автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Специализированные программно-аппаратные комплексы интегрированных проектно-производственных систем машиностроения

Р Г Б ОА

2 О

На правах рукописи

Лавровский Сергей Константинович

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЕ

КОМПЛЕКСЫ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ПРОЕКТНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ МАШИНОСТРОЕНИЯ (методология построения, экспериментальная и промышленная реализация)

05.13.12 - системы автоматизации проектирования

(промышленность) по техническим наукам 05.13.07 - автоматизация технологических процессов н производств (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург- 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техни-

ческом университете

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Н.М.Капустин Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор С.П.Митрофанов

Доктор технических наук, профессор Р.И.Сольницев

Ведущая организация: Ассоциация центров инжиниринга и автоматизации (Дирекция Федеральной программы "Инжинирингсеть России", г. Санкт-Петербург)

Защита состоится II июня 1997 г. в 16 часов на заседании

диссертационного совета_Д 06338.24____при -Санкт-Петербургском

государственном техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул. 29, Главное здание, ауд. 118.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по вышеуказаннному адресу

Ученый секретарь диссертационного

Автореферат разослан

совета, доктор техн.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Структурные изменения экономики, столь необходимые для промышленности России, невозможно провести без создания инфраструктуры профессионального инжиниринга. Эта концепция выдвинута и получила развитие в недрах научной школы профессора В.Г.Колосова н возглавляемой ни Международной академии технологической кибернетики (инноваткки). Высшая школа выступила с инициативой организации инновационно-финансовой отечественной инфраструктуры, через которую и должны выполняться "под ключ" экономически эффективные проекты, загружающие науку и промышленность России. Объединенные в сеть проектло-производственные центры инжиниринга ориентированы на единичное и мелкосерийное производство головных образцов наукоемких изделии и технологического оснащения, необходимого для выпуска товаров народного потребления. Обеспечивая быстрое и широкое внедрение таких центров по регионам, инжиниринг открывает еще не использованный в стране путь насыщения товарного рынка. Эффективность этого пути подтверждается мировым опытом развитых и развивающихся стран. Формирование инжиниринг-сети - механизма реализации научно-технических нововведений - позволит в 3 - 8 раз сократить полный цикл создания объектов и систем по схеме: маркетинг, технико-экономическое обоснование, комплектная поставка оборудования, инкубация коллектива специалистов, сдача "под ключ", сервисное сопровождение.

Результатом такой целснаправленннной деятельности высшей школы явилась разработка и принятие федеральной инновационной программы "Российская инжиниринговая сеть технических нововведений (Инжини-рингсеть России)", утвержденной постановлениями Правительства РФ от 15 апреля 1994 г. N 322 и от 4 декабря 1995 г. N 1207. Программа предусматривает необходимый комплекс мер по формированию инжиниринг-сети путем создания инфраструктуры и инструментальных средств, в том числе развитие информационно-управляющих систем инжиниринга, создание инструментария для реализации сложных комплексных проектов и распространение проработанного опыта с поэтапным охватом регионов Российской Федерации по приоритетным направлениям развития. В процессе выполнения Программы формируется сетевая межрегиональная и межотраслевая инновационная инфраструктура, реализующая на местах проекты комплексного развития территорий России и профессиональное

выполненш^ннновационных комплексных проектов до внедрения-под---

ключ". К настоящему времени в разных регионах России организованы и функционируют более ста инжиниринговых центров с головным центром в Санкт-Петербурге (ЦНИ при СПбГТУ). Центры работают в рамках инновационно-инвестиционного механизма, как экономической основы децентрализованного управления.

Качество выполнения конкретных проектов инжиниринговыми центрами или их специализированными подразделениями во многом определяется степенью развития их инструментария - механизма инжиниринга. Техническая политика здесь должна предусматривать достижение и превышение мирового уровня развития инструментария инжиниринга, в состав которого входит компьютеризированная среда управления проектами с базами данных о выполненных проектах, технологиях, оборудовании! программных средствах, экспертах и возможных соисполнителях, включая зарубежных. Важное место также занимают современные сред-

ства автоматизированного проектирования и непосредственного создания подсистем проекта "под ключ".

Известно, что вспомогательное производство прежде всего является базой совершенствования производственного комплекса в целом. Его становление характеризуется феноменом авторазвития, так как порождает положительную обратную связь на ускоренное создание новых автоматизированных систем. Единичный н мелкосерийный характер вспомогательного производства приводит к необходимости его развития на базе компьютеризированных проекгно-производственных систем со сквозным безбумажным циклом проектирования изделий заранее неизвестной номенклатуры. Предпосылками их создания явились работы таких ученых как П.Н.Беляннн, В.Г.Колосов, Н.М.Капустин, С.П.Мн-трофанов, В.М.Пономарев, ИЛ.Туккель и др.

В машиностроении суперинтегрированные проектно-пронзводствен-ные системы (СППС) и входящие в их состав интегрированные проект-но-пронзводственные системы (ИППС) должны решать следующие задачи: проектирование (расчеты и конструирование) оригинальных изделий, детален и необходимых для их изготовления средств технологического оснащения с использованием баз типовых деталей и сборочных единиц; технологическая подготовка производства с генерацией управляющих программ (УП) для станков с ЧПУ и выдачей технологической документации для многоцелевого оборудования; архивация проектных решении; реализация интерфейсов между подсистемами и с АСУ; изготовление опытных образцов изделии и средств технологического оснащения.

Круг задач, решаемых проблемно-ориентированными ИППС, может быть существенно расширен путем создания в нх рамках при минимальных дополнительных затратах предметно-ориентированных программно-аппаратных комплексов, интегрирующих наряду с традиционными прогрессивные и интеллектуальные технологии. Поэтому актуальной,

носящен межотраслевой характер, представляется задача разработки на концептуальном уровне методологии построения таких комплексов, как подмножеств типовой проблемно-ориентированной ИППС, и практическая реализация на этой основе комплексов, обеспечивающих реальные запросы промышленности России.

Связь работы с крупными научным» программами и проектами. Тематика многоплановых исследований в рамках рассматриваемой работы формировалась при решении научно-технических проблем, определенных программами и проектами совершенствования отечественного машиностроения:

1. "Российская инжиниринговая сеть технических нововведений" (Федеральная инновационная программа, утвержденная постановлениями правительства Российской Федерации от 15 апреля 1994 г. N 322 и от 4 декабря 1995 г. N 1207).

2. "Создание центров инженерного обеспечения машнностроитель-ных производств" (Постановление Совета министров РСФСР от 13.07.91 г., N 396).

3. "Технологии, производства и машины будущего. Компьютеризированные интегрированные производства" (Постановления Госкомитета по науке и технике от 11.03.90 г. N 179 и от 24.04.91 г. N 647).

4. "Оснащение машиностроительных предприятий гибкими производственными системами механообработки" (Распоряжение Совета министров СССР от 25.10.88 г.Ы 2118р).

5. "Компьютеризированные интегрированные производственные системы" (Минвузовская программа на 1990- 1993 г.г., задание 1.3. Приказ Г осударственного комитета СССР по народному образованию от 23.05.90 г. N 349).

6. "Авиационная технология" (Научные направления 03.01 и 04.02 на XII пятилетку. Совместные приказы Минавнапрома СССР н Минвуза РСФСР от 09.08.79 г. N 186/390 и от 09.04.80 г. N 77/199).

7. Программа "Совместной работы на 1990 - 1995 гх. по проблемам комплексной автоматизации между Дрезденским техническим университетом и Ленинградским политехническим институтом" (задание 3.6), утвержденная ректорами упомянул,« вузов.

Комплекс исследований, связанный с указанными программами, был проведен под руководством и/или при ведущем участии автора в Центре наукоемкого инжиниринга С-Петербургского государственного технического университета.

Цель н задачи исследования. Целью работы является разработка методологии системного проектирования и создания предметно-ориентированных программно-аппаратных комплексов ИППС, способных обеспечить принципиально новый уровень развития и автоматизации единичного и мелкосерийного производства и, тем самым, обеспечил, существенные предпосылки для развития многих технологических областей и приоритетных направлений исследований и разработок.

Достижение поставленной цели обеспечивается за счет решения следующих проблем: формирование методологии проектирования и создания программно-аппаратных комплексов с учетом 1« гибкости и адаптируемости; развитие идей концешрации на основе интеграции в рамках комплексов прогрессивных и интеллектуальных технологий; разработка математических моделей конкретных видов технологических процессов; определение совокупности ограничений основных варьируемых параметров, правил оценки вариантов, связей с основной функцией, методов решения; исследование влияния привходящих факторов на реализацию конкретных видов технологических процессов в условиях автоматизированного производства на программно-аппаратных комплексах; проведение оценки адекватности моделей; создание предметно-ориентированных на решение важных задач промышленности программно-аппаратных комплексов ИППС; экспериментальная отработка и внедрение их в производство.

Научная новизна. Предложена концепция создания специализированных программно-аппаратных комплексов, расширяющих без значительных материальных затрат круг задач, решаемых проблемно-ориентированными ИП ПС машиностроения, за счет создания на их базе дополнительных функциональных возможностей гибких производственных модулей путем интеграции в них разнородных технологий.

Разработаны методологические основы создания комплексов, как подмножеств типовой проблемно-ориентированной ИППС или автономных образований. Интеграционный подход позволил обеспечить в рамках комплексов высокий, недостижимый ранее уровень производственной концентрации и повысить эффективность единичного и мелкосерийного производства в машиностроении.

Разработан принцип параметрического описания поверхностей с ^1спользованием аппарата периодических кубическйЗГсплайнов и метод периодической прогонки при расчете контуров, позволяющие для конкретной поверхности рассчитать и построить сетку из гладких контуров с учетом параметров инструмента и технологической схемы обработки.

Исследовано влияние разнообразных технологических факторов на точность и производительность обработки сложнопрофильных деталей из сверхтвердой керамики при автоматизированном их производстве.

Для программно-аппаратных комплексов, обеспечивающих обработку цилиндрических зубчатых колес на основе универсальных ГПМ универсальным инструментом, разработаны: математические зависимости, описывающие формообразующие движения инструмента; методика определения геометрических параметров инструмента для различных схем нарезания зубчатых венцов; новые геометро-кинематические схемы нарезания зубчатых колес, подкрепленные кинематическим анализом схем нарезания по новой технологии на основе классической теории формообразования эвольвентных поверхностен; новая технология нарезания эвольвентных колес внешнего зацепления с учетом получения

различной модификации профилей зубьев в соответствии с предельным диапазоном смещения исходного производящего контура и выработаны рекомендации для определения оптимальных параметров управления н режимов обработки при нарезании зубчатых колес по новой технологии.

Разработан ряд пакетов прикладных программ, дополняющих возможности технологической САПР программно-аппаратного комплекса для реализации инновационных проектов машиностроения.

Практическая значимость полученных результатов. Результаты исследований послужили основой для разработки программно-аппаратных комплексов ИППС различного технологического назначения. Комплексы позволяют по заданному на входе описанию детали, в соответствии с заданной точностью и требованиями по шероховатости обрабатываемых поверхностей и параметрами режущего инструмента, рассчитать траекторию движения инструмента и параметры технологического процесса обработки, спроектировать управляющую программу и изготовить опытные экземпляры изделий. Практическое внедрение получили следующие разработки:

I) Программно-аппаратные комплексы для изготовления сложно-профильных изделий из сверхтвердой керамики. Использование комплексов позволило впервые в России изготовить партию опытных образцов лопаток из сверхтвердой керамики на основе рекреационно-спе-ченного нитрида кремния для высокотемпературной турбины газотурбинного двигателя изделия специального назначения. Лопатки прошли высокоскоростные "холодные" испытания и натурные испытания в условиях газотурбинного двигателя. Изготовлен опытный вариант моноблочного (за одно целое с лопатками) колеса газовой турбины из углепластика, соответствующий предъявляемым к нему конструктивным требованиям и позволяющий резко повысить тактико-технические характеристики газотурбинного двигателя.

2) Программно-аппаратные комплексы для изготовления зубчатых венцов цилиндрических зубчатых колес универсальным инструментом на универсальных станках с ЧПУ. С использованием комплексов реализованы различные схемы формообразования поверхностен зубьев на универсальном технологическом оборудовании с возможностью модификации геометрии зубьев внешнего зацепления. Программно-аппаратные комплексы н новые технологические схемы нарезания зубчатых колес легко реализуемы в условиях единичного и мелкосерийного производства.

3) Программно-аппаратный комплекс для реализации инновационных проектов в различных отраслях машиностроения. На основе комплекса выполнен ряд проектов по техническому перевооружению и решению конкретных задач совершенствования производства предприятий-

авиационного, энергетического, приборостроительного и инструментального профиля. Комплекс также широко используется в учебном процессе при научно-исследовательской работе аспирантов и студентов, курсовом и дипломном проектировании на факультете технической кибернетики, механико-машнностронтельном и энергомашиностроительном факультетах СПбГТУ.

Экономическая значимость работы определяется тем, что существенно расширяется круг задач, возлагаемых на ИППС. Дополнение ГПМ общего назначения программным обеспечением и оснащением для реализации прогрессивных технологии заменяет специализированное оборудование (с сокращением капитальных затрат и занимаемых производственных площадей), повышает точность и качество изделий (в связи с обработкой с минимальным количеством переустановок), сокращаются длительность производственного цикла и объемы незавершенного производства. Повышается уровень автоматизации новых технологий, т.к. для их реализации используется высокоточная многокоординатная система базового ГПМ.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

Методология построения предметно-орнентированных (специализированных) программно-аппаратных комплексов, как подмножеств проблемно-ориентированных ИППС машиностроения или автономных образований, на базе общепринятой концепции производственной концентрации предусматривающих интеграцию в рамках комплексов интеллектуальных и прогрессивных технологий, что существенно повышает эффективность единичного и мелкосерийного производства за счет сокращения капитальных затрат и производственных площадей, повышения точности и качества изделий, сокращения длительности производственного цикла и объема незавершенного производства, повышения уровня автоматизации новых технологии.

Программно-аппаратный комплекс для изготовления сложнопро-фнльных изделии из сверхтвердой керамики, включающий предметно-ориентированную САПР технологической подготовки производства и аппаратную часть - модернизированное под задачи алмазного шлифования оборудование с ЧПУ общего назначения.

Программно-аппаратный комплекс для изготовления эвольвентпых зубчатых венцов цилиндрических зубчатых колес внешнего зацепления универсальным инструментом на станках с ЧПУ общего назначения, включающий предметно-ориентированную САПР технолошчсской подготовки производства и аппаратную часть - модернизированное под указанные задачи оборудование с ЧПУ токарной, фрезерной или электроэрозионной групп.

Программно-аппаратный комплекс для реализации инновационных проектов технического перевооружения предприятий машиностроения, включающий многоуровневую среду сквозного безбумажного проекти-ровния, открытую на всех уровнях для расширения и объединенную внутренними и внешними интерфейсами.

Достоверносгь результатов работы основывается:

- на теоретических положениях, полученных с использованием современных достижений фундаментальных н прикладных наук;

- на экспериментальном подтверждении адекватности используемых при исследовании моделей;

- на достаточном совпадении экспериментальных и расчетных данных;

- на успешной апробации в производственных условиях технических решений, полученных на основе теоретических разработок.

Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: Всесоюзном научно-техническом семинаре "Проблемы создания программного обеспечения комплексной автоматизации" (Калинин, 1987); зональной конференции "Рациональная эксплуатация и ннструментообслуживание станков с ЧПУ" (Пензаг1989); зо»Галыюй научно-технической конференции "Оптимальная температура - основа современной теории и практики механообработки" (Уфа, 1989); научно-техническом семинаре "Достижения и пути развития технологии машиностроения" (Ленинград, 1990); Уральской зональной научно-технической конференции "Физическая оптимизация, управление и контроль процессов обработки резанием" (Уфа, 1991); общем годичном собрании "Международной академии технологической кибернетики" и "Ассоциации центров инжиниринга и автоматизации" (СПб, 1994); Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России" (СПБ, 1995); научно-методической конференции "Высокие интеллектуальные технологии образования и науки" (СПб, 1995).

Опубликование результатов. По материалам диссертации опубликовано более 40 печатных и рукописных работ, в которых достаточно полно отражены полученные результаты.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 237 страницах. Она содержит введение, пять глав, заключение и список литерату-

ры. Приложение (65 стр.) включает исходные тексты программ и другие дополнительные материалы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

Во введении дана краткая оценка состояния работ в рассматриваемой области, обосновывается необходимость проведения исследовании, формулируется постановка задачи и основные цели и положения работы, дается краткий обзор содержания диссертации по главам.

В первой главе рассмотрена концепция и методология построения программно-аппаратных комплексов ИППС, приведены примеры практической реализации принятой концепции и перспективы разв1ггия комплексов. Круг задач, решаемых проблемно-ориентированными ИППС, может быть существенно расширен путем создания в их рамках при минимальных дополнительных затратах предметно-ориентированных про-1раммно-апиаратных комплексов, интегрирующих наряду с традиционными прогрессивные н интеллектуальные технологии. Участие автора в реализации ряда государственных и отраслевых программ, связанных с повышением уровня автоматизации мелкомасштабного производства, позволило разработать предпосылки создания таких комплексов, как подмножеств типовой проблемно-ориентированной ИППС, обеспечивающих принципиально новый уровень подхода к проблеме концентрации производства и разв^ня автоматизации единичного и мелкосерийного производства. Определенная сложность разработки проектов предметно-ориентированных программно-аппаратных комплексов ИППС, их практическая реализация в условиях производства обусловлены с одной стороны спецификой, накладываемой на процесс проектирования требованиями гибкости и адаптируемости, а с другой - разнообразием состава оборудования, традиционных, прогрессивных и интеллектуальных технологий и многовариантностью комнлексирования их элементов. Указанные особенности н сочетании с многокритериальным характером поз-никаюших оптимизационных задач и требованием минимизации капп-

тальиых затрат могут быть учтены только при инжиниринговом подходе к созданию специализированных комплексов.

Комплекс строится в рамках программно-аппаратной среды ИППС (рис. I) или как автономное образование соответствующих подразделений машиностроительного производства на основе интеграции программного обеспечения, технологического обеспечения и средств обеспечения качества технологического процесса (ТП) и изделия. В основе программного обеспечения лежит предметно-ориентированная САПР, позволяющая рассчитать параметры относительного движения инструмента и заготовки с последующей генерацией полного комплекта необходимых управляющих программ (УП). Технологическое обеспечение базируется на интеграции в рамках гибкого производственного модуля (ГПМ) традиционных и прогрессивных технологии, а обеспечение заданного качества - контролем ТП на всем его протяжении.

Процесс создания нового комплекса в условиях ИППС может включать в себя проведение научных исследовании, технологическое проектирование, конструкторское проектирование, изготовление опытных образцов изделий. В общем случае отдельные этапы цикла могут иметь временные перекрытия, но такая линейная структура порождает иерархическое дерево описания этого процесса. На нижних уровнях иерархии будет допустимое множество вариантой проведения всего комплекса работ, которые необходимо согласовать по времени и ресурсам. Поиск решений (синтез) в дереве цели производится по обычной схеме поэтапно, от верхнего уровня к нижнему, осуществляя выборку из альтернативных вариантов наиболее оптимальных. Такой подход к созданию предметно-ориентированных программно-аппаратных комплексов ИППС позволяет сократить длительность цикла их реализации и повысить качество проектных решений на всех этапах цикла.

Работы по интеграции разнородных технологий в рамках ГПМ проводились с целыо создания высокопроизводительно! о оборудования

ИНТЕГРИРОВАННАЯ ПРОЕКТНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ СИСТЕМА (ИППС) МАШИНОСТРОЕНИЯ

ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯ СРЕДА ИППС /

' / / / Л / / / /

Предмета о-орнентировапные программно-аппаратные комплексы

/ / / /_.< V I у / X /

Специализированный программно-аппаратный комплекс для реализации инжиниринговых проектов в машиностроении

Специализированный программно-аппаратный комплекс для изготовления цилиндрических зубчатых колес

к!

сл

I

Специализированный программно-аппаратный комплекс для изготовления сложнопрофнльных изделий из сверхтвердой керамики

Рис. I.

ддя единичного и мелкосерийного производства, сочетающего в себе набор традиционных н прогрессивных технологий с требуемым уровнем автоматизации при минимальных финансовых затратах. Эти работы показали, что дополнение ГПМ общего назначения оснащением для реализации прогрессивных технологий заменяет специализированное оборудование (с сокращением капитальных затрат и занимаемых производственных площадей), повышает точность и качество изделии (в связи с обработкой с минимальным количеством переустановок), сокращаются длительность производственного цикла и объемы незавершенного производства. Повышается уровень автоматизации новых технологий, так как для их реализации используется высокоточная многокоординатная система базового ГПМ. К настоящему времени практически реализованы на ГПМ токарной и фрезерной групп алмазное и электроалмазное шлнфованйеГилазменная и лазерная обработка, электроэрозионная обработка, магнитно-абразивное полирование. Из средств контроля и диагностики программно и аппаратно реализованы в комплексах автоматическая коррекция инструмента (включая компенсацию размерного износа), размерный контроль изделий, контроль качества поверхности, диагностика состояния оборудования и обрабатывающего инструмента.

Указанный подход позволил обеспечить в рамках комплексов высокий. недостижимый ранее уровень производственной концентрации и связанное с этим существенное повышение эффективности единичного и мелкосерийного производства.

Во вто|юй г л иве рассмотрены теоретические предпосылки создания программно-аппаратных комплексов для изготовления сложнопрофиль-ных изделий из сверхтвердой керамики. В настоящее время технический уровень ведущих отраслей машиностроения во многом определяется объемом применения новых конструкционных материалов, в частности керамических материалов. 'Эти материалы привлекают внимание разработчиков авиакосмической, автомобильной, химической, электронной и

другнх видов техникн благодаря уникальному сочетанию механических, теплофнзических, химических, электромагнитных, оптических и других свойств. Ведущие отечественные и зарубежные фирмы выполняют обширные научно-исследовательские работы, направленные на широкое внедрение керамических материалов. Применение материалов и изделий из конструкционной керамики позволяет создать новое поколение оборудования, машин и механизмов со значительно более высокими качественными характеристиками (производительностью, надежностью, материалоемкостью, долговечностью), а также реализовать принципиально новые технические решения.

Применение керамических материалов обусловлено следующими преимуществами по сравнению с металлами и сплавами: доступностью и дешевизной исходного сырья, более низкой плотностью, более высокой удельной прочностью, износостойкостью и сопротивлениями коррозии и окислению. Кроме того, использование керамики позволяет экономить дефицитные металлы (вольфрам, молибден, никель, кобальт). Из недостатков керамических материалов основным сч1ггается хрупкость, обусловленная жесткостью связей в кристаллической решетке. Высокая твердость, отсутствие пластичности, низкая стойкость к тепловым ударам, склонность к растрескиванию создают значительные трудности при механической обработке, особенно при получении изделий сложной геометрической формы с высокой точностью и качеством обработки. Создание высокоэффективных методов обработки керамических материалов представляет одну из сложнейших и ответственнейших задач современного машиностроения.

Общей и характерной особенностью существующих технологических методов изготовления изделий из керамики, связанных со сложным формообразованием, является то, что они осуществляются на "сырых" заготовках с последующим обжигом или спеканием. Прочностные характеристики материала деталей, получаемых но такой технологии, ниже, чем

у деталей, получаемых механической обработкой из предварительно спеченных заготовок. Однако, термообработанная керамика обладает высокой твердостью и хрупкостью. Это ограничивает многообразие методов механической обработки исключительно алмазным шлифованием.

Основным требованием при обработке изделии сложного профиля является обеспечение программной многокоординатной обработки, управляемой от системы ЧПУ. Спеченные керамические материалы, прежде всего наиболее широко используемая в авиакосмической технике керамика на основе рекреационно-спеченного нитрида кремния, требуют скоростей резания при алмазном шлифовании не ниже 30 м/сек. В то же время внешние размеры алмазных кругов (наружный диаметр) часто ограничиваются габаритами обрабатываемых поверхностей. Поэтому основу программно-аппаратного комплекса могут составлять отечественные широкоуниверсальные многокоординатные станки с ЧПУ, выпускаемые серийно, но модернизированные под задачи алмазного шлифования благодаря использованию высокооборотных пневмошпинделен с воздушными опорами. Алмазное шлифование керамики отличается сравнительно интенсивным затуплением алмазных зерен в процессе обработки. На этапе черновой обработки на рабочих подачах до 500 мм/мин еще удается реализовать принцип самозатачивания кругов. Но чистовые режимы требуют периодического вскрытия поверхности круга до рабочего состояния. Кроме того, геометрия сопряжения отдельных поверхностей керамического изделия часто обеспечивается геометрией круга, что в связи с большим износом круга требует его периодического профилирования. Формирование рабочей поверхности круга обычными методами в условиях ИППС затруднено из-за большого расхода правящего инструмента, невысокой точности профилирования и возникающих в связи с этим сложностей при автоматизации процесса. Решить проблему управления качеством рабочей поверхности алмазных кругов возможно благодаря использованию электроэрозионной правки и профилирова-

ння. Для этого требуется комплекс оснастить электроимпульсным генератором и системой электродов. В качестве рабочей жидкости при профилировании и обработке хорошо зарекомендовала себя СОЖ на основе укрннола. Достоинством такого метода правки и профилирования является полное отсутствие силового воздействия на ротор и опоры пневмо-шпннделя (профилирование осуществляется непосредственно на гибком производственном модуле) и высокая геометрическая точность профилирования, обусловленная программной реализацией перемещений суппорта или шпинделя станка совместно с алмазным кругом относительно правящего электрода, расположенного непосредственно на приспособлении с заготовкой.

Условия обработки сверхтвердой керамики жестко диктуют требования к терминальной системе управления (ТСУ) оборудованием. Обработка характеризуется интенсивным (н не всегда закономерным) износом алмазного круга. В связи с этим необходимо достаточно часто по реальным размерам круга пересчитывать УП, определяющую траекторию движения инструмента относительно теоретического профиля поверхности обрабатываемого изделия. Введение в ТСУ таких программ с помощью перфоленты полностью исключается, т.к. велики трудоемкость и длительность получения прщрамм, а также вероятность появления ошибок на разных этапах. Здесь нужна прямая связь между ТСУ к ПЭВМ, обеспечивающая передачу информации УП без перекодировки. Из отечественных ТСУ этому требованию наиболее полно отвечает система 4 С-02. развивающая отечественную линию управляющих микроЭВМ и их элементов.

Разработкой представления сложных поверхностей для технологических целей на ЭВМ занимаются с 60-х годов. Современные промышленные занадные системы обладают большими возможностями, но их цена (вместе с ценой рабочих станции, на которых они реализованы) для отечественных заводов в настоящее время является неприемлемой. Поэ-

тому разработка методов расчета сложных поверхностей обрабатываемых на станках с ЧПУ деталей является на сегодняшний день актуальной. Обычным способом описания сложных поверхностей является их каркасное заданне. В соответствии с технологическими требованиями поверхность детали должна быть гладкой, но так как расстояние между точками, задающими поверхность велико, необходимо решить задачу интерполяции между ними. Для этого вводится аппарат кубических сплайнов, заданных на неравномерной сетке. Интерполяцию замкнутых контуров более рационально производить с помощью аппарата периодических кубических сплайнов. Используя их мы избегаем жесткого задания значений производных на концах отрезка и заменяем их уравнениями непрерывности второй производной в точке замыкания. В итоге получаем гладкий замкнутый контур, непрерывный до второй производной на всем своем протяжении. На отрезке периодический сплайн имеет такой же вид, как и обычный кубический сплайн, но сама последовательность отрезков замкнута. Это сказывается на виде граничных условий для системы линейных уравнений, т.е. на первом и последнем уравнении системы, местоположение .коэффициентов которых не удовлетворяет больше условию грехдиагональностн матрицы системы. Матрица системы имеет следующий вид:

| -c[0J Ь[0] 0 ......... 0а[0Ц

|а[1]-с[1]Ь[0)0 ........ 0|

| 0 а[2| -с[21 Ъ[2) 0 ... О |

| 0 .. 0 а[Ы-2] -с[Ы-2] Ь[Ы-2] | | Ь(Ы-1] 0 ... 0 а[Ы-1) -с[Ы-1] | Матрица системы отличается оттрехдиагональной своими ненулевыми коэффициентами в углах. В связи с этим оказывается неприменим обычный метод прогонкн. Поэтому был разработан метод периодической прогонки, который обеспечивает аналогичные характеристики по

быстродействгао и устойчивости, как и метод прогонки, но предназначен для систем уравнений, которые получаются при замыкании контура.

Форма интерполяционной функции для периодического сплайна такая же, как и у ранее введенного кубического. Отличие только в том, что значение функции и ее производной на концах отрезка совпадают. Так же следует заметить, что интерполяционная функция определена только для отрезка, на котором был задан сплайн. Поэтому для того, чтобы найти значение сплайна в произвольной точке на оси, необходимо спроецировать эту точку на область задания в соответствии с периодом сплайна.

Основными элементами, из которых строятся сложнопрофильные детали, являются пространственные кривые и поверхности. В чертежах они задаются в дискретном виде простым перечислением своих опорных точек. Для большинства операций над ними необходимо представлять . их уже в виде непрерывных кривых и поверхностей. Поэтому на основе введенного ранее аппарата периодических кубических сплайнов строились их представления в виде непрерывных сглаженных параметрических объектов. После проведения параметризации использован аппарат сплайнов для создания сглаженной параметрической кривой. Для этого необходимо расщепление триад координат для каждой точки и построение интерполяционных сплайнов отдельно по каждой координате.

ХО XI Х2 ...............ХЫ ==> Х(1) сглаженное

Ю 11 12 ...............

УО У1 У2 ...............УИ ==> У(1) сглаженное

10 II 12 ...............

Z2 ...............ZN ==> 2ХУ) сглаженное

(0 11 а ...............гЫ

Переходя к поверхностям, необходим отметить следующее. Допустимо считать, что исходная поверхность представляет из себя каркасно-за-данную поверхность. Исходное ее представление состоит из последова-

тельности опорных пространственных кривых. Верхний и нижний (условно) края поверхности соответвуют первой и последней кривой последовательности. Левый и правый края поверхности соответствуют началу и концу каждой кривой. В результате интерполяции получаем образ параметрической поверхности. По параметрам на поверхности можно построить криволинейную сетку с заданными свойствами: с фиксированным шагом; с переменным шагом, зависящим от допуска на спрямление итд.

Анализ результатов проведенных исследований по проблемам технологии обработки сверхтвердой керамики в условиях автоматизированного производства позволяет сделать следующие выводы:

- износ кругов увеличивается с увеличением прочности обрабатываемого материала и с уменьшением твердости алмазных кругов;

- круги на органической связке имеют износ в 2,6-3,8 раза больший, чем круги на металлической связке. Эта разница в износе зависит от скорости вращения круга и прочности обрабатываемого материала;

- при работе кругами на органической связке шероховатость обработанной поверхности, как правило, выше на 1-2 класса, чем при работе кругами на металлической связке;

- коэффициент шлифования увеличивается с увеличением скорости вращения круга и с уменьшением прочности обрабатываемого материала;

- при шлифовании с малыми продольными подачами (0,3-0,5 м/мин) для получения более качественной поверхности рекомендуется скорость вращения круга увеличить в 1,2-1,3 раза. Объясняется это тем, что малые продольные подачи обычно применяются при работе мелкозернистыми кругами при относительной концентрации алмаза 2. Уменьшение продольной подачи ведет к снижению контактной температуры. Уменьшение размера зерна и его содержания в круге приводят к увеличению кон-

тактной температуры, поэтому для ее снижения необходимо увеличивать скорость вращения круга;

- с увеличением продольной подачи износ алмазного круга и его режущая способность, а также шероховатость обработанной поверхности увеличиваются.

С увеличением продольной подачи имеют место следующие параллельно идущие процессы:

-увеличиваются силы Рун Рг, что приводит к увеличению нагрузки на одно зерно и глубины проникновения алмазного зерна в обрабатываемый материал (в результате растет производительность шлифования, но одновременно увеличиваются шероховатость обработанной поверхности и износ круга);

- увеличивается производительность шлифования и радиальная составляющая силы резания Ру, причем производительность шлифования увеличивается более интенсивно;

- уменьшается число встреч круга с деталью, что приводит к увеличению шероховатости обработанной поверхности и к уменьшению износа круга за счет уменьшения длительности теплового воздействия на обрабатываемую поверхность и круг;

- при обработке нитридной керамики с увеличением продольной подачи до 0,7 м/мин износ круга увеличивается, а затем начинает медленно падать. Это явление, очевидно, следует объяснить тем, что с увеличением продольной подачи увеличиваются нагрузки на элементарные поверхности обрабатываемого материала и уменьшается его прочность, и съем материала идет не путем резания-царапания поверхности, а путем выры-ва больших конгломератов слабо связанных кристаллов;

- с увеличением продольной подачи увеличивается режущая способность круга, очевидно, вследствие увеличения самозатачиваемости, о чем свидетельствует тот факт, что у кругов на органической связке с более

мягкой связующей режущая способность увеличивается более интенсивно, чем у кругов на металлической связке;

- шероховатость обработанной поверхности с увеличением продольной подачи растет, причем более интенсивно при шлифовании кругами на металлической связке по сравнению с кругами на органической связке.

В третьей главе рассмотрены теоретические предпосылки создания программно-аппаратных комплексов для изготовления зубчатых венцов цилиндрических эвольвентаых колес универсальным инструментом на универсальных станках с ЧПУ. Цилиндрические зубчатые колеса внешнего зацепления - широко распространенные в машиностроении детали. Общей и характерной особенностью существующих методов нарезания зубчатых колес на станках, в т.ч. с ЧПУ как за рубежом так и в отечественной практике является то, что для получения зубчатого изделия применяются специальные зуборезные станки и зубообрабагывающие лезвийные инструменты. Ограниченное число управляемых движений (обкатки и деления) при нарезании зубчатых колес обусловлено исторически принятым на практике способом получения поверхностей зубьев по второму принципу Оливье. На нем построена установившаяся технология, обеспечивающая заданные точностные и качественные показатели зубчатых колес. Очевидно, при таком подходе в условиях ИППС необходимо иметь сравнительно редко используемое зубообрабатывающее оборудование и набор дорогостоящего зубообрабатывающего инструмента.

Принципиальное отличие новой технологии от традиционной состоит в том, что зубчатые венцы формируются на универсальных металлорежущих станках с ЧПУ (токарных, фрезерных или электроэрозионных) инструментом общего применения, производящая поверхность которого может иметь форму кругового цилиндра или конуса. Создание такой технологии основа но на использовании современных систем ЧПУ, облада-

ющих широкими технологическими возможностями и высокой разрешающей способностью. Для решения этой задачи были разработаны новые геометро-кинематическне схемы нарезания зубчатых венцов, базирующиеся на теории формообразования эвольвентных поверхностей. Составлена обобщенная математическая модель формообразования поверхностей зубьев. Разработана методика определения геометрических параметров инструмента и получены математические зависимости, описывающие формообразующие движения инструмента и позволяющие рассчитать параметры относительного движения инструмента и заготовки с последующей генерацией УП.

Венец зубчатого колеса рассматривается как совокупность последовательно состыкованных линейчатых поверхностей. Это позволяет использовать для нарезания венцов инструмент с цилиндрической производящей поверхностью: концевые и хвостовые фрезы, стержневые абразивные круги, проволочные электроды-инструменты и т.п. Новая технология ориентирована на использование в составе программно-аппаратного комплекса универсального отечественного оборудования с ЧПУ: станков токарной группы 1716ПФ4, 16К20РФЗС32 и др., фрезерной группы ЛР800ПМ2Ф4, 6Р13ФЗ-37 и т.п. Для нарезания мелкомодульных колес лезвийным и абразивным инструментом, с целью обеспечения необходимых скоростей резания, станки токарной и фрезерной 1рупп мо-1уг быть дополнительно оснащены высокооборотнымн электро- или пневмошпинделями. Зубчатые колеса средних и малых модулей из заготовок. прошедших предварительно термообработку, могут изготавливаться посредством электрофизических методов с использованием проволочных вырезных станков 4Д722АФЗ или аналогичных зарубежных.

. В качестве зуборезного инструмента мохут быть использованы:

1. Фрезы концевые цилиндрические с нормальным н крупным зубом но ГОСТ 17025-71 диаметром 0=3,4,5,6,8,10,12.

2. Фрезы шпоночные по ГОСТ9140-68 диаметром 0=2,3,4,5,6,8,10,12.

3. Фрезы специальные цилиндрические с наконечником.

Максимальная ширина зубчатого венца нарезаемого колеса в зависимости от диаметра фрезы представлена в таблице.

Специальные фрезы с наконечником предназначены для обработки зубчатых венцов, ширина которых превышает значения, указанные в таблице. Фрезы такого типа устанавливаются в специальном приспособлении, жестко закрепленном на корпусе шпиндельной головки.

Таблица

Диаметр фрезы Максимальная ширина зубчатого венца В, мм

Концевая фреза Шпоночная фреза

2 - 3

3 7 4

4 9 5

5 11 7

_ 6 15 9

8 19 ---11----

10 19 15

12 24 19

Диаметр инструмента назначается из условия:

Э < ё1

где ё 1 - расстояние по хорде между граничными точками смежных профилей.

Схемы формирования зубьев принципиально отличаются характером движения инструмента в абсолютной (неподвижной) системе координат. По этому признаку возможны следующие виды схем:

- схема нарезания по замкнутому контуру, когда заготовка неподвижно устанавливается на столе станка, инструмент перемещается по расчетным траекториям, эквидистантным профилю нарезаемых зубьев. В результате за время полной обработки инструмент опишет замкнутый зубчатый контур. Начальное установочное положение инструмента задается размером г пах -радиусом окружности точек пересечения эквиднетант.

После обработки смежных профилей каждой впадины инструмент возвращается на окружность пересечения эквидистантных эвольвент (заос-

. 2л

трения) и занимает угловое положение = цт.гдехр = —, п- номер

7.

обрабатываемой впадины нарезаемого колеса. Точность позиционирования инструмента Э = г «ах , ц/п), инструмент после формирования каждой впадины обеспечивает соответствующую точность деления, т.е. величину отклонения поверхностей зубьев по окружному шагу. Таким образом, точность промежуточной выставки инструмента определяет кинематическую погрешность зубчатого колеса. Для этой схемы в зависимости от компоновки подвижных узлов станка, возможны два варианта нарезания:

1. Вращающийся инструмент занимает фиксированное положение, а стол станка вместе с закрепленной заготовкой перемещается по программе относительно инструмента.

2. Вращающийся инструмент перемещается по заданной программе относительно заготовки, закрепленной на неподвижном столе станка.

И в том и в другом случае точность и качество обработки не могут быть высокими, поскольку велики перемещаемые массы подвижных узлов станка, а, следовательно, существенно увеличиваются динамические, в частности, инерционные показатели движения. Такая схема может был. использована для нарезания крупкомодулъпых колес степени точности 8 - 9 на универсальных фрезерных станках;

- схема нарезания по контуру впадины с делительным устройством (рис. 2), при которой обработка зубчатого колеса производится с использованием делительного устройства. Профилирование зубьев выполняется путем программного движения инструмента по заданной траектории, при этом после формирования каждого профиля заготовку поворачивают на шаговый угол фг. Нарезание колеса происходит в два этапа, каждый из которых соответствует получению одноименных профилей.

Рис. 2.

Таким образом, сначала формиируется одна сторона всех зубьев, а затем— другая, сопровождающаяся окончательной ,рыборкой материала из полостей впадины. Исходное положение инструмента определено точкой

на пересечении эквидистантных эвольвент. Очевидно, что такая схема обработки по точностным показателям превосходит предыдущую, тле. погрешность деления определяется не точностью позиционирования инструмента, а делительным устройством с достаточно жеспсон кинематической связью. К недостаткам этой схемы следует отнести в первую очередь следующее: после обработки одноименных профилей зубьев по всему венцу необходимо реверсировать движение как заготовки так и инструмента, что может привести к погрешности осевого шага. Область применения: нарезание средне- и крупномодульных колес степени точности 7 - 8 на станках с декартовой системой координат,

- схема нарезания при радиальном движении подачи инструмента (рис. 3). Заготовке нарезаемого зубчатого колеса I сообщается вращение с постоянной угловой скоростью (о, а инструменту 2 обеспечивается

движение подачи Б в радиальном направлении со скоростью, изменяющейся по закону, определяемому профилем формируемых зубьев, например, эвольвентным. Таким образом, скорость движения подачи инстру-

мента V» определяется зависимостью V« = У>(ф), где <р - угол поворота заготовки для формирования эвольвентного профиля. При движении инструмента 2 к центру заготовки происходит формирование одного профиля зуба, при движении от центра О - противоположного профиля. Формирование цилиндрических поверхностей впадин и вершин зубьев происходит при выстое инструмента (У«=0) на соответствующих окружностях радиусов гг и г». Данная схема обработки возможна при условии, что станок оснащен устройством бесступенчатого управления скоростью подачи инструментального суппорта или стола. Для станков с ЧПУ, где невозможно управление скоростью подачи инструмента, но имеется возможность управления скоростью вращения стола или шпинделя, профилирование обеспечивается управлением скоростью вращения заготовки. В этом случае функция положения заготовки определяется ннвогаотным углом;

У

2

Рис. 3.

- схема нарезания зубчатого колеса с тангенциальной подачей инструмента (рис. 4), при которой формирование эвольвентных поверхностей зубьев производится при обеспечении вращения заготовки I с постоян-

Ю Рис. 4.

ной угловой скоростью и подачи инструмента 2 с постоянной скоростью У=хъоо в тангенциальном направлении - касательном к основной окружности. При этом два взаимно противоположных профиля формируются на одном прямолинейном участке А-В движения подачи инструмента. Это достигается тем, что в отличие от известного способа формирования зубьев методом геометрического построения эвольвенты перед обработкой ось вращения инструмента цилиндрической формы устанавливается на расстоянии от геометрического центра заготовки, равном радиусу окружности пересечения эвольйент, эквидистантных нарезаемому профилю, а величина подачи задается равной Н=2гЬ18ат, где гь-радиус основной окружности; ащ-угол профиля по окружности пересечения эквидистантных эвольвент. Направление каждой последующей подачи многократно изменяется в соответствии с числом зубьев нарезаемого колеса и выполняется под углом к предыдущей, определяемым по зависимости

Л.=я-2ащ. За один проход инструмента по прямой А-В на нарезаемом колесе 1 полностью формируются взаимно противоположные поверхности Мн N смежной пары зубьев (впадина). Полный цикл обработки зубчатого колеса осуществляется при непрерывном вращении заготовки движением центра инструмента по ломаной траектории abed..., описанной около основной окружности; количество отрезков Н траектории равно количеству зубьев колеса.

Вершины траектории лежат на окружности пересечения центровых профилей зубьев (окружность заострения) радиуса:

г = ^

Д.д — — " ---— I

соз си

где am- угол профиля эвольвенты на окружности заострения, определяемый выражением:

Б-толщнна зуба на основании окружности;

Р-диаметр инструмента, выбираемый из условия: О^еь, где еь-ширнна впадины на основной окружности.

Длина каждого отрезка траектории равна: Н=2гь1£ат.

При этом каждый последующий проход фрезы образует с предыдущим угол Х.=180°-2ат.

При такой величине хода Н инструмента исключается его выстой на окружности заострения при переходе к обработке каждой последующей впадины.

Для достижения требуемой точности профилирования по данной схеме система программного управления станка должна обеспечивать стабильность скорости при подаче инструмента, что позволит нарезать колеса степени точности 6-7;

- схема с движением по дуге окружности (рис. 5). В современных универсальных фрезерных станках с ЧПУ реализуются стандартные циклы,

в частности, обеспечивающие траекторию движения инструмента строго по дуге' окружности. В связи с этим целесообразно для определенного

диапазона типоразмеров зубчатых колес применять схему нарезания, где формирование зубьев происходит при движении инструмента по дугам окружностей, совокупностью которых можно аппроксимировать профили зубьев колеса. Обработка производится при неподвижной заготовке I с делительным устройством или без него. В последнем случае в УП должны быть заложены координаты соответствующих эволют. При нарезании колес с большим числом зубьев может быть одна эволюта, возможно совпадающая с основной окружностью.

В четвертой главе рассмотрены конкретные реализации программно-аппаратных комплексов для изготовления сложнопрофильных изделий из сверхтвердой керамики и по формированию зубчатых венцов цилиндрических эвольвентных колес внешнего зацепления. Комплекс для обработки керамических изделий, обеспечивающий в автоматизированном режиме технологические процессы профилирования изделий из сверхтвердой керамики, разработан на базе теоретических исследований, опи-

X

Рис. 5.

санных во второй плаве. Обработка сверхтвердой керамики требует скоростей резания не ниже 30 м/сек. Поэтому ГТ1М потребовалось оснастить высокооборотнымн пневмошпинделямн типа АП40-100, обеспечивающими частоту вращения до 100000 об/мин. Пневмошпиндель устанавливается либо в стандартное гнездо револьверной головки токарного ГПМ, либо на корпус шпинделя. Пульт управления пневмошпинделем и станцию очистки сжатого воздуха целесообразно расположить на передней панели. Геометрия сопряжения поверхностей керамического изделия обеспечивается, как правило, геометрией круга, а последняя -электроэрозионной правкой и профилированием. Высокая геометрическая точность профилирования может быть обеспечена программной реализацией перемещений алмазного инструмента относительно правящего электрода, расположенного непосредственно на приспособлении с заготовкой.

Программная часть комплекса представляет собой САПР, позволяющую на основе математических зависимостей, приведенных во второй главе, рассчитать параметры относительного движения инструмента и заготовки с последующей генерацией совокупности управляющих программ профилирования поверхности. Пакет был экспериментально проверен при реализации на комплексе технологического процесса профилирования лопаток высокотемпературных газовых турбин из сверхтвердой шпридной керамики. Это связано с тем, что в производстве современных газотурбинных двигателей особое место занимает изготовление лопаток. Трудоемкость их обработки может составлять до 22-28% от общей трудоемкости изготовления изделия. Анализ геометро-кинематических схем формирования профилей турбинной лопатки алмазными кругами в форме тора показал, что с точки зрения минимизации объема информации управляющей программы наиболее целесообразна схема с продольными строками. Весь технологический цикл обработки складывается из черновой и чистовой обработки пера и чистовой обработки полки. В процессе реализации технологического процесса на этапе чер-

новон обработки при работе алмазного круга на ускоренной подаче в режиме самозатачивания возникла проблема образования сколов керамики на периферии полки. Проблему удалось решить введением в технологический процесс операции предварительного шлифования канавки глубиной 0,2-0,3 мм на боковых поверхностях заготовки, соответствующих высоте полки. САПР построена по модульному принципу и решает последовательно ряд задач проектирования. Пользовательский интерфейс организован в режиме диалога и представляет собой перечень вопросов, на которые необходимо ответить технологу-проектировщику. На начальном этапе задаются технологические параметры обработки: припуск на последующую обработку, допустимые значения остаточных неровностей, точность позиционирования инструмента, границы зоны обработки (с учетом толщины алмазного круга). Далее указываются параметры алмазного круга: его внешний радиус, радиус^ закругления то-рообразной поверхности и характеристики заднего конуса. При черновой обработке из-за большого износа круга в режиме самозатачивания его профиль не имеет принципиального значения. Здесь важно знать закономерность изменена внешнего радиуса круга во времени. Работы по определению этой закономерности были проведены и поправочные коэффициенты учитываются при технологических расчетах. На чистовом этапе в реальных условиях обработки погрешность определяется путем измерения внешнего радиуса круга микронным индикатором. Радиус тора и обратный конус формируются в результате электроэрозионной правки. Одной правки оказывается достаточно для снятия припуска на чистовую обработку с одной лопатки.

Величина остаточных неровностей определяет качество поверхности пера и существенно влияет на объем информации У П. В принятом технологическом процессе обработки пера лопатки на предварительном этапе величина остаточных неровностей выбрана равной 0,1 мм, а на чистовом-0,001 мм. Точность позиционирования определяется техническими

возможностямн станка, а нижняя и верхняя границы зоны обработки -чертежными размерами пера лопатки по высоте (координата Z).

Пакет рассчитан на профилирование лопаток данного класса, при этом исходная информация по геометрии пера должна быть задана в специальном файле либо таблично по сечениям, либо математически в соответствии с законом изменения профиля пера. Вначале указывается номер сечения и его координата по отношению к оси вращения колеса турбины, далее координаты ueirrpa и радиус входной кромки сечения, количество точек на спинке, координаты точек спинки, количество точек корыта, координаты точек корыта. Такая информация дается по каждому сечению. Обработка этой информации в меню названа сортировкой профиля.

САПР позволяет осуществить графический контроль каждого сечения на экране монитора, математически проверить выпуклость наружного профиля (спиики) и контролировать прохождение инструмента по внутреннему профилю (корыту), т.е. определить максимально возможный радиус инструмента в минимальном сечении лопатки. Проекции координат соответствующих точек сечений на плоскость Х-Y представлена на рис. 6,

Принцип расчета УП с помощью рассматриваемой САПР заключается в следующем. При отработке технологии алмазного шлифования керамики удалось реализовать рабогу круга и режиме самозатачивания при строчном перемещении круга в направлении оси Z. Этот принцип принят при снятии основной величины припуска. Fía основании информации, введенной технологом-проектировщиком, решаются следующие основные задачи. Для каждого сечения лопатки с помощью сплайн-интерполяции строится кривая. В зависимости от принятого значения остаточных неровностей определяются для каждого сечения так называемые опорные точки - координаты центра шлифовального круга. Аналогичные опорные точки различных сечении с помощью сплайн-интерполяции

объединяются в одну кривую, которая является траекторией движения инструмента (рис. 7). Для того, чтобы выполнить выходную и входную кромки лопатки геометрически более правильными, на этих участках целесообразно увеличить число опорных точек по отношению к расчетному. Пакет такую возможность предоставляет. Далее следует вьщеленне зоны обработки, т.е. вводятся ограничения для движения инструмента по координате Z. Как известно 3-х координатный станок 1716ПФ4 имеет цилиндрическую систему координат. Поэтому на этапе посгпроцессиро-вання траектория из декартовой системы координат переводится в цилиндрическую и окончательно формируется в виде УП, которая записывается в специальный файл. САПР реализована на ПЭВМ типа 1ВМ РС АТ 386/486 и требует 4 Мб оперативной памяти и 20 Мб дисковой. Языки программирования: Фортран и С++. С помощью описанного автоматизированного программно-аппаратного комплекса изготовлена пар-

Рис. 7.

тия опытных образцов лопаток на основе ннтридной керамики. Комплекс был также использован при разработке технологии и изготовлении моноблочного (совместно с лопатками) колеса газовой турбины из углепластика (рис. 8).

В этой же главе рассматриваются конкретные реализации программно-аппаратных комплексов для изготовления зубчатых венцов универсальным инструментом па универсальных ГПМ. С помощью этих комплексов были реализованы и исследованы все технологические схемы формообразования, описанные в предыдущей главе. Работы по изготовлению опытных образцов эвольвентных зубчатых колес по новой технологии" проводились по методике, разработанной автором, и под его руководством на экспериментальном полигоне ЦНИ. С использованием вышеописанных расчетов и разработанного на их основе программного обеспечения было проведено экспериментальное нарезание зубчатых колес из различных материалов (алюминиевые сплавы, стали) по различным технологическим схемам. Зубчатые эвольвентные колеса с различ-

ным числом зубьев и модулем нарезались цилиндрическими концевыми фрезами. Контроль точности изготовленных колес проводился по трем параметрам: отклонению действительного профиля от эвольвентного: колебанию средней длины обшей нормали; отклонению от теоретической толшины зуба по постоянной хорде. Для замера указанных параметров использовался эвольвенметр модели УС 450К. "Каг!се1з", нормалемер модели БВ-5045 и кромочный штангензубомср модели ЗИМ 16. Обобщенные результаты замеров показали следующее. Полученные отклонения соответствуют нормам 7-8 степени точности ГОСТ 1643-81. Повышение точности возможно при увеличении жесткости инструмента благодаря использованию специальных хвостовых фрез, снижении величины снимаемого припуска при обработке на чистовом этапе, увеличении числа чистовых проходов.

На основе метрологического исследования обработанных эвольвент-ных зубчатых колес можно сделать следующие практические выводы:

- степень точности изготавливаемых по новой технологии зубчатых колес соответствует 7-8 степеням точности по ГОСТ 1643-81;

- шероховатость поверхности эвольвентного профиля зубьев соответствует 1^а= 1.6 - 3,2: этот параметр можно существенно улучшить, предусмотрев чистовую обработку с минимальным припуском;

- иостишугое качество наготовленных зубчатых колес не является предельным при данной технологии нарезания. Точность колес может быть существенно повышена за счет увеличения объема информации УП;

- для уменьшения усилий резания и повышения точности зубчатых колес следует провошггь обработку в несколько циклов с обходом колеса по контуру при определенной глубине фрезерования.

В пятой главе приводится описание реализованного в ДНИ под руководством автора программно-аппаратного комплекса, имеющего необходимый набор средств, позволяющий выполнять комплексные проекты в области технического перевооружения предприятий машинострое-

ния. Для решения этого круга задач аппаратная комплекса построена по многоуровневому принципу (рис. 9). Все программные системы, включенные в ЛВС, имеют между собой интерфейсы. Это позволяет исключить характерную дня автономных систем перекодировку информации, а также обеспечить параллельную работу над проектами с использованием архивов систем. При этой на рабочей станции выполняются только те работы проекта, которые затруднительно (или невозможно) выполнить на ПЭВМ типа РС АТ.

ЛВС

Аппаратные средства

Программный гфодук®

CADDS-5

Второй уровень

ПЭВМ PC AT 466 DX2 (Фирма IBM)

ПЭВМ IPC AT 486 DX2 (»ириа IBM)

Первый уровень

пэвм

IBH-сопмесхимая

ПЭВМ IBM-совмеатимая

PD-6

AUTOCAD 10/12

MF/FILL

РМ-5

PolyCAD

STRACK NORMA

CADBAS-HORM

НСИ-К

CAP-PP

ИПС-РР

PEPS

СПРУТ

Work Bench Программные наработки заказчика

Автоматизированная система технологической подготовки производства (АСТПП, рис. 10) ориентирована на разработку технологических процессов (ТП), операции которых осуществляются на универсальном оборудовашши, станках с ЧПУ и ГПМ. Система имеет следующие отличительные особенности:

ИНТЕРФЕЙС / САПР двта-д«а

СЧДОР " "

мъ катало»-;» двтало*

Вход А С Т

В

II (1

РАБОТА о САПР деталей

РАБОТА о

латонейнои

РЕИШЕ

Графика Подок&экк Контроль. Ивам }

\

ВВОД • ДАННЫХ ДЕТАЛИ

ВЫБОР

КЛАССА

ДЕТАЛЕН

ВАЛ /

ВТУЛКА

ПЛИТА

КОРПУС

ФЛАНЕЦ

Конотружтороко— технологический анализ пх.дгчпшх

Разкори заготовок Прокат Лктье

£ть.ипопии

Расчот к Вибор ЗАГОТОВКИ

„ ВЫБОР МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Габариты Точность Ивроховатость

Типовой ТП Групповое ТП Прототип

Типовые Операции „Тнаоаие Иорачодц-цодулн

Состав, иовврхнос-хностия по ОПара-Ц^Яи

Последовательность осерацкя '

Созоицо повЬрхности Точ^оптнио харьгта-рКСТИКК

Установи

Последовательность лереходов-ходу.юп Управляющая прог-раииа

Разработка Иарирутноп Технологии

' БД

4_ Обо ру-

до а а-

.нио

Технические характеристики станка ЧПУ

Кнохвство катодов „¿¿работки

Подготовка данных для иитор-фепса о друг и и II цодсисточами

Вибор схои базиропаннп н закройлопнп

I.

Разработка ОпспацконпоП Технологии

Разработка технологической докуцомтации

Г . БД "

Схоми

бази-

рован.

Г БД

Пере-

ходи-

ло дул и

БД Прно-пособ-

Л011ИП

Таокогркчеакмс характеристики Точноотпив ^характеристики

БД

Реху-иия -.иистр.

БД.

Цопо-иогат. инстр.

X

БД

Форци

карт

ГОСТ

Выход но А С Т 11 II

Описание полея

технологических

карт

Праянла ааполиенмп

технологических

.карт

- номенклатура деталей, на которые производится разработка технологических процессов: тоха вращения, плоскостные и корпусные, включая детали штампов н прессфоры;

- методы проектирования ТП : на базе типового ТП, на базе типовых операций, на базе типовых переходов, на базе хомплекса обработок, на базе типовых обработок (доя проектирования ТП на базе типовых используется БД с типовыми ТП, для проектирования трутшовых ТП - БД с групповыми ТП, типовыми операциями или типовыми переходами, при проектировании оригинальной технологии используются типовые переходы н типовые обработан, но при необходимости мохуг использоваться типовые операции и ранее разработанные ТП ( полностью и частично);

-разработка ТП и УП может производиться как в автоматическом (дня типовых, групповых ТП ), так и в полуавтоматческом режимах (для оригинальных ТП ) с применением диалоговых средств (техника меню с пиктограммами-подсказками), с синтаксическим и графическим контролем УП;

-работа с системой возможна как в интегрированном (совместное конструкторской САПР) режиме, так и автономно;

- работа с технологическими базами данных, содержащими все необходимые данные по технологической оснастке (приспособления, режущий инструмент, вспомогательный инструмент, измерительный инструмент): корректировка, удаление, поиск по ключевым полям, поиск по условию и т.п.;

-работа с технологической базой знаний: разработка и ввод новых технологических правил по формированию типовых обработок, комплексов обработок, переходов, операций, ТП, их поиск, корректировка, удаление;

- подсистема документирования ТП позволяет получать технологические формы как по ЕСТД, так и сформированные пользователем-технологом;

- операционная среда: ОС MS-DOS версии 6.20 и выше, ЛВС.

- эксплуатация: автономно на одной ПЭВМ или 2-12 ПЭВМ, объединенных ЛВС , а также совместно с САПР-К и в составе ИППС.

АСТПП включает в себя ряд самостоятельных подсистем, решающих конкретные задачи технологического проектирования, таких как автоматизированная система для расчета оптимальных режимов резания при механической обработке (САР- РР), информационно-поисковая система режимов резания труднообрабатываемых материалов (ИПС-РР), пакет прикладных программ Work Bench, который используется в тех случаях, когда деталь относится к классу барельефов, аналитическое описание поверхностей которой затруднено (или невозможно) и обеспечивающий проектирование УП на базе фотографий и эскизов объектов, введенных в ПЭВМ любым способом, например, при помощи видеокамеры или сканера и другие подсистемы.

На основе описанного аппаратно-программного комплекса в ЦНИ был выполнен ряд проектов по техническому перевооружению и решению конкретных задач инжиниринга предприятий авиационного, энергетического, приборостроительного и инструментального профиля. Комплекс прошел также апробацию в учебном процессе при научно-исследовательской работе аспирантов и студентов, при курсовом и дипломном проектировании на различных факультетах СПбГТУ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Представленная на защиту диссертация является обобщением проведенных автором исследовании и разработок, в результате выполнения которых решена научная проблема повышения эффективности проблемно-ориентированных ИППС единичного и мелкосерийного произвол-

ства изделий за счет создания на их базе дополнительных функциональных возможностей гибких производственных модулей путем интеграции в них прогрессивных и интеллектуальных технологий.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана методология построения предметно-ориентированных (специализированных) программно-аппаратных комплексов, как подмножеств проблемно-ориентированных интегрированных проектно производственных систем машиностроения или автономных образований, на базе общепринятой концепции производственной концентрации предусматривающих интеграцию в рамках комплексов интеллектуальных и прогрессивных технологий, что существенно повышает эффективность единичного и мелкосерийного производства.

2. Обоснованы принцип параметрического описания поверхностен с использованием аппарата периодических кубических сплайнов и метод периодической прогонки при расчете контуров, позволяющие для конкретной поверхности рассчитать и построить сетку из гладких контуров с учетом параметров инструмента и технологической схемы обработки.

3. Разработан программно-аппаратный комплекс для изготовления сложнопрофильных изделий из сверхтвердой керамики, включающий предметно-ориентированную САПР технологической подготовки производства и аппаратную часть - модернизированное под задачи алмазного шлифования оборудование с ЧПУ общего назначения.

4. Предложены новые геометро-кинематическне схемы нарезания эвольвентных зубчатых колес внешнего зацепления, математические модели, описывающие формообразующие движения инструмента и заготовки для различных схем нарезания, и выполнен их кинематический анализ.

5. Разработан программно-аппаратный комплекс для изготовления эвольвентных зубчатых венцов цилиндрических зубчатых колес внешнего зацепления универсальным инструментом на станках с ЧПУ общего

назначения, включающий предметио-орнеитированиую САПР технологической подготовки производства н аппаратную часть - модернизированное под указанные задачи оборудование с ЧПУ токарной, фрезерной или электроэрозионной групп.

6. Разработан программно-аппаратный комплекс для реализации инновационных проектов технического перевооружения предприятий машиностроения, включающий многоуровневую среду сквозного безбумажного проектировния, открытую на всех уровнях для расширения и объединенную внутренними и внешними интерфейсами.

7. Значительная часть результатов, полученных в процессе исследований, может быть распространена за предметные рамки ИППС. Список основных работ, опубликованных автором по теме диссертации

Содержание диссертации опубликовано более чем в 40 работах, основные среди них следующие:

1. Лавровский С.К., СнроткннЯ.А. Принципы построения информационного и программного обеспечения САПР и АСТПП для типовой ГПС II Проблемы унификации гибких производственных систем. - Труды ЛПИ,1986,N419. -С.114-121.

2. Лавровский С.К., Беляев О.М. н др. Способ получения зубчатых профилей методом геометрического построения эвольвенты: а.с. N1759574 А1 В23 РI7/00, приоритет от 21 февраля 1990 г.

3. Лавровский С.К., Сафаревич С.С. и др. О расширении функциональных возможностей технологических модулей механической обработки // Вестник машиностроения. 1994,NI.- С. 27-29.

4. Лавровский С.К. Автоматизированный аппаратно-программный комплекс для изготовления изделий из сверхтвердой керамики II Вестник машиностроения, 1995, N6. -С. 45-47.

5. Лавровский С.К., Беляев О.М. и др. Технологические схемы нарезания зубчатых венцов универсальным инструментом на универсальных станках с ЧПУ II Вестник машиностроения, 1995, N8. -С. 27-30.

6. Лавровский С.К. Аппаратно-программный комплекс специализированного инжиниринга машиностроения // Вестник машиностроения. 1996, N1.-С. 44-46.

7. Лавровский С.К. Специализированные комплексы ИППС машиностроения. -СПб.:ИКС СП6ГТУ, 1996. -80 с.

8. Лавровский С.К., Туккель ИЛ. и др. Реализация инновационных проектов на научно-учебно-пронзводственном полигоне ГПС машиностроения //Тезисы доклада на Российской научно-технической конференции "Инновационные наукоемкие технологии для России" - СПб., СПбГТУ, часть 10,1995. С.65.

9. Лавровский С.К., Звягин И.Е. и др. Интеллектуальные технологии как средство активизации междисциплипарных связей II Тезисы доклада на научно-методической конференции "Высокие интеллектуальные тех-нологин образования и наукн".-СПб.,СПбГТУ, 1995.-С.152.

10. Лавровский С.К. Автоматизированный аппаратно-программный комплекс для изготовления сложнопрофильных изделии из сверхтвердой керамики II Информационный листок N 285-95 С-Петербургского центра научно технической информации. 1995.

11. Баранчнкрв В.И., Лавровский С.К. Автоматизированная система для расчета оптимальных режимов резания при механической обработке II Информационный листок N 286-95 С-Петербургского центра науч-но-техннческон информации. 1995.

12. Лавровский С.К. Аппаратно-программный комплекс для изготовления зубчатых колес универсальным инструментом на универсальных станках с ЧПУ// Информационный листок N315-95 С-Петербургского центра научно-технической информации. 1995.