Моделі та методи автоматизації проектування технологічного оснащення для виробів із пластмас

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

УДК 621.746.3:65.015.13

Моделі та методи автоматизації проектування технологічного оснащення для виробів із пластмас

05.13.12 - системи автоматизації проектувальних робіт

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Сотник Світлана Вікторівна

Харків 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Невлюдов Ігор Шакирович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри технології та автоматизації виробництва радіоелектронних та електронно-обчислювальних засобів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Глоба Лариса Сергіївна, Національний технічний університет України «КПІ», завідувачка кафедри інформаційно-телекомунікаційних мереж;

доктор технічних наук, професор Хажмурадов Манап Ахмадович, Національний науковий центр «Харківського фізико-технічного інституту», начальник відділу математичного моделювання і дослідження ядерно-фізичних процесів.

Захист відбудеться “ 15 ” червня 2010 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.02 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “ 13 ” травня 2010 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Безкоровайний В.В

оснащення програмний кромка інтерполяція

АНОТАЦІЯ

Сотник С.В. Моделі та методи автоматизації проектування технологічного оснащення для виробів із пластмас. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.12 - системи автоматизації проектувальних робіт. - Харьківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2010.

Дисертація присвячена розробці моделей, методів автоматизації технологічної оснастки для виготовлення радіоелектронних виробів із пластмаси. На основі теорії дискретної математики запропоновано структурно-параметричну модель та системну модель технологічної оснастки, розроблено дерева структурних властивостей елементів виливних форм. Розроблена математична модель має можливість адаптуватися до реальних виробничих умов. Розроблено інформаційну модель та модель середовища функціонування технологічної оснастки, які дають можливість розробити математичне та програмне забезпечення інтегрованої системи автоматизованого проектування оснастки. Запропоновано метод прийняття технічного рішення при проектуванні технологічної оснастки, який дає можливість зменшити час на проектні роботи.

Запропоновано метод пошуку місцезнаходження площини рознімання виливної форми на базі теорії опуклих множин. Використання запропонованих моделей автоматизованого проектування технологічної оснастки дозволить спростити проектувальні роботи та зменшити час проектування ТО.

Ключові слова: технологічна оснастка, виливні форми, виливання під тиском, пластмасові вироби, оформляюча поверхня, площина роз'єму

АННОТАЦИЯ

Сотник С.В. Модели и методы автоматизации проектирования технологической оснастки для изделий из пластмасс. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.12 - системы автоматизации проектных работ. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2010.

Диссертация посвящена разработке моделей, методов автоматизации ТО для изготовления радиоэлектронных изделий из пластмассы. Проведен анализ существующих математических моделей, описывающих структурные и параметрические характеристики ТО, который показал, что эти модели и методы не в полной мере учитывают весь комплекс параметров, которые являются определяющими при разработке управляющих программ станков с ЧПУ для изготовления оснастки. Предложен подход к проектированию ТО, который позволил использовать во время проектирования корректные проектные процедуры, повысить точность изготовления пластмассовых деталей радиоэлектронной аппаратуры, учесть их геометрическое разнообразие и снизить время на проектные работы. Проведен анализ наиболее широко применяемых видов ТО для изготовления пластмассовых изделий. В результате были выделены четыре альтернативы (литьевая форма с затвердевающими литниками, с незатвердевающими литниками, безлитниковая форма и форма с поднутрениями), которые будут являться типовыми и для которых на основе теории дискретной математики предложены структурно-параметрическая модель и системная модель ТО.

Разработана информационная модель ЛФ, которая дала возможность разработать математическое и программное обеспечение интегрированной системы автоматизированного проектирования ТО. Разработана модель среды функционирования ЛФ (система ООД), которая позволяет получить рациональную конструкцию проектируемой оснастки благодаря тому, что учитываются конкретные технические ограничения, которые налагаются окружающей средой.

Разработана структурно-параметрическая модель конструкций ЛФ, которая в отличие от известных позволяет строить деревья структурных свойств элементов формы для альтернатив ЛФ. Разработанная модель дает возможность генерировать множество вариантов выбора для конструктора ЛФ. Получили дальнейшее развитие системные модели, обладающие возможностью распространения на новый класс объектов, которыми являются ЛФ. Разработана системная модель ТО, которая содержит описание конструктивных элементов ЛФ в виде морфологического куба, в узлах которого на каждом иерархическом уровне приведены операции проектирования, объединенные в группы по проектным действиям, стратам проектирования, уровням проектирования, фазам жизненного цикла КЭ. Это дало возможность получить полное формальное представление ТО на языке регулярных схем системных моделей и использовать методы компьютерной обработки формализованных системных моделей. Разработанные математические модели позволяют сократить затраты времени на этапе разработки 3D модели на 32% по сравнению с аналогом.

Усовершенствован метод принятия технического решения, который в отличие от известных основан на сравнении разрабатываемой ЛФ с прототипом и учитывает систему критериев, отражающих стоимостные, функциональные свойства ЛФ, трудоемкость ее изготовления, надежность, качество, технологичность, что значительно сокращает время проектировании. Усовершенствован метод поиска плоскости разъема литьевых форм, основанный на теории выпуклых множеств, суть которой - аппроксимация с помощью опорных функций. Этот метод позволил повысить точность линейной и круговой интерполяции траектории перемещения режущей кромки инструмента станка с ЧПУ за счет того, что поверхность изделия интерполируется опорными плоскостями. Метод дает возможность предотвратить деформированию изделия при его извлечении из формы. Усовершенствован метод расчета конструктивных параметров ТО с учетом особенностей усадочных свойств материала детали и ее формы, что позволило повысить точность изготавливаемых изделий. В данном исследовании выбран класс деталей радиоэлектронной аппаратуры.

Проведена экспериментальная проверка, которая позволила проанализировать и сравнить разработанную систему с аналогами. При выборе основных параметров для оценки эффективности разработанных моделей и методов обращалось внимание, как на себестоимость готового программного продукта, так и на трудоемкость разработки 3D модели литьевой детали и трудоемкость разработки альтернативы для литья пластмассовой детали. Как детали для исследований выбраны «Изолятор плоскостной гладкий», поскольку он может быть составной частью большой детали и является простым элементом, который дает возможность наглядно увидеть этапы идентификации конструктивного элемента по разработанным математическим моделям, и деталь «Изолятор конический с ребрами на внешней поверхности без отверстий», как пример детали сложной конфигурации. Сравнительный анализ показал, что разработанная САПР уменьшает расходы времени проектирования технологической оснастки на 52% по сравнению с аналогом за счет разработанных моделей и методов. Экономический эффект использования данной разработки подтверждается актами внедрения и составляет 25 тыс. грн. на одно рабочее место.

Ключевые слова: технологическая оснастка, литьевые формы, литье под давлением, пластмассовые изделия, оформляющая поверхность, плоскость разъема

ABSTRACT

Sotnik S. V. Models and methods of automation of the technological rigging design for wares from a plastic. - Manuscript.

Thesis for candidate of technical sciences` degree on the speciality 05.13.12 - computer aided design works systems. - Kharkiv National University of Radio electronics, Kharkiv, 2010.

Dissertation is devoted to the development of models, methods of automation of the technological rigging for making of radio electronic wares from a plastic. The structurally-self-reactance model and system model of the technological rigging are worked out, the self-reactance count for moulding forms is made up. The is made a mathematical model has possibilities to adapt itself to the real production conditions. An informative model and a model of functioning's of the technological rigging are worked up, they give possibility to develop optimum mathematical and soft ware of computer-integrated automation systems of the technological rigging design. The method of acceptance of technical decision for planning of the technological rigging is offered, it can reduce time on project works. The method of search of location of plane of disjointing of moulding form is offered on the base of theories of protuberant sets. The use of the offered models of the automated planning of the technological rigging will allow to simplify design works and decrease planning time TE.

Keywords: technological rigging, moulding forms, mould under pressure, plastic wares, designing a surface, plane of socket.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сьогоднішній день потреба у виробах із полімерних матеріалів зросла, що визначає прискорене зростання їх виробництва, а поява нових високоміцних і термостійких полімерних матеріалів, вдосконалення процесів їх переробки розширює область застосування полімерів у машинобудуванні, авіабудуванні, автомобілебудуванні, приладобудуванні, верстатобудуванні, електротехнічній, радіоелектронній промисловості та інших.

У сучасних системах автоматизованого проектування (САПР) при проектуванні технологічного оснащення (ТО) для виготовлення виробів із пластмас недостатньо враховуються особливості пластмасового матеріалу виробу, які пов'язані з нестабільністю технологічних та конструктивних характеристик матеріалу (усадка, удароміцність, термостійкість, вологостійкість та інші), що призводить до розриву етапів проектування виробів, виливних форм (ВФ) та до багатоетапності виготовлення ВФ. Багатоетапність обумовлена необхідністю фізичного моделювання процесів формоутворення виробів і здійснення цих процесів на експериментальних зразках ВФ. Тому вдосконалення процесу проектування ТО в рамках інтегрованих САПР, з урахуванням особливостей пластмасових матеріалів і необхідності раціонального вибору конструктивних елементів ТО для різних альтернатив ВФ, є актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких викладено у дисертації, проводилися в рамках держбюджетних та госпдоговірних тем НДР, які виконувалися у Харківському національному університеті радіоелектроніки:

- держбюджетна тема № 189-1 «Теоретичні основи створення перспективних компонентів і нових технологій їх виробництва для широкого класу волоконно-оптичних систем» (ДР №0105U002739);

- держбюджетна тема № 224-1 «Конструкторсько-технологічні основи створення перспективних компонентів мікромеханічних систем та технологій їх виробництва» (ДР № 0108U002216);

- господарчий договір № 08-21 про науково-технічну співпрацю з Державним Науково-дослідницьким центром нормативно-технічних матеріалів з праці Міністерства промислової політики України від 15.04.08 р. «Автоматизована система визначення технічно обґрунтованих норм праці та трудомісткості виготовлення виробів» (ДР № 0308U007999);

- договір № 97 про науково-технічне співробітництво з Державним підприємством «Науково-дослідний технологічний інститут приладобудування» (ДП НДТІП) Міністерства промислової політики України від 10.01.08 р.;

- договір № 98 про науково-технічне співробітництво з Державним Науково-дослідницьким центром нормативно-технічних матеріалів з праці Міністерства промислової політики України від 10.01.08 р.

Під час виконання роботи за вказаними темами та господарськими договорами автор був розробником математичних моделей, методів розрахунку усадки та пошуку площини роз'єму.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка математичних моделей та методів автоматизації проектування технологічного оснащення, а також вирішення на цій основі важливого науково-технічного завдання - підвищення гнучкості й ефективності технологічної підготовки виробництва виробів із пластмас.

Для досягнення поставленої мети роботи необхідне вирішення таких завдань:

- провести аналіз існуючих математичних моделей, що описують структурні і параметричні характеристики технологічного оснащення, а також аналіз методів його автоматизованого проектування;

- розробити інформаційну модель виливної форми, модель середовища її функціонування, структурно-параметричну модель і системну модель на мові регулярних системних моделей, які дозволять розробити математичне і програмне забезпечення інтегрованої системи автоматизованого проектування технологічного оснащення;

- розробити метод пошуку площини роз'єму ВФ і метод розрахунку конструктивних параметрів технологічного оснащення, які дозволять підвищити точність інтерполяції траєкторії переміщення ріжучої кромки інструменту верстата ЧПК;

- розробити інтегровану систему автоматизованого проектування, яка дозволить визначити порядок проектування технологічного оснащення і характер зв'язків конструктивних елементів та забезпечить технічну реалізацію запропонованих моделей і методів.

Об'єкт дослідження - процес автоматизованого проектування технологічного оснащення для формоутворення пластмасових деталей.

Предмет дослідження - моделі і методи автоматизованого проектування виливних форм.

Методи дослідження: теорія множин для опису середовища функціонування ТО; теорія графів і регуляризації для структурно-параметричного моделювання технологічного оснащення; теорія опуклих множин для опису геометрії деталі, що виготовляється.

Наукова новизна отриманих результатів. У роботі отримано такі наукові результати:

1. Вперше розроблено інформаційну модель структури виливної форми, модель її функціонування, структурно-параметричну і системну модель технологічного оснащення на мові регулярних системних моделей, які дозволять:

- отримати раціональну конструкцію проектованого оснащення завдяки тому, що враховуються конкретні технічні обмеження, які накладаються навколишнім середовищем;

- генерувати множину альтернатив виливної форми, що дозволить уникнути необґрунтованого ускладнення завдання проектування;

- розробити математичне і програмне забезпечення інтегрованої системи автоматизованого

проектування технологічного оснащення;

2. Набув подальшого розвитку метод ухвалення технічного рішення при проектуванні технологічного оснащення, який надасть можливість підвищити ефективність проектування і зменшити час на проектні роботи;

3. Вдосконалені методи пошуку площини роз'єму виливної форми і розрахунку конструктивних параметрів технологічного оснащення, які дають можливість запобігти деформації виробу при його витяганні з форми, враховують усадку матеріалу, дозволяють підвищити точність лінійної та кругової інтерполяції траєкторії переміщення ріжучої кромки інструменту верстата ЧПК, та забезпечують підвищення точності виробів, які виготовляються.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені математичні моделі, методи автоматизації проектування і програмний продукт можуть бути використані в технологічній підготовці виробництва виробів радіоелектронного приладобудування. Підтвердженням цьому є широка апробація результатів на підприємствах Міністерства промислової політики України і впровадження в Державному Науково-дослідницькому центрі нормативно-технічних матеріалів з праці Міністерства промислової політики України, що підтверджено актами впровадження. Практичний результат дозволяє забезпечити зменшення трудомісткості при виробництві виробів із термопластів радіоелектронного приладобудування.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи виконані безпосередньо автором та опубліковані в роботах [1 - 19]. У наукових роботах, опублікованих у співавторстві, авторові належить: у [1] - розробка механізму формування узагальненої інформаційної моделі ТО; у [2] - аналіз методів ухвалення рішення при проектуванні ТО; у [3] - вибір технологічних режимів при автоматизованому проектуванні ТО; у [4] - розробка системи «обладнання-оснащення-деталь» (ООД); у [5] - розробка узагальненої структурно-параметричної моделі ВФ; у [6] - вибір матеріалу при проектуванні ВФ; у [7] - розробка моделі функціонування ТО; у [8] - розробка методу розрахунку оформляючих деталей оснащення для технологічного забезпечення життєвого циклу пластмасових виробів радіоелектронної апаратури; у [9] - розробка термодинамічної моделі життєвого циклу електронної апаратури; у [10] - формалізація опису поверхні виливної деталі; у [11] - визначення методу розрахунку технологічних режимів процесу виливання й аналіз методів формоутворення полімерних деталей; у [12] - розробка методу ухвалення технічного рішення при проектуванні ТО; у [13] - визначення ключових параметрів моделі функціонування; у [14] - діагностування ВФ; у [15] - обробка даних у модулі розрахунку конструктивних параметрів технологічного оснащення у САПР; у [16] - розв'язання задачі оптимізації розташування поверхонь роз'єму ВФ у САПР; у [17] - розробка структурно-параметричних моделей альтернатив ВФ; у [18] - розробка розрахункових співвідношень для термостабілізації в ТО при виготовленні виробів РЕА; у [19] - вирішення задачі технологічного забезпечення точності розмірів при формоутворенні пластмасових виробів.

Апробація результатів дисертаційних наукових досліджень проводилася на постійно діючих семінарах кафедри технології та автоматизації виробництва радіоелектронних та електронно-обчислювальних засобів Харківського національного університету радіоелектроніки та на таких наукових конференціях та семінарах: 11-му, 12-му та 13-му Міжнародному молодіжному форумі «Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке», (м. Харків, ХНУРЕ, 2007, 2008, 2009 рр.); 17-й, 18-й Міжнародній конференції «Нові технології у машинобудуванні», (Харків - Рибачьє, 2007, 2008 рр.); 2-й Міжнародній науковій конференції «Электронная компонентная база. Состояние и перспективы развития», (м. Туапсе, 2009 р.); 4-й та 5-й Міжнародній молодіжній науково-технічній конференції «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ - 2008, 2009», (м. Севастополь, 2008, 2009 рр.); 3-му Міжнародному Радіоелектронному Форумі «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» МРФ - 2008, (м. Алушта, 2008 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 19 наукових праць, з них: 10 статей, 8 з яких у фахових наукових виданнях, які входять до переліків, затверджених ВАК України та 9 праць у збірниках тез доповідей.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, сімох додатків та переліку використаних джерел. Повний обсяг роботи 208 с. Робота містить: 54 рисунка (на 19 сторінках), 21 таблиця (на 11 сторінках), перелік використаних джерел із 140 найменувань (на 12 сторінках) та 7 додатків (на 16 сторінках).

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність завдань, які вирішуються в дисертаційній роботі, формулюється мета дослідження, а також визначається наукова новизна і практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі проводиться огляд і аналіз існуючих досліджень в галузі автоматизації проектування технологічного оснащення, а саме: технологій та методів автоматизації проектування технологічного оснащення в сучасних САПР, методологій математичного моделювання при структурно-параметричному описі деталей виливних форм. Проведений аналіз математичних моделей та методів оптимального проектування ТО, і обґрунтовується вибір напряму дослідження.

У процесі аналізу встановлена відсутність єдиної класифікації ВФ, що пояснюється великою різноманітністю конструкцій виробів з різних полімерних матеріалів і множиною конструкцій ВФ. Конструювання ВФ засноване на новітніх досягненнях науки і техніки в областях переробки термопластів у вироби, опори матеріалів, гідравліки, теплопередачі, технології обробки металів у поєднанні з аналізом роботи найбільш вдалих конструкцій ВФ, проте, ряд питань проектування форм недостатньо вивчений.

Особлива увага в сучасних САПР приділяється підготовці моделей, розрахунку і оптимізації конструкцій, практичному застосуванню методу проектування ВФ, але вони не враховують або не повністю враховують таку технологічну особливість при проектуванні як усадка, яка залежить не тільки від типу виливного матеріалу, але і від форми виробу, що виготовляється. Тому у роботі планується розробити інформаційну модель ВФ, модель середовища її функціонування, структурно-параметричну модель і системну модель ТО на мові регулярних системних моделей; метод пошуку площини роз'єму ВФ та метод розрахунку конструктивних параметрів ТО.

Таким чином, на основі проведеного аналізу існуючих моделей та методів автоматизованого проектування ТО для виготовлення деталей із пластмас сформульовано мету та завдання дослідження.

Другий розділ дисертації присвячений розробці: інформаційної моделі ВФ, яка потрібна для створення БД; моделі середовища функціонування ВФ, яка описує об'єкт проектування в часі і зовнішньому середовищі; методу прийняття технічного рішення; методу пошуку площини роз'єму ВФ.

Декомпозиція ВФ на зв'язані складові елементи, цілісність функціонування та ряд інших властивостей яких, дозволяє інтерпретувати їх як технічні системи, що мають всі відповідні характеристики. Найважливішу групу цих характеристик складають зв'язки ВФ із навколишнім середовищем, у зв'язку з цим видається можливим представити модель середовища функціонування ВФ або систему ООД. Запропоновану модель можна представити у вигляді множини, що складається з елементів підмножин, індексованих , таких, що входять в систему, утворену ВФ та m-ою виливною машиною (ВМ):

 , , (1)

де - виливна машина; - засіб контролю виливання; - силовий привід; - процес виливання; - деталь, що виготовляється із пластмас.

Елемент «виливна машина» можна відобразити як:

, , (2)

де - номер виливної машини; - модель ВМ; - параметри робочої зони для ВМ; - параметри приєднувальних місць ВМ.

Елемент «робітник» можна представити як:

, , (3)

де - порядковий номер робітника, що працює на ВМ; - дані про робітника (прізвище, ім'я, по батькові), що працює на ВМ; - антропометричні дані робітника, що працює на ВМ; - інженерно-психологічні дані робітника, що працює на ВМ.

Засіб контролю виливання надамо у вигляді:

, , (4)

де - номер засобу контролю для ВМ; - назва засобу контролю для ВМ; - тип засобу контролю для m-ї ВМ.

Силовий привід надамо у вигляді:

, (5)

де - номер силового приводу для ВМ; - назва силового приводу для ВМ; - тип силового приводу для ВМ; - робочий тиск силового приводу для ВМ.

Елемент «процес виливання» містить такі інформаційні характеристики:

, , (6)

де - тиск розплаву для j-го процесу виливання ВМ; - температура витримки j-го процесу виливання; - температура ВФ під час j-го процесу виливання; - температура розплаву під час j-го процесу виливання; - час витримки j-го процесу виливання; - час циклу j-го виливання.

Запропоновано інформаційну модель деталі, яку можна представити у вигляді:

, , (7)

де - номер деталі із пластмаси; - найменування j-ї деталі; - 3D модель j-ї деталі; - креслення j-ї деталі; - габарити j-ї деталі; - маса j-ї деталі; - матеріал для виготовлення j-ї деталі із пластмаси m-ою ВМ; - фізико-механічні властивості початкового матеріалу j-ї деталі; - якість поверхні j-ї деталі.

У наданому дослідженні вибраний клас деталей радіоелектронної апаратури.

Запропонована модель середовища функціонування дозволяє визначити функцію взаємодії середовища і ВФ. Параметрами цієї функції є: виливна машина, робітник, засіб контролю виливання, силовий привід, процес виливання. Ці параметри визначають обмеження в системі підтримки і ухвалення рішення при виборі раціонального конструктивного варіанту ВФ.

Розроблено метод ухвалення технічного рішення, який на відміну від відомих, заснований на використанні запропонованих критеріїв, що характеризують зміну конструкції розробленої ВФ у порівнянні з прототипом, це надало можливість оптимізувати конструкцію ВФ за витратами, надійністю, технологічністю, точністю, та значно скоротити час проектування.

До системи критеріїв належать:

- мінімальні приведені витрати

, (8)

де - витрати на i-ту зміну, викликану додаванням / видаленням відповідного конструктивного елементу (КЕ) ВФ; , якщо має місце i-те відхилення від прототипу; - витрати на доопрацювання конструкції ВФ при сполученні i-го із j-м КЕ; , якщо потрібне доопрацювання j-го КЕ ВФ за наявності i-ї зміни конструкції, інакше .

- мінімальна трудомісткість

, (9)

де - трудомісткість i-ї зміни, викликаної додаванням / видаленням відповідного КЕ ВФ; - трудомісткість доопрацювання конструкції ВФ;

- максимальна надійність

, (10)

де - підвищення надійності ВФ за рахунок i-ї зміни, викликаної додаванням / видаленням відповідного елементу; - підвищення / зменшення надійності ВФ за рахунок доопрацювання конструкції ВФ при сполученні i-го із j-м елементом конструкції ВФ;

- максимальна точність пластмасових виробів

, (11)

де - підвищення точності пластмасового виробу за рахунок i-ї зміни, викликаної додаванням / видаленням відповідного елементу; - підвищення / зменшення точності пластмасового виробу за рахунок доопрацювання конструкції ВФ при сполученні i-го із j-м елементом конструкції ВФ.

Обмеження - вартість i-ї зміни не повинна перевищувати задану , трудомісткість i-ї зміни не повинна перевищувати задану та точність i-ї зміни повинна перевищувати задану .

У розділі вирішується завдання пошуку площини роз'єму, розглянуті і проаналізовані існуючі методи. Порівняння різних методів представлення інформації щодо поверхні виливної деталі, що надають можливість ефективно обчислювати ті або інші її характеристики (нормальні вектори, кривизни і т. ін.), дозволяє дійти висновку, що найбільш адекватною є структура даних, відома як теорія опуклих множин, в основу якої покладена апроксимація за допомогою опорних функцій. У зв'язку з цим видається можливим вдосконалити метод розв'язання задачі пошуку площини роз'єму.

Нехай поверхня виливної деталі апроксимована за допомогою опорних функцій, що визначають поверхню переміщення ріжучої кромки інструменту при обробці оформляючої поверхні (ОП) на оброблювальному центрі з ЧПК. Кожному елементу поверхні утворюючої грань деталі, що визначає її лінійну інтерполяцію траєкторії переміщення ріжучої кромки, можна поставити у відповідність її нормальний вектор, що є градієнтом функції, яка відображає оформляючу поверхню в системі координат верстата. Нехай відомий приблизний напрям нормального вектора площині роз'єму, отже, задано і початкове наближення нормального вектора площини роз'єму . - множина елементів поверхні. Представимо множину граней G як три непересічні підмножини: . Припустимо, що включає грані, нормальні вектори яких майже перпендикулярні до вибраного напряму . Необхідно відкоректувати вектор так, щоб мінімізувалася функція за умови , внаслідок цього знайдемо вектор, який в середньоквадратичному найбільш ортогональний всім векторам для . Для вирішення цього завдання можна використовувати функцію Лагранжа. Введемо лінійний оператор , нехай , тоді вирішенням буде розв'язання спектральної задачі для оператора А. Спектр лінійного оператора розташовуватиметься на позитивної дійсній півосі, оскільки оператор А позитивний. Завдання зводиться до пошуку мінімального власного значення оператора А і відповідного йому власного вектора. Для знаходження цих значень був запропонований метод Ланцоша.

Таким чином, розглянута сукупність моделей та методів проектування ТО дозволить визначити порядок проектування оснащення, характер зв'язків КЕ та підготувати основу для практичної реалізації запропонованих моделей і методів.

Третій розділ присвячений структурно-параметричному моделюванню технологічного оснащення. Отримано структурно-параметричний опис конструкції ВФ. Розроблено метод розрахунку конструктивних параметрів ТО.

Структурно-параметрична модель описує, з яких підсистем, блоків, деталей складається ВФ, як ці компоненти сполучені і взаємодіють між собою, які їх вагові, габаритні характеристики і тому подібне. На базі інформаційних моделей для ВФ з твердіючими літниками (ВФЗЛ), для ВФ з нетвердіючими літниками (ВФНЛ), для безлітникової форми (БВФ) і для ВФ з піднутреннями (ВФП) запропоновано структурно-параметричний опис, який можна надати у вигляді математичної моделі (наприклад, для ВФЗЛ):

, (12)

де - оформляючі деталі; - система направляючих елементів; - система виштовхування; - система охолоджування; - система випорів; - виливна система; - площина роз'єму.

Для опису оформляючих деталей ВФ запропонований такий запис:

 , (13)

де - номер оформляючої деталі (ОД); - назва «елементу» (матриця, пуансон) ОД; q - кількість типів «елементів» ОД; - тип ОД (наприклад, матриця складена); - форма (конструкція) ОД; - місце розташування «елементів» ОД; - матеріал ОД.

Направляюча, виливна система та системи виштовхування, охолодження, випорів містять такі самі характеристики.

Розроблена структурно-параметрична модель відрізняється від відомих тим, що на її основі можно побудувати дерево структурних властивостей елементів (рис. 1).

У наданому дослідженні вибраний змішаний тип виробництва (дрібносерійний і середньосерійний), що доводить гнучкість вибраної математичної моделі.

На базі структурного-параметричного опису видається можливо скласти системну модель технологічного оснащення (14). Представимо модель ВФ на мові регулярних системних моделей (РРСМ):

,

де ,

де ,

де ,

де , (14)

де - системна модель n-го конструктивного елементу (КЕ) n-го виду n-го типу n-ї підсистеми n-ї ВФ. Підставляючи вираз в , і відповідно в і так далі, можна отримати системну модель в базисі деталей, видів, типів, підсистем, альтернатив ВФ.



Рис. 1 Дерево структурних властивостей елементів для ВФ

Побудувавши системні моделі конструктивних елементів ВФ за проектними діями, стратами проектування, рівнями проектування, фазами життєвого циклу КЕ і надавши їх у вигляді програми, отримаємо формальне представлення технологічного оснащення на мові регулярних схем системних моделей, що дає можливість використовувати методи комп'ютерної обробки системних моделей для того, щоб їх можна було аналізувати і виконувати формальні дії над ними.

Невід'ємною частиною автоматизації проектування технологічного оснащення є розрахунок розмірів конструктивних параметрів ТО з урахуванням особливостей усадки.

У третьому розділі наведені відомі розрахункові моделі матриці, пуансона, формуючого елементу. Вдосконалений метод розрахунку конструктивних параметрів ВФ з урахуванням нестабільності усадки пластмаси. Усадка і її стабільність від циклу до циклу виливання є основним чинником, що визначає точність розмірів виробу, тому необхідно враховувати всі її особливості. Відносна фактична усадка дорівнює:

, (15)

де - розмір оформляючих деталей (ОД) зовнішні поверхні виробу; - розмір елементів, що оформляють внутрішні поверхні виробу.

Запропоновано алгоритм обробки даних в модулі розрахунку конструктивних параметрів оснащення. Пропонується для пошуку S - цільової функції використовувати метод повного перебору. Здійснюємо розрахунок - передбачуваної лінійної усадки:

, (16)

де - номінальний розмір елемента деталі при симетричному розташуванні поля допуску. Розв'язавши (16) відносно (або ), отримаємо дві основні формули (17) і (18), за якими розраховуються розміри всіх оформляючих деталей. Для елементів, що оформляють зовнішні поверхні виробу,

, (17)

для елементів, що оформляють внутрішні поверхні виробу,

(18)

де - заданий знос елементу оформляючої поверхні за час експлуатації ВФ, мм, залежно

від допуску виробу і характеру виробництва він приймається 0,020,20 мм; - допуск на виготовлення елементу оформляючої поверхні і , зазвичай має бути на 1 2 класи вище за допуск на розмір виробу.

До складових частин загальної усадки належать: ускладнена усадка до витягання пуансона , %, що досягає 20-40% ; вільна усадка виробу після витягання пуансона, розраховується за формулою (19)

, (19)

де - різниця температур, яка дорівнює , К; - коефіцієнт лінійного розширення; t' - температура виробу у зіштовхуючої плити на початку витягання пуансону, К; t' < tт; - температура навколишнього середовища.

У ході проведеного дослідження виявлено, що значення усадки залежить не тільки від матеріалу, але і від форми виробу, внаслідок цього можливо вдосконалити розрахункову модель для обчислення передбачуваної усадки

, (20)

де - функція поправки, яка враховує форму виробу (зображена на рис. 2); - змінна, що характеризує форму виробу і неоднорідність властивостей матеріалу деталі за об'ємом для об'ємної деталі і за площею для плоскої деталі (20)

 (21)

Рис. 2 Схема алгоритму подання

Таким чином, розроблені структурно-параметрична модель, системна модель ТО та метод розрахунку конструктивних параметрів дозволяють формалізувати конструкцію ВФ, генерувати множену вариантів вибору для конструктора ВФ та підвищити точність виробу, що виготовляється тому що враховуються усі особливості пластмасового матеріалу та форма виробу.

Четвертий розділ дисертації присвячений програмній реалізації автоматизації проектування технологічного оснащення й експериментальним дослідженням, які підтверджують достовірність отриманих результатів. Для розробки логічної структури бази даних був проведений аналіз початкової інформації і досліджений ступінь залежності зв'язків у ній, внаслідок досліджень визначена структура баз даних (БД), яка складатиметься з двох підсистем: «Довідкова» і «Накопичувальна» БД. Елементи БД «Накопичувальна» взаємопов'язані з БД «Довідкова». Підсистема БД «Довідкова» містить інформацію про вигляд, основні характеристики, усадку, список основних елементів ВФ і деталі, що виготовляються в ній. БД «Накопичувальна» розроблена для зберігання інформації про кожну виливну деталь та альтернативу ВФ, розроблених в САПР з можливістю редагування, дозволяє зберігати і розраховувати усадку полімерів для створюваних деталей. Розроблена БД відповідає основним законам створення БД і містить мінімальну кількість зв'язків, що зручно для швидкого доступу до інформації за мінімальний проміжок часу з можливістю швидкої заміни і взаємодоповнення - дозволяє зменшити витрати часу під час проектування оснащення.

У ході експерименту був вибраний динамічний інтерфейс, який складається з частини «адміністратора» БД, що забезпечує можливість додавання і редагування інформації в реальному часі і в «призначеній» для користувача частині - для роботи із створенням нових деталей з примітивів і нових альтернатив ВФ. Головна форма програми представлена на рис. 3.



Рис. 3 Вид інтерфейсу: а) головна форма програми проектування деталі; б) форма проектування ВФ

Для експериментальної перевірки необхідно проаналізувати і порівняти систему з тими аналогами, що існують в Україні і СНД.

Як аналог для порівняльного аналізу вибрана T-Flex, оскільки ця САПР максимально адаптована до сучасного виробництва. При виборі основних параметрів для оцінки ефективності розроблених моделей і методів зверталася увага як на собівартість готового програмного продукту, так і на трудомісткість розробки 3D моделі виливної деталі та трудомісткість розробки ВФ.

Як деталі для досліджень вибрані «Ізолятор площинний гладкий», оскільки він може бути складовою частиною великої деталі і є простим елементом, що дає можливість наочно побачити етапи ідентифікації КЕ по розроблених математичних моделях, і «Ізолятор конічний з ребрами на зовнішній поверхні без отворів» як приклад деталі складної конфігурації.

На рис. 4. зображена діаграма часу розробки деталей на базі розробленої системи і системи T-Flex фірми «Топ системи». Діаграма починається з передачі в САПР 3D моделі деталі і закінчується проектуванням альтернативи ВФ.

Рис. 4 Діаграма часу розробки ВФ для деталей: а) деталь типу «Ізолятор площинний гладкий» та «Ізолятор конічний з ребрами на зовнішній поверхні без отворів» (); б) нетипова деталь

Таким чином, проведені експерименти показали, що розроблені математичні моделі дозволяють скоротити витрати часу на етапі розробки 3D моделі на 32% в порівнянні з аналогом.

Розроблена САПР зменшує витрати часу проектування ТО на 52% порівняно з аналогом, оскільки деякі початкові дані задаються під час проектування 3D моделі деталі. Аналіз отриманих результатів показав ефективність і доцільність впровадження їх в практику автоматизації проектування ТО. Економічний ефект використання наданої розробки підтверджений актами впровадження і складає 25 тис. грн. на одне робоче місце.

У додатках наведені: акти впровадження результатів; таблиця з технологічними характеристиками термопластичних матеріалів; таблиця умов переробки термопластів виливанням під тиском, таблиця температурних інтервалів виливання термопластів.

ВИСНОВКИ

У поданій дисертаційній роботі наведені результати, які відповідають меті дослідження і в сукупності є вирішенням актуального науково-технічного завдання - розробка моделей і методів автоматизації проектування ТО для виготовлення виробів із пластмас.

У дисертації отримані такі теоретичні і практичні результати.

1. На основі аналізу існуючих математичних моделей, що описують структурні і параметричні характеристики ТО, можна відзначити, що ці моделі і методи не повною мірою враховують весь комплекс параметрів, які є визначальними при розробці програм управляючих верстатів з ЧПК для виготовлення оснащення. Запропонований підхід до проектування ТО дозволив використовувати під час проектування коректні проектні процедури, підвищити точність виготовлення пластмасових деталей радіоелектронної апаратури, врахувати їх геометричну різноманітність і зменшити час на проектні роботи.

2. Вперше розроблено комплексну модель, що складається з інформаційної моделі ВФ, моделі середовища її функціонування, структурно-параметричної моделі і системної моделі ВФ, яка дозволяє підвищити точність виготовлення радіоелектронних деталей за рахунок обліку нестабільності властивостей усадки пластмасового матеріалу і її залежності від форм деталі. Розроблена модель дозволяє визначити функцію взаємодії середовища і ВФ, параметри якої є конкретними обмеженнями в системі підтримки і ухвалення рішення при виборі раціонального конструктивного варіанту ВФ. Ця модель дозволяє генерувати множину варіантів вибору для конструктора ВФ, що забезпечує уникнення необґрунтованого ускладнення завдання проектування ТО.

3. Отримав подальший розвиток метод ухвалення технічного рішення, який на відміну від відомих, заснований на використанні запропонованих критеріїв, що характеризують зміну конструкції розробленої ВФ у порівнянні з прототипом, це надало можливість оптимізувати конструкцію ВФ за витратами, надійністю, технологічністю, точністю, та значно скоротити час проектування.

4. Вдосконалені методи пошуку площини роз'єму ВФ і розрахунку конструктивних параметрів ТО, які дають можливість запобігти деформації виробу при його витяганні з форми, враховують усадку матеріалу, дозволяють підвищити точність лінійної та кругової інтерполяції траєкторії переміщення ріжучої кромки інструменту верстата ЧПК, та забезпечують підвищення точності виробів, які виготовляються.

5. На базі розроблених математичних моделей і методів вдосконалена інтегрована система автоматизованого проектування ТО, яка дає можливість забезпечити вирішення задачі проектування виробів і технології їх виготовлення. Завдяки можливості інтеграції всіх етапів моделювання і проектування скорочується час проектування ТО.

6. Порівняльний аналіз показав, що розроблена САПР зменшує витрати часу проектування ТО на 52% в порівнянні з аналогом за рахунок розроблених моделей і методів. Економічний ефект використання розробки підтверджується актами впровадження і складає 25 тис. грн. на одне робоче місце.

7. Результати дисертаційної роботи впроваджені на підприємствах при автоматизації проектування виробів у Державному Науково-дослідному центрі нормативно технічних матеріалів з праці Міністерства промислової політики України і в «Науково-дослідному технологічному інституті приладобудування», «Промгідропрівід», НВО «Агротехніка», економічний ефект підтверджений актами впровадження.

8. Дослідження в області автоматизації проектування ТО для виробів із пластмас виявив ряд нових завдань проектування літника системи і системи охолоджування, що доцільно врахувати при подальшому удосконаленні запропонованої САПР ТО для пластмасових виробів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Невлюдов И.Ш. Информационная модель технологической оснастки для производства пластмассовых деталей / И.Ш. Невлюдов, Е.П. Второв, С.В. Сотник // Технология приборостроения. - 2007. - № 1. - С. 28-31.

2. Невлюдов И.Ш. Анализ методов принятия решения при проектировании технологической оснастки / И.Ш. Невлюдов, Е.П. Второв, С.В. Сотник // Радиоэлектроника и информатика. - 2007. - № 2(37). - С. 69-73.

3. Невлюдов И.Ш. Выбор технологических режимов при автоматизированном проектировании технологической оснастки для изготовления полимерных материалов / И.Ш. Невлюдов, Е.П. Второв, С.В. Сотник // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. «ХАІ». - 2008. - № 1(28). - С. 82-86.

4. Сотник С.В. Информационное моделирование функционирования технологической оснастки для изготовления деталей из пластмасс / С.В. Сотник // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2008. - № 4/5(34). - С. 21-23.

5. Невлюдов И.Ш. Структурно-параметрическое описание литьевой формы для производства деталей из пластмассы / И.Ш. Невлюдов, Е.П. Второв, С.В. Сотник // Технология приборостроения. - 2008. - № 1. - С. 40-44.

6. Второв Е.П. Выбор материала при проектировании литьевой формы / Е.П. Второв, С.В. Сотник, Е.А. Бойко // Вестник НТУ «ХПИ». - 2008. - № 43. - С. 125-128.

7. Невлюдов И.Ш. Интегрированная система проектирования оснастки для изготовления деталей из пластмассы / И.Ш. Невлюдов, А.А. Андрусевич, С.В. Сотник // Технология приборостроения. - 2009. - № 1. - С. 10-13.

8. Невлюдов И.Ш. Метод расчета оформляющих деталей формообразующей оснастки для технологического обеспечения жизненного цикла пластмассовых изделий РЭА / И.Ш. Невлюдов, А.А. Андрусевич, С.В. Сотник // Радиотехника. - Ч. 2. - Х., 2009. - № 156. - С. 240-243.

9. Невлюдов И.Ш. Термодинамическая модель жизненного цикла электронной аппаратуры / И.Ш. Невлюдов, А.А. Андрусевич, С.В. Сотник // Вісті академії інженерних наук України. - 2007. - № 3(33). - С. 132-134.

10. Невлюдов И.Ш. Решение задачи оптимизации расположения поверхностей разъема
литьевой формы в САПР / И.Ш. Невлюдов, Е.П. Второв, С.В. Сотник // Новые технологи в машиностроении. «ХАИ». - 2008. - № 3(54). - С. 95-100.

11. Невлюдов И.Ш. Выбор технологических режимов при автоматизированном проектировании технологической оснастки для изготовления полимерных материалов / И.Ш. Невлюдов, Е.П. Второв, С.В. Сотник // Новые технологи в машиностроении. «ХАИ». 3 - 8 сент. 2007 г.: тез. докл. - Харьков-Рыбачье, 2007. - С. 18.

12. Сотник С.В. Принятие технического решения при проектировании технологической оснастки / С.В. Сотник // Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке: 11-й Междунар. молодеж. форум, 10 - 12 апр. 2007 г.: тез. докл. - Х., 2007. - С. 244.

13. Сотник С.В. Модель функціонування технологічного оснащення / С.В. Сотник // Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке: 12-й Междунар. молодеж. форум, 1 - 3 апр. 2008 г.: тез. докл. - Х., 2008. - С. 223.

14. Невлюдов И.Ш. Диагностирование литьевых форм для изготовления изделий из пластмассы / И.Ш. Невлюдов, Е.П. Второв, С.В. Сотник // Электронная компонентная база. Состояние и перспективы развития «МРФ - 2008»: 1-ая Международная научная конф., 30 сент. - 3 окт. 2008 г.: тез. докл. - Харьков - Судак, 2008. - С. 187-190.

15. Сотник С.В. Обработка данных в модуле расчета конструктивных параметров технологической оснастки в САПР / С.В. Сотник // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ - 2008»: 4-я Международная молодежная научно-техническая конф., 21 - 25 апр. 2008 г.: тез. докл. - Севастополь, 2008. - С. 228.

16. Невлюдов И.Ш. Решение задачи оптимизации расположения поверхностей разъема литьевой формы в САПР / И.Ш. Невлюдов, Е.П. Второв, С.В. Сотник // Новые технологии в машиностроении: 18-я Международная конф., 3 - 8 сент. 2008 г.: тез. докл. - Харьков-Рыбачье, 2008. - С. 17.

17. Сотник С.В. Структурно-параметричне моделювання технологічної оснастки / С.В.Сотник // Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке: 13-й Междунар. молодеж. форум, 30 марта - 1 апр. 2009 г.: тез. докл. - Х., 2009. - С. 111.

18. Сотник С.В. Расчетные соотношения для термостабилизации в технологической оснастке при изготовлении изделий РЭА / С.В. Сотник, А.А. Андрусевич // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ - 2009”: 5-я Международная молодежная научно-техническая конф., 20 - 25 апр. 2009 г.: тез. докл. - Севастополь, 2009. - С. 207.

19. Невлюдов И.Ш. Технологическое обеспечение точности размеров при формообразовании пластмассовых изделий / И.Ш. Невлюдов, С.В. Сотник // Электронная компонентная база. Состояние и перспективы развития: 2-я Ме-ждународная научная конф., 30 сент. - 3 окт. 2009 г.: тез. докл. - Харьков-Кацивели, 2009. - С. 183-186.

Размещено на Allbest.ru

...