Модуль оптимізації токарної обробки ступінчастих валів на верстатах з числовим програмним керуванням

Размещено на http://allbest.ru

Размещено на http://allbest.ru

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Модуль оптимізації токарної обробки ступінчастих валів на верстатах з числовим програмним керуванням

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

токарний ступінчастий вал верстат

Актуальність роботи. У машинобудуванні значна кількість деталей є ступінчастими валами, які обробляються переважно на токарних верстатах з ЧПК. Широке впровадження верстатів з ЧПК супроводжується могутньою підтримкою з боку систем автоматизованого проектування технологічної підготовки виробництва (CAD/CAM-систем). Такі системи інтегрують в собі функції проектування формоутворювальних траєкторій і функції технологічної підготовки виробництва щодо вибору інструменту, проектування технології обробки, призначення режиму різання тощо. Функції проектування траєкторій формоутворення повністю автоматизовані, тоді як, навіть у найбільш просунутих систем, технологічні функції призначення режиму різання повністю віддані на суб'єктивне вирішення технолога. І хоча у напрямі вдосконалення процесу токарної обробки за рахунок підвищення режиму різання, вибору його оптимальних технологічних параметрів вже досягнуть певний рівень, а сучасний верстат з ЧПК може реалізовувати безступінчасте управління всіма складовими режиму різання, технолог-програміст призначає режим обробки виходячи з власного досвіду, довідників або користуючись рекомендаціями фірми-виробника інструменту. Тому істотно знижується ефективність процесу точіння, зокрема при обробці ступінчастих валів, яка, особливо при виготовленні валів із заготовок типу прутка, характеризується квазістаціонарною і багатопрохідністю. Останні дві обставини приводять до необхідності перманентного управління режимом різання для досягнення заданих його характеристик.

Таким чином, в теоретичному плані залишається актуальною проблема розробки концепції оптимального управління процесом токарної обробки, реалізованої в середовищі CAM-системи технологічної підготовки для верстатів з ЧПК. Відсутність надійного математичного опису процесу точіння, яке слугувало б основою визначення оптимальних складових режиму точіння і було б адаптоване до автоматичного функціонування в CAM-системі, а також відповідних програм технологічної підготовки не дозволяє використовувати на виробництві оптимальні режими різання.

Тому робота, направлена на вирішення проблем оптимізації токарної обробки широкого класу деталей, якими є ступінчасті вали, актуальна для технології машинобудування як науки, так і для машинобудівного виробництва.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Робота виконувалася відповідно до затверджених технічних завдань Держбюджетних науково-дослідних робіт кафедри Технології машинобудування НТУУ «КПІ» (№ 2915-п тема «Розробка технологічних основ комп'ютерно-інтегрованого проектування і управління процесами обробки і збірки в машинобудуванні») по пріоритетному напряму згідно Закону України "Про пріоритетні напрями розвитку науки і техніки": Нові технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості і агропромисловому комплексі і планом робіт Галузевої науково-методичної лабораторії віртуальних засобів навчання при Механіко-машинобудівному інституті НТУУ «КПІ».

Мета і завдання дослідження. Головною метою роботи є розробка концепції оптимального управління процесом токарної обробки на верстатах з ЧПК і її реалізація для ступінчастих валів шляхом створення інтегрованого модуля CAD/CAM-системи технологічної підготовки виробництва.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі завдання:

Встановити критерій формування траєкторій на чорнових проходах при багатопрохідній обробці, розробити алгоритм проектування на базі уявлення геометричних образів елементів деталі і заготівки у вигляді дискретних цифрових масивів.

Розробити математичну модель силових характеристик процесу точіння з мінімальним використанням емпіричних залежностей, яка однак адекватно враховує режим різання і геометричні параметри різальної частини інструменту.

Розробити математичну модель утворення шорсткості при точінні з урахуванням як детермінованих, так і випадкових чинників, придатну для використання в програмному модулі забезпечення якості поверхні деталі.

Розробити метод оцінки зношування інструменту і прогнозування його стійкості в умовах постійно-змінних режимів різання.

Розробити алгоритм автоматичного вирішення задачі нелінійного програмування при визначенні оптимального режиму різання на верстаті з ЧПК і на його основі створити програмний модуль CAM-системи технологічної підготовки виробництва.

Провести експериментальні дослідження розробленого модуля для програмування процесу точіння ступінчастих валів і встановити можливі методи практичного управління результатами моделювання для адаптації до реальних умов виробництва.

Виконати порівняльні експериментальні дослідження процесів токарної обробки на верстаті з ЧПК за програмою, складеною відповідно до методики і за допомогою засобів фірми-виробника верстата і за програмою, спроектованою розробленим модулем CAM-системи.

Розробити практичні рекомендації по використанню створеного модуля технологічної підготовки обробки ступінчастих валів на токарних верстатах з ЧПК для машинобудівного виробництва.

Об'єкт дослідження - процес технологічного проектування токарної обробки ступінчастих валів на верстатах з ЧПК.

Предмет дослідження - процес точіння ступінчастих валів, системи автоматизованого програмування верстатів з ЧПК.

Методи дослідження. У роботі використовувалися методи теорії різання матеріалів і технології машинобудування, методи дискретної математики і аналітичної геометрії, методи оптимізації, методи системного аналізу і об'єктно-орієнтованого програмування.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Вперше розроблена концепція оптимального управління токарною обробкою на верстаті з ЧПУ за апріорною інформацією залежно від квазістаціонарних умов різання у напрямі формоутворювальної координати і часу обробки, доведена наявність оптимальної глибини різання при багатопрохідній обробці, що дозволило формалізувати завдання проектування траєкторій на чорновій обробці і завдання оптимізації режиму різання.

2. Вперше створений програмний модуль, як складова CAM-системи технологічної підготовки токарної обробки на верстаті з ЧПК, який в автоматичному режимі, на етапі моделювання, розраховує оптимальний режим різання і прогнозує зношування інструменту по задній поверхні.

3. Знайшли уточнення і уявлення в найбільш загальній формі обмеження, які утворюють область допустимих значень на фазовій площині «повздовжня подача - частота обертання шпинделя», що дозволило створити алгоритм автоматичного визначення оптимального режиму різання на кожному кроці моделювання.

4. Розроблена нова математична модель і програмне забезпечення для розрахунку складових сили різання при точінні, яка враховує як режим різання, так і геометричні параметри різальної частини інструменту, що дозволило істотно скоротити емпіричну частину.

5. Розроблена нова математична модель, алгоритм чисельного методу і програмне забезпечення для визначення шорсткості при точінні, яка є композиційною і враховує як детерміновану, так і випадкові складові процесу.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблений модуль САМ-системи технологічної підготовки обробки ступінчастих валів на верстатах з ЧПК, який гарантує оптимізацію процесу. Модуль пройшов практичну апробацію на ВАТ «Меридіан» (м. Київ) при підготовці програм обробки ступінчастих валів для верстатів з ЧПК типу SL10 фірми HAAS. Розроблені програмні продукти для прогнозування шорсткості обробленої поверхні, моделювання силових характеристик процесу точіння. Результати роботи використовуються в програмних продуктах лабораторії віртуальних засобів навчання, в навчальному процесі кафедри Технології машинобудування НТУУ «КПІ» при підготовці бакалаврів інженерної механіки і магістрів технології машинобудування.

Особистий внесок претендента. Автором розроблена модель силових характеристик процесу точіння, у частині визначення кута сходу стружки, складений алгоритм чисельного методу розрахунку детермінованої складової шорсткості обробленої поверхні, запропонований алгоритм автоматичного розв'язання однокритеріальної задачі оптимізації, запропоновано оцінювати стійкість інструменту при змінних режимах різання; алгоритм проектування формоутворювальних траєкторій, який заснований на розрахунку оптимальної глибини різання на чорнових переходах токарної операції, розроблені деякі процедури модуля оптимізації САМ-системи технологічної підготовки токарної обробки ступінчастих валів на верстатах з ЧПК, проведені експериментальні дослідження процесу обробки, виконані вимірювання якісних параметрів оброблених деталей.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень докладалися і обговорювалися на науково-технічних конференціях викладачів, аспірантів і співробітників Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» в 1999 - 2008 роках, VI (1999р.), VII (2000р.), XV (2008) та XVI (2009) Міжнародних науково-технічних конференціях «Машинобудування і техносфера ХХІ століття», м. Севастополь, Міжнародних науково-практичних конференціях “Прогресивна техніка і технологія”, 29-30 червня 2002р., 1-3 липня в 2003 р., 22 травня 2008р. м. Київ.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 9 наукових праць, всі - у наукових профілюючих виданнях за переліком ВАК України.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 89 найменувань, 3-х додатків. Основний текст представлений на 156 сторінках, містить 62 малюнків, і 8 таблиць. Загальний об'єм дисертації складає 203 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі представлені актуальність виконання дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі досліджень, наукова новизна і практичне значення, наведені дані з апробації результатів дисертації, виділено особистий внесок здобувача.

У першому розділі представлений аналіз розвитку досліджень в оптимізації технологічних процесів оброблення матеріалів різанням в контексті управління процесами токарної обробки на верстатах з ЧПК.

На початку розвитку машинобудування виникла потреба досконального вивчення процесів, які відбуваються при різанні металів. Були проведені цілі серії досліджень, виникли нові наукові школи, Грановського Г.І., Боброва В.Ф., Ящеріцина П.І., Розенберга О.М., Резніка А.Н., завдяки роботам яких було усунено багато білих плям з цієї області знань. Був досягнутий достатньо високий рівень вивчення процесу, отримані певною мірою адекватні математичні моделі багатьох його характеристик. Використовувались, в основному, емпіричні залежності, які пов'язували складові режиму різання з його характеристиками. Такі моделі використовувались в технології машинобудування для оптимізації процесів різання вченими наукових шкіл професорів Балакшина Б.С., Маталіна А.А., Корсакова В.С., Кована В.М., Тверського М.М., які розробляли різні методи оптимізації технологічних процесів виготовлення деталей машин різанням.

Проведений аналіз найбільш поширених методів оптимального вибору режиму різання: табличний, аналітичний, графоаналітичний, розрахунок на ЕОМ з використанням спеціальних програм. Для кожного з методів задача оптимізації технологічної операції вирішується шляхом встановлення трьох керованих параметрів процесу різання (глибини, подачі і швидкості різання) для забезпечення максимуму продуктивності або мінімуму собівартості. Проте, основним недоліком розглянутих методів слід визнати відсутність аргументації щодо розрахунку всіх складових режиму різання при точінні: глибини H, подачі S і швидкості V різання (частоти n обертання шпинделя). Легко помітити, що в кожному з розглянутих методів яка-небудь складова режиму (найчастіше глибина різання) просто вибирається з «технологічних міркувань». Режим різання, що забезпечує мінімальну собівартість і режим, що відповідає максимальній продуктивності, розрізняються в основному швидкістю різання і стійкістю інструменту. Швидкість різання по критерію максимальної продуктивності більша, а стійкість інструменту менша, що забезпечує велику продуктивність, але і вищі витрати на інструмент. З поширенням коштовних верстатів з ЧПК режим з максимальною продуктивністю є переважним.

Сьогодні вже важко представити підприємство, яке не використовує сучасні CAD/CAM-системи, через які найбільш просто здійснюється управління процесом різання та його оптимізація. Проте, зроблений аналіз довів, що, не зважаючи на велику кількість таких програмних продуктів, й досі відсутні функції автоматичного призначення режиму різання, не кажучи вже про його оптимізацію. Програми, що управляють, спроектовані за допомогою таких систем, забезпечують геометричне формоутворення, однак процес різання призначається технологом-програмістом і звичайно не є оптимальним. Найбільш «просунуті» САМ-системи (Vericut, Mastercam) найближче підійшли до вирішення задачі оптимального управління процесом різання при формоутворенні різних поверхонь деталей машин. Однак, розраховані закони управління є рекомендаційними, перевірочними, а математичний апарат, використаний для вирішення завдань оптимізації не розголошується.

Далі представлений аналіз досліджень, що спрямовані на вибір інструментів для токарної обробки ступінчастих валів, використання непереточувальних пластин на токарних верстатах з ЧПК. Дослідження направлені на розробку математичних залежностей, що дозволяють вирішити два завдання: визначення геометричних параметрів різця залежно від кутів орієнтації гнізда корпусу і розрахунок за заданою геометрією і типом пластини конструктивних кутів гнізда корпусу під пластину. Що стосується визначення стійкості інструменту, то розроблені методи слабко пристосовані до застосовування при оптимальному управлінні, коли швидкість різання, глибина і подача апріорі не є постійними величинами.

Аналіз сучасного стану досліджень по силових характеристиках процесу різання, які входять в модель задачі оптимізації, показують, що в даний час такі дослідження здійснюються, в основному, провідними інструментальними фірмами - Sandvik Caramant, SECO. Для математичних моделей використовуються залежності, побудовані на використанні питомої сили різання. Значення цього показника наводяться в каталогах фірми-виробника по групах матеріалів.

Для визначення впливу складових режиму різання і геометрії різальної частини інструменту на шорсткість обробленої поверхні, що також утворюють обмеження в задачі оптимізації, використовують різні види моделей, але всі вони не пристосовані для застосування у задачах оптимізації.

З проведеного аналізу сформульовані основні задачі, що треба вирішити для оптимізації токарної обробки ступінчастих валів на верстатах з ЧПК із застосуванням управління через САМ-систему.

У другому розділі розроблені математичні моделі, що складають основу задачі оптимізації та методи її вирішення. З позицій системного підходу процес точіння ступінчастих валів можна представляти як керований об'єкт, що знаходиться під дією збурень і на який можна впливати деякими сигналами на вході для приведення вихідної величини (або декількох величин) в бажаний оптимальний стан.

По-перше, була розроблена модель силових характеристик процесу точіння, яка зв'язує режим різання, геометричні параметри різальної частини інструменту, оброблюваний матеріал зі складовими сили різання:

 (1)

де C_Pz - коефіцієнт, який залежить тільки від матеріалу заготівки; x_Pz, y_Pz, n_Pz - показники ступеня; k - коефіцієнт, який залежить тільки від матеріалу інструменту; H, S_об, V - складові режиму різання - глибина (мм), подача (мм/об) і швидкість різання (м/хв) відповідно; а кут сходу стружки; с - передній кут

По-друге, виходячи з невизначеності граничних умов на етапі вирішення задачі оптимізації, був розроблений універсальний спосіб отримання детермінованої складової математичної моделі шорсткості поверхні, заснований на використанні чисельного методу розрахунку детермінованої складової шорсткості у вигляді цифрових масивів, які представляють дискретну геометричну модель ідеального профілю. Якщо початок системи координат співпадає з точкою а, то алгоритм можна побудувати за схемою рис.1. Принцип дії алгоритму пояснюється на схемі рис.1, де для аргументу x відповідають величини z₁ і z₂. Цикл обчислень повторюється з обраним кроком зміни аргументу до тих пір, поки аргумент не буде більший за S_об. В результаті утворюється масив даних, який представляє фрагмент ідеального профілю шорсткості поверхні, тобто детерміновану складову композиційної моделі.

(2)

(3)

де .

(4)

де

Рис.1. Схема визначення дискретної геометричної моделі ідеального профілю шорсткості і алгоритм розрахунку чисельним методом

В узагальненій композиційній моделі, яка складається з детермінованої періодичної складової і випадкової нормальної компоненти, щільність розподілу останньої в значній мірі визначається ваговим коефіцієнтом с, величина якого змінюється в діапазоні від 0 до 1. При с = 0 профіль містить тільки періодичну складену, при со= 1 - реалізацію випадкового стаціонарного процесу. Величина с несе в собі важливу інформацію про фізичні особливості процесу обробки і призначалась за результатами відомих експериментальних досліджень теорії різання.

По-третє, виходячи з однокритеріальної задачі оптимізації, для випадку обробки ступінчастих валів повздовжнім точінням з фіксованою глибиною різання, була складена оптимізаційна математична модель, що зв'язує обмеження і цільову функцію з подачею S і частотою n обертання шпинделя.

Зв'язки між управліннями S і n і періодом T стійкості інструменту, який визначає його різальну спроможність, потужністю N різання, обмеженнями за максимально допустимими силами подачі за верстатом, за міцністю інструменту, за жорсткістю заготовки тощо, отримані за відомими з теорії різання і опору матеріалів залежностями, а силові характеристики процесу визначаються за розробленою моделлю (1). Що стосується обмеження за необхідною шорсткістю Rz обробки, то встановлено, що в умову визначення допустимої подачі входить сама подача, що робить неможливим аналітичне розв'язання такої задачі. Тому був запропонований чисельний метод, який побудований за ітеративним принципом наближення із заданим кроком до розв'язку і розроблений відповідний алгоритм (рис.2).

Як оцінна функція f за критерієм максимальної продуктивності прийнято оскільки при цьому основний час обробки t_o = L/n min.

Розроблена оптимізаційна математична модель складає основу модуля оптимізації процесу повздовжнього точіння ступінчастих валів і доповнена процедурою автоматичного знаходження оптимальної вершини області допустимих значень режиму різання на фазовій площині S-n.

По-четверте, для вирішення проблеми розрахунку фактичного зношування різця при змінному режимі різання розроблений метод, що базується на використанні сімейства лінеаризованих залежностей кривих зношування, відповідних різним значенням періоду стійкості інструменту. Коефіцієнт нахилу лінеаризованих залежностей кривих зношування в цьому випадку може бути розрахований за формулою:

, (5)

де [hз]д - допустиме зношування різця по задній поверхні. Отже, прогнозоване зношування різця за один крок ? моделювання:

, (6)

а загальне зношування різця за всю технологічну операцію визначається як сума розрахованих за залежністю (6) елементарних зношувань.

В третьому розділі представлені розроблені процедури моделювання процесів токарної обробки за математичними моделями, що були отримані у другому розділі, з метою перевірки їх працездатності та підтвердження адекватності, оскільки у якості методу управління прийнятий метод управління за апріорною інформацією. Таким чином, загальна методика моделювання може бути охарактеризована як аналітичне моделювання з елементами імітаційного моделювання, які полягають у визначенні деяких параметрів обробки в процесі самого моделювання.

Розроблена математична модель (1) силових характеристик процесу точіння покладена в основу автономної прикладної програми, за допомогою якої можна проводити дослідження впливу всіх змінних параметрів процесу обробки на силу різання і її складові при точінні. Для визначення адекватності був проведений натурний експеримент, де вимірювання складових сили різання проводилося за допомогою цифрового вимірювального комплексу, який складається з тензометричного динамометра УДМ-600, підсилювача і комп'ютера з відповідним програмним забезпеченням. Аналогічна методика була застосована для перевірки адекватності розроблених у розділі 2 процедур визначення шорсткості поверхні при токарній обробці. Була створена прикладна програма прогнозування шорсткості в залежності від режиму різання, матеріалу заготовки та геометричних параметрів різальної частини інструменту та перевірена її працездатність і адекватність результатів.

Токарні операції оброблення ступінчастих валів апріорі припускають багатопрохідну обробку. Для вирішення завдання оптимізації токарної обробки на чорнових походах необхідно уточнити критерій оптимізації. При загальному критерії - продуктивності - на чорнових проходах вона повинна оцінюватися за швидкістю зрізання припуску, тобто за швидкістю видалення його об'єму (в одиницю часу). Таким чином, оптимальною глибиною різання на чорнових проходах слід вважати таку глибину, при якій, з оптимальними частотою обертання шпинделя і подовжньою подачею, продуктивність, що оцінюється за швидкістю зрізання припуску, буде максимальною. Проведені імітаційні експерименти за допомогою розробленої у другому розділі прикладної програми довели наявність оптимальної глибини різання на чорнових проходах (рис.4) при обробці матеріалів Сталь 30, Сталь 30ХГТ інструментом Т5К10 і Чавуна Сч20 інструментом ВК6 з радіусом при вершині r=0,2мм і кутами в плані а=95⁰, а₁=5⁰ на токарному верстаті 16А20Ф3. Інші додаткові умови однакові: стійкість інструменту 20 хв., діаметр обробки 50мм, шорсткість після чорнової обробки Rz=20мкм.

Оптимальні значення глибини різання для чорнових проходів при заданих вихідних даних складають: для Сталі 30ХГТ - 1.5мм, Сталі 30 - 2.5мм, Чавуну СЧ20 - 7мм.

У відповідності до прийнятої концепції, модуль оптимізації САМ-системи токарної обробки ступінчастих валів побудований за алгоритмом, узагальнена блок-схема якого представлена на рис.5.

Модуль оптимізації передбачає попередній розрахунок оптимального режиму різання на чорнових проходах в залежності від введених вихідних даних. Процедура в автоматичному циклі визначає максимум цільової функції S_м·H і розраховує, таким чином, глибину різання на чорнових проходах. Далі, розраховується необхідна кількість проходів та виконується формування масиву траєкторій руху інструмента як еквідистант до контуру деталі. Для цього передбачена спеціальна процедура за якою проектується технологічна еквідистанта, з добудовуванням траєкторій на кутах контуру за дугою кола.

Оскільки на першому проході і далі в деяких місцях обробки, глибина різання може відрізнятися від розрахованої, при моделюванні процесу обробки передбачено постійне звернення до процедури оптимізації, що визначає оптимальний режим для фактичної глибини різання. Всі розраховані дані (координати траєкторії, частота обертання шпинделя і подача) використовуються надалі для формування управляючої програми у G-кодах.

Слід відмітити, що для використання в подальших розрахунках при моделюванні універсальних процедур, контури деталі і заготовки представляються в програмі дискретними геометричними моделями у вигляді цифрових масивів, а не геометричних образів.

Розроблена математична модель і відповідний метод з розрахунку стійкості інструмента при змінних режимах різання також реалізований в модулі оптимізації CAM-системи як процедура, що визначає фактичне зношування інструменту за задньою поверхнею за час виконання відповідного технологічного переходу.

У четвертому розділі визначені задачі технологічної підготовки токарного оброблення ступінчастих валів на верстаті з ЧПК, що вирішуються за допомогою створеного модуля оптимізації CAM-системи.

Модуль оптимізації був інтегрований з простою CAD-системою, яка дозволяє задати геометричні параметри деталі і заготівки. Така CAD-система забезпечена окремим інтерфейсом, що полегшує введення і візуалізацію початкових геометричних даних. Заготовки з поковки або литі заготовки за визначенням мають форму, еквідистантну контуру деталі.

Наступний блок програми виконує важливі підготовчі функції для виконання поставленого завдання. Функціонування блоку засноване на апріорній інформації, що вводиться у вікна інтерфейсу і містить відомості про верстат, інструмент, а також матеріал деталі.

В цьому блоці, перш за все, для проектування траєкторій руху різця при зрізанні чорнового припуску вирішується задача визначення оптимальної глибини H_o різання і обчислюється необхідна кількість проходів:

, (7)

де Dз - діаметр заготівки, D_min - мінімальний діаметр деталі і виконується формування траєкторій руху інструменту як технологічних еквідистант до контуру деталі.

Продовження проектування управляючої програми для верстата з ЧПК відбувається в наступному, основному, блоці модуля оптимізації, де виконується моделювання процесу обробки. На рис.8, а і б показаний вигляд інтерфейсу після закінчення моделювання обробки однакових деталей з різних заготовок - прутка (а) і поковки (б) відповідно. Деталь 1 набуває заданої спочатку проектування форми, різець 2 займає початкове положення, а в графічному вікні з'являються траєкторії руху на чорновій обробці (лінії 3) і на чистовій обробці (лінія 4).

Блок моделювання розраховує також час обробки на кожному переході і прогнозоване зношування пластини різця по задній поверхні. Ці результати представлені в лівому верхньому кутку графічного вікна на рис.8, а і б.

Модуль оптимізації дозволяє виконати візуальну перевірку результатів моделювання. На рис.9, а представлені графіки зміни глибини різання (лінія 1), подачі (лінія 2) і частоти обертання шпинделя (лінія 3) для чорнового переходу при обробці заготовки з прутка, на рис.9, б - ті ж складові режиму різання для чистового проходу.

Оскільки розраховані при моделюванні дані частоти обертання шпинделя можуть мати погані динамічні характеристики, для їх згладжування був застосований фільтр у вигляді аперіодичної ланки першого порядку, якою, у першому наближенні, може бути описаний привод головного руху:

, (8)

де T_ш - постійна часу приводу шпинделя (0,03с на інтерфейсі рис.7), ?_ш - частота обертання шпинделя, ?_з - розрахована при вирішенні задачі оптимізації частота обертання шпинделя.

Автоматично спроектоване управління режимом різання є оптимальним і апріорі визначає максимально можливе навантаження верстата відповідно до його паспортних даних і мінімальний час обробки. Крім того, воно автоматично стабілізує умови різання, зменшуючи подачу при збільшенні глибини різання.

При завданні технологічних даних на інтерфейсі не передбачені віконця для введення складових режиму різання. Тому виникла потреба з'ясувати як можна управляти режимом, змінюючи початкові дані завдання оптимізації і які зміни при зниженні інтенсивності процесу приведуть до найменших втрат продуктивності? Для відповіді на ці питання і з метою формулювання практичних рекомендацій були проведені відповідні дослідження впливу заданої потужності приводу головного руху верстата і тягової сили приводу подачі на зміну продуктивності обробки. Встановлено, що управління з метою «пом'якшення» режиму різання доцільно здійснювати за рахунок зменшення сили тяги приводу подачі, а не потужності.

Для формування управляючої програми в G-кодах був розроблений спеціальний постпроцесор, що дозволяє сформувати програму, яка завантажується безпосередньо в стійку верстата і візуально оцінити правильність її виконання в графічному вікні.

В п'ятому розділі представлені результати експериментальних досліджень створеного модуля оптимізації САМ-систем токарної обробки ступінчастих валів.

Основною метою натурних експериментів є підтвердження підвищення продуктивності обробки при задоволенні вимогам за якістю за рахунок застосування створеної CAM-системи для проектування управляючої програми з автоматичним призначенням режимів різання по всій формоутворюючій траєкторії як на чорнових проходах, так і на завершальному, чистовому проході. Всі натурні експерименти проводились на токарному верстаті з ЧПК SL10 фірми HAAS.

Відповідно до прийнятої методики спочатку була підготовлена програма обробки експериментальної деталі фахівцями ВАТ «Меридіан». Для підготовки програми була використана інструкція фірми HAAS, а також CAM-система Keller автоматизованої підготовки програм, що рекомендується фірмою-постачальником верстатів HAAS «Абпланалп-Украина». У програмі для чорнової обробки був використаний цикл зрізання чорнового припуску подовжніми проходами (G71), глибина різання (1,6мм), подача (0,2мм/об) і частота обертання шпинделя (2000об/хв) вибрані технологом-програмістом. Причому вибір здійснювався відповідно до накопиченого виробничого досвіду, оскільки, як наголошувалося раніше, жодна CAM-система не забезпечує будь-яких автоматичних розрахунків режиму різання. Час чорнової обробки склав 2,5 хв., час чистової обробки - 1,28 хв. Основний час виконання всієї операції для всіх деталей партії був постійним і складав 3,85 хв.

Стан індикаторів, що показує зміну навантаження всіх приводів протягом циклу афішував значне недовантаження приводу головного руху - при чорновій обробці на дільницях першої ступені деталі на останніх проходах завантаження приводу головного руху не перевищувало 10%. При чистовій обробці завантаження приводу головного руху на всіх ділянках деталі не перевищувало 15%.

Друга партія експериментальних деталей була оброблена з використанням створеного в дисертаційній роботі модуля оптимізації САМ-системи технологічної підготовки токарної обробки ступінчастих валів. Управляюча програма, що була автоматично згенерована, в G-кодах для чорнової обробки містить 648 кадрів із значеннями координат X і Z, частоти обертання шпинделя S і подачі F. Вся програма використовує всього два оператора G-кодів: G00 (прискорене переміщення) і G01 (лінійна інтерполяція) і, не дивлячись на значне збільшення в розмірах (29КБ), не створює ніяких утруднень ні при записі і установці в стійку ЧПУ верстата, ні при трансляції і виконанні.

Управляюча програма була завантажена в стійку ЧПУ верстата SL10 і перед обробкою деталі перевірена на процесорі стійкі з виведенням траєкторій на екран монітора. Отримані траєкторії формоутворюючого руху на чорновому і чистовому переходах повністю відповідають результатам моделювання (див. рис.10). На відміну від формоутворення на чорновому переході за базовим технологічним процесом, де зрізання припуску здійснюється повздовжніми проходами, тут реалізований рух інструменту за еквідистантними до контуру деталі траєкторіями. Процес обробки був виконаний в повній відповідності з характеристиками, отриманими при моделюванні, час чорнової обробки складав 2,2 хв., час чистової обробки - 0,55 хв. Основний час виконання всієї операції для всіх деталей партії виявився незмінним і складав 2,85 хв. Отже, експериментально доведено підвищення продуктивності виконання операції в порівнянні з базовою технологією в 1,35 рази.

Відповідно до наступних завдань експериментальних досліджень були проведені вимірювання шорсткості поверхонь оброблених деталей і точності діаметральних розмірів. Вимірювання шорсткості проводилися на цифровому вимірювальному пристрої із записом профілограм шорсткості оброблених поверхонь на кожній ступені обробленого валу, фіксувалися 8 параметрів шорсткості Ra, Rz, Rq, Rv, Rmax, Si і Sm. Оцінка точності проводилася за результатами вимірювань безпосередньо на верстаті, при установці деталі в патроні і задньому центрі (як при обробці) з використанням контактного щупа за показниками індикаторів стійкі ЧПК. Всі деталі відповідали заданим вимогам з точності та якості оброблених поверхонь.

ВИСНОВКИ

В результаті проведених досліджень вирішена важлива науково-технічна проблема технологічної підготовки токарної обробки ступінчастих валів на верстатах з ЧПУ при автоматичному забезпеченні проектування траєкторій формоутворювальних рухів і оптимізації процесу різання за рахунок перманентного розв'язування задачі оптимізації при моделюванні процесу токарної обробки.

1. Управління процесом обробки ступінчастих валів на верстатах з ЧПК необхідно вести за апріорною інформацією, що міститься в математичній моделі процесу через CAM-систему технологічної підготовки операції, яка автоматично створює файл управління при розв'язуванні однокритеріальної задачі оптимізації на кожному кроці моделювання.

2. Розроблені математичні моделі, що визначають обмеження в завданні оптимізації, де були використані нові методики:

ь для силових характеристик процесу точіння зв'язок вектора сили різання і його складових з геометричними параметрами різальної частини інструменту представлений детермінованою моделлю, відповідно до первинного поняття розкладання вектора в системі координат;

ь для композиційної математичної моделі шорсткості поверхні запропонований чисельний метод і алгоритм розрахунку її детермінованої частини, що дозволяє розрахувати профіль мікрорельєфу поверхні при будь-якому поєднанні елементів різальної частини інструменту, які його утворюють.

3. Визначати і прогнозувати фактичну стійкість різця при оптимальному управлінні процесом точіння необхідно за розробленою методикою і відповідною обчислювальною процедурою, які побудовані за принципом інтеграції елементарного зношування різця на кожному кроці моделювання з урахуванням режимів різання, що фактично діють у цей момент.

4. Вперше доведено, що, при оптимальному режимі різання, залежність продуктивності чорнової обробки від глибини різання носить екстремальний характер. Запропонований алгоритм автоматичного пошуку екстремуму за глибиною різання залежно від матеріалу заготівки, інструменту, параметрів верстата. Розрахунок кількості проходів і формування траєкторій руху різця на чорнових проходах необхідно виконувати за оптимальною глибиною різання.

5. Вперше розроблений модуль САМ-системи управління токарною обробкою ступінчастих валів, що не вимагає від технолога завдання параметрів режиму різання і вибору траєкторій руху. Розроблений модуль в автоматичному режимі визначає частоту обертання шпинделя і повздовжню подачу, які забезпечують мінімально можливий час обробки.

6. Розраховуючи управляючу програму згідно прийнятої концепції, розроблений модуль автоматично забезпечує роботу верстата на максимально допустимих режимах і, тим самим, забезпечує стабілізацію умов обробки на чорнових проходах, вирішуючи одночасно два найважливіших завдання управління: стабілізація і оптимізація.

7. Для забезпечення можливості використання розроблених в роботі універсальних чисельних методів при моделюванні процесу токарної обробки, в САМ-систему інтегрований модуль CAD, в якому всі задані геометричні образи контуру деталі і заготівки перетворюються в дискретні геометричні моделі у вигляді двовимірних цифрових масивів. Модуль дозволяє вибирати заготовку з трьох можливих видів: пруток, поковка або відливок і дозволяє задати їх геометричні параметри, включаючи ливарні або штампувальні ухили.

8. Розроблена автоматична процедура перевірки спроектованого файлу управління, яка виконує згладжування управління за частотою обертання шпинделя шляхом використання, як фільтру, аперіодичного елементу першого порядку і в графічному вигляді представляє всю технологічну інформацію по переходах, включаючи фактичну глибину різання. Розроблений також модуль постпроцесора для верстата з ЧПК, що забезпечує автоматичну генерацію управляючої програми в G-кодах і графічну перевірку її виконання.

9. Проведені експериментальні дослідження створеної САМ-системи дозволили встановити, що:

ь створена САМ-система на порядок прискорює процес технологічної підготовки виробництва ступінчастих валів на верстатах з ЧПК;

ь продуктивність обробки підвищується не менш ніж в 1,3 рази;

ь оброблені деталі по параметрах шорсткості поверхні і точності обробки відповідають вимогам креслення.

Результати роботи впроваджені у ВАТ «Меридіан», м. Київ, передані для апробації на фірму Index (м. Штутгард, ФРН) та впроваджені у навчальний процес на ММІ НТУУ «КПІ».

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Душинский В.В. Производительность механической обработкой при использовании неперетачиваемых многогранных быстросменных твердосплавных пластин. Душинский В.В., Амин Афшар Камбиз / Вісник Житомирського інженерно-технологічного інституту № 12, Житомир, 2000.- С.85-90.

2. Душинский В.В. Критерий наибольшей стойкости режущего инструмента с многогранными быстросменными твердосплавными пластинами. Душинский В.В., Амин Афшар Камбиз// Вісник національного технічного університету України «КПІ». Машинобудування № 39, 2000. - С.88-92.

3. Петраков Ю.В. Прогнозирование шероховатости поверхности при токарной обработке / Петраков Ю.В., Амин Афшар Камбиз // Сб. Резание и инструмент, №74. Харьков, 2007.-С.431-437.

4. Петраков Ю.В. Автоматизований розрахунок силових характеристик процесу точіння / Петраков Ю.В., Амін Афшар Камбіз, Біланенко В.Г. // Міжвуз. Зб. «Наукові нотатки», вип. 20, Луцьк - 2007. С.128-135.

5. Петраков Ю.В. Модуль оптимизации токарной обработки ступенчатых валов на станках с ЧПУ / Петраков Ю.В., Амин Афшар Камбиз//Прогресивні технології і системи машинобудування: Міжнародний збірник наукових праць, вип.34. - Донецьк: ДонНТУ, 2008.-С.154-162.

6. Петраков Ю.В. Оптимизация токарной обработки /Петраков Ю.В., Амин Афшар Камбиз // Вісник національного технічного університету України «КПІ». Машинобудування №54, 2008. -С.24-30.

7. Петраков Ю.В. Автоматическое проектирование управляющих программ токарной обработки на станках с ЧПУ / Петраков Ю.В., Амин Афшар Камбиз // Вісник ХНТУСГ ім.П.Василенка, вип.68, Харьків, 2008. - С.55-58.

8. Петраков Ю.В. Технологическая подготовка токарной обработки на станках с ЧПУ /Петраков Ю.В., Амин Афшар Камбиз// Вісник національного технічного університету України «КПІ». Машинобудування, №56, 2009. - С.26-36.

9. Петраков Ю.В. Оценка стойкости инструмента при оптимизации токарной обработки / Петраков Ю.В., Амин Афшар Камбиз // Прогресивні технології і системи машинобудування: Міжнародний збірник наукових праць, вип.38. - Донецьк: ДонНТУ, 2009.-С.183-189.

Размещено на Allbest.ru