автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Совершенствование технологии фрезерования декоративных элементов мебели на станках с ЧПУ

На правах рукописи

Мохаммед Хайдер А. Аббас

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ФРЕЗЕРОВАНИЯ ДЕКОРАТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МЕБЕЛИ НА СТАНКАХ С ЧПУ

Специальность 05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 ИЮН 2015

005570131

Воронеж 2015

005570131

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Воронежская государственная лесотехническая академия" (ФГБОУ ВПО "ВГЛТА")

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Петровский Владислав Сергеевич

Официальные оппоненты: Торопов Александр Степанович - доктор технических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Поволжский государственный технологический университет", кафедра деревообрабатывающих производств, профессор

Фомин Анатолий Анатольевич - кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», кафедра технологии машиностроения, доцент

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образо-

вательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С. М. Кирова" (г. Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится 2 июля 2015 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.034.02 при ФГБОУ ВПО "Воронежская государственная лесотехническая академия", 394087, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, ауд. 146.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Воронежской государственной лесотехнической академии http://www.vglta.vrn.ru/rassmotrenie-dissertacij-v-sovete-d-212-034-02

Автореферат разослан «18» мая 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Платонов Алексей Дмитриевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Согласно маркетинговым исследованиям, в России и в арабских странах, в частности, в Ираке, широко востребована мебель с декоративными элементами со сложным и высокоэстетическим декором.

В настоящее время в крупносерийном производстве мебели декоративное фрезерование производят на предварительно сформированных заготовках из элементов со строго заданной ориентацией волокон. При этом режимы фрезерования вдоль и поперек волокон подбирают опытным и экспертным путем. В мелкосерийном и позаказном производстве в условиях малых предприятий фрезерование производится с постоянными технологическими параметрами (скорость подачи, частота вращения фрезы), однако из-за анизотропии структуры механические свойства, а следовательно и качество обработки поверхности, оказываются различными вдоль и поперек волокон.

При декоративном фрезеровании на станках с ЧПУ фреза движется в пространстве по сложной траектории с одновременным изменением от двух до пяти координат. При обработке участков древесины с малым радиусом кривизны из-за несоответствия технологических параметров локальной структуре поверхности, часто образуются сколы и другие дефекты, приводящие к браку или требующие дополнительных операций восстановления элементов мебели.

Особенно выражены дефекты фрезерования при обработке малоценной древесины, которая имеет низкие механические свойства и существенную неоднородность структуры, и поэтому более требовательна к режимам фрезерования. Также в последние годы пользуется спросом мебель из древесины с целевыми пороками (в частности, сучками), представляющими эстетическую ценность. Области древесины вблизи порока также чувствительны к режимам фрезерования.

В этой связи актуальной является задача разработки технологии адаптивного фрезерования древесины, учитывающей локальную структуру поверхности, и управляющей технологическими параметрами в зависимости от локальной макроструктуры в области обработки. Технологии адаптивного фрезерования, могут повысить производительность процесса, уменьшить шероховатость поверхности, уменьшить количество сколов и других повреждений. В первую очередь, такие технологии могут быть полезны для мелкосерийного и позаказного производства, где нет возможности подбирать режимы фрезерования опытным путем, а необходимо на первой же неориентированной заготовке получить качественную поверхность.

Исследования выполнены в рамках государственной бюджетной темы "Компьютеризация технологий и экономических систем управления в лесном комплексе", №01.2.01168728.

Степень разработанности проблемы. Существующие технологии фрезерования древесины и системы управления станками с ЧПУ разработаны Босинзоном М.А., Гордиенко В.В., Мовниным М.С., Петровским B.C., Ефимовой Т.В., Разинь-ковым Е.М., Хуажевым О.З. и др. Процессы механической обработки древесины изучались Любченко В.И., Сергеевичевым A.B., Фоминым A.A. и др. Влияние анизотропии структуры древесины на ее механические свойства изучалось в работах Перелыгина Л.М., Тамби A.A., Торопова A.C., Уголева Б.Н., Чубинского А. Н. Вопросам формирования высококачественной древесины посвящены работы Косичен-ко Н.Е., Киселевой A.B., Снегиревой С.Н., модификации древесины - Шамаева В.А., и др. Однако в настоящее время отсутствуют комплексные научные разработ-

ки в области регулирования технологических параметров фрезерного оборудования в зависимости от структуры древесины для декоративного фрезерования.

Целью работы является повышение производительности и качества декоративного фрезерования древесных элементов мебели путем разработки технологии адаптивного фрезерования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать физико-математическую модель процесса фрезерования древесины, учитывающей структуру поверхности.

2. Установить закономерности влияния макроструктуры древесины и технологических параметров процесса фрезерования на качество обрабатываемой поверхности.

3. Разработать методику оптического распознавания структуры поверхности древесины вдоль траектории движения фрезы.

4. Разработать технологию адаптивного декоративного фрезерования поверхности древесины и рекомендации по ее применению в деревообрабатывающей промышленности.

Объект и предмет исследований. Объектом исследования является технология декоративного фрезерования древесины. Предметом исследования являются макроструктура поверхности древесины и технологические параметры процесса фрезерования.

Методологическая база исследований. В работе использованы методы имитационного моделирования, динамики частиц, оптического распознавания, Фурье-анализа, планирования и проведения экспериментальных исследований с использованием современных измерительных средств.

Научная новизна работы:

1. Разработана физико-математическая модель процесса фрезерования древесины, отличающаяся учетом структуры годичных слоев поверхности древесины.

2. Установлены закономерности формирования качественной поверхности древесины при ее фрезеровании, отличающиеся учетом параметров макроструктуры поверхности древесины и резонансных эффектов фрезерования.

3. Разработана методика оптического распознавания структуры поверхности древесины, отличающаяся возможностью определения ориентации волокон древесины в заданной точке траектории фрезерования.

4. Разработана технология адаптивного декоративного фрезерования, отличающаяся регулированием технологических параметров процесса на основе оптического анализа макроструктуры поверхности древесины.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Физико-математическая модель процесса фрезерования древесины, учитывающая структуру годичных слоев, позволяющая определить рациональные технологические параметры.

2. Закономерности формирования качества обработанной поверхности древесины при ее фрезеровании, позволяющие обосновать рациональные технологические параметры процесса.

3. Методика оптического распознавания структуры поверхности древесины, позволяющая определять направление волокон относительно траектории фрезерования.

4. Технология фрезерования с переменной скоростью подачи фрезы, позволяющая повысить качество обрабатываемой поверхности и производительность процесса на основе предварительного оптического анализа макроструктуры по-

верхности древесины.

Достоверность полученных результатов обеспечена использованием репрезентативных теоретических и экспериментальных методов, хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, положительными результатами лабораторных экспериментов и производственных испытаний, подтверждением статической значимости результатов.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость заключается в установлении влияния параметров макроструктуры древесины и технологических параметров процесса фрезерования на качество обрабатываемой поверхности и получении математической модели процесса фрезерования поверхности детали из древесины с заданной структурой годичных слоев. Практическая значимость заключается в разработке новой технологии адаптивного фрезерования, обеспечивающей повышение производительности и качества обработки поверхности древесины различных пород и композиционных материалов на ее основе. Результаты диссертации используются на ООО "МИГмебель" (г. Воронеж), ОАО "Графское" (г. Воронеж), ООО "Доступная робототехника" (г. Воронеж) и в учебном процессе ФГБОУ ВПО "Воронежская государственная лесотехническая академия".

Личное участие автора заключается в обосновании темы, определении целей и задач работы, выполнении теоретических и экспериментальных исследований и анализе их результатов, разработке программных средств, подготовке основных публикаций, практическом внедрении результатов диссертации.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности 05.21.05. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства, п. 6 "Обоснование и оптимизация параметров и резервов работы оборудования деревообрабатывающих производств".

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: "Scientific Innovation and Sustained Development": 7 Congress of Scientific research Outlook in the Arab World (October, 2008. Fez. Morocco); "Инновации и энергосберегающие технологии в электроэнергетике: МИЬСГ (Воронеж, 2012 г.); "Интеллектуальные информационные системы": ВИВТ (Воронеж, 2011 г.); "Актуальные проблемы профессионального образования: подходы и перспективы": 10-ая Международная научно - практическая конференция (Воронеж, 2012 г.); "Перспективы инновационного развития современного мирового сообщества: экономико-правовые социальные аспекты": Международная юбилейная научно-практическая - конференция, ВГЛТА (Воронеж, 2012 г.). "Юбилейная научная конференция, посвященная 80-летию ВГЛТА" (Воронеж, 2010 г.).

Публикации. Основные научные разработки по теме диссертации опубликованы в 18 работах, включая 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы составляет 167 страниц, из них 146 страниц основного текста, 7 приложений, 60 иллюстраций, 10 таблиц и 119 наименований использованных источников, в том числе 6 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы актуальность, цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проведен анализ существующих технологий фрезерования древесины и систем управления станками с ЧПУ. Изучен вопрос анизотропии структуры древесины и ее влияния на механические свойства. Установлено, что в настоящее время декоративная обработка древесины фрезерованием производится преимущественно без учета структуры поверхности, либо технологические параметры подбираются опытным путем. В связи с этим в данной работе предложена технология адаптивного декоративного фрезерования, основанная на оптическом распознавании направления волокон на поверхности и управлении скоростью подачи фрезы в процессе ее перемещения.

Во втором разделе рассмотрены классические модели резания древесины применительно к процессу фрезерования. Установлена невозможность учета в данных моделях структуры поверхности древесины. Поэтому разработана новая физико-математическая модель процесса фрезерования древесины с заданной структурой годичных слоев на поверхности на основе метода динамики частиц.

Рисунок 1 - Представление древесины в виде множества элементов (а); расчетные схемы к определению сил взаимодействия между фрезой и древесиной (б, в), а также между элементами древесины (г, д)

Древесина в модели представляется множеством элементов-кругов, взаимодействующих между собой и с фрезой (рисунок 1), движение которых в пространстве описывается уравнениями

где т„ х„ у\ - масса и коородинаты элемента; / - время; g - ускорение свободного падения; и Гуф Э! - силы взаимодействия /'-го элемента с фрезой. Силы упругого F ^ ^ и вяз-

кого F®yij взаимодействия рассчитываются по формулам:

|(х -л: )

-eaiurt<rv; у\cx(dL

'"ï И/ | Г

О, если Г9 > гкр\ [0, если Г[]

еази г, < г

(2) (3)

Если элементы / и_/ связанны (необработанная древесина), то сж = сс; ГкР = ¿э + с/о, если не связанны (отщепленные элементы), то сж = со; г^ = с/э, где сс и со - коэффициенты жесткости связнных и несвязанных элементов; с/э и с10 - диаметр элемента и расстояние отрыва; гв = - х/)2 + (у, - у¡)г - расстояние между элементами / и у, кт - коэффициент вязкого трения; Га, - компоненты скорости элемента.

Для того, чтобы задать структуру древесины элементам назначаются физические свойства с учетом их положения по отношению к годичным слоям. В приближении синусоидальной периодичности годичных слоев коэффициент жесткости назначается элементам следующим образом.

ьОср

0,5 + 1,0

| +1 sini (x, sinip,, +>>, coscpj^

(4)

где Соср - среднее значение коэффициента жесткости; (р™ - угол ориентации годичных колец к направлению подачи фрезы; - расстояние между годичными кольцами; кГК - нормировочный коэффициент; коэффициенты 1/2 необходимы для того, чтобы синусоида осциллировала в пределах от 0 до 1; коэффициенты 0,5 и 1,0 задают пределы изменений со, (в данном случае от 0,5 до 1,5 от среднего значения coq,). Аналогичным образом элементам назначаются другие параметры.

Двухперьевая фреза задается в модели следующим образом. Сначала размещаются в пространстве базовые точки Ра--- Рь геометрического образа фрезы:

xPa=xH+vnadt\ уР0 =>>„; хп =xF0\ уп = yea—j-\xn =хп-Ьф; уР2 = уР0--^- + Ьфишаф;

-ьф; уег=уР0\ xPi=xP0-, у„=ура ;хР,=хп+Ьф, уп = уп+-г-ьф^паф\

xpt — хР0 + Ьф ; уГа — уРй где хИ и у„ - начальное положение центра фрезы; v,

(5)

скорость подачи фрезы в горизонтальном направлении; с/ф - диаметр фрезы; Ъф - толщина пера фрезы; Оф - задний угол лезвия фрезы. Затем производится поворот фрезы:

Г = т](х„-хР0У +(yPI-yP0Y ;

у*-уп .

я, х„-хро<0;

Ф = arctg -

xn=xpo+r cos(<p + 2п/ф>\ Уп = Ура + rsin(cp + 2к/ф'\

(6)

где г и ф - промежуточные переменные; /ф - частота вращения фрезы. Затем для каждого элемента /, если он касается геометрического образа фрезы, рассчитываются координаты ха и Уо точки касания Б. Затем определяются компоненты силы, действующей со стороны фрезы:

^о-э, = с0 i у - ^{x,-xDf+(y,-yDf

РуФ-з, =Со\~-^,-xDf +{у,-увУ

У,~УР т]{х,-х0У+{у,-у„)г

Уравнения движения элементов (1) представляют собой дифференциальные уравнения второго порядка и решаются в процессе моделирования численным методом Рунге-Кутта второго порядка:

= х] + v' • М + а\ ■ ; v*+1 = v' + а\ ■ А?;

2 "

где т и т+1 - индексы текущего и следующего временного шага; At - шаг интегрирования по времени; аху и а^ - декартовы составляющие ускорения элемента.

Основная выходная характеристика модели — шероховатости поверхности /?а - определяется путем многократного (N„ = 1000) измерения в модели высоты поверхности Ак после прохода фрезы при различных координатах хк, выбираемых из интервала обработки х = (15 ... 45) мм случайным образом (по равномерному закону). После этого Ra рассчитывается по формуле

где К - высота поверхности при к-м измерении; Аср - средний уровень поверхности.

Начальные условия: в момент времени / = Ос элементы древесины размещаются образуют случайную плотную упаковку в прямоугольной области заданных размеров. При этом 3f(v® = 0;v° =0).

Граничные условия: движение элементов ограничено границами модельного пространства LxxLy; элементы, выходящие за границы, возвращаются в него, например, при х\ > ¿х, производится коррекция х\ = LK; Vxi = — vxj.

В модели приняты следующие допущения: в пределах одного элемента вещество считается однородной сплошной средой, и физические свойства элемента зависят только от пяти параметров (диаметр, масса, коэффициенты жесткости, вязкости, ограничения взаимодействия); элементы движутся по законам классической механики, взаимодействуя между собой и с поверхностями фрезы линейными вязкоупругими силами.

Для проведения компьютерных экспериментов с моделью составлена компьютерная "Программа для моделирования процесса фрезерования древесины с заданной структурой" на языке Object Pascal в интегрированной среде программирования Borland Delphi 7, реализующая расчеты по изложенному выше математическому аппарату.

Рисунок 2 - Результаты моделирования фрезерования древесины при различных углах <рГ1 ориентации годичных колец древесины к направлению подачи фрезы (а) и различных расстояниях с!ГК между годичными кольцами (б)

На основе разработанной модели проведено теоретическое исследование процесса фрезерования древесины с различными параметрами структуры годичных слоев. Установлено, что с точки зрения повышения качества формируемой поверхности наиболее неблагоприятными углами ориентации годичных колец по отношению к направлению подачи фрезы являются углы 0...450 (рисунки 2, а, 3, а). При фрезеровании областей поверхности древесной заготовки, в которых расстояние между годичными слоями менее 1 мм, целесообразно снижение скорости подачи фрезы (либо частоты вращения), для уменьшения энергетического воздействия на древесину и исключения разрушения поверхности (рисунки 2, б, 3, б). При с1к более 1 мм качество формируемой поверхности практически не зависит от с/к.

Установлено, что в случае адаптивного управления в зависимости от локальной макроструктуры поверхности древесины скорость подачи фрезы может быть не заниженной (с гарантированно высоким качеством обработки поверхности, ориентировочно 600 мм/мин.), а соответствующей антирезонансному диапазону (ориентировочно 900... 1100 мм/мин.) (рисунок 3, в). Частота вращения фрезы имеет оптимальный диапазон (ориентировочно 15000...25000 об./мин.), при отклонении от которого в меньшую и большую сторону повышается шероховатость поверхности (рисунок 3, г).

Предложен математический аппарат для оптического распознавания направления волокон на поверхности и управления скоростью подачи фрезы. Определение угла а ориентации волокон в локальной квадратной области производится на основе расчета спектров Фурье \\>х(к) и и>у(£) во взаимно перпендикулярных направлениях х и у, и сравнению мощностей Рх и Ру спектров (рисунок 4), формулы (10). При этом для снятия неопределенности угла а рассчитываются контрольные спектры н>А\{к~) и (и соответственно их мощности Рц и Р&) в диагональных направлениях. Предложена технология адаптивного получения декоративных элементов на основе фрезерования, заключающаяся в регулировании скорости подачи фрезы в зависимости от ориентации волокон на локальном участке поверхности. Определенный оптическим путем угол ориентации волокон а сравнивается с углом к направлению движения фрезы (3 в каждой локальной области и определяется оптимальная скорость подачи фрезы упод на основе первой формулы системы (10) (рисунок 5).

/у, об МИН.

Рисунок 3 - Зависимости шероховатости поверхности после фрезерования Да от угла ориентации годичных колец сргК к направлению подачи фрезы

(а); от расстояния между годичными кольцами с/„

(б) от скорости подачи фрезы ц,од (в); от частоты вращения фрезы/ф (г)

• 1 1 ' - ж ШшЯвШЯШ /к».

■рШИИ ш . :...... ШИИ ■

Р(ъ\(к)) = 3082 лк/м; Р» = 0,682; Р(№,(к)) = 1440 лк/м; Ру" = 0,318; «=0,682-90° + 0,318-0° = 61,4°

Рисунок 4 - Последовательность действий при определении ориентации волокон в выбранной области на примере древесины сосны

/

= +2 У"од + У"ад соэ 2(а - р),

Ы°Р"+0°Р", Р..<Р,- , ч , ,

соь^шИ) ^ (^¡о+'.Л ^. 5ш(<вЬ') 2

соб(ШИ) _ А У! вт(соА/) 2

I У=-'_/ у~~/_

1 ' 1 ' 1 ' 1 '

= 2/ + 1 ^ = 21 +1 ^^' = 2/ +1 ' = 2/ +1 где /ц - интенсивность пиксела с индексами г и ] на квадратном изображении со стороной

(2/ + 1); г'о и _/о — индексы центра квадрата; со - тригонометрический множитель; /о* и /оу -

средняя интенсивность в направлениях х и у; кщ^ - верхняя граница анализируемого интервала обратных расстояний (определяется наименьшим возможным расстоянием между годичными слоями); Рх" и Ру" - нормированные мощности спектров; уП0д — скорость подачи фрезы; V „од и V ПОд - оптимальные скорости подачи фрезы вдоль и поперек волокон, обеспечивающие наименьшие шероховатость и повреждения поверхности.

Предложенный математический аппарат может быть непосредственно встроен в управляющую программу фрезерного станка, либо реализован в виде отдельных программных модулей (сШ-библиотек и АРГ-функций), подключаемых к управляющей программе.

В третьем разделе изложены цель, задачи и программа экспериментальных исследований, описаны применяемое оборудование и методика проведения испытаний. Использовали вертикально-фрезерный станок портального типа PLRA4 с управлением из программного пакета МасЬЗ. Для измерения шероховатости поверхности использовали про-филометр Hommel Tester 100. Были подготовлены по четыре образца древесины размерами 250x500x40 мм3 трех пород (сосна, береза, дуб), а также пластины МДФ для изучения возможности адаптивного фрезерования с учетом влажности обрабатываемого материала.

В четвертом разделе приведены результаты экспериментальных исследований по фрезерованию древесины различных пород с различной ориентацию волокон, для подтверждения преимуществ адаптивного фрезерования и экспериментального определения оптимальных параметров.

В соответствии с заданием (рисунок 6, а) проведена фрезерная обработка поверхностей сосны, березы и дуба (рисунок 6, б, в, г) со скоростями подачи от 500 до 2500 мм/мин. с шагом 400 мм/мин. в поперечном и продольном к волокнам направлениях. Установлено, что при поперечном фрезеровании низкая скорость подачи для всех пород приводит к потемнению и обугливанию поверхностей (рисунок 6, д, таблица 1), высокая - к волнистости поверхности из-за резонансных явлений или разрушения малопрочных областей годичных слоев. При продольном фрезеровании, начиная с некоторой скорости подачи начинается отшелушивание годичных слоев.

Рисунок 5 - Пример управления скоростью подачи фрезы при фрезеровании окружности на примере древесины сосны. В 24 квадратах вдоль траектории фрезерования определяется ориентация волокон (отрезок черного цвета в кругах). Локальная скорость подачи указана в мм/мин.

Таблица 1 - Возможные дефекты фрезерования при отклонении от оптимальной скорости подачи

Скорость подачи Виды дефектов и проблем при фрезеровании

поперек волокон вдоль волокон

низкая (менее 900 мм/мин) потемнение, ожог низкая прозводительность

средняя (900-1700 мм/мин) качественная обработка качественная обработка

высокая (более 1700 мм/мин' резонансная волнистость, разрушение в соответствии со структурой годичных слоев ворсистость (отшелушивание годичных слоев)

На основе визуального анализа канавок (рисунок 7) и результатов измерений шероховатости определены оптимальные скорости подачи, обеспечи-

вающие минимальную шероховатость, высокую производительность и отсутствие дефектов (таблица 2). Для рассеянно-сосудистой древесины скорость продольного фрезерования может быть выше поперечного (V под > \'90под) из-за отсутствия отшелушивания годичных слоев. Для кольце-сосудистых и хвойных пород из-за отшелушивания и скалывания годичных слоев у°ПОд < у901Юд.

а - задание на фрезерование (числами указана скорость подачи в мм/мин.); б, в, г- результаты на поверхности древесины сосны, березы, дуба; д - дефекты поверхности древесины дуба при отклонении скорости подачи от оптимальной Рисунок 6 - Результаты фрезерования древесины в поперечном и продольном к волокнам направлениях с различной скоростью подачи:

Для интерполяции результатов экспериментов продольного (ф = 0°) и поперечного (ф = 90°) фрезерования на произвольный угол ф между волокнами и

Ш Щ

■щ >

резонансная волнистость гпоз = 2100 мм/мин

качественная поверхность 1-П03 = 1300 мм/мин

ворсистость ! поз = 2100 мм/мин

качественная поверхность \'тт = 1700 мм/мин

>'яод = 900 мм/мин

направлением движения фрезы предлагается следующая зависимость оптимальной скорости подачи фрезы упод.опт(ф):

(П)

где у°„од и у90под - оптимальные скорости подачи фрезы вдоль волокон и поперек волокон, обеспечивающие наименьшие шероховатость и повреждения поверхности.

150125 100 75'

1

У-"

\

я <8

Л»,-

мкм 175150125100-

}

/

7. л

! "\ \ >

—Г

................а. 2 -

* ^

» - - и -1

500 1000 1500 у,мм/млн. 500 1000 1500 т^шсшт 500 1000 1500 мм мин. сI б в

1 и 2 - вдоль и поперек волокон: результаты моделирования; 3 а 4 - вдоль и поперек волокон: результаты эксперимента Рисунок 7 - Зависимость шероховатости поверхности от скорости подачи у„од для фрезерования поперек и вдоль волокон сосны (а); березы (б); дуба (в)

Таблица 2 - Оптимальные скорости подачи фрезы вдоль у°под и поперек у9°под волокон

Порода древесины У°под, мм/мин У под, ММ/МИН 0 , 00 У ПОД' У под

Сосна 900 1300 0,69

Береза 1700 1300 1,31

Дуб 1300 1700 0,76

а - поверхность отклика; б - картограмма выбора параметров (оптимальная область затемнена) Рисунок 9 - Влияние технологических параметров на шероховатость поверхности при фрезеровании изотропного материала (МДФ)

Определенные по формуле (11) зависимости упод.опт(ф) представлены на рисунке 8. Для сравнения проведено исследование влияния технологических параметров фрезерования упод, Юф, а также влажности поверхности / изотропного материала (МДФ) на качество обработанной поверхности (рисунок 9)

В пятом разделе рассмотрены вопросы внедрения результатов диссертации, а именно результаты производственных испытаний и расчет экономической эффективности.

^ПОДЛОТ.»

мм/мин

0 30 60 Ф, град.

Рисунок 8 - Оптимальная скорость подачи упод в зависимости от угла между направлением подачи фрезы и волокнами древесины ф

С целью повышения производительности и качества поверхности при декоративном фрезеровании древесных мебельных элементов на ООО "МИГмебель" были апробированы технологические режимы фрезерования узоров с переменной скоростью подачи фрезы в зависимости от структуры поверхности. Внедрение предлагаемых технологических решений позволит повысить на 16 % производительность, уменьшить в 2,3 раза количество сколов, снизить на 10 % экономические затраты на последующее шлифование поверхности. Расчетный годовой экономический эффект внедрения разработанной технологии в производство составляет 420000 рублей (при объеме производства 20000 мебельных элементов в год); срок окупаемости капитальных вложений составляет 3 месяца.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Существующие технологии фрезерования декоративных элементов не учитывают локальные особенности макроструктуры древесины, поэтому не позволяют достигнуть высокой производительности и качества обработки поверхности, особенно при фрезеровании высокохудожественных изделий, мелкосерийном или позаказном производстве, для низкосортной древесины.

2. Разработана физико-математическая модель фрезерования древесины, учитывающая структуру поверхностного слоя, позволяющая подобрать рациональные параметры процесса фрезерования, обеспечивающие высокие производительность и качество обработки поверхности.

3. Установлено, что при углах ориентации годичных слоев к направлению подачи фрезы 0...45 образуются различные дефекты поверхности, сопровождающиеся высокой шероховатостью и сколами.

4. Установлены резонансные явления в упругой системе станок-фреза-древесина, влияющие на дефекты и шероховатость поверхности. Учет явлений резонанса позволяет повысить скорость подачи фрезы на 50-70 % (для сосны с 600 до 900-1100 мм/мин, березы с 900 до 1500 мм/мин., дуба с 800 до 1300 мм/мин.) за счет смещения из дорезонансного в первый антирезонансный диапазон.

5. Разработан математический аппарат, позволяющий определять направление волокон в обрабатываемом участке по оптическому изображению поверхности древесины, основанный на дискретном преобразовании Фурье.

6. Предложена технология адаптивного декоративного фрезерования, заключающаяся в регулировании скорости подачи фрезы в зависимости от угла между направлением движения фрезы и направлением волокон на поверхности в месте фрезерования, определяемым по оптическому изображению фрезеруемой поверхности.

7. Экспериментально установлено, что для обеспечения высокого качества поверхности при фрезеровании древесины сосны скорости подачи фрезы в направлении вдоль и поперек волокон должны соотноситься, как 0,69, березы-1,31, дуба - 0,76. Предложена эмпирическая формула для определения оптимальной скорости подачи фрезы в произвольном направлении.

8. Установлено, что при использовании адаптивного фрезерования уменьшается количество сколов в 2,3 раза, повышается производительность процесса для древесины сосны на 23 %, березы - на 16 %, дуба - на 16 %, а также на уменьшаются затраты на последующее шлифование на 10 %.

9. Разработаны рекомендации и реализованы технологические решения в производственных условиях (ООО "МИГМебель", г. Воронеж), позволившие повысить производительность профильного фрезерования на 16 %, снизить на 10 % экономические затраты на последующее шлифование поверхности, уменьшить количество сколов в 2,3 раза. Расчетный годовой экономический эффект внедрения разработанной технологии в производство составляет 420000 рублей (при объеме производства 20000 высокохудожественных мебельных элементов в год); срок окупаемости капитальных вложений составляет 3 месяца.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Мохаммед, Хайдер А. Аббас. Исследование и разработка процесса фрезерования декоративных элементов мебели на станках с ЧПУ [Текст] / Хайдер А. Аббас Мохаммед, В. С. Петровский, А. А. Грибанов // ФЭС: Финансы. Экономика. Стратегия. Сер. Инновационная экономика: человеческое измерение. - 2012. -№ 2 (53). - С. 53-55.

2. Мохаммед, Хайдер А. Аббас. Автоматизация процесса обработки двумерных изображений при создании новых проектов [Текст] / Хайдер А. Аббас Мохаммед, В. С. Петровский, А. А. Грибанов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2013. - Т. 9. — № 1. - С. 36-39.

3. Мохаммед, Хайдер А. Аббас. Методика автоматической векторизации узора декоративного элемента мебели и разработки программы для станка с ЧПУ по гравировке его контура [Текст] / Хайдер А. Аббас Мохаммед, В. С. Петровский, А. А. Грибанов // Вестник Воронежского государственного университета. Сер. Системный анализ и информационные технологии. - 2013. - № 1. - С. 142-146.

4. Математическое моделирование и оптимизация управления процессом фрезерования декоративных элементов мебели [Текст] / Хайдер А. Аббас Мохаммед, Махмуд Насер Нихад, А. А. Грибанов, В. С. Петровский, Д. О. Козельчук // Лесотехнический журнал. - 2014. - Т. 4. - № 2 (14). - С. 242-246.

Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ

5. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2015613968. Программа для моделирования процесса фрезерования древесины с заданной структурой [Текст] / А. А. Грибанов, Хайдер А. Аббас Мохаммед, В. В. Посметьев ; заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО "ВГЛТА" ; заявл. 24.12.2014 ; опубл. 01.04.2015.

Публикации в других изданиях

6. Mohammed, Haider A. Abbass. Evolution of Information Technology as a Discipline [Электронный ресурс] / Haider A. Abbass Mohammed // The Fifth Congress of "Scientific Research Outlook in the Arab World". The Conference on Information and Communication Technologies. - Fez (Morocco), 2008. - Режим доступа : http://www.astf.net/en/scientific-research-outlook/77-scientific-research-outlook-2008.

7. Мохаммед, Хайдер А. Аббас. Особенности разработки программного обеспечения станков с ЧПУ в производстве мебели [Текст] / Хайдер А. Аббас Мохаммед // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса : межвузовский сборник научных трудов. - Воронеж, 2010.-Вып. 15.-С. 125-129.

8. Мохаммед, Хайдер А. Аббас. Технологии формирования крупногабаритных мебельных щитов с декоративными элементами [Текст] / Хайдер А. Аббас Мохаммед // Лесотехнический журнал. - 2011. - № 3 (3). - С. 7-10.

9. Мохаммед, Хайдер А. Аббас. Подход к комплексной автоматизации мебельного производства [Текст] / Хайдер А. Аббас Мохаммед // Интеллектуальные информационные системы : труды Всероссийской конференции. - Воронеж, 2011. - С. 122-125.

10. Мохаммед, Хайдер А. Аббас. Структура производственно-технологических информационных потоков автоматизированного управления производством мебельного предприятия [Текст] / Хайдер А. Аббас Мохаммед, В. С. Петровский // Лесотехнический журнал.

-2012.-№3(7).-С. 99-104.

11. Мохаммед, Хайдер А. Аббас. Разработка автоматизированных систем числового программного управления производством декоративных элементов мебели [Текст] / Хайдер А. Аббас Мохаммед, П. В. Мурзин, В. С. Петровский // Лесотехнический журнал. - 2012. -№2 (6).-С. 120-123.

12. Харченко, А. П. Моделирование автоматической системы с фильтром Кальмана [Текст] / А. П. Харченко, Д. А. Карпюк, Хайдер А. Аббас Мохаммед // Инновации и энергосберегающие технологии в электроэнергетике : сборник трудов Международной научной конференции. - Воронеж : ВПО "Междунар. ин-т компьют. технологий", 2012. - С. 125-128.

13. Мохаммед, Хайдер А. Аббас. Особенности производства декоративных элементов мебели на станках с ЧПУ [Текст] / Хайдер А. Аббас Мохаммед, В. С. Петровский // Актуальные проблемы профессионального образования: подходы и перспективы: матер. 10 международной научно-практической конференции. - Воронеж, 2012. - С. 373-374.

14. Мохаммед, Хайдер А. Аббас. Алгоритм оцифровки и векторизации рисунка декоративного элемента мебели [Текст] / Хайдер А. Аббас Мохаммед, В. С. Петровский // Перспективы инновационного развития современного мирового сообщества: экономико-правовые и социальные аспекты материалы Международной юбилейной научно-практической конференции ВЭПИ-ВГЛТА-2012. - М., 2012. - Т. 4. - С. 162-165.

15. Мохаммед, Хайдер А. Аббас. Система управления оборудованием с ЧПУ [Текст] / Хайдер А. Аббас Мохаммед, А. А. Грибанов // Проблемы современных экономических, правовых и естественных наук в России : сборник материалов международной научно-практической конференции. - Воронеж, 2013. - С. 375-377.

16. Грибанов, А. А. Системный анализ процесса фрезерования декоративных элементов мебели и его оптимизация [Электронный ресурс] / А. А. Грибанов, Хайдер А. Аббас Мохаммед // Лесной комплекс: состояние и перспективы развития : материалы 12 международной научно-технической конференции. - Брянск : БГИТА, 2013. - Режим доступа : ЬНр:// sciencebsea.bgita.ru/2013/1е5_котр_2013^пЬапоу_5!з1.1ит

17. Грибанов, А. А. Влияние особенностей технологического процесса фрезерования декоративных элементов мебели на разработку управляющих программ для станков с ЧПУ [Текст] / А. А. Грибанов, Хайдер А. Аббас Мохаммед // Актуальные проблемы лесного комплекса : сборник научных трудов / под общ. ред. Е. А. Памфилова. - Брянск : Брянск, гос. инженерно-технолог. академия, 2014. - Вып. 40. - С. 69-72.

18. Мохаммед, Хайдер А. Аббас. Математическая модель фрезерования древесины как основа для алгоритмов оптимального управления фрезерным станком при декоративном и художественном фрезеровании [Текст] / Хайдер А. Аббас Мохаммед // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика : сборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практической конференции Воронеж : ФГБОУ ВПО "ВГЛТА", 2014. - С. 207-210.

19. Мохаммед, Хайдер А. Аббас. Математическая модель фрезерования древесины с учетом структуры обрабатываемой поверхности [Текст] / Хайдер А. Аббас Мохаммед // Юность и знания - гарантия успеха : сборник научных трудов международной научно-технической конференции. - Курск : Юго-Западный государственный университет, 2014. -С. 285-288.

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 212.034.02 или выслать ваш отзыв на автореферать в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу 394087, г. Воронеж, ул, Тимирязева, 8. ФГБОУ ВПО "Воронежская государственная лесотехническая академия", ученому секретарю, факс (473)2-536-702

Мохаммед Хайдер А. Аббас СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ФРЕЗЕРОВАНИЯ ДЕКОРАТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МЕБЕЛИ НА СТАНКАХ С ЧПУ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Подписано к печати 05.05.2015.

Формат 60 х 90 1/16. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 176

Отпечатано в УОП ФГБОУ ВО "ВГЛТУ" 394087, г. Воронеж, ул. Докучаева, 10.