Автоматизация выбора оптимального режущего инструмента для многофункционального технологического оборудования с ЧПУ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автоматизация выбора оптимального режущего инструмента для многофункционального технологического оборудования с ЧПУ

М.В. Терехов, А.В. Аверченков

Аннотация

УДК 658.512.2.011.56

АВТОМАТИЗАЦИЯ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА ДЛЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ЧПУ

М.В. Терехов, А.В. Аверченков

Рассмотрены вопросы автоматизированного подбора оптимального режущего инструмента. Описаны разработанные программные модули для автоматизации процедур выбора режущего инструмента со сменными неперетачиваемыми пластинами.

Ключевые слова: инструмент, резец, сменная пластина, режимы резания, САПР, автоматизированная система, станок с ЧПУ.

Содержание статьи

Для промышленных предприятий актуальны задачи снижения трудоемкости операций и себестоимости изготовления деталей с сохранением заданных показателей качества. Поэтому технологические бюро ведут постоянный поиск путей совершенствования технологических процессов изготовления деталей с учетом возможностей, предоставляемых современным высокопроизводительным инструментом, информационным и программным обеспечением.

Конструкции сборных режущих инструментов одного служебного назначения различаются способами установки и крепления режущих элементов - пластин, т.е. структурной компоновкой и параметрами - размерами пластин, корпусных элементов или элементов крепежа. Ведущими мировыми производителями инструмента разработано большое количество сборных инструментов одинакового целевого назначения, а подходящую конструкцию пользователь выбирает в основном на основании необъективных рекламных материалов или производственного опыта (количество возможных вариантов выбора может достигать тысячи и более). С другой стороны, производителями режущего инструмента разработаны базы данных и экспертные системы выбора инструмента. Однако все они созданы для конкретных производственных условий, с применением различных подходов и достаточно сложны в использовании. Такие системы не позволяют сравнить между собой однотипные конструкции различных производителей или конструкции, укомплектованные из сборочных элементов различных производителей, а также изменить критерии выбора оптимальных вариантов конструкций инструментов.

При рассмотрении проблемы организации единого информационного пространства предприятия выявлено, что существует определенный разрыв информационного потока между CAD-системами, CAM-системами и САПР ТП в условиях их применения в интегрированных САПР предприятия. Проблемой передачи информации в САПР ТП занимались многие российские ученые (В.И. Аверченков, А.В. Аверченков, Г.К. Горанский, Н.М. Капустин, В.Д. Цветков, Ю.М. Соломенцев и др.), однако задача кодирования входной информации выполнялась вручную, даже теоретическое обоснование автоматизации кодирования было невозможным из-за недостатка входной информации (особенно 3D-моделей) [1].

CAD-системы, как правило, хорошо интегрированы с CAM-системами. Вопросы передачи информации о детали в системы проектирования управляющих программ для станков с ЧПУ достаточно полно исследованы и описаны, проблем с передачей геометрической информации при этом не возникает. Однако передача технологической информации об изделии (материал и твердость заготовки, размерные допуски, шероховатость поверхностей и др.) затруднена. Как правило, при создании управляющих программ для станков эти данные вводятся инженером повторно. Особо остро эта проблема встает при использовании на предприятии CAD- и CAM-систем разных производителей. Геометрическая информация передается посредством обменных файловых форматов (IGES, STEP), прямых интерфейсов систем или API-интерфейса OLE for D&G [5].

Технологии CALS, широко используемые за рубежом, в последние годы начали внедряться на российских промышленных предприятиях. Зачастую их внедрение обусловлено представлением об этих технологиях как о способе решить информационные проблемы предприятия быстро и полностью. К сожалению, малое число переведенных и утвержденных стандартов, а также неготовность многих предприятий делают использование CALS затрудненным и неэффективным. Использование CALS - технологий (стандартов STEP) для обмена геометрической информацией принципиально не отличается от обмена через файловый формат IGES.

Российские САПР ТП, благодаря исследованиям отечественных ученых, начатым более 40 лет назад, к настоящему времени позволяют сделать процесс проектирования технологии изготовления детали автоматизированным, а в некоторых случаях и автоматическим. Наличие открытого входного формата некоторых САПР ТП позволяет передавать в них конструкторско-технологическую модель детали.

В качестве объекта исследования в настоящей работе выбран процесс подбора оптимального режущего инструмента для обработки изделий на многофункциональном технологическом оборудовании с ЧПУ. Выбор осуществляется на основе данных, полученных из геометрической модели детали, представляемой в виде 3D-модели и 2D-чертежа, с последующей передачей спецификации на выбранный инструмент в CAM-систему и САПР ТП.

Для решения указанных проблем была создана автоматизированная система, позволяющая на основе 3D-модели изделия и технологической информации (материал и твердость заготовки, размерные допуски, шероховатость поверхностей) автоматически формировать, ранжировать и выбирать различные варианты структурных компоновок режущего инструмента в зависимости от ряда критериев, рассчитывать оптимальные режимы резания. На рис. 1 приведена структурно-функциональная схема автоматизированной системы подбора режущего инструмента.

Разработанный программный комплекс включает подсистемы:

1) загрузки модели и чертежа;

2) подбора системы крепления режущей пластины;

3) выбора типа инструментальной державки и формы режущей пластины;

4) выбора геометрии режущей пластины и инструментального материала;

5) расчета режимов резания;

6) интеграции с CAD/CAM-системами.

Исходными данными для программного комплекса являются 3D-модель и чертеж детали, используемая заготовка, модель применяемого технологического оборудования.

Можно выделить ряд основных критериев, влияющих на выбор режущей пластины, системы крепления инструмента, инструментального материала:

· тип операции (черновая, получистовая, чистовая);

· размерная точность;

· силовая нагруженность технологической системы;

· жесткость системы СПИД;

· размер и вид заготовки;

· точность заготовки;

· состояние поверхностного слоя заготовки (корка, песчаные включения, раковины и т.п.);

· размер припуска;

· свойства обрабатываемого материала;

· при внутренней обработке - диаметр растачиваемого отверстия;

· направление подачи на каждом технологическом переходе;

· профиль обрабатываемой поверхности;

· технологические особенности оборудования (мощность шпинделя, частота вращения, максимальная подача, максимальный диаметр заготовки, максимальная длина заготовки, тип и размер крепления инструмента, наличие СОЖ);

· максимальное значение глубины резания для каждой операции;

· требования по качеству поверхности обрабатываемой детали;

· условия обработки (непрерывное/прерывистое/ударное резание, постоянная/переменная глубина резания);

· требуемая производительность инструмента;

· требуемый период стойкости инструмента.

Рис. 1. Структурная схема автоматизированной системы подбора режущего инструмента

Подсистема загрузки модели и чертежа детали предназначена для ввода данных о детали. Для выполнения процедуры подбора инструмента реализовано чтение 3D-модели обрабатываемой детали, представленной в формате IGES. Геометрической информации о детали недостаточно для определения инструмента, поэтому в модуле чтения IGES интерпретируются материал, твердость заготовки, размерные допуски, шероховатость поверхностей с рабочего чертежа детали. Подсистема загрузки разбирает модель детали на КТЭФ (конструкторско-технологические элементы формы) и записывает это представление в единую базу данных системы (схема БД приведена на рис. 2).

Примерами КТЭФ являются фаска, цилиндрическая поверхность, канавка и т.д. Разбор на КТЭФ выполняется методом структурной декомпозиции.

Модель детали М, как и любая модель, включает две основные компоненты: множество объектов и множество отношений между ними [3].

M=<N, O>,

где N - множество КТЭФ; О - множество отношений между ними.

Информация о КТЭФ описывается с помощью определителя Ni, который включает в себя совокупность параметров, однозначно определяющих форму (Ф), размеры, шероховатость поверхности, отклонения от ее правильной формы (Р), физико-механические свойства (С):

Ni=<Ф, P, C>.

Размерные параметры описываются следующей зависимостью:

P=<Ri, Шi, ОФ>,

где R_i - размерный параметр i-й поверхности; Ш_i - шероховатость i-й поверхности; ОФ - отклонения от правильной геометрической формы.

Физико-механические свойства описываются зависимостью:

C=<TO, MC, ВП>,

где ТО - условное обозначение вида термообработки поверхности; МС - условное обозначение вида механического свойства поверхности; ВП - условное обозначение вида поверхностного покрытия.

В подсистеме подбора системы крепления режущей пластины организовано распознавание КТЭФ в соответствии с базой знаний, которая заполняется в процессе эксплуатации системы, автоматизированное определение типа операции (наружное/внутреннее точение), вида обработки (непрерывное резание, профильная обработка, подрезка торца или точение вразгонку с врезанием), возможного числа установов. Кроме того, определяется используемая заготовка и ее состояние, выбирается технологическое оборудование или оставляется запрос на определение подходящего станка. На основе данных о материале заготовки, твердости и качестве исходной поверхности, а также о квалитете заготовки и детали определяется число стадий обработки детали [2].

Для каждого из видов обработки подбирается наиболее подходящая система крепления режущей пластины в державке, обеспечивающая стабильное положение режущей кромки в определенных выше условиях обработки.

В главном окне приложения (рис. 3) выводятся различные представления детали (по КТЭФ, видам обработки, 3D-модель), отображается технологическая информация.

Рис. 2. Схема базы данных автоматизированной системы подбора режущего инструмента

Рис. 3. Главное окно автоматизированной системы подбора режущего инструмента

Тип державки и форма режущей пластины определяются совместно в подсистеме выбора державки и формы пластины. Совместное определение этих элементов организовано из-за того, что они оказывают взаимное влияние друг на друга. Тип державки определяется используемой пластиной и зависит от направления подачи, размера припуска, вида заготовки и системы крепления на станке. С использованием метода решения задачи многокритериального выбора на основе дополнительной информации [4] определяется оптимальный вариант формы режущей пластины.

Рассмотрим подробнее процесс выбора оптимального варианта формы режущей пластины.

Общий показатель правильности выбора будем связывать с наилучшей работой выбранной пластины. Этот показатель является достаточно расплывчатым и неопределенным, поэтому используются соответствующие критерии-заместители.

Рис. 4. Обозначения форм пластин

Задача трансформируется в некоторую многокритериальную задачу. Будем рассматривать следующие частные критерии оптимальности, характеризующие в совокупности исходный глобальный показатель:

1) склонность к вибрациям (1/f1);

2) прочность пластины (f2);

3) универсальность пластины (f3);

4) потребляемая мощность (1/f4);

5) эффективность отвода тепла из зоны резания (f5).

Предполагается, что все введенные частные показатели необходимо максимизировать. Таким образом, большему значению каждого показателя будут соответствовать более желаемые условия работы режущей пластины. Рассмотрим ситуацию выбора, когда по геометрическим параметрам для профильной обрабатываемой поверхности возможно применение пластин форм V, F, D (рис. 4).

Будем следовать алгоритму выбора с транзитивной шкалой и базой а = 2 (таблица). Построим вектор весов для сформулированных частных критериев. Необходимо задать пользователю четыре вопроса и определить в результате вектор коэффициентов превосходства. Будем считать, что по результатам диалога получены следующие данные:

б₁₂ = 2; б₂₃ = 4; б₃₄ = 1/4; б₄₅ = 1.

Здесь равенство б₁₂ = 2, например, означает, что частный критерий f1 в два раза превосходит по важности критерий f2. Воспользовавшись соотношением:

a_ij = а_i / а_j

и условием нормированности вектора б, получим:

б₁ = 0,364; б₂ = 0,182; б₃ = 0,045; б₄ = 0,182; б₅ = 0,182.

Таблица. Коэффициенты превосходства

Далее переходим к процедуре вычисления значений частных критериев оптимальности, соответствующих трем вариантам: V, F, D.

Вначале с помощью того же самого подхода ранжируем варианты V, F, D по критерию f1 (несклонность к вибрациям). Пусть пользователь указал следующие значения коэффициентов превосходства:

б₁₂¹=1; б₂₃¹=1/2.

Соответствующий вектор весов б¹ имеет компоненты 0,250; 0,250; 0,500, которые интерпретируются как значения функции f1 для вариантов V, F, D:

f1(V) = 0,250; f1(F) = 0,250; f1(D) = 0,500.

Аналогично определяем значения остальных частных критериев для вариантов V, F, D:

б₁₂²=2; б₂₃²=2;

f2(V) = 0,571; f2(F) = 0,286; f2(D) = 0,143.

б₁₂³=1; б₂₃³=1;

f3(V) = 0,333; f3(F) = 0,333; f3(D) = 0,333.

б₁₂⁴=1/2; б₂₃⁴=1/4;

f4(V) = 0,091; f4(F) = 0,182; f4(D) = 0,727.

б₁₂⁵=4; б₂₃⁵=2;

f5(V) = 0,727; f5(F) = 0,182; f5(D) = 0,091.

Воспользовавшись методом линейной свертки, т.е. формулой:

,

получим значения обобщенного критерия оптимальности для трех вариантов (x1= V, x2 = = F, x3 = D):

J(V)=0,364·0,250+0,182·0,571+0,045·0,333+0,182·0,091+0,182·0,727= 0,370;

J(F)=0,364·0,250+0,182·0,286+0,045·0,333+0,182·0,182+0,182·0,182=0,247;

J(D)=0,364·0,500+0,182·0,143+0,045·0,333+0,182·0,727+0,182·0,091= 0,383.

Следовательно, наиболее перспективным с позиций применяемого метода признается выбор пластины формы D. Однако видно, что выбор пластины формы V практически столь же предпочтителен и может быть рекомендован как альтернатива.

В подсистеме выбора геометрии режущей пластины и инструментального материала определяется необходимый радиус при вершине пластины, он влияет на прочность пластины и на ее способность обеспечивать определенную шероховатость поверхности. С учетом технологической информации о детали выбирается оптимальная форма передней поверхности пластины и стружколома. Подбор инструментального материала основывается на материале и состоянии заготовки, условиях обработки, типе операции и возможностях оборудования.

Одним из основных критериев выбора на каждом этапе является экономичность обработки, которая определяется стоимостью инструмента, его стойкостью, взаимозаменяемостью, стоимостью машинного времени и другими экономическими критериями. Разработанная автоматизированная система предоставляет расширяемую библиотеку современного оборудования. В конечном итоге пользователю представляется отчет в виде спецификации на выбранный инструмент (инструментальная державка, режущая пластина, крепежные элементы) с рассчитанными режимами резания. Спецификация может передаваться не только инженеру-технологу и программисту станков с ЧПУ, но и в отдел снабжения - для организации своевременных поставок инструмента. Также отчет содержит список возможных альтернатив применяемого инструмента с оценками предпочтения его выбора по ряду критериев.

На промышленных предприятиях применяются различные САПР, в том числе и работающие на компьютерах под управлением различных операционных систем. Разработанное программное обеспечение является кроссплатформенным и может применяться совместно с любой современной САПР. Например, при интеграции разработанного программного комплекса с САПР Pro Engineer в CAD-модуле добавляется кнопка передачи данных в автоматизированную систему подбора режущего инструмента. После выбора оптимального инструмента генерируется и передается в CAM-модуль системы Pro Engineer файл-спецификация (*.xml-файл), содержащий все компоненты сборного режущего инструмента, рассчитанные режимы резания, геометрические параметры режущей части и присоединительные размеры для крепления инструмента на станке. На рис. 5 представлено окно настройки инструмента Pro Engineer с полученными из автоматизированной системы подбора режущего инструмента параметрами резца. Параметры станка также передаются в CAM-систему.

a) б)

Рис. 5. Переданные в Pro Engineer данные: а - геометрические параметры инструмента; б - режимы резания

Применение созданной автоматизированной системы возможно при использовании как всего функционала, так и отдельных модулей, например:

· для определения инструментальной державки, формы и материала пластины, расчета режимов резания на основе загруженной 3D-модели и чертежа детали, данных о заготовке и технологическом оборудовании;

· определения инструментальной державки, формы и материала пластины, расчета режимов резания на основе технологической информации о детали, введенной вручную (при отсутствии 3D-модели и чертежа детали), данных о заготовке и технологическом оборудовании;

· подбора технологического оборудования для обработки заданной детали;

· определения необходимого материала режущих пластин для имеющихся на предприятии державок;

· расчета режимов резания для имеющегося режущего инструмента.

режущий инструмент программный технологическая

Список литературы

1. Горанский, Г.К. Технологическое проектирование в комплексных автоматизированных системах подготовки производства / Г.К. Горанский, Э.И. Бендерева. - М.: Машиностроение, 1981. - 456 с.

2. Гузеев, В.И. Режимы резания для токарных и сверлильно-фрезерно-расточных станков с числовым программным управлением: справочник / В.И. Гузеев, В.А. Батуев, И.В. Сурков. - М.: Машиностроение, 2007. - 368 с.

3. Цветков, В.Д. Система автоматизации проектирования технологических процессов / В.Д. Цветков. - М.: Машиностроение, 1972. - 254 с.

4. Черноруцкий, И.Г. Методы принятия решений / И.Г. Черноруцкий. - БХВ-Петербург, 2005. - 408 с.

5. Аверченков, А.В. Автоматизация распознавания и идентификации конструкторско-технологических элементов деталей в интегрированных САПР: дис. … канд. техн. наук / А.В. Аверченков. - Брянск, 2004.

Размещено на Allbest.ru