. Машиностроение, № 9, 1986.