Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ИСКРА ДМИТРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯМИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ
Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы) А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук
Москва 2007
Работа выполнена на кафедре Автоматизированные системы обработки информации и управления ГОУ ВПО Московского государственного технологического университета Станкин.
Научный консультант: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Митрофанов Владимир Георгиевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Волков Николай Васильевич доктор технических наук, профессор Кульба Владимир Васильевич доктор технических наук, профессор Султан-Заде Назим Музаффарович
Ведущая организация: РКК Энергия им. С.П. Королева
Защита диссертации состоится л1 ноября 2007 г. в 10.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.03 при ГОУ ВПО Московском государственном технологическом университете Станкин по адресу:
127994, Москва, Вадковский пер., д. 3а.
Отзыв по работе, заверенный печатью, в 2-х экземплярах просьба направлять по указанному адресу в диссертационный совет.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГТУ Станкин.
Автореферат разослан л1 октября 2007 г.
Учёный секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент Семячкова Е.Г.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Современный этап развития машиностроения характеризуются значительным ростом объема, номенклатуры и резким повышением требований к качеству изделий.
Создание прочной материально-технической базы, прогресс научных исследований, обеспечение возрастающих потребностей общества в основе своей предусматривают непрерывное повышение качества всех без исключения видов общественного продукта.
Отсюда автоматизации и управлению технологическими процессами и производствами отводится особо важная роль, так как именно этим направлениям науки и производства приходится непосредственно заниматься решением этих актуальных задач в машиностроении, имеющем значительный удельный вес в экономике всей страны.
В общем объеме механической обработки на долю изготовления корпусных деталей и деталей типа тела вращения приходится около 55%.
Технологические возможности станков в обеспечении качества обработки зависят, прежде всего, от траекторий формообразующих элементов. В процессе обработки детали станок подвергается интенсивному воздействию целого комплекса эксплуатационных нагрузок, имеющих случайную природу, вследствие чего траектории формообразующих элементов изменяются в широких пределах, что в свою очередь ведет к изменению формы детали и ее показателей точности.
В последнее время разработана методика экспериментальных исследований, когда на основе измерения траекторий оси детали и вершины инструмента строится виртуальная деталь, по которой определяются необходимые показатели точности. Использование этого способа делает возможным с высокой точностью контролировать изменение траекторий формообразующих элементов и разрабатывать методы воздействия на технологическое оборудование с целью повышения точности обработки деталей.
Траектории формообразующих элементов зависят от многих конструкционных, технологических и эксплуатационных факторов, а, следовательно, их можно изменять, используя различные виды воздействия.
Таким образом, исследование технических и технологических решений и разработка устройств, позволяющих управлять траекторией формообразующих элементов при механообработке, внесет значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности.
Целью работы является повышение эффективности обработки деталей на основе моделирования и управления движениями формообразования технологического оборудования.
Методика исследования. При выполнении работы использовались теоретические положения технологии машиностроения, автоматизации и управления технологическими процессами, аналитическая геометрия, теория множеств, теория вероятностей, математический, статистический и системный анализ, теория оптимизации. Экспериментальные исследования точности обработанной детали проводились на основе результатов измерений траекторий формообразующих элементов на реальном станке, в режиме реального времени.
Научной новизной работы является:
- понятие геометрического образа обрабатываемой поверхности детали;
- математические модели технологических систем для определения показателей точности поверхностей детали (макро- и микрогеометрии);
- системы для экспериментального измерения перемещений оси детали и вершины инструмента;
- программное обеспечение по расчету показателей точности обработанной детали на основе результатов измерений траекторий формообразующих элементов;
- методы и устройства для управления траекториями формообразующих элементов станка с целью повышения точности обработки;
- постановка и решение задачи выбора оптимальных параметров технологических операций.
Практическая ценность. Результаты проведенных исследований вносят вклад в теоретические основы научной специальности Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами, позволяя повышать эффективность обработки деталей на основе моделирования и управления движениями формообразования. Разработаны алгоритмы по расчету показателей точности обработанной детали на основе результатов измерений траекторий формообразующих элементов. На основе разработанных алгоритмов создана методика, которая позволяет производить на основе результатов измерений перемещений оси детали и вершины инструмента расчет и построение геометрического образа обрабатываемой поверхности и определять регламентированные показатели точности поперечного сечения детали. Разработан программный продукт по расчету показателей точности обработанной детали на основе результатов измерений траекторий формообразующих элементов. Разработаны устройства для повышения точности токарной обработки на основе управления траекториями формообразующих элементов (патенты РФ на изобретение № 2150374 и № 2124419).
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным применением математических моделей, описывающих предметную область, а также численными и физическими экспериментами.
Реализация работы. Результаты работы в виде алгоритмов и программ используются при внедрении на Московском станкозаводе Красный пролетарий. Материалы выполненных автором исследований были использованы при разработке автоматизированных систем на АО АвтоВАЗ, а также в учебном процессе по специальности Автоматизированные системы обработки информации и управления.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на заседаниях кафедр Автоматизированные системы обработки информации и управления и Основы конструирования машин ГОУ Московского государственного технологического университета Станкин, на VI Международной научно-технической конференции Комплексное обеспечение показателей качества транспортных и технологических машин, Пенза, 2002 г.; Международной конференции Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства, Волгоград 2003 г.; Международной научно-технической конференции ИПИ (CALS)-2003 Информационные технологии в управлении жизненным циклом изделий, Санкт-Петербург, 2003 г.; X Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании, Рязань, 2005 г.; V Всероссийской научно-технической конференции Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике, Пенза, 2005 г.; Международной научнотехнической конференции Автоматизация технологических процессов и производственный контроль, Тольятти, 2006 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, приложений, списка литературы из 118 наименований;
изложена на 248 страницах машинописного текста, содержит 67 рисунков, таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ В первой главе проведен анализ работ, прямо или косвенно связанных с вопросами повышения точности металлорежущего оборудования на основании моделирования и управления движениями формообразования, который позволил определить цель и задачи исследования.
Общими вопросами технологии машиностроения в свое время занимались А.И. Каширин, Б.С. Балакшин, Ю.М. Соломенцев, В.Г.
Митрофанов, А.А. Маталин и др.
Вопросы резания и режущего инструмента нашли отражение в работах Т.Н. Лоладзе, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова, К.С. Колева и др.
Динамика станков нашла отражение в работах В.А. Кудинова, В.Л.
Вейца, Д.В. Василькова и др.
Общими вопросами точности занимались А.П. Соколовский, Д.Н.
Решетов и В.Г. Портман, В.С. Корсаков, М.Г. Косов, В.Г. Старостин, В.Г.
Головатенко, Л. Врауко, Ю.Г. Шнейдер, Б.М. Дмитриев, И.А. Шумейко и др.
Вопросы точностной надежности рассматривали в своих работах А.С.
Проников, А.В. Пуш, А.М. Дальский, В.К. Кирилов, Н.М. Султан-заде и др.
Проведенный анализ работ, прямо или косвенно связанных с вопросами повышения точности металлорежущего оборудования на основании моделирования и управления движениями формообразования, позволили сделать следующие выводы:
1. Точность станков является одним из основных показателей качества.
Стремительное совершенствование техники, повышение быстроходности и точности машин, аппаратов и приборов наряду с требованиями роста их надежности требуют опережающего повышения точности металлорежущих станков. Задачи повышения точности металлорежущего оборудования начали формулироваться с момента зарождения учения о резании металлов и их успешное решение на той или иной стадии развития машиностроения в значительной мере определились успехами в области теории резания металлов, станкостроения, инструментального производства, автоматизации процессов проектирования и обработки, а также благодаря созданию различных управляющих систем.
2. Точность металлорежущих станков выражается в их способности обеспечивать у готовых деталей заданную точность размеров, формы и взаимного расположения обработанных поверхностей, а также и волнистость и шероховатость, при этом эти показатели должны быть стабильными в заданных пределах на протяжении срока эксплуатации.
3. С целью достижения необходимой точности деталей разработаны критерии работоспособности станков, которые регламентированы стандартами и техническими условиями на станки отдельных типов.
Основными критериями работоспособности станков являются:
геометрическая точность; кинематическая точность; точность позиционирования; теплостойкость; вибростойкость; износостойкость.
Однако даже в случае выполнения вышеперечисленных критериев работоспособности станка не гарантируется изготовление детали, полностью соответствующей рабочему чертежу. Это объясняется тем, что основная часть геометрических проверок проводится в статических условиях, что никак не соответствует обработке детали, когда наблюдаются динамические процессы в условиях значительных вибраций детали и инструмента. То же самое относится и к кинематической точности, а также к точности позиционирования.
4. Все предлагаемые критерии работоспособности не учитывают, что точность детали формируется на основе взаимосвязанных перемещений рабочих органов станка, несущих заготовку и инструмент. Отсюда вытекает необходимость в создании новой концепции прогнозирования точности изготовления деталей.
Этой концепцией является понятие виртуальной детали на разных стадиях изготовления, которое позволяет определить все необходимые показатели точности, получаемые при обработке, и сравнить их с требованиями чертежа. В основе новой концепции лежит аналитическое и (или) экспериментальное определение траекторий движения детали и инструмента и построение на их основе геометрического образа обработанной поверхности. Сравнение геометрического образа детали с идеальными геометрическими телами и фигурами позволяет определить действительные показатели точности, такие как отклонение от круглости, овальность, максимальный и минимальный диаметры детали, средние показатели диаметра и волнистости, отклонение от цилиндричности, непрямолинейность, вогнутость, выпуклость образующей детали и другие показатели при необходимости.
5. Правдоподобную информацию о точности детали можно получить, только моделируя или измеряя траектории движения формообразующих элементов станка, при этом, изменяя траектории формообразующих элементов станка, можно изменить показатели точности обрабатываемой детали.
6. Для моделирования и управления движениями формообразования целесообразно применять автоматизированные информационные системы с соответствующим программным обеспечением.
Изложенное выше позволяет определить цель работы: повышение эффективности обработки деталей на основе моделирования и управления движениями формообразования технологического оборудования.
Для достижения цели работы потребовалось решить следующие задачи.
1. Определить понятие геометрического образа обрабатываемой поверхности детали.
2. Разработать математические модели технологических систем для определения показателей точности поверхностей детали (макро- и микрогеометрии).
3. Создать системы для экспериментального измерения траекторий оси детали и вершины инструмента и произвести экспериментальные исследования точности формообразования.
4. Разработать программное обеспечение по расчету показателей точности обработанной детали на основе результатов измерений траекторий формообразующих элементов.
5. Разработать методы и устройства для управления траекториями формообразующих элементов станка с целью повышения точности обработки.
6. Разработать методику выбора оптимальных параметров технологических операций.
Областью приложения предлагаемых разработок выбрано оборудование для мелкосерийного и единичного производства деталей. Этот выбор объясняется большим удельным весом данного типа производства и его спецификой, отличной от массового производства, где обычно проектируется специальное оборудование, учитывающее конфигурацию детали, и от серийного производства, где широко применяются типовые технологические процессы.
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЙ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И ПОСТРОЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО ОБРАЗА ИЗДЕЛИЙ Практически все обрабатываемые в машиностроении изделия относятся к двум большим классам: изделиям типа тела вращения и корпусным изделиям. При этом корпусные изделия в силу специфичности выполняемых ими функций имеют разнообразную и сложную форму.
Анализ большого количества чертежей обрабатываемых корпусных изделий показал, что практически все они образованы различного рода плоскими и цилиндрическими поверхностями. При этом доля указанных поверхностей, встречающихся при обработке корпусного изделия распределяется следующим образом: в 43% - случаев обработке подвергаются взаимно-перпендикулярные вертикальные и горизонтальные плоскости, в 42% случаев обрабатываются вертикальные или горизонтальные плоскости, расположенные параллельно друг другу, в 80% случаев обрабатываются гладкие основные отверстия.
Для того, чтобы иметь возможность проведения оценки доли влияния выходных параметров точности многоцелевых станков (МС) с ЧПУ на точность обрабатываемого на нем конкретного изделия, в качестве обобщенного выходного параметра точности МС с ЧПУ было предложено использовать геометрический образ (ГО) обрабатываемых поверхностей этого изделия с учетом их вероятностного характера формирования, для оценки как начального уровня точности МС с ЧПУ, так и его изменения в процессе эксплуатации под действием различных внешних и внутренних факторов.
Таким образом, под геометрическим образом поверхности детали будем понимать заданное в некоторой системе координат:
- ее аналитическое описание (как правило, методами аналитической геометрии);
- аналитическое описание на основе кинематических движений формообразования;
- множества точек, полученных либо на основе моделирующих движения формообразования алгоритмов, либо экспериментальным путем, позволяющие на основе аппроксимации получить все требуемые оценки точностных параметров.
По отношению к существующим выходным параметрам точности МС с ЧПУ, характеризующим точность их отдельных узлов, данный выходной параметр (ГО) является обобщенным, поскольку в ходе формирования обрабатываемой поверхности проявляется влияние практически всех узлов МС с ЧПУ. Такой ГО поверхности получается за счет взаимосвязанных формообразующих перемещений рабочих органов МС с ЧПУ, несущих инструмент и заготовку, по управляемым координатам X, Y, Z, А, В, С в ходе имитации процесса обработки данного изделия. Указанный ГО поверхности представляет собой отображение конкретной реально обрабатываемой поверхности изделия, которая может быть описана математически.
Учитывая, что ГО поверхности непосредственно зависит от типа и размеров инструмента, при разработке математической модели формирования этого ГО используемый режущий инструмент принимался идеальным.
Исходя из анализа технологического назначения МС с ЧПУ можно выбрать типовые ГО, соответствующие наиболее часто встречающимся при обработке конкретных изделий поверхностям, например, вертикальным и горизонтальным плоскостям, отверстиям с различным пространственным расположением их оси и т.д., и определить для них значения показателей точности и точностной надежности.
Получение качественных и количественных характеристик влияния выходных параметров точности МС с ЧПУ на точность конкретно обрабатываемых на нем изделий основано на сравнении получаемых типовых ГО поверхностей с соответствующими идеальными ГО, которые заданы чертежом обрабатываемого изделия либо управляющей программой.
Степень отличия смоделированного типового ГО поверхности от соответствующего ему идеального ГО характеризуется значением отклонений.
Применение ГО поверхности в качестве обобщенного выходного параметра точности МС с ЧПУ позволяет произвести оценку этих станков с помощью общепринятых нормативных показателей. Однако, основное преимущество использования такого ГО заключается в том, что появляется возможность определения погрешности, вносимой МС с ЧПУ при обработке конкретного изделия, практически в любой точке сформированной поверхности, при этом учитываются тип используемого инструмента, расположение обрабатываемой поверхности в рабочем объеме МС с ЧПУ, уровень статического силового нагружения его рабочих органов, а также вероятностный характер формирования ГО поверхности. Изменение же данного ГО во времени дает возможность оценить точностную надежность исследуемого МС с ЧПУ.
Используя предлагаемый выходной параметр имеется возможность еще на стадии проектирования новых МС с ЧПУ оценить влияние применяемых конструктивно-компоновочных решений на ожидаемую точность обработки путем математического моделирования на основе разработанного программного обеспечения.
В основу построения геометрического образа положено представление о поверхности как геометрическом месте направляющих (режущих кромок инструмента), перемещающихся вдоль образующих, в рассматриваемом случае - траекторий резания (в относительном движении инструмент заготовка').
Совокупность траекторий относительного рабочего движения, описываемых каждой точкой режущей кромки, представляет собой поверхность резания, возникающую в процессе обработки детали. Характер и направление относительного рабочего движения инструмента определяют форму образуемой им поверхности. Геометрически реальная, обработанная поверхность детали представляет собой отдельные участки несрезанных поверхностей резания. Обработанную поверхность можно также представить как некоторое фиксированное множество точек фактически существующих участков поверхностей резания.
Для этого необходимо:
а) составить общую кинематическую схему, объединяющую все кинематические соотношения, при этом предусмотреть фиксированную систему координат детали и подвижную (или неподвижную) систему координат инструмента;
б) в соответствии с общей кинематической схемой определенным образом задать обрабатываемую поверхность для произвольного случая;
в) на основании принятых методов математических преобразований составить в общем виде уравнения соседних поверхностей резания, охватывающие все возможные случаи;
г) рассмотреть совместно уравнения соседних поверхностей резания попарно для определения уравнений линий их пересечения;
д) рассмотрев совместно уравнения линий пересечения поверхностей резания, получить координату точки их пересечения (т. е. вершины пика лостаточных гребешков) или определить требуемую зависимость.
Остановимся более подробно на построении общей кинематической схемы (рис. 1). В предлагаемой схеме предусмотрена вспомогательная неподвижная прямоугольная система координат XYZ с основными плоскостями RVH. В схеме зафиксированы система координат детали X0Y0Z0, параллельная системе XYZ и удаленная от нее в плоскости R на величину (зависящую от размеров детали) переменного радиуса r вращательного движения, обозначенного вектором А.
Рис. 1. Общая кинематическая схема.
Временно неподвижные или подвижные системы координат инструмента X1Y1Z1 и X1Y1Z1, положение которых относительно XYZ определяется заданным размером Rи, зависящим от конструктивных параметров инструмента, и величиной пространственных углов поворота системы X1Y1Z1 относительно XYZ, которые на схеме не обозначены.
Все перемещения исчерпываются:
а) равномерными вращениями подвижных систем координат по стрелкам А и Б при любом направлении вращения;
б) тремя равномерными поступательными перемещениями в направлении стрелок В, F, D.
В общих случаях формообразования происходит огибание обрабатываемой поверхности поверхностями резания, или, что то же самое, огибание образующей поверхности траекториями, которые описывает одна из точек режущей кромки инструмента в процессе рабочего движения.
Огибание обеспечивается обязательно существующим вектором дополнительного движения для системы инструмента, которая уже совершает относительное рабочее движение вдоль результирующего вектора согласно кинематической схеме. Вектор дополнительного движения может быть не только вращательным.
В схеме (см. рис. 1.) удобнее для вывода общих уравнений поверхностей резания за такое движение принять вращение Б, а произвольную поверхность задать ее образующей, как упрощенно показано на рис. 2.
Следует отметить, что поверхность, на которой лежит образующая, является мнимой, так как неизменная образующая определяет сразу ряд поверхностей деталей, форма которых зависит от вида направляющей поверхности резания, в общем виде произвольных кривых режущих кромок инструмента.
Чтобы проследить геометрию процесса образования формы, необходимо рассмотреть соседние поверхности резания. Они пересекутся по образующим за цикл от касания первой поверхности резании до касания последующей образующей обработанной поверхности.
Рис. 2. Схема образования произвольной поверхности при движении контактной точки вдоль указанных направлений.
Данный цикл зададим:
а) углом , характеризующим равномерный поворот режущей кромки инструмента от точки касания с образующей обрабатываемой поверхности детали вращение Б ;
б) перемещениями вдоль векторов равномерных поступательных движений F, B и D за время поворота системы координат инструмента на угол .
в) углом поворота системы детали равномерного вращательного движения Б за то же время.
Поскольку величина результирующего вектора, составленного из движений Б, В, F и D, лежащего в плоскости Е, заведомо больше величины оставшегося неучтенным движения А, лежащего в плоскости R, то мнимую поверхность детали будем характеризовать по наибольшей протяженности в плоскости Е, а по кривизне - в плоскости R. Следовательно, проекцию остаточного гребешка на плоскость Е будем считать волнистостью, а его проекцию на плоскость R - огранкой обработанной поверхности (рис. 3 и 4).
Рис. 3. Движение точки режущей кромки в процессе формообразования вдоль линии, характеризующей наибольшую протяженность поверхности Так как остаточный гребешок принадлежит семейству точек, лежащих на направляющей поверхности резания, то в пространстве он представит собой линию. Линия от пересечения первой и последующей поверхностей резания, очевидно, характеризует остаточную неровность, главным образом от проекции образующей поверхности на плоскость R, определяющей кривизну обработанной поверхности, и будет являться линией огранки.
Из изложенного следует, что для определения точки, характеризующей элемент обработанной поверхности, достаточно рассмотреть три формообразующие поверхности резания: от первой режущей кромки; от последующей, расположенной в системе координат инструмента X2Y2Z2 и смещенной относительно первой на угол и поверхности резания, образованной i-той режущей кромкой, i-тая поверхность будет отличаться от 1-й лишь разницей в суммарных исходных перемещениях системы координат инструмента в направлении относительного рабочего движения.
Разница определится циклом, за который совершается один полный оборот системы координат детали.
Рис. 4. Движение точки режущей кромки в процессе формообразования вдоль линии, характеризующей кривизну поверхности Запишем уравнения трех формообразующих поверхностей резания в общем виде. Решение системы уравнений поверхностей позволяет получить уравнение точки, принадлежащей элементу обработанной поверхности.
Конечное уравнение имеет вид:
X0 = (N - L)cosOX1OX -(H - L )cosOY1OX -(c - L )cosOZ1OX ;
Y0 = r + (N - L)cosOX1OY + (H - L )cosOY1OY -(c - L )cosOZ1OY - sin - (N - L)cosOX1OZ + (H - L )cosOY1OZ + (c + L )cosOZ1OZ ; 1+ cos r Z0 = + (N - L)cosOX1OY + (H - L )cosOY1OY -(c - L )cosOZ1OY sin + (N - L)cosOX1OZ + (H - L )cosOY1OZ + (c + L )cosOZ1OZ.
1+ cos Здесь N, L, H, L и т.п. - конечные перемещения координатных систем за цикл, косинусы углов показаны на рис. 1, 2, 3.
Уравнение представляет собой общий вид аналитической зависимости, связывающей координаты точки остаточного гребешка реальной обработанной поверхности с кинематикой процесса и параметрами инструмента.
Далее рассмотрены преобразования уравнений для конкретных методов обработки (точение наружной цилиндрической поверхности и фрезерование плоскости).
Затем предлагается использование этой модели как оценочной функции шероховатости обработанной поверхности на схеме формообразования наружной цилиндрической поверхности цилиндрической фрезой с подачей вдоль оси детали. Фреза устанавливается в положение, когда оси инструмента и детали взаимно перпендикулярны.
Окончательно уравнение для расчетной высоты остаточной шероховатости имеет вид:
SZ (1+ Zi) RZрасч = A - R2 - - ri, 2 1+ cos Z i где R - наружный радиус фрезы; r - чистовой радиус обработанной детали;
nф SZ - продольная подача инструмента, мм/зуб.; Z - число зубьев фрезы; i = nд - передаточное отношение числа оборотов инструмента и изделия; A - межцентровое расстояние пары деталь-инструмент.
По уравнению был определен на ЭВМ ряд значений величин остаточных микронеровностей. Согласно расчетным зависимостям проводилась экспериментальная обработка цилиндров (сталь 45) фрезами из материала Р18. скорость резания выбиралась в соответствии с принятыми нормами стойкости для данного типа фрез при обработке углеродистых сталей. Обработка велась в режимах получистового, чистового фрезерования.
Сравнение фактически измеренных величин RZ от расчетной составило 4,1%, что доказывает необходимую для практического использования точность уравнения при принятых условиях обработки по методу фрезерования.
ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ ВИНТОВОГО ИСЧИСЛЕНИЯ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ДВИЖЕНИЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ (с учетом деформаций технологической системы) В первом параграфе рассмотрены показатели операции (перехода) и факторы, воздействующие на процесс обработки. Процесс обработки рассмотрен в виде ориентированного объекта.
Выходами объекта являются следующие группы показателей:
показатели, характеризующие деталь, к которым относятся показатели размерной точности и показатели качества поверхностного слоя;
показатели, характеризующие процесс обработки (резания), например, скорость размерного износа q, сила резания P, мощность резания N;
критерий оптимальности .
Входами объекта являются следующие группы переменных:
возмущающие переменные, к которым относятся показатели размерной точности полуфабриката, поступающего на обработку, например, припуск Z и показатели качества поверхностного слоя полуфабриката, например, твердость H;
управляющие переменные, к которым относятся режим обработки, например, скорость резания V, подача S параметры настройки, например, размер статической настройки;
конструктивные переменные, например, диаметр растачиваемого отверстия в детали, диаметр фрезы и т.п.
Под моделированием будем понимать математическое описание процессов обработки, помогающее анализировать их и делать разумные предсказания.
Возможны два принципиально различных подхода к изучению явления, определению функциональной связи между входными и выходными величинами.
Первый подход - аналитический, основан на применении фундаментальных физических законов (уравнения Ньютона, Максвелла и т.п.).
Второй подход - экспериментальный. Задача исследователя в этом случае состоит в выдвижении гипотезы или ряда конкурирующих гипотез и в подтверждении или выборе одной из них. Выдвижение гипотез основано на априорной информации о характере изучаемого явления.
Экспериментальный подход используется при описании сложных многофакторных явлений.
Экспериментально-статистический метод не исключает применение аналитических построений, например, при создании размерных моделей.
В условиях мелкосерийного производства, которые рассматриваются в настоящей работе, необходимо разумное сочетание аналитических и экспериментальных методов при моделировании, т.к. чисто экспериментальные методы, очевидно, не могут применяться в силу высокой удельной (на единицу продукции) стоимости эксперимента, а чисто аналитические - в силу малой точности, например, при определении сил резания или скорости износа режущего инструмента.
Далее в главе рассмотрено моделирование некоторых видов обработки, а именно: торцевое фрезерование плоских поверхностей, растачивание цилиндрических отверстий и точение цилиндрических деталей.
Этим видами обработки и ограничим наше рассмотрение, имея в виду, что разработанная методика может быть использована и при моделировании других видов обработки.
В автореферате более подробно рассмотрим моделирование торцевого фрезерования плоских поверхностей.
Прежде всего, необходимо определить плоскую поверхность детали как некоторый математический объект. Плоскость, как известно из аналитической геометрии, определяется тремя параметрами, которые можно выбрать, вообще говоря, разными способами. На чертежах плоскость обычно задается расстоянием и допуском на него от другой плоскости, принятой за базу, и допускаемой величиной отклонения от параллельности относительно базовой плоскости.
В соответствии с этим определим положение плоской поверхности следующими тремя величинами:
yo - координата пересечения плоскости с осью y;
- угол между плоскостью и координатной плоскостью zox;
- угол между осью z и линией пересечения плоскостей и zox, т.е.
направлением непараллельности.
Эти три параметра задают положение плоской поверхности естественным с точки зрения чертежа образом.
Величины yо, и случайные, т.к. положение любого элемента формы детали случайно. С вероятностной точки зрения случайная величина полностью характеризуется своей плотностью распределения. Будем считать известными плотности распределения величин yо, и , они суть f(y), f() и f(), причем, т.к. направление непараллельности обычно не задается, угол можно считать распределенным равномерно в интервале [0,].
Уравнение плоскости можно записать следующим образом:
sin z cos x y - y0 = - (1) cos cos Уравнение (1) может характеризовать положение плоских поверхностей у всего технологического комплекса поверхностей, начиная с заготовки и кончая готовой деталью. Плотности распределения параметров известны (обычно статистически) у поверхности заготовки. Задачей размерного моделирования обработки и является установление связей между параметрами заготовки и параметрами обработанной поверхности.
Процесс формообразования представим как движение взаимосвязанных координатных систем, проведенных через звенья технологических систем, которые непосредственно участвуют в образовании погрешности на детали.
На рис. 5 показано, что эти координатные системы связаны в цепочку, замыкание которой происходит в силу того, что формообразующие точки Мi Д принадлежат одновременно поверхности детали (векторы r ) и вершинам i И зубьев фрезы (векторы r ). Это обстоятельство позволяет получить в явном i Д виде выражение для r :
i Д И 3 Д ' ' ' ' ' 'И 2 ' ' ' (2) ri = AД A3 A2 AИ ri + AД A3 A2 r0 - r0 AД A3r0 - AД r( )где Д r - радиус-вектор текущей точки поверхности детали в системе координат i детали Д ;
Д 3 r r,r - векторы параллельных переносов систем Д, 3, 0, 0 2 соответственно относительно систем 1, 2, 3;
AД, A3, A2 - матрицы вращении систем Д, 3, 2 соответственно относительно систем 3, 2, 1 ;
И r - радиус-вектор вершины i-го зуба фрезы в системе координат i инструмента;
AИ - матрица вращении системы И относительно системы 1.
Здесь штрих означает операцию транспонирования матрицы, которая в данном случае (ортогональных матриц) совпадает с операцией взятия обратной матрицы.
Рис. 5. Связь между системами координат элементов технологической системы многооперационного станка.
Кинематическая схема резания задается следующими движениями:
x0 + SzZфnt r = 0 y0 (3) z0 cosи 0 - sinи Aи1 = 0 1 0 (4) sinи 0 cosи где Sz - подача на зуб фрезы;
Zф - число зубьев фрезы;
n - число оборотов фрезы;
t - текущее время;
2 n u = t - угол поворота фрезы.
Д Чтобы построить траекторию векторов r, описывающих поверхность i детали, необходимо знать составляющие векторов r0* и элементы матриц A*.
Здесь символом * мы обозначим индекс координатной системы. Будем считать известным начальное относительное положение координатных систем, которое определяется с точностью статической настройки и установки.
Исследования показали, что на погрешность формы, а следовательно, на характеристики положения плоской поверхностей влияет нестационарность на входе и на выходе фрезы из контакта с деталью при обработке контура переменной площади. Эта нестационарность определяется переменностью углов контакта фрезы и деталью. Знание координат контура обработки и радиусов - векторов зубьев фрезы 2 Rф cos i Zф uri = , 2 Rф sin i Zф где Rф - радиус фрезы; i = 0; Zф позволяет вычислить кинематические траектории зубьев фрезы, находящиеся в зацеплении с деталью.
В процессе обработки возникают силы резания, а силы веса движущихся элементов меняют свои координаты. Это вызывает перемещения координатных систем друг относительно друга вследствие конечной жесткости элементов технологической системы.
Каждую координатную систему можно рассматривать как твердое тело, подвешенное в пространстве с помощью некоторого числа упругих связей - пружин. Расположение пружин может быть произвольным, оно определяется условиями контактирования элементов технологической системы.
Примем зависимость между усилием в пружине и изменением ее длины линейной и будем полагать, что при отсутствии сил резания усилия во всех пружинах равны нулю. Кроме того, будем полагать перемещения тела малыми. В этом случае можно воспользоваться весьма эффективным методом решения задач статики твердого тела - методом винтового исчисления.
Рассмотрим упругие перемещения координатной системы д относительно координатной системы 3. В точке i действует сила резания i =(xi yizi) (штрих означает транспонирование). Положение осей пружин в пространстве определим их плюккеровыми координатами - направляющими косинусами единичных векторов еi осей и моментами этих векторов относительно осей системы координат 3.
Пусть углы, образуемые осями пружин с осями координат системы 3, будут i,i, i, а координаты точек прикрепления пружин к детали (точек контакта элементов технологической системы) будут i, i, i, где i - номер пружины. Моменты единичных векторов осей пружин относительно осей координат будут иметь выражения:
еi = i cosi-i cosi, mi = i cosi-i cosi, ni = i cosi-i cosi и, следовательно, плюккеровы координаты осей пружин будут следующие:
(5) cosi ; cosi ; cosi ; li ; mi ; ni.
Сообщим детали (системе д) малое винтовое перемещение, характеризуемое произвольным винтом ф, задаваемым координатами x,y,z,x,y,z где первые три величины - проекции угла поворота детали на оси координат, а последние три - проекции на те же оси перемещения точки детали, совпадающей с началом координат ОД.
Система уравнений равновесия упруго подвешенного твердого тела (системы координат) будет иметь следующий вид:
j11 хд + j12 yд + j13 zд + j14 xд + j15 yд + j16 zд - Px = 0, j21 xд + j22 yд + j23 zд + j24 xд + j25 yд + j26 zд - Py = 0, j31 xд + j32 yд + j33 zд + j34 xд + j35 yд + j36 zд - Pz = 0, (6) j41 xд + j42 yд + j43 zд + j44 xд + j45 yд + j46 zд - Lx3 = 0, j51 xд + j52 yд + j53 zд + j54 xд + j55 yд + j56 zд - Ly3 = 0, j61 xд + j62 yд + j63 zд + j64 xд + j65 yд + j66 zд - Lz3 = 0, где j11 = j cos2 ; j22 = j cos2 ; j33 = j cos2 ;
j12 = j 21 = j cos cos ; j13 = j 31 = j cos cos ;
j14 = j41 = j cos l ; j15 = j51 = j cos m ;
j16 = j61 = j cos n ; j24 = j42 = j cos l ;
j25 = j52 = j cos m ; j26 = j62 = j cos n ;
j34 = j43 = j cos l ; j35 = j53 = j cos m ;
j36 = j63 = j cos n ; j44 = j l2 ; j55 = j m2 ; j66 = j n2 ;
j45 = j54 = j l m ; j46 = j64 = j l n ; j56 = j65 = j т.n.
Таким образом, решение статической задачи сводится к определению координат неизвестного винта перемещений ф по заданным координатам силового винта R из системы уравнений.
Вектор параллельных переносов системы 3 будет:
Д x0 + xД Д Д r0 = y0 + yД , (7) Д z0 + zД а матрица вращении системы д относительно системы 3 будет:
cosy cosz - sinx cosy siny cosz siny sinx + sinz cosx - sinz siny sinx + cosz cosx - cosy sinx (8) sin sinx - cosz siny cosx sinz siny cosx + cosz sinx cosx cosy z Аналогичным образом находятся векторы параллельных переносов и матрицы вращений остальных координатных систем.
Определение координат кинематического винта по уравнениям (6) требует знания жесткостных характеристик технологической системы. Эти характеристики являются, вообще говоря, переменными величинами, они зависят от конструктивных особенностей станка, состояния стыков, температура, величины и направления предварительного натяга и др.
Вопросами жесткости станков занималось большое количество исследователей. Поэтому не будем подробно останавливаться на экспериментах по определению жесткости элементов технологической системы. Применялась методика, сходная с изложенной в и заключающаяся в нагружении узлов станка силами при помощи специального нагрузочного устройства конструкции ЭНИМСа и измерении возникающих деформации при помощи индикаторов. Деформации измерялись в местах действия опорных реакций в соответствии со схемой базирования. При этом, строго говоря, определялась не истинная упругая подвеска, а некоторая эквивалентная ей. Степень адекватности определяется линейностью упругих характеристик.
Таким образом, мы определили все необходимые данные для вычисления векторов riд по формуле (2). Годографы векторов riд лежат на поверхности обработки. Определяя векторы riд для дискретного времени, мы получаем некоторое множество точек, принадлежащие поверхности детали. Задание этого множества позволяет определить фазовые координаты плоскости, характеризующей положение поверхности детали.
Очевидно, что определение параметров положения обработанной поверхности как случайных величин (функций случайных аргументов) может быть сделано только методами имитационного моделирования. Для этого на основании выведенных зависимостей был разработан моделирующий алгоритм. Алгоритм переводит случайные параметры, характеризующие положение поверхности заготовки, в случайные параметры, характеризующие положение обработанной поверхности.
Учитывая вышеизложенное можно построить теоретический профиль детали в поперечном и продольном сечениях, т.е. получить геометрический образ детали с учетом деформаций технологической системы.
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОЧНОСТИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ ФОРМООБРАЗУЮЩИМИ ТРАЕКТОРИЯМИ В первом параграфе рассмотрено экспериментальное построение геометрического образа детали. В основу определения текущего радиуса геометрического образа в поперечном сечении положена формула определения расстояния между двумя точками, лежащими на плоскости.
Для нашего случая эта формула используется в следующем виде:
Dдет .
Rдетi = XД Xpi + (YД Ypi) i i Это выражение является обобщенной функцией геометрического образа при токарной обработке в идеальном виде. Определив экспериментально траекторию оси детали, то есть текущие координаты XДi и YДi и траекторию режущей кромки, то есть, текущие координаты Xpi и Ypi по углу поворота i и подставив их в формулу, можно определить форму обрабатываемой поверхности детали или ее геометрический образ.
Многочисленные расчеты для различных значений входящих в уравнение членов позволило установить, что второй член (YДi+Ypi) оказывает влияние на величину мгновенного радиуса обработки детали Rдет i в пределах не более 0,0004 мм. Таким образом, при экспериментальном определении геометрического образа обработанной поверхности достаточно определять перемещение только по оси X, а именно ХДi и Xpi. Тогда формула геометрического образа обработанной поверхности запишется в следующем виде:
Dдет Rдетi = XД Xp i i Стандарт DINISO 1101 Jor und Lagetoleranten регламентирует четыре способа определения базовой окружности MZC; LSC; MJC; MCC. Тем не менее, наибольшее распространение получил метод LSC, при котором базовая окружность определяется как окружность, имеющая минимальную сумму квадратов расстояний по точкам до профиля реальной поверхности.
Имея геометрический образ детали в поперечном сечении и базовую окружность с центром Обаз, приступают к определению регламентированных показателей точности. Прежде всего, составляется таблица. В первой графе таблицы указываются номера референтных меток отметчика оборотов. Так как за один оборот отметчик оборотов делает 200 меток, то угол поворота от одной до следующей метки равен 360/200. Во второй графе таблицы Rдетi указывается величина текущего радиуса геометрического образа поперечного сечения детали, который проводится из центра базовой окружности Обаз. В графе три приводится величина диаметра геометрического образа в поперечном сечении, которые вычисляются по формуле Dдет = R + R дет(i) дет(i+100) В графе четыре приводится разность двух диаметров геометрического образа расположенных под углом 90 друг к другу.
Dдет(i) - Dдет(i+50) Rдет max Из графы два таблицы выбирают максимальное и минимальное Rдет min значение радиуса поперечного сечения детали. Их разность будет соответствовать отклонению от круглости Rдет max - Rдет min ок= Из графы три выбирается максимальное и минимальное значение диаметра ( Dдет _ max и Dдет _ min ). Их разность соответствует точности размера поперечного сечения детали:
TP = Dдет _ max - Dдет _ min.
Из графы четыре выбирается максимальное значение разности двух диаметров расположенных под углом 90 друг к другу, что соответствует овальности поперечного сечения детали OB = Dдет _ max - Dдет _ min Во втором параграфе рассмотрены экспериментальные измерения траекторий формообразующих элементов на токарном станке.
Вариант экспериментальной установки представлен на рис. 6. В шпинделе станка 4 устанавливалась прецизионная оправка 7. Погрешности размера, овальности и биения оправки не превышали 0,05 мкм. На оправке с помощью гайки закрепляется обрабатываемая деталь. Такая конструкция позволяет устанавливать на оправке различные детали, которые обрабатываются резцом 3, закрепленным в резцедержательной головке 8. На шпиндельной бабке станка закрепляется кронштейн 6, в котором установлены два вихретоковых датчика 5. Вихретоковые датчики располагаются под углом 900 к другу, при этом один из них лежит в плоскости, проходящей через вершину резца. Наконечники датчиков взаимодействуют с поверхностью оправки 7, в результате чего возникают сигналы, которые усиливаются в усилителе ИП-22 и подаются через интерфейс на компьютер. На экране дисплея в декартовой системе координат строятся траектории оси детали. На станине 9 станка 4 при помощи двух шпилек 10 закрепляется прецизионная линейка 11, обработанная с высокой точностью.
На резцедержателе 8 закреплен кронштейн 2, в котором установлены еще два бесконтактных датчика 1, расположенные аналогично датчикам 5.
Сигнал от датчиков 1 усиливается на усилителе ИП-22 и подается на катодный осциллограф С-8-17. Обработка детали производилась резцом с твердосплавной пластинкой Т15К6 с углами заточки =0; =8; =45; =0.
1 2 4 11 10 Рис. 6. Схема экспериментальной установки.
На рис. 7. приведены траектории оси детали при ее обработке с постоянной частотой вращения шпинделя n=900об/мин и постоянной подачей S=0,05мм/об. Глубина резания составляла: а)t=0,03; б)t=0,06;
в)t=0,09; г)t=0,015мм. Из рассмотрения траекторий можно сделать следующий вывод. При глубине резания t=0,03мм траектория представляет плавную кривую, близкую к окружности. При увеличении глубины резания на траектории появляются явно выраженные колебания, которые достигают своей максимальной величины при максимальной глубине резания t=0,15мм.
Это позволяет сделать вывод, что при увеличении глубины резания условия обработки детали ухудшаются, а при глубине резания t=0,15 мм токарный станок работает в режиме вибрации, что, естественно, приведет к снижению качества обработки поверхности.
Рис. 7. Траектории оси детали при:
n=900 об/мин; S=0,05 мм/об и t=0,030,15 мм Для программной реализации расчета траекторий был создан программный пакет ТТМdiagnostic на базе алгоритмического языка Microsoft Visual Basic (рис. 8).
Рис. 8. Обобщенная блок-схема программного комплекса TTMdiagnostic.
На рис. 9 построен геометрический образ поперечного сечения обработанной поверхности и приведены показатели точности обработанной поверхности.
Рис. 9. Геометрический образ поперечного сечения детали.
С целью проверки изложенного метода прогнозирования точности детали в процессе ее изготовления была проведена обработка контрольной детали. Обработка производилась на токарном станке МК - 3002. Заготовка из стали 35 имела диаметр D=60 мм и длину L=100 мм. Обработка производилась проходным резцом с твердосплавной пластинкой Т15К6 с углами = 0; = 80 ; = 1 = 45; частота вращения шпинделя n = 12об/мин; подача S = 0,05 мм/об и глубина резания t = 0,13 мм.
В процессе обработки были сняты показания перемещений детали и вершины резца в 13 сечениях. Для каждого сечения снимались показания для 40 оборотов и в каждом обороте снимались показания для 200 точек.
Экспериментальные данные подвергались обработке методами математической статистики с определением для каждого дискретного поворота шпинделя математического ожидания и дисперсии. По перемещениям оси детали и вершины резца были построены геометрические образы поперечных сечений контрольной детали.
После исследований на станке контрольная деталь подверглась метрологическим измерениям. Для записи круглограмм использовался кругломер типа КД, класса точности 2, модели 290 завода "КАЛИБР".
Сравнение геометрических образов контрольной детали соответствующих круглограмм позволяет дать оценку точности автоматизированный системы контроля точности изготовления деталей.
Максимальная разность между линией геометрического образа контрольной детали и линией круглограммы в радиальном направлении при их наложении не превышают 0.86 мкм. Это доказывает, что разработанная система автоматизированного контроля точности изготовления деталей гарантирует точность точности прогнозирования в 1 мкм.
В третьем параграфе приведены разработанные автором устройства управления формообразующими траекториями токарного станка. Для повышения точности токарной обработки необходимо иметь два устройства управления формообразующими элементами станка. Одно для управления траекторией детали и второе для управления траекторией резца.
Анализ существующих патентов позволил выработать идею по управлению траекторией оси детали, обладающую признаками новизны, что позволило получить два патента Полученные патенты послужили основой для конструкторской разработки устройства повышения точности вращения шпинделя.
Гидравлическая система (рис. 10) токарного станка МК 6763 Фобеспечивает привод гидроцилиндра патрона, привод гидроцилиндра пиноли и другие функции. Для подключения устройства повышения точности вращения шпинделя к гидросистеме дополнительно подключался редукционный клапан КР - /16, который подает масло под давлением в канавки передней опоры шпинделя.
Величина давления масла подаваемого в канавки подшипников регистрируется по манометру МН2 (рис. 10).
Рис. 10. Схема гидравлическая.
Устройство повышения точности вращения шпинделя работает следующим образом. При подаче масла в канавки под давлением происходит деформация наружного кольца подшипника в горизонтальной плоскости станка. В результате этого натяг в этой плоскости увеличивается, что ведет к уменьшению колебаний оси шпинделя, а, следовательно, и детали в плоскости резания, что приводит к уменьшению колебаний величины текущего радиуса Rдет в 2-2,5 раза.
Для управления перемещениями резца предлагается использовать виброгаситель фрикционно-динамического типа. Виброгаситель устанавливается на резцедержательной головке 1 (рис. 11) при помощи шпильки 2, на которой собираются все детали виброгасителя. Между двумя гайками зажимаются свободно одеваемые на шпильку 2 груз 4 и тарельчатые пружины 5. Действия виброгасителя основано на рассеянии энергии колебаний резца за счет внешнего и внутреннего трения тарельчатых пружин 5, а также за счет движения груза 4 в противофазе. Собственная частота вибраций присоединенных деталей должна быть равна частоте возникающей силы. Изменение собственной частоты присоединенных деталей достигается за счет регулирования массы груза 4 и усилия сжатия тарельчатых пружин 5.
Рис. 11. Виброгаситель фрикционно-динамического типа.
Обработка осциллограмм с записями перемещения вершины резца при работе без виброгасителя и с виброгасителем показала, что величина перемещений резца при использовании виброгасителя снизилась в среднем на 2 мкм. Как было ранее показано снижение перемещений вершины резца будет способствовать снижению величины волнистости обработанной поверхности.
ГЛАВА 5. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ Для рассматриваемого в работе случая мелкосерийного производства характерна ситуация, когда фиксированы наборы оборудования и инструмента, оснастка, как правило, универсальная, задано некоторое множество деталей, которое необходимо обработать за определенный промежуток времени. Таким образом, будем рассматривать обработку N n деталей на L l станках M m инструментами.
Деталь, участвующая в технологическом процессе может быть представлена совокупностью технологических комплексов J j поверхностей I i, т.е. множеством, на котором введены отношения (размерные связи между поверхностями).
Каждая поверхность i технологического комплекса j детали n обрабатывается от соответствующего комплекта баз k K на l-ом станке mым инструментом. Здесь Kn - множество технологических комплектов баз детали.
Технологический процесс представляет собой иерархически упорядоченное множество рабочих ходов, т.е. структуру:
ТП=< ((( Px, R4 ), R3 ), R2 ), R1 > (9) R1, R2, R3, R4- отношения порядка следования операций, установов, переходов, и рабочих ходов соответственно в технологическом процессе, операции, установе, переходе.
Существующие правила технологического проектирования, вообще говоря, не дают однозначного решения в вопросах выбора как структуры, так и параметров технологического процесса. Но это вполне объяснимо сложностью системы технологического проектирования и согласуется с одним из основных кибернетических законов - законом необходимого разнообразия, указывающим на необходимость вариантности при выборе плана и принятия решения.
После построения множества вариантов необходимо выбрать оптимальный на основе некоторого критерия. Критерием оптимальности будем считать общие затраты или их часть, существенным образом зависящую от управляемых переменных рассматриваемого процесса.
Целью технологического проектирования является разработка такой совокупности технологических процессов изготовления деталей, отвечающих своему служебному назначению, которая доставляла бы минимум затрат.
Положение элементов формы заготовки, полуфабриката и готовой детали характеризуются наборами переменных x (величины x случайные ji ji и являются точностными параметрами детали как геометрического объекта).
Здесь j - номер технологического комплекса поверхностей, i - номер поверхности в технологическом комплексе, начиная с нулевой поверхности заготовки.
Поверхности детали характеризуются также шероховатостью, твердостью, глубиной наклепанного слоя и т.п. Вектор этих параметров обозначим ПС - вектор показателей поверхностного слоя.
ji Каждая технологическая система, таким образом, характеризуется (см.
вх вых рис. 12) набором входных переменных x, ПС, выходных - x, ПС, ji-1 ji ji ji вектором управляющих воздействий y (например, скорость резания и ji подача); вектором показателей процесса обработки П например, силы ji резания, мощность, скорость износа инструмента и т.п.); скаляром - ji критерием оптимальности. Переменные x будем называть внешними ji y ji вых вх ПС ji x ji x ПС ji-1 ji-ТС ji П ji ji Рис. 12. Показатели и параметры технологического процесса.
переменными, а переменные yji - внутренними. Полные затраты по общ технологическому процессу будут равняться сумме затрат на отдельные операции. Затраты на отдельную операцию (обработку) являются ji функцией внешних и внутренних переменных. Например, затраты зависят от колебаний твердости, шероховатости, точности входного и выходного положения элементов формы - внешние переменные, от режима обработки - внутренние переменные.
Возможны следующие два метода решения оптимальной задачи. По первому методу минимизируются общие затраты по технологическому процессу. Ограничения накладываются как на внешние, так и на внутренние переменные. В общем виде задача формулируется следующим образом:
min общ = jm jm (10) ; ПС ПС ; PД PД ; y y, ji j j ji ji где mj - количество поверхностей j-го технологического комплекса (поверхность mj принадлежит готовой детали);
ПС - множество допусков на характеристики поверхностного слоя jm j поверхности, принадлежащей готовой детали j-го технологического комплекса;
PД - множество допусков на размеры готовой детали;
y - область допустимых управляющих воздействий.
ji Первое и второе ограничения оптимальной задачи (10) говорят о том, что мы ограничиваемся допусками характеристиками поверхностного слоя и размерные погрешности только у готовой детали.
Промежуточные характеристики и размеры - суть оптимизируемые величины, они находятся в результате решения оптимальной задачи.
Третье ограничение на внутренние переменные накладывается соответствующими технологическими системами. Это ограничение образует области допустимых режимов обработки.
По второму методу вначале проводится условная минимизация каждой величины по внутренним переменным y, при этом внешние ji ji переменные считаются параметрами, т.е.:
вх вых вх вых min (x, ПС, x, ПС )= (x, x, ПС, ПС ) ji ji-1 ji ji ji ji ji-1 ji ji ji y ji При этом оптимальные значения внутренних переменных становятся функциями внешних переменных:
вх вых y =(x, x, ПС, ПС ) ji ji ji-1 ji jiопт Например, оптимальные значения режима обработки становятся зависящими от колебания припуска и от требуемой точности.
На следующем этапе проводится безусловная оптимизация, т.е.
минимизируется величина общ, по внешним переменным:
вх вых min общ(x, x, ПС, ПС ) ji ji ji-1 ji вх вых x,x ji ji ПС,ПС ji-1 ji При этом находятся оптимальные значения внешних переменных и, благодаря уравнениям связи, оптимальные значения внутренних переменных.
Запись оптимальной задачи в этом случае выглядит следующим образом:
Первый уровень:
вх вых min (x, ПС, x, ПС );
ji ji-1 ji ji ji y ji вых вх x = f1(x, ПС, y );
ji ji ji-ji вх ПС = f2(x, ПС, y );
ji ji ji-ji вх П = f3(x, ПС, y ) П ;
ji ji ji-1 ji ji вых x = PД PД ;
jm j ПС ПС ;
jm jm j j y y.
ji ji Второй уровень:
вх вых min общ = (x, x,ПС,ПС ) ji ji ji-1 ji ji вх вых x,x ji ji ПС -1 ji,ПС ji Здесь f... f - математические модели технологической системы.
1 Рассмотренный метод несколько напоминает метод параметрической декомпозиции и позволяет свести задачу большой размерности к последовательности задач меньшей размерности. Благодаря такому приему производится также подробный технико-экономический анализ каждой операции (перехода) технологического процесса, который позволяет сделать некоторые выводы относительно возможностей дальнейшего совершенствования процесса обработки.
В результате решения оптимальной задачи находится оптимальное распределение положений элементов формы между отдельными переходами и оптимальный режим на каждом переходе.
Исследование задачи параметрической оптимизации показало, что в силу вероятностного характера технологического процесса рассматриваемая задача является задачей управления в условиях неполной информации или задачей стохастического программирования.
Предложен некоторый численный аналог решения задач стохастического программирования, представляющий собой сочетание моделирующего процесс обработки алгоритма со случайным поиском. При этом строится зависимость между входными и выходными характеристиками детали с одной стороны и оптимальными значениями критерия по управляющим переменным - с другой.
В заключении главы рассмотрена методика решения задачи параметрической оптимизации технологического перехода на примерах фрезерования и расточки.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.
1. Введено конструктивное определение понятия геометрический образ поверхности или изделия.
2. Разработана математическая модель формирования геометрических образов на основе кинематического представления формообразующих движений на станках.
3. Получены формулы для расчета шероховатости обработанной поверхности при различных процессах резания.
4. В результате изучения процесса образования размера детали и представления его как объекта управления выявлены и классифицированы переменные процесса.
5. Показана эффективность применения винтового исчисления для моделирования движений формообразования с учетом деформаций технологической системы.
6. Рассмотрены особенности моделирования для фрезерования, растачивания и точения на многоцелевых станках.
7. Разработаны математические модели для расчета геометрического образа в поперечном сечении обрабатываемой детали и создана система оценки точности изготовления деталей, которая на основе экспериментальных измерений строит геометрический образ обработанной поверхности и рассчитывает регламентированные показатели точности.
8. Разработаны устройства управления формообразующими траекториями токарного станка: для управления траекторией оси детали, для управления траекторией резца.
9. Технологическую систему как объект управления необходимо характеризовать кортежем входных параметров, описывающих состояние заготовки, кортежем выходных параметров, описывающих состояние обработанной детали, кортежем управляющих воздействий, кортежем показателей процесса обработки, критерием оптимальности.
10. Разработано математическое обеспечение моделирования процесса обработки, позволяющее преобразовать случайные величины, характеризующие положение и размеры поверхностей заготовки, в случайные величины или их оценки, характеризующие положение и размеры поверхностей детали. Алгоритмы основаны на координатном представлении поверхностей детали, участвующих в технологическом процессе, и на моделировании нестационарных силовых зависимостей.
11. Математическая модель процесса обработки, установившая связь между случайными характеристиками входа и выхода технологической системы, привела к постановке задачи параметрической оптимизации как задачи стохастического программирования со смешанными условиями, что позволило учесть случайный характер переменных технологического процесса.
12. Решение задачи параметрической оптимизации установило функциональную связь между оптимальными значениями критерия и режима, с одной стороны, и входными и выходными переменными технологической системы, с другой, что позволяет проводить подробный технико-экономический анализ процесса обработки.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:
1. Искра Д.Е. Устройства для повышения качества фрезерования VI Международная научно-техническая конференция Комплексное обеспечение показателей качества транспортных и технологических машин Пенза, 2002г.
2. Искра Д.Е., Космынин А.В., Виноградов В.С. Методы расчета стационарных характеристик опорных газостатических подшипников с пористыми вставками. Информационные технологии в промышленности:
Сборник научных трудов МГТУ УСТАНКИНФ. Выпуск 1/ Под ред. Ю.М.
Соломенцева - М.: Янус-К, 2002 - 192-199 с.
3. Косов М.Г., Искра Д.Е., Чистяков Р.О. Моделирование точности технологического оборудования. Международная конференция. Волгоград.
Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства. 2003г. 116-117 с.
4. Юркевич В.В., Искра Д.Е., Емельянов П.Н. Определение точности детали в продольном направлении при токарной обработке. Производственнотехнический журнал Машиностроитель. Выпуск № 3, 2004г. 50-56 с.
5. Юркевич В.В., Искра Д.Е. Статистические методы обработки результатов измерений Методическое пособие.- М.:ИЦ МГТУСтанкин, 2004. - 28 с.
6. Искра Д.Е. Разработка устройств управления формообразующими траекториями токарного станка // Мехатроника, Автоматизация, Управление.Ц Вып. №10, 2006.Ц С. 53-56.
7. Искра Д.Е. Моделирование формообразования при растачивании цилиндрических отверстий // Автоматизация и современные технологии.Ц Вып. №11, 2006.Ц С. 12-14.
8. Искра Д.Е. Моделирование и управление движениями формообразования технологического оборудования.Ц М.: Наука, 2006.Ц 109 с.
9. Искра Д.Е. Применение винтового исчисления при моделировании погрешностей движений формообразования на станках. // Известия ВУЗов.
Северо-кавказский регион. Технические наук.Ц Приложение №8, 2006.Ц С. 5560.
10. Искра Д.Е. Моделирование формообразования при торцевом фрезеровании плоских поверхностей // Известия ВУЗов. Северо-кавказский регион. Технические наук.Ц Приложение №8, 2006.Ц С. 60-63.
11. Искра Д.Е. Выбор оптимальных параметров технологического процесса изготовления деталей // Сб. трудов Международной научнотехнической конференции ИПИ (CALS) -2003. Информационные технологии в управлении жизненным циклом изделий.Ц Санкт-Петербург, 2003.Ц С. 72-74.
12. Искра Д.Е. Моделирование и определение погрешности относительного положения поверхностей детали при обработке // Сб. статей V Всероссийской научно-технической конференции. Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике.Ц Пенза, 2005.Ц С. 115-118.
13. Искра Д.Е. Построение геометрического образа поверхности цилиндрической детали в поперечном сечении и определение показателей точности // Сб. статей Международной научно-технической конференции.
Информационные технологии в науке, образовании и промышленности.Ц Архангельск, 2005.Ц С. 202-204.
14. Искра Д.Е. Статистическая постановка задачи оптимизации технологического перехода // Сб. докладов Второй Всероссийской научнотехнической конференции. Мехатроника. Автоматизация. Управление.Ц Уфа, 2005.Ц С. 55-58.
15. Искра Д.Е. Экспериментальные измерения траекторий формообразующих элементов на токарном станке // Сб. трудов 5-ой Международной научно-технической конференции. Обеспечение качества машин на этапах их жизненного цикла.Ц Брянск, 2005.Ц С. 87-90.
16. Искра Д.Е. Постановка задачи оптимизации параметров технологического перехода // Информационные технологии в технических и социально-экономических системах: Сб. научн. Трудов МГТУ Станкин.Ц Вып. 4.Ц Т. 1.Ц М. ИЦ МГТУ Станкин, Янус-К, 2006.Ц С. 34-38.
17. Искра Д.Е. Стохастические особенности задач оптимизации технологических переходов // Информационные технологии в технических и социально-экономических системах: Сб. научн. Трудов МГТУ Станкин.Ц Вып. 4.Ц Т. 1.Ц М. ИЦ МГТУ Станкин, Янус-К, 2006.Ц С. 39-46.
18. Искра Д.Е. Пример параметрической оптимизации технологического перехода для фрезерования и расточки // Информационные технологии в технических и социально-экономических системах: Сб. научн. Трудов МГТУ Станкин.Ц Вып. 4.Ц Т. 1.Ц М. ИЦ МГТУ Станкин, Янус-К, 2006.Ц С. 47-49.
19. Искра Д.Е. Представление поверхностей детали как геометрических объектов. // Комплексное обеспечение показателей качества транспортных и технологических машин: Сб. докладов VI Международной научнотехнической конференции.Ц Пенза, 2002.Ц С. 41-44.
20. Искра Д.Е. Конструирование геометрического образа поверхности детали аналитическим и экспериментальным путем. // Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства: Сб. докладов Международной конференции.Ц Волгоград, 2003.Ц С. 67-71.
21. Искра Д.Е. Формообразование поверхностей детали.// Информационные технологии в управлении жизненным циклом изделий: Сб.
трудов Международной научно-технической конференции ИПИ (CALS)2003.Ц Санкт-Петербург, 2003.Ц С. 28-30.
22. Искра Д.Е. Моделирование формообразования в процессе обработки на основе винтового исчисления.// Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании: Сб. докладов X Всероссийской научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов.Ц Рязань, 2005.Ц С. 16-19.
23. Искра Д.Е. Технологическая система как управляемый ориентированный объект. // Проблемы информатики в образовании, управлении, экономике и технике: Сб. трудов V Всероссийской научнотехнической конференции.Ц Пенза, 2005.Ц С. 36-40.
24. Искра Д.Е. Выбор оптимальных параметров технологического процесса изготовления детали. // Сб. статей VI Международной научнотехнической интернет-конференции. Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения Технология-2005.Ц Орел, 2005.Ц С.
61-65.
25. Искра Д.Е. Статистическая оптимизация параметров технологического перехода.// Автоматизация технологических процессов и производственный контроль: Сб. докладов Международной научнотехнической конференции.Ц Тольятти, 2006.Ц С. 52-55.
26. Искра Д.Е. Определение показателей точности цилиндрической детали на основе экспериментального построения ее геометрического образа // Мехатроника. Автоматизация. Управление.Ц № 10, 2007.Ц С. 53-57.
27. Искра Д.Е. Моделирование и определение погрешности относительного положения поверхностей детали при обработке // Автоматизация и современные технологии.Ц №11, 2007.Ц С. 12-13.
28. ПАТЕНТ РФ на изобретение № 2124419 (Бюлл. № 1, 1999).Устройство управления точностью обработки деталей. Авторы изобретения: Юркевич В.В., Пуш А.В., Искра Д.Е.
29. ПАТЕНТ РФ на изобретение № 2150374 (Бюлл. № 16, 2000).
Устройство для повышения качества фрезерования древесины. Авторы изобретения: Юркевич В.В., Искра Д.Е.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям