Автоматизация формирования управляющих программ для многофункциональных станков с числовым программным управлением на основе выбора оптимальной стратегии обработки

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 658.512.2.011.56

АВТОМАТИЗАЦИЯ ФОРМИРОВАНИЯ УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММ ДЛЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СТАНКОВ С ЧПУ НА ОСНОВЕ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОЙ СТРАТЕГИИ ОБРАБОТКИ

А.В. Аверченков

А.Е. Симуни

Современный этап развития отечественного машиностроения характеризуется значительным распространением и использованием многофункциональных станков с ЧПУ. В связи с этим существенно увеличилась номенклатура деталей, которые обрабатываются за один установ. Однако многофункциональные станки с ЧПУ требуют более тщательного планирования и расчета параметров обработки, так как деталь зачастую обрабатывается за один или два установа, а серийность деталей достаточно велика. Это также относится и к планированию стратегии обработки, поскольку использование оптимальной стратегии позволяет сократить время обработки детали, повысить качество поверхности, сократить издержки на инструмент.

Автоматизация в области технологической подготовки производства ведется довольно давно. Опыт использования средств автоматизации технологической подготовки производства на базе Инновационного центра высоких технологий в машиностроении при Брянском государственном техническом университете (ИЦВТМ БГТУ), а также анализ работ, доступных в открытой печати, позволяют сделать следующие выводы:

1. Большая часть задач технологической подготовки производства формализованы и решены в рамках специализированных программных средств («Вертикаль» («АСКОН»), «TFLЕX- технология» («Топ-системы») и т.д.)[1] с выходом на комплект текстовых документов.

2. Универсальные CAD/CAM-системы в большей степени нацелены на решение геометрических задач и очень мало могут помочь пользователю при решении технологических задач, таких, как назначение режимов резания, выбор стратегий обработки, подбор инструмента и т.д.

3. Современные САПР ТП недостаточно интегрированы с CAD-системами. Данные системы не способны обеспечить сквозную подготовку производства в рамках концепции CALS.

Сегодня наиболее перспективными являются системы, способные обеспечить функционирование единой информационной модели изделия в рамках его жизненного цикла: от компьютерного проектирования (CAD) и компьютерного планирования (CAPP) до автоматизированной подготовки управляющих программ (CAM) и изготовления на станках с ЧПУ (NC). Подобная модель определена в комплексе стандартов STEP (Standard for the Exchange of Product model data).

В настоящее время появляются так называемые экспертные технологические системы, например Future CAM. Эти системы основаны на распознавании конструкторско-технологических элементов формы (КТЭФ). Примерами КТЭФ являются фаска, цилиндрическая поверхность, канавка и т.д. Разобрав деталь на КТЭФ, такая система в соответствии с базой знаний, заполненной в процессе эксплуатации системы, строит управляющие программы для станков с ЧПУ. Слабым звеном данных систем является отсутствие математического аппарата выбора стратегии обработки. Она выбирается в соответствии с предпочтениями пользователя. Примером стратегий черновой обработки могут служить стратегии обработки уступов (рис.1).

Рис.1.Траектории (стратегии) черновой обработки уступов: а - поперечное точение; б - продольное точение; в - точение под углом; г - точение по контуру

Проведено исследование с целью разработки интеллектуальной системы создания управляющих программ для станков с ЧПУ на основе автоматического выбора оптимальной стратегии обработки. Система должна самостоятельно принимать решения и предлагать их пользователю, а также свободно вписываться в комплекс стандартов STEP.

Место, занимаемое разрабатываемой системой в структуре интегрированной САПР предприятия, отображено на рис.2.

Интеллектуальный программный комплекс по разработке управляющих программ для станков с ЧПУ, работающий на основе подбора оптимальной стратегии обработки, является надстройкой над CAM-системой. Его задача - обеспечить процесс решения технологических задач в CAM-системе. Получая в качестве входных данных 3D-модель детали, система в автоматическом режиме подбирает режимы резания, инструмент, стратегию обработки. Далее эта информация передается в CAM-систему, где согласно принятым данным формируется управляющая программа для станка с ЧПУ.

Интеллектуальный программный комплекс по разработке управляющих программ для станков с ЧПУ, работающий на основе подбора оптимальной стратегии обработки, состоит из следующих компонентов:

1. Модуль распознания КТЭФ.

2. Модуль подбора оптимальной стратегии обработки.

3. Модуль подбора инструмента.

4. База данных, включающая в себя: данные об инструменте, описание КТЭФ, параметры для определения КТЭФ, стратегии обработки, характеристики оборудования, режимы резания, материалы, описание детали после разбиения на КТЭФ.

База данных наполняется пользователем в процессе эксплуатации системы, что позволяет настроить систему для оптимальной работы с конкретным производством.

Основой данной системы является модуль распознания КТЭФ (рис.2). Получая твердотельную 3D-модель детали, система разбирает её на КТЭФ и записывает данное представление в БД. Разбор на КТЭФ выполняется методом структурной декомпозиции. Каждому КТЭФ соответствует набор стратегий обработки, которыми его можно получить (отношение «один ко многим»). Далее модуль подбора оптимальной стратегии обработки получает из БД деталь, разобранную на КТЭФ, и соответствующий каждому КТЭФ набор стратегий обработки. Каждая стратегия имеет свои преимущества и недостатки, при тех или иных исходных данных она влияет как на качественные параметры детали (шероховатость, точность поверхности и т.д.), так и на стойкость инструмента. Кроме того, есть прямая зависимость между стратегией обработки и временем изготовления детали. Например, при подрезании торца можно выделить две стратегии обработки (рис.3).

Рис.3. Траектории (стратегии) черновой обработки торца: а - продольное точение; б - поперечное точение

Продольное точение (рис.3а) применяется при большой длине припуска и обеспечивает наименьшее время обработки. Но если деталь не может быть жестко закреплена в патроне, есть вероятность того, что заготовка продвинется в патрон, в результате будет нарушена точность получаемого размера.

Поперечное точение (рис.3б) применяется при нежестком закреплении детали в патроне. Однако если заготовка имеет маленький диаметр, есть риск согнуть её и получить отклонение от необходимой формы.

В реальности возможна ситуация, когда при большом припуске имеет место нежесткое закрепление заготовки малого диаметра. В такой ситуации решение по выбору оптимальной стратегии обработки становится неочевидным, однако эксперт, основываясь на эмпирическом опыте, способен сделать выбор. Для принятия решения по выбору оптимальной стратегии обработки в данной ситуации было разработано математическое описание. В качестве операндов математического представления взяты параметры, при которых используется та или иная стратегия. Были выделены следующие параметры:

Рис.4.Закрепление детали: а - нежесткое; б - жесткое

1. Жесткость. Данный параметр является сложно формализуемым. Но эксперт может однозначно определить, что жесткость в случае, приведенном на рис.4а, меньше, чем в случае, показанном на рис.4б. Эксперт делает свое заключение на основании ряда косвенных и прямых факторов влияния. Этими факторами являются:

- диаметр заготовки (D);

- сила зажатия заготовки в патроне (Fj);

- наличие тонкой стенки в обрабатываемом элементе (Mts);

- вылет заготовки (Lj), (под вылетом заготовки подразумевается отношение длины заготовки к её диаметру);

- материал (M);

- вид термообработки (To).

2. Длина обрабатываемого элемента (L).

3. Глубина КТЭФ (G).

4. Местоположение обрабатываемого элемента на детали (Mp). Данный параметр вводится в связи с тем, что некоторые стратегии могут быть реализованы только на краю детали.

5. Наличие материала перед и после обрабатываемой поверхности (Mm). Данный параметр вводится в связи с невозможностью применения некоторых стратегий при отсутствии или, напротив, наличии материала.

6. Припуск (a). Величина припуска зависит от общей длины заготовки и точности получаемого размера. В связи с этим припуск будем определять не точным значением припуска, а отношением общей длины детали к припуску. В зависимости от величины припуска, можно выбрать стратегию обработки, которая, кроме прочего, является оптимальной с точки зрения времени обработки.

Среди перечисленных параметров многие являются нечеткими. Например, эксперт способен сделать заключение о применяемой стратегии обработки при точении торца, оценив величину припуска как среднюю, большую или маленькую. Кроме того, многие параметры будут иметь разное абсолютное числовое значение в зависимости от заготовки. Примером такого параметра является сила зажатия в патроне. Данный параметр может быть большим для одного диаметра и недостаточным для зажатия заготовки большего диаметра, а соответственно и большего веса. Поэтому для построения математического описания стратегии обработки применяется теория нечетких множеств Л. А. Заде [2].

Математическое описание стратегии обработки (N) имеет следующий вид: станок стратегия обработка автоматизированный

N = <D, L, Mts, Fj, Lj, Mp, Mm, a, M, To,G>,

где Lj - вылет заготовки, который является нечетким параметром и может быть формализован с помощью лингвистической переменной (ЛПLj) [3]. Так как конкретное значение вылета зависит от диаметра заготовки, то для задания области определения переменной Lj логично использовать отношение длины к диаметру.

ЛПLj = <вLj, TLj, XLj, GLj, MLj>,

где Lj = «Вылет заготовки»; TLj - множество значений ЛПLj (терм-множество), представляющее собой набор нечетких переменных, TLj = {«Небольшой», «Средний», «Большой»}; XLj - область определения, XLj = [0D, 3D]; GLj - синтаксическое правило; МLj - семантическое правило задания нечетких подмножеств множества ХLj, функции принадлежности которых графически представлены на рис.5.

Нечеткое множество А1 соответствует терму «Небольшой вылет», нечеткое множество А2 - терму «Средний вылет», А3 - «Большой вылет».

Конкретные значения коэффициентов в этих зависимостях выбраны в результате экспертных оценок.

Аналогично в наборе (1) описываются параметры D , L, Fj, Lj, a . Параметры Mp, Mts, Mm определяются четкими значениями.

Для определения стратегии обработки КТЭФ в соответствии с набором (1) описывается набор параметров, соответствующий этому КТЭФ. Далее приведены примеры такого описания (табл. 1,2).

Таблица 1 Формальное описание стратегий обработки для КТЭФ «Торец»

Таблица 2 Формальное описание стратегий обработки для КТЭФ «Канавка»

Таким образом, для выбора стратегии обработки КТЭФ система определяет степень принадлежности элемента к стратегии обработки.

На следующем этапе разработанная стратегия обработки сохраняется в БД. В соответствии с разработанной стратегией подбирается инструмент. Это осуществляется выборкой из базы данных. Далее разработанная стратегия передается в CAM-систему.

Для реализации программного продукта выбран формат передачи данных STEP, который позволяет хранить не только конструкторскую информацию, но и технологические параметры детали. В качестве CAM-системы применяется интегрированная САПР ProEngineer WF4.0. Для передачи разработанных стратегий обработки в ней заранее создана библиотека стратегий обработки КТЭФ.

Список литературы

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

2. Заде, Л.А. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений /Л.А.Заде.- М.: Мир, 1976. - 168 с.

3. Кофман, А. Введение в теорию нечетких множеств/А. Кофман.- М.: Радио и связь, 1982. - 432 с.

Аннотация

Рассмотрены вопросы автоматизированного подбора оптимальной стратегии обработки при формировании управляющих программ для станков с ЧПУ. Описано математическое обеспечение процесса автоматизации формирования управляющих программ для многофункциональных станков с ЧПУ на основе выбора оптимальной стратегии обработки. Показано место разрабатываемой системы в интегрированной САПР предприятия.

Ключевые слова: конструкторско-технологические элементы формы, стратегии обработки, САПР, автоматизированная система, станок с ЧПУ.

Размещено на Allbest.ru