автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Разработка информационной модели автоматизированной системы технологической подготовки производства

На правах рукописи

Толкачева Ирина Михайловна

РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА (НА ПРИМЕРЕ ПОДСИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ-СБОРНЫХ ТОКАРНЫХ РЕЗЦОВ)

Специальность 05.13.17. - Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Заслуженный деятель науки РФ

д.т.н., проф. В.А. Гречишников

Научный консультанат К.т.н. С.В.Лукина

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................... 5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

.....................................................................................................................................................8

1.1. Направление развития систем автоматизированного

проектирования............................................................................................................................В

' 1.2. Применение конструктивно-технологических элементов для отображения информации при проектировании................................................................20

1.3. Отображение структурной и прочностной информации

при проектировании токарного РИС.........................................................................................26

1.4. Постановка задачи исследования..........................................................................................34

1.5. Выводы по главе 1 ..................................................................................................................35

2. СТРУКТУРИЗАЦИЯ СВЯЗЕЙ В КОНСТРУКЦИЯХ

РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА...................................................................................................37

2.1. Передача сил и типы связей...................................................................................................37

2.2. Обоснование выбора свойств макроэлементов.....................................................................48

2.3. Структуризация геометрической и прочностной информации

при проектировании инструмента.............................................................................................. 53

2.4. Методика отображения геометрической и прочностной

информации..................................................................................................................................56

2.5. Выводы по главе 2...................................................................................................................61

3. СТРУКТУРИЗАЦИЯ СВЯЗЕЙ В РИС......................................................................................62

3.1. Описание множества типов связей сборного

режущего инструмента РМЭ........................................................................................................62

3.1.1. Связи между погрешностями форм деталей и

упругопластическими деформациями..........................................................................................62

3.1.2. Описание конструкции РИС расчетными макроэлементами.............................................65

3.2. Семейство РМЭ для описания сборных токарных резцов....................................................72

3.3. Аппроксимация объектов РМЭ...............................................................................................86

' 3.4. Контактная задача и задача объединения РМЭ.....................................................................94

3.5. Выводы по главе 3...................................................................................................................99

4. ИНФОРМАЦИЯ ДЛЯ СТРУКТУРНОГО ОТОБРАЖЕНИЯ

ТОКАРНОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА........................................................................... 100

4.1. Информация, нагружающая вершины графа структуры РИС..............................................100

4.2. Информация, относящаяся к дугам графа.............................................................................115

4.3. Задачи проектирования РИС, решаемые на основе

структурного отображения........................................................................................................ 119

4.4 Методика построения образа РИС......................................................................................... 123

4.5. Выводы по главе 4................................................................................................................. 140

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.................................................................................................. 141

Литература..................................................................................................................................... 143

Приложение 1. Распечатка, программы расчета сборных токарных резцов на

жесткость................................................................................................................................148

Приложение 2. Распечатка расчета для пластины марки Т15К6

Е = 5.2*105# / мм2....................................................................................... 167

Приложение 3 Информация для расчета распределения температур в РИС............................. 174

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Эффективность создания конкурентоспособного режущего инструмента во многом определяется средствами автоматизированного проектирования, имеющимися в распоряжении конструктора. В настоящее время при проектировании режущего инструмента и других машиностроительных объектов широко применяется методы математического моделирования, в основу которых положено геометрическое моделирование, а также анализ состояния конструкции на основе метода конечных элементов. В области геометрического моделирования достигнуты большие успехи и создано значительное количество трехмерных систем моделирования. В большинстве систем применяются системы макросов, включающие набор проволочных, каркасных и твердотельных макроэлементов. Достоинство использования заключается в том, что такой подход позволяет повысить производительность конструктора при проектировании сложных объектов. Общим недостатком геометрического моделирования является то, что получаемые объекты являются твердотельными или абсолютно твердыми. Поэтому после создания геометрического образа изделия на практике производятся прочностные и жесткостные расчеты конструкции на основе методов конечных и граничных элементов. Недостатком метода конечных элементов является то, что для каждой структуры изделия необходимо создавать математическую модель, устанавливая взаимодействие отдельных сборочных единиц. Такой подход не позволяет создать единую методологию формирования математической модели структуры токарного режущего инструмента, к тому же такая последовательность при проектировании увеличивает ее трудоемкость. Поэтому возникает актуальная задача разработки метода моделирования структуры проектируемого сборного режущего токарного инструмента, который бы обеспечивал одновременно как создание геометрического образа, так и жесткостности прочностной анализ структуры режущего инструмента.

Цель работы. Повышение эффективности автоматизированного проектирования сборного режущего токарного инструмента путем структуризации геометрической и жесткостной информации на основе расчетных макроэлементов, позволяющей на каждом этапе проектирования РИС производить анализ его состояния на соответствие служебному назначению.

Научная новизна. Состоит в выявлении существа геометрических, силовых связей между деталями режущего инструмента и представлении на этой основе деталей РИ набором нетвердотельных расчетных макроэлементов, позволяющих описать связь между множеством геометрических, физико-механических характеристик расчетных макроэлементов и точностными, прочностными и жесткостными параметрами РИС.

В основу такого представления положены две существенные особенности. Первая особенность состоит в отказе от твердотельности или абсолютной жесткости макроэлементов и представлением их набором конечных элементов, тип и форма которых, а также физико-механические характеристики соответствуют типу решаемой задачи, например, исследованиям теплопереноса или расчетам на прочность и т. д.

Вторая особенность состоит в описании РИС одновременным набором проволочных, объемных и поверхностных макроэлементов с разными геометрическими и физико-механическими свойствами, что позволяет учесть отличия в геометрических и физико-механических характеристиках материалов, режущих кромок, поверхностей и объемов у одной и той же детали или узла. Использование при проектировании разработанных расчетных макроэлементов позволяет в проектных работах кроме отображения необходимой трехмерной графической информации получить одновременно технические показатели или дать оценки точностным, прочностным и жескостным характеристикам РИС. Работа из четырех глав,

выводов и рекомендаций, списка литератупы и приложений.

6

В первой главе исследуется состояние вопроса проектирования сборного токарного режущего инструмента. Рассматриваются особенности отображения проектной информации с помощью теории графов и метода конечных элементов. Ставится задача исследования.

Во второй главе рассматривается передача сил и типа связей и обосновывается выбор типов расчетных макроэлементов для проектирования.

В третьей главе приводится описание множества токарного РИС набором расчетных макроэлементов (РМЭ), а также их аппроксимация набором конечных элементов. Дается решение контактной задачи и задачи склеивания.

Четвертая глава посвящена информации, необходимой для описания нагрузок на вершины и дуги графа, структурного отображения токарного РИС и методика построения , образа РИС.

Работа выполнена в Московском Государственном Технологическом Университете "Станкин" на кафедре "Инструментальная техника и компьютерное моделирование".

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Современное состояние и перспективы развития металлообработки характеризуются широким использованием сборного режущего инструмента, оснащенного сменными механически закрепляющимися режущими элементами, выполняемыми из твердых сплавов, керамики и твердотельных материалов. Наибольшее применение находят токарные резцы различных типов, торцевые и концевые фрезы и т.д. /1/.

Стремительный рост информационных технологий и рыночно - ориентированная адаптация производства послужили причиной разработки и внедрения систем автоматизированного проектирования (САПР) и систем сквозного проектирования (CAD/CAM) сборных режущих инструментов РИС, подавляющее большинство которых ориентированно на проектирование какого-либо вида РИС.

Вопросам проектирования и расчета режущего инструмента и его прочностного расчета посвящены работы В.И. Семенченко, В.А. Гречишникова, Г.Н. Сахарова, Т.А. Султанова, А.И. Бетанели, В.Ю. Конюхова и др., в которых заложены основы САПР РИС. Однако дальнейшее совершенствование автоматизированного проектирования РИС невозможно без рассмотрений современных тенденций САПР, и других систем автоматизированного проектирования и разработанного на этой основе единого подхода к формализации проектирования РИС и его расчета.

1.1 Направление развития систем автоматизированного проектирования

САПР, АСТПП, АСУ производством (АСУПР) развиваются в направлении создания

8

таких систем конструирования, технологической проработки и производства новых изделий, которые охватывают весь жизненный цикл изделия и предусматривают решение вопросов автоматизированного проектирования и производства с максимальной производительностью, надежностью, ремонтопригодностью, стоимостью.

Существует подход /2-7/ к организации разработок нового изделия, получивший название комплексного конструирования жизненного цикла. При таком подходе исследователи пытаются осуществить описание механизмов, физических объектов, среды, производства, различных явлений таким образом, чтобы иметь возможность моделировать на ЭВМ весь производственный процесс и получать субоптимальные решения для производства изделий нужного качества.

В основе системы моделирования лежат методы математического моделирования пространственно-временных явлений, эвристического моделирования (искусственный интеллект), позволяющий оперировать с нечеткими понятиями и использовать интеллектуальные возможности человека в области принятия решения. Построение модели включает выявление полного множества взаимоотношений, соответствующих описанию широкого класса технологических операций, которые, как правило, бывают неоднородными и влияют на качество детали.

Для моделирования процессов проектирования и конструирования новых изделий используют модели трех типов: универсальные - метасистемы, специальные - экспертные, детерминистические - математические модели. Структура модели представлена на рис. 1.1.

Метасистемы рассматриваются как модели метазнаний, т.е. представления собой знания о знаниях. Знания в метасистемах могут быть процедурные, доказательные и смешанного типа. Знания, используемые в конструировании и производстве, неоднородны по типу и применимости. Они могут отображать концептуальные решения и детальные. Выделяют следующие типы знаний:

• Творческие; о

Рис. 1.1

• Новаторские;

• Рядовые.

Творческие знания используют для определения минимума физических предложений, необходимых для создания математических моделей производства конкретного изделия.

Новаторские знания не имеют такого уровня обобщения, но предусматривают выработку значительного числа решений.

Рядовые знания используют при исполнении ежедневных инженерных обязанностей, связанных с конструированием и производством.

Метасистемные информационные модели являются основным средством обеспечения согласованного применения конструкторско-технологических знаний. Экспертные системы, являющиеся частью интеллектуальных систем, представляют собой специализированные модели, ориентированные на определенную область приложений, широко используются при проектировании.

Модели, особенно математические, отражают связь между различными явлениями касающихся материалов, процессов их обработки, технологического оборудования, систем управления. Взаимосвязи представляются в виде совокупностей математических уравнений и ограничений, которые вытекают либо из физической сущности явления и описаны с помощью соответствующих формул, либо установлены эмпирическим путем.

Таким образом, имеет место синтез новых систем, сочетающих в себе преимущества эвристического и детерминистского подхода к решению проблем.

Указанные модели являются основой для исследования прочностных свойств новых материалов. Рассмотрены следующие /3/-.SINDA, NASTRAN, MARC, ANSYS, ADINA, ABAQUS, GIPS. Все они базируются на применении метода конечных элементов (МКЭ).

Общие методы технической подготовки производства и подходы к формированию методического и организационного обеспечения разработаны Ю.М. Соломенцевым.

На рис. 1.2. представлены стадии жизненного цикла изделия по данным работы /2/,

11

Проектирование Научные исследования Конструирование Конструктивные элементы

Анализ Расчетные макроэлементы

Технологическая подготовка производства Технологическая подготовка Технологические макроэлементы

Анализ Расчетные макроэлементы

Производство Изготовление опытного образца Конструкторско-технологичексие макроэлементы

Испытания

Анализ Расчетные макроэлементы

Серийное производство Технологические макроэлементы

Анализ Расчетные макроэлементы

Сбыт Изучение рынка

Поставка потребителям

Анализ

Эксплуатация Теническре обслуживание

Снятие с эксплуатации и утилизация

Анализ

Рис. 1.2

12

включающей маркетинг, конструирование, технологическую подготовку производства, выпуск опытных образцов, производство, сбыт и эксплуатацию. Каждая стадия жизненного цикла заканчивается функциональным анализом процессов конструирования, технологической подготовки производства, испытаний, а также экономическим анализом. На стадии "Маркетинг" изучается рынок и дается предварительное экономическое обоснование проекта, формируются технические требования к изделию, дается предварительная оценка конструктивных особенностей и оцениваются технологические возможности и связанные с выпуском изделия риски. На стадии конструирования производится оценка технических показателей, таких как жесткость, точность, прочность, долговечность, надежность, стоимость и т. д.

На стадии технологической подготовки производства оценивается точность, жесткость, виброустойчивость, производительность, стоимость и т. д.

Оценка и анализ конструкции и соответствия ее служебному назначению производится в результате анализа, на каждом этапе и в ходе испытания опытного образца.

Разработка теории методов конструирования находится в начальной стадии /8, 7, 9/. В основном автоматизированы различные вычислительные операции, связанные с конструированием.

К сожалению, эти расчеты не связаны с существующими системами CADD (Computer Aided Design and Drafting) систем автоматизированного черчения и проектирования. Наиболее популярной системой подобного класса является программа AutoCad, разработанная фирмой AutoDesk. Система ориентирована на применение в таких областях, как машиностроение и архитектура. Версии программы AutoCad позволяют иметь интерфейс с другими языками, например, с программными модулями, написанными на языке С. Встроенный язык позволяет пользователю в ограниченных пределах вызывать расчетные программы в среде AutoCad /10,11, 12, 9/.

В настоящее время существует несколько САПР, в основу которых для построения

13

одной и той же детали предлагаются различные методы. Сравнительные характеристики САПР /13/ приведены в таблице в таблице 1.1., где по столбцам представл�