автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Разработка подсистемы автоматизированного проектирования механической обработки сложнопрофильных валков

РГБ ОД

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИЙ

1 6 ЯНВ 1995 110 ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСШНЙЫЙ "ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ - СТАНКЙН -

йа правах рукописи

ПОЛЕТАЕВА Клена Валентиновна

УДК 658. 52. 56: 621.941 (62-434)

РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ВАЛКОВ -

Специальность 05.13.07. - Автоматизация технологических процессов и производств

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Мэсква - 1994

Работа выполнена в Московском государственном технологическом университете "СТАНКИН" на кафедре "Технологическое проектирование".

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, академик МАИ Павлов В. В.

- доктор технических наук, профессор Щпп А. В. г кандидат технических наук, доцент Кузнецов Е М.

Ведущая организация - НИИ "ЦЕНГРГ1РОГРАММОИСТЕМ"

Зашита состоится " А . ^с^Ая^и*. 1Э94Гг. в_час

на васедании специализированного совета К 063. 42.04 в МГТУ "СТАНКИН" по адресу: 101472, ГСП, Москва, К-55, Вадковский переулок, д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета "СТАНКИН" за один месяц до защйты.

Официальные оппоненты:

Автореферат разослан " .

1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета К 063. 42.04

к. т. н., доцент Горшков А. ф.

- 1 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. В настоящее время в условиях единичного и мелкосерийного производства при обработке сложно-профильных валков, являющихся наиболее ответственными деталями трубопрокатных станов* одним из эффективных средств повышения производительности труда, обеспечивающих высокую степень автоматизации, является станки с ЧПУ. Технологическая подготовка Производства при использований станков с ЧПУ существенно отличается от технологической подготовки для станков с ручным управлением. фограммное управление становится возможным только при условии детально разработанной операционной и попереходной технологии и требует автоматизации подготовки управляющих программ.

Существующие автоматизированные системы подготовки управляющих программ для деталей типа тел вращения, как универсальные, так и специальные, автоматизируют лишь 1/3 всех работ, связанных с проектированием операций. Такие этапы, как проектирование числа рабочих ходов, режимов резания, выбор инструмента, обычно требует при-влеченния технологов вьюоюй квалификации, и решения часто принимаются субъективно, без должной проверки.

Трудности при создании автоматизированной системы проектирования технологии связаны с проблемами:

- формализации и типизации, затрудненных в услойиях единичного и мелкосерийного производства;

- анализа большого числа вариантов операционной технологии и выбора наиболее рационального;

- обеспечения достаточной гибкости при перестройке системы на новую продукцию;

_ сведения вероятности ошибок в управляющей программе для станка с ЧПУ к минимуму и др.

Данная диссертационная работа посвящена проблемам автоматизации подготовки управляющих программ на станки

с ЧПУ для обработки сложнопрофильных валков в условиях мелкосерийного и единичного производства.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью данной работы является сокращение сроков процесса подготовки и повышение надежности управляющих программ для станков с. ЧОУ, применяемых при обработке сложнопрофильных валков, а также 1 повышение ; качества технологических решений за счет автоматизации всех этапов технологического проектирования.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Диссертация базируется на методах структурного моделирования производства с использованием математического аппарата теории множеств, теории графов и математической логики.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1. Разработаны математические модели' элементов технологической системы для обработки группы деталей типа сложнопрофильных . валков на разных уровнях абстрагирования, соответствующих различным этапам' технологического проектирования.-

2. Разработана методика выбора рациональных решений ' технологического процесса при автоматизации Проектирования ё условиях единичного и мелкосерийного производства.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Создание на базе разработанных моделей и методик автоматизированной системы подготовки управляющих программ на станки с ЧПУ для обработки группы деталей типа сложнопрофильных валков позволит: :

- существенно сократить сроки проектирования технологического- процесса и подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ;

. - повысите качество обработки детали за счет повышения качества технологической подготовки производства.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы были доложены на 2-ой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (г.Тверь,1991г.), используются при чтении

лекций и проведении практических работ в курсе "Основы математического моделирования" для студентов специаль- . ' ности 1201 Тверского государственного технического университета, стали основой для создания пакета прикладных программ "Валок", разрабатываемого для Московского трубного завода.

ПУБЛИКАЦИЙ. По теме диссертации опубликовано .5 работ.

СТРУКТУРА К ОБШ! РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, библиографического списка. Основная часть работы из ложна на 129 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка.

ШДЕРЗШШЕ РАШВД

Во введении обосновывается актуальность темы и дается общая характеристика диссертационной работы.

В первой главе дается обзор, общего состояния рассматриваемой проблемы. Отмечается, что в существующих автоматизированных системах подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ автоматически выполняются в основном вычисления координат опорных точек^ траектории перемещения инструментов, кадров управляющих программ. В большинстве случаев требуется неоднократная корректировка данных и перерасчет управляющих программ. Среднее число пробных обработоток при отладке управляющих программ равно 3-4, что значительно увеличивает общий цикл и стоимость разработки программы в единичном производстве.

В имеющейся литературе приведены результаты комплекса исследований и экспериментально отработанные типизированные технологические процессы обработки на станках с ЧПУ общемашиностроительных деталей типа тел вращения. Значительное число работ посвящено вопросу оптимизации выбора режимов обработки в зависимости от определенных критериев. Как правило, эти решения базируются на традиционной методике, разработанной для станков с ручным

управлением, не учитывающей особенностей обработки на станках с ЧЙУ.

Задачи оптимизации режимов резания нуждается в развитии: требуется учитывать шогие неучитываемые ранее ограничения, имеющие место на практике.

Программное управление станками предусматривает наличие детально разработанной операционной технологии с точным определением структуры ее построения, расчетом режимов резания, выбором вида инструмента, траектории его движения. Вопросы рационализации технологических решений приобретают при этом исключительную актуальность в связи с необходимостью уменьшения себестоимости обработки и срока окупаемости при использовании дорогостоящего оборудована с ЧПУ. В разных источниках приве-:дены системы ограничений, накладываемых на технологический процесс и целевые функций для различных производств. Однако математические модели, принятые для целевой функции, как правило, упрощены, что не дает возможности учесть многочисленные требования производства и реальную производственную ситуацию. При решении многовариантной задачи необходима методика выбора оптимального варианта, который бы наилучшим образом соответствовал конкретным условиям.

Проблемы, возникающие при автоматизации проектирования, тесно связаны между собой и показывают, что для изучения и анализа таких объектов, как технологический процесс механической обработки деталей в машиностроении, целесообразно применение методов системно-структурного моделирования.

На основе анализа рассмотренных систем, а таете общих выводов и предложений, формулируются основные задачи создания системы автоматизированного проектирования технологического процесса для деталей типа еложнопро-фишшх в&вков.

■: Во вгюрой главе рассматривается группа обрабатывав-

мых деталей и выявляются особенности технологического процесса их изготовления. Показано, что прочностные параметры, геометрические параметры, внутренних и торцевых поверхностей рассматриваемых деталей, сходны, значительно же отличаются друг от друга внешним фасонным профилем.

Анализируются возможные варианты технологического процесса механической обработки рассматриваемой группы деталей. На уровне маршрутного технологический процесс может быть представлен так типовой, на уровне операционного - как единичный, который создается для конкретной детали индивидуально с выбором рациональных проектных решений применительно к данной детали.

Определены задачи, решаемые на разных стадиях технологического проектирования: разработки маршрутной и операционной технологии, кодирования и записи управляющей программы. На стадии разработки маршрутной технологии система должна обеспечить ввод и хранение информации о технологическом процессе в виде математических моделей, пригодных для автоматического проектирования операционной технологии. На этой стадии-решаются'следующие задачи:

1). Определение содержания операции.

2). Расчет меюперационных припусков и размеров заготовки и детали на операции.

3). Точностная увязка операционных наладочных размеров с технологическими допусками для каждой операции в зависимости от выбранных технологических баз.

4). Выбор группы инструментов для обработки поверхности и инструмента для перехода.

5). Контроль управляющей программы средствами вычислительной техники.

6). Разделение проходов на ходы и шаги.

7). Построение траектории движения инструмента. При этом должна обеспечиваться невозможность столкновения

инетрумента с зажимным приспособлением, фиксирующим деталь, а такие выявление потенциальных помех движению, , предотвращение возможности превышения максимально до-, пусгимой глубины резания. ,

. , 8). Назначение, режимов резания. На этом этапе должна = производиться автоматическая проверка выполнения раз; личных технологических условий, связанных е обеспечением требуемого качества обрабатываемой детали.

9). Расчет трудоемкости й технологической себестоимости операции.

В связи с автоматизацией проектирования в подсистеме - должны решаться следующие задачи:

. ' - распределение функций меэду технологом-пользователем и программным обеспечением подсистемы по управлению • работой системы автоматизированного проектирования;

обеспечение возможности ввода, хранения.отображения информации, связанной как. с элзментами технологической системы, так и с промежуточными и окончательными результатами проектирования;

; - обеспечение возможности быстрой перенастройки подсистемы на новые параметры производства;

-,обеспечение возможности расширения подсистемы при настройке или изменении конкретных производственных условий;

.- обеспечение возможности получения различных технологических решений, анализа и выбора наиболее рацио. нального;

-■ минимизация объема машинной памяти, времени обработки информации и получения результатов технологического проектирования;

: - способность встраиваться в другие системы, решающие более общие задачи.

Третья глава посвящена вопросам моделирования технологического процесса обработки сложнопрофильных валков. При. использовании методов структурного моделирования

объект обработки, инструмент, приспособление, станок описываются на разных уровнях абстрагирования иерархической структурой различных .контуров, имеювдх разную природу. Моделируемый объект имеет многоуровневую иерархическую структуру, представленную в виде графа-дерева. Отношения между элементами равных уровней рассматриваются на теоретико-множественном, логическом и количествен-1 ном уровнях.

На верхнем уровне абстрагирования элементы произ-' водственной системы (станок, приспособление; инструмент), представлены векторами матриц, объединенных в одну блочную матрицу. Вместе с технологическими оператораш, каждый из которых описьюается таким же. вектором контуров объекта обработки, отражающим условия их получения в процессе обработки, она образует матричную модель "Технология", которая содержит информацию о технологической системе на уровне маршрутной технологии.

На нижнем уровне абстрагирования элементы технологи-, ческой системы представляются точечными множествами, ограниченными замкнутым контуром в плоскости моделирования, а геометрическая модель системы станок-приспособление-инструмент-объект обработки представляет собой совокупность геометрических моделей детали, заготовки, инструмента, приспособления, приведенных к системе координат станка. Такая модель используется для проектирования операционной технологии, в частности для автоматического расчета межоперационных припусков и геометрических параметров объекта обработки.

Модели верхнего и нижнего уровней информационно связаны между собой: модели верхнего уровня используются для автоматического построения моделей нижнего уровня (см. рис. 1).

В работе более подробно рассмотрены параметры, в наибольшей степени определяющие выбор резца для конкретного перехода при.обработке конкретной детали в условиях еди-

РисЛ- Связь матричных моделей в подсистеме

Заполнение технологом матрицы мо-дели"Припуски"

Рп... Рп+т ? . . . Р1

1 \ 1

Автоматическое, ? Припуски

"Технология" формирование на обра-

| | матрицы 1 ботку по

к 1 "" ............1 к операциям

Автоматическое формирование матрицы

Интервалы размеров

Р ... Рт

1

"Допуски" --

И

Заполнение технологом матрицы модели" Допуски"

Автоматическое формирование геометрической модели объекта " обработки

ничного и мелкосерийного производства.. Определены последовательность и этапы выбора группы стандартных инструментов для обработки сложного профиля валков.'

Более детально рассмотрена черновая обработка деталей типа сложнопрофильных валков. Проанализированы возможные схемы снятия припуска различными группами инструментов. Представлена методика выбора наиболее рационального варианта обработки детаяи.

Для автоматизации расчета траектории движения инструмента разработала геометрическая модель системы станок-приспособление-инструмент-объект обработки. Построены матричные модели для идентификации состояния технологической системы при движении инструмента в зоне резания, позволяющие автоматизировать основные этапы расчета траектории инструментов, такие, как вычисление координат опорных точек, разбиение траектории на участки, соответствующие рабочим и холостым ходам, расчет геометрических параметров для радиусных кривых, минимизация холостых ходов и др.

Представлен алгоритм расчета траектории движения инструментов в наладке.

Более детально рассмотрены различные подходы к решению проблемы выбора рациональных режимов резания при обработке внешнего сложного- профиля деталей рассматриваемой группы и предложена матричная модель для выбора рациональных режимов в конкретных условиях производства.

Четвертая глава посвящена вопросам реализации методики автоматизированного проектирования изготовления деталей типа сложнопрофильных валков, представленной в третьей главе.

Задачи, решаемые в подсистеме, связаны между собой, их содержание и последовательность выполнения составляет основу методики автоматизированного технологического проектирования изготовления деталей типа слож-

10 -

нопрофильньи валков (см. рис. 2).

При решении задачи выбора рационального технологического процесса за критерий оптимизации принята изменяющаяся часть себестоимости детали, по которой сравниваются различные варианты операционной технологии обработки сложнопрофильного валка :

; , где

Е - стоимость одной станко-минуты работы станка,' включая заработную плату рабочего с начислениями, - основное время, . и - вспомогательное время, Те.«-' время смены инструмента на станке, Тэ - период стойкости (экономический), О* - затраты, связанные с работой инструмента в течение одного периода стойкости, ■

0и - затраты на разборку, сборку и настройку инструмента, подготавливаемого для работы на станке с ЧПУ.

Разработан алгоритм выбора рациональной операционной технологии. для черновой обработки внешней фасонной поверхности сложнопрофильного валка

Весь набор последовательно работающих инструментов, предназначенных для выполнения операции, рассматривается как одна многоинструментальная наладка, а замена инструмента производится по фактическому состоянию режущих кромок независимо от состояния других инструментов.

Если весь фасонный профиль обрабатывается за N переходов, то изменявшаяся часть себестоимости детали составит ■ СI . Эта величина принимается за критерий выбора как группы резцов, так и последовательности обработки резцами группы фасонной поверхности сложнопрофильного валка.

Задача выбора рациональной операционной технологии

- 11 -

Рис. 2. Взаимосвязь задач, решаемых в подсистеме автоматизированного проектирования

Ввод информации I по детали .

Гввод информации] | по оборудованию }-

___:_ .1

Ввод информации] по оснастке

Ввод информации| по инструментам

1________

Ввод информации!

по маршруту ____

[ввод информации! | по допускам' I

га

Формирование 4 модели "Допуски"

Формирование модели детали

Формирование модели оборудования

Формирование модели приспособления

Формирование модели инструмента

Формирование модели "Технология"

Формирование модели "Припуски"

Ввод информации по припускам

X

Формирование геом. модели системы СПИД

I

Выбор группы инструментов

Установление последовательности обраб.

Расчет траектории движения инструм.

Выбор режимов обработки

±

Выбор рациональной операционной тех.

т

Расчет межоперационных припусков на обработку и геом. параметров объекта обработки

Размерно-точностной анализ

Ь-

| Корректи-Iровка.

Кодирование управляющей программы

Г

Вывод управляющей программы на печать

I

А, В, С-

- 12 -

для обработки фасонного профиля сложнопрофильного валка при автоматизированном проектировании технологического процесса решается в три этапа:.

1) анализ конфигурации сложного профиля валка и выявление М групп инструментов, каждая из которых обеспечивает получение сложного профиля детали;

2) для каждой 1-ой группы резцов из М рассмотрение Ш возможных' вариантов обработки сложного профиля и выявление лучшего,. варианта обработки с минимальным значением С4 -ДСПк , где N1 - количество переходов для Ш-го варианта обработки;

3) выбор варианта операционной технологии с минимальным С1*, обеспечивающего наименьшую себестоимость обработки при наибольшей производительности станка.

Экономическая эффективность представленной в работе методики базируется на трех пунктах:

1) уменьшение расходов на - разработку управляющей программы для станка с ЧПУ;

2) уменьшение себестоимости обработки в связи с рационализацией технологического процесса;

3) уменьшение производственных затрат в связи с повышением качества изготовления обрабатываемых деталей и уменьшением вероятности брака.

Показано, что трудоемкость подготовки управляющих программ сокращается в среднем в 6 раз по сравнению с' ручным способом, в то время, как современные системы автоматизированного проектирования дают выигрыш в лучшем случае в 2-4 раза, и составит по предварительным оценкам 4-6 часов на одну деталь группы в зависимости от содержания решаемой задачи.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Результаты проведенных исследований заключаются в следующем:

• 13 -

1. Разработана структура специализированной подсистемы автоматизированного проектирования подготовки управляющих программ на станки с ЧПУ, предназначенной для деталей типа сложнопрофильных валков и рассчитанной на использование 'персональных ЭВМ, обеспечивающей гибкость по отношению к изменению параметров производства и позволяющей в несколько раз сократить время технологической подготовки производства.

г. Разработаны математические модели технологической системы на разных уровнях абстрагирования, соответствующие этапам разработки маршрутного и операционного технологического процесса При этом на уровне маршрутного технологический процесс рассматривается как типовой, на уровне операционного - как единичный.

3. Разработана методика автоматического раэмерно-точностного анализа с использованием геометрических моделей объекта обработки й других элементов технологической системы, что дает возможность избежать ошибок технолога при назначении припусков на обработку.

4. Разработана методика автоматического расчета межоперационных припусков и геометрических параметров объекта обработки.

5. Проведен анализ влияния различных параметров на. выбор стандартного инструмента и группы инструментов для обработки сложного профиля валков на станках с ЧПУ и сформулирована задача автоматического выбора группы инструментов для обработки валка со сложным профилем.

6. Разработаны матричные модели состояния системы станок-приспособление-инструмент-объект обработки, позволяющие автоматизировать расчет траектории движения инструмента. Предложена методика моделирования траектории движения инструментов в наладке, обеспечивающая:

- вычисление координат опорных точек,

- разбиение траектории на рабочие и холостые ходы,

- минимизацию холостых перемещений, '

- 14 -

- предотвращение аварийного столкновения инструмента с элементами технологической системы. ' 7. Разработана методика для выбора рационального режима с учетом геометрии инструмента и условий резания на основе анализа параметров технологического процесса, влияющих на выбор режимов резания.

8. Разработана стратегия поиска рационального технологического процесса обработки детали.

Основные результаты работы изложены, в следующих публикациях:

1. Полетаева' Е. В. Использование математического, моделирования при автоматизации технологического проектирования при подготовке управляющих программ на оборудование с ЧПУ для деталей типа сложнопрофильных валков. /Тезисы докладов 2-ой НТК молодых ученых и специалистов. -Тверь ДвеПЙ, 1991. ;. -

2. Полетаева Е. В. Основы математического моделирования технологических процессов. Задания' и методические указания для; практических работ для студентов спец. 1201. Тверь, ТвеПИ, 1994.

3. Полетаева Е. В. Моделирование технологического процесса обработки деталей машин при подготовке управляющих программ для станков с ЧПУ. Методические, указания по курсу "Основы математического моделирования" для студентов спец. 1201. Тверь, ТвеПЙ, 1994.

4. Полетаева Е. В. Выбор группы инструментов для обработки сложного профиля валков трубоэлектросварочных станов при автоматизации технологического проектирования. / Тверск. политехи, ин-т. Тверь, 1994... Деп. в ВИНИТИ 17.03.94 N 642-В94.

• 5, Полетаева Е.В. Выбор режимов резания при автоматизации проектирования механической обработки сложно-профильных валков на станках с ЧПУ. /Тверск. политехи, ин-т. .Тверь, 1994. Деп./в .ВИНИТИ 17. 03.94,N 643-В94. ' .

Подписан к печ. 24-Х1-94 г. Тираж 100 экз. Зак. 175. Тверь. Ротапринт ТПУ