Способ формального проектирования структуры технологических процессов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дальневосточный федеральный университет, Россия, г. Владивосток

Способ формального проектирования структуры технологических процессов

Антоненкова Татьяна Владимировна

доцент департамента КИПС

Научный руководитель:

Лелюхин Владимир Егорович

кандидат технических наук

доцент профессор департамента КИПС

Аннотация

автоматизация деталь металлорежущий станок

Статья посвящена проблеме автоматизации проектирования процессов обработки деталей на металлорежущих станках, требующей наличия формальных инструментов разработки технологии. Важнейшей задачей проектирования является формирование набора и последовательности выполнения установов, определяющую структуру технологического процесса. В работе описан формальный метод моделирования процесса обработки детали, основанный на генерировании комплектов технологических баз и определении последовательности обработки поверхностей. Информационной основой служит комплекс размерных связей, заданных чертежом и техническими требованиями. Приведенные примеры двух вариантов моделирования процесса обработки свидетельствуют о реальной возможности формального проектирования технологии.

Ключевые слова: машиностроение, изготовление деталей, металлорежущие станки, технологический процесс; технологические базы; последовательность обработки; моделирование технологии.

Annotation

Article is devoted to problem of designing processes for processing parts on metal-cutting machines, which requires formal tools for creating technologies. Most important design task is formation of a set and sequence of installations, which determines structure of technological process. Paper describes a formal method for modeling processing of parts, based on generation sets of technological basic processes for processing parts processing. Informational basis is the dimensional relationships specified by the drawing and technical requirements. Above examples of two directions of modeling processing process indicate real possibility of formal design of technology.

Key words: mechanical engineering, parts manufacturing, metalworking machines, technological process; technological bases; processing sequence; modeling technology.

Функциональные характеристики любых деталей машин зависят от полученных в результате изготовления свойств материала (прочность, износостойкость, коррозионная стойкость, твёрдость и т.д.) и геометрических параметров (заданной формы поверхностей, относительного расположения поверхностей, шероховатости поверхностного слоя) [1, 2, 3, 4, 5, 6].

В статье рассматриваются вопросы формализации проектирования технологических процессов обработки деталей на металлорежущем оборудовании. Основное внимание при проектировании технологии обработки на станках направлено на обеспечение взаимного расположения поверхностей детали деталей [7, 8, 9].

Теоретическим базисом рассматриваемого метода проектирования технологии обработки деталей является геометрия неидеальных объектов, использующая шестимерное пространство с тремя линейными и тремя угловыми координатами ех, еу, ez, цcx, цcy, цcz, описанная в работах [4, 14].

Как известно технологический процесс дискретного производства включает в себя ряд разноплановых технологических процедур, т.е. элементов, которые выполняются в определенном порядке [1, 3, 4, 11, 12, 10].

В качестве базового элемента («кирпичика») технологического процесса в работе рассматривается регламентируемая ГОСТ 3.1109-82 часть технологической операции, выполняемая при неизменном закреплении обрабатываемых заготовок или собираемой сборочной единицы, называемая установом [13]. Тогда под структурой технологического процесса понимается набор и последовательность выполнения этих установов [4, 14].

В статье рассматриваются возможность формального проектирования структурой технологического процесса, заключающаяся в поиске всех возможных вариантов установов непротиворечащих условиям существования конкретной геометрической конфигурации детали. Для исследований в качестве базового подхода использована схема моделирования процесса обработки деталей на станках, описанная в работах [3, 4, 15].

Исходным постулатом в ходе моделирования процесса обработки является прямое выдерживание заданных на чертеже размерных связей, определяющих их взаимное расположение. При этом в качестве баз для получения рассматриваемой поверхности могут быть использованы реальные поверхности детали, позволяющие однозначно ориентировать формообразующие движения для её обработки. Это положение подтверждается авторами в статье: «Обеспечение взаимного (относительного) расположения между обрабатываемыми поверхностями осуществляется при выполнении базирования и закрепления, т.е. ориентации и фиксации положения заготовки относительно формообразующих движений режущего инструмента» [7, стр. 43].

Процесс проектирования комплектов баз и последовательности их смены построен на использовании алгоритма направленного поиска реально существующих сторон детали, которые можно применить в качестве баз для ориентации детали при обработке поверхностей [7, 8, 15]. Структура

технологического процесса образовывается на основе: определения баз и комплектов баз; установления последовательности смены баз.

В ходе проектирования технологии задано следующее условие порождения поверхности - окончательную обработку каждой из поверхностей детали достаточно выполнить только за один технологический переход. Выбор баз черновых баз производится исходя из следующих положений:

количество их может быть не более трёх;

базы должны быть непосредственно связаны размерной связью с обрабатываемыми поверхностями;

любую черновую базу можно использовать только один раз;

совокупности степеней свободы, фиксируемые базами, не могут повторяться.

В работе выполнено моделирование процесса обработки поверхностей для детали, показанной на рисунке 1.

Геометрическая конфигурация исходной заготовки ограничена комплексом так называемых черновых поверхностей, при этом обрабатываемые поверхности отсутствуют, т.е. скрыты внутри материала детали. При проектировании технологического процесса важно таким образом расположить комплекс обрабатываемых поверхностей, чтобы в ходе обработки не осталось необработанных участков.

В рассматриваемом случае в качестве исходной заготовки используется тело в форме прямоугольного параллелепипеда, ограниченного шестью необработанными (черновыми) поверхностями. Для обеспечения связи чистового комплекса с черновым используются три черновые поверхности: Ч6, Ч7 и Ч8. Каждая из них связана размерами с поверхностями П4, П3 и П5 соответственно.

параллельность отверг mu П1 относительно плоскости П4 не более 0,01 мы, параллельность поверхности П4 относительно поверхности П6 не более 0.01 мм; перпендикулярность поверхности Лб относительно поверхности Пд не более 0,01 мм; перпендикулярность поверхности Пі относительно поверхностиП5 не более0,01 мм; перпендикулярность поверхности ПЗ относительно поверхности П4 не более 0,01 мм; перпендикулярность поверхности П4 относительно поверхности П5 не более 0,01 мм.

Рисунок 1. Деталь

На рисунке 2 в виде графов размерных связей показана структура геометрической конфигурации детали с введёнными черновыми поверхностями. Эта структура отображает один из многочисленных вариантов конфигурации детали. Мощность множества конфигураций (структур) определяется как сумма остовных деревьев по каждой из шести координат пространства. Число деревьев для одной координаты вычисляется по формуле А. Кэли К = пп-2, где n - количество вершин графа [16].

Необходимо определить какая из поверхностей скольких степеней свободы будет лишать деталь при базировании, так как в трёхмерном поверхность Ч7 фиксирует три степени свободы <CZ, 0СХ и (Ху, поверхность Ч6 две степени свободы <СХ и 0CZ, поверхность Ч8 обеспечивает фиксацию одной степени свободы еу. Структура, представленная на рисунке 2, однозначно отображает геометрическую конфигурацию рассматриваемой детали (рис. 1), а также учитывает реально существующие размерные связи поверхностей заготовки с поверхностями детали до начала обработки.

Рисунок 2. Графы размерных связей для координат ех, еу, ez, осх, оау, оа2

Далее рассмотрены два варианта моделирования технологии: первый с последовательной обработкой поверхностей, второй с параллельной.

Суть последовательной обработки в формировании структуры проектируемого технологического процесса, отражающего последовательное (друг за другом) выявление баз или комплектов баз, используемых для обработки одной (конкретной) поверхности в соответствии с требованиями чертежа [17, 18]. При параллельной обработке выявляются комплекты баз, используемые для обработки нескольких поверхностей детали.

Работа алгоритма проектирования процесса обработки по обоим вариантам основана на преобразования матрицы смежности.

Первый подход в моделировании - последовательное выявление баз для обработки отдельных поверхностей. По содержанию диагональных ячеек матрицы (рис. 3) видно, что для обработки поверхностей детали необходимо лишать её 3-х или 4-х степеней свободы, поэтому, не имеет смысла назначать в качестве первых черновых базы поверхностей П6 и П8. В качестве черновой базы назначается поверхность Ч7, фиксирующая деталь в трёх направлениях - ez, ох, Оу. Содержимое столбца, соответствующего черновой базе Ч7 содержит необходимое и достаточное количество связей для «покрытия» диагональной таблицы поверхности П3. Поэтому база Ч7 может использоваться для обработки поверхности П3.

Рисунок 3. Первый шаг обработки матрицы смежности

Далее матрица в соответствии с правилами трансформируется: столбец П3 удаляется из матрицы, строка с номером П3 перемещается в верхнюю часть матрицы, и данная поверхность становится реально существующей (обработанной), строка с базой Ч7 так же удаляется, так как черновую базу можно использовать только один раз. Матрица смежности трансформируется в вид, представленный на рисунке 4.

На следующих шагах работы с матрицей снова выявляются те столбцы, в которых логическая сумма шестиклеточных таблиц поверхностей, принятых за базы, полностью «покрывает» соответствующую диагональную шестиклеточную таблицу пока ещё необработанных поверхностей нижней части матрицы.

Рисунок 4. Второй шаг обработки матрицы смежности

В верхней части матрицы (рис. 4) в столбце 3 (строки 1 и 3) шестиклеточные таблицы перекрывают диагональную таблицу со степенями свободы <СХ, (Ху, xz. Это даёт возможность использовать в качестве баз реально существующие поверхности для обработки поверхности П4: обработанную П3 (фиксация одной степени свободы ху) и черновую поверхность Ч6 (фиксация двух степеней свободы ex, xz). Дальнейшее преобразование приводит матрицу к новому виду (рис. 5).

Последовательная проверка на третьем шаге показывает, что соответствие сумм шестиклеточных таблиц верхней и нижней частей матрицы представлено в 3 столбце. Для ориентации поверхности П5 относительно формообразующих движений инструмента можно забазировать деталь используя комплект, состоящий из черновой базы Ч8, дающей фиксацию одной степени свободы - еу и уже обработанных поверхностей П3 и П4, обеспечивающих фиксацию по двум степеням свободы Хх и xz соответственно.

Рисунок 5. Третий шаг обработки матрицы смежности

Последующая трансформация приводит матрицу в вид, представленный на рисунке 6.

На четвёртом шаге моделирование показывает, что цилиндрическое отверстие П2 может быть обработано при использовании комплекта баз П3, П4, П5 (рис. 6), обеспечивающего фиксацию по четырём степеням свободы - ???_ , ???_ ,????_ ,????_ .

Далее на следующем (пятом) шаге (рис. 7) обрабатываемой является поверхность П1. Для ориентации этого отверстия базами могут являться П2, П4 и П5. Данный комплект обеспечивает необходимые четыре степени свободы ???_ , ???_ ,????_ ,????_ .

Рисунок 6. Четвёртый шаг обработки матрицы смежности

Рисунок 7. Пятый шаг обработки матрицы смежности

Следующей обрабатываемой поверхностью является поверхность П6, которая может быть получена при использовании базы П4 (рис. 8). Базирующая поверхность позволяет зафиксировать необходимые три степени свободы: перемещение по ???_ и повороты вокруг ????_ и ????_.

После произведённых манипуляций матрица трансформируется в вид, представленный на рисунке 9.

Следующей обрабатывается поверхность П7 от базы П3 (рис. 9).

Рисунок 8. Шестой шаг обработки матрицы смежности

Логическая сумма шестиклеточной таблицы базовой поверхности П3 полностью «покрывает» диагональную шестиклеточную таблицу матрицы обрабатываемой поверхности 777, представленной в этом же столбце.

Рисунок 9. Седьмой шаг обработки матрицы смежности

Дальнейший анализ показывает, что осталось провести два шага по трансформации матрицы смежности, позволяющие перевести все поверхности детали из состояния необработанных в состояние обработанных. На восьмом шаге (рис. 10) обрабатывается поверхность П8, для ориентации которой необходима фиксация по трём степеням свободы - ???_ ,????_ ,????_.

Рисунок 10. Восьмой шаг обработки матрицы смежности

Комплект баз из поверхностей П5 и П6 обеспечит необходимую ориентацию. Поверхность П5 по двум степеням свободы - ???_ ,????_ , поверхность П6 - ????_ .

На последнем (девятом) шаге обрабатывается поверхность П9 от комплекта баз 775 и 777 (рис. 11).

Рисунок 11. Девятый шаг обработки матрицы смежности

В результате трансформации матрицы смежности выявлена последовательная обработка всех поверхностей детали. Полученная последовательность смены баз показана на рисунке 12. Здесь в квадратных рамках указаны поверхности, используемые при обработке в качестве баз. Двойными рамками выделены черновые базы, в кружочках обозначены обрабатываемые поверхности. Прямые связывают обрабатываемую с базовой поверхностью, стрелками показана последовательность шагов при моделировании процесса обработки. Как видно, смоделированная технология отражает последовательную обработку поверхностей со сменой баз, то есть за один установ производится обработка одной поверхности.

Рисунок 12. Последовательность обработки поверхностей детали

Второй подход моделирования технологии позволяет сформировать последовательность обработки с использованием комплекта баз для обработки нескольких поверхностей детали. Для этого при анализе матрицы смежности выделенная база или комплект баз проверяются на возможность их использования для ориентации всех возможных поверхностей детали на данном шаге.

Первый шаг анализа матрицы показывает, что база Ч7 может использоваться только для обработки поверхности П3, так как больше не выявлено столбцов, в которых логическая сумма шестиклеточных таблиц базовых поверхностей, полностью «покрывает» соответствующие диагональные шестиклеточные таблицы необработанных поверхностей. Поэтому первый шаг преобразования матрицы полностью соответствует виду, показанному на рисунке 3.

На следующем (втором) шаге обработки матрицы (рис.13) комплект базовых поверхностей Ч6 и П3 даёт необходимую ориентацию для обработки поверхностей П4 и 777.

Рисунок 13. Второй шаг обработки матрицы смежности

Данный комплект баз фиксирует пять степеней свободы: черновая база Ч6 две степени - ?_ ,????_ , а поверхность П3 - три ???_ ,????_ ,????_ .

На следующем шаге (рис.14) проверка по столбцам соответствия верхней части матрицы с диагональными выявляет это соответствие в третьем и четвёртом столбцах.

Рисунок 14. Третий шаг обработки матрицы смежности

Комплект баз из поверхностей Ч8, П3, П4 фиксирует пять степеней свободы: по одной черновая база Ч8 (еу) и поверхность П3 (ох), три степени - поверхность П4 (ех, оу, oz). Как видно, сформированный комплект базирующих поверхностей обеспечивает ориентацию заготовки для обработки поверхностей П5 и П6.

Дальнейшее моделирование показывает, что следующие шаги преобразования матрицы с целью выявления баз и построения последовательности обработки полностью повторяют этапы трансформации матрицы, проведённые при проектировании технологии по первому варианту (последовательная обработка).

Результат моделирования технологии с использованием обработки нескольких поверхностей за один установ представлен на рисунке 15.

Рисунок 15. Последовательность обработки поверхностей детали

Сравнив результаты моделирования, представленные на рисунках 12 и 15, виден разный состав технологии обработки. Количество установов по первому варианту больше на два, чем по второму, следовательно, технологический процесс по второму варианту более интегрированный. Хотя в дальнейшем, в зависимости от условий производства можно сформировать другие варианты структур технологических процессов.

Таким образом, первый и второй подход к моделированию технологии позволяет сформировать комплекты баз для обработки поверхностей, спланировать последовательность смены баз при обработке, построить последовательность обработки.

Используемая методика моделирования даёт возможность представить состав и структуру установов технологического процесса обработки детали.

Использованные источники

1. Базров Б.М. Модульная технология в машиностроении. М.: Машиностроение. 2001, 368 с. ISBN 5-217-03061-5.

2. Справочник технолога машиностроителя. В 2 т. Т. 1 / под ред. А.С. Васильева, А.А. Кутина. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Инновационное машиностроение, 2018. 756 с. ISBN 978-5-6040281-6-2.

3. Старостин В.Г., Лелюхин В.Е. Формализация проектирования процессов обработки резанием. - М.: Машиностроение. 1986. - 136 с.

4. Леонтьев Л.Б., Лелюхин В.Е., Колесникова О.В., Леонтьев А.Л. Системное проектирование технологических процессов изготовления и восстановления деталей машин: учебник для вузов /. - Владивосток: ДВФУ, 2020. - ISBN 978-5-7444-4784-7.

5. Henzold, Georg (2006). Geometrical Dimensioning and Tolerancing for Design, Manufacturing and Inspection (2nd ed.). Oxford, UK: Elsevier. ISBN 9780750667388.

6. Vijay Srinivasan (2008). Standardizing the specification, verification, and exchange of product geometry: Research, status and trends. Computer-Aided Design, V 40, Issue 7, July 2008 , p. 738-749 ISSN 0010-4485.

7. Лелюхин В.Е., Колесникова О.В. Метод формального проектирования технологии обработки на станках деталей судовых машин. // Морские интеллектуальные технологии. №4 T.3 2021, с.39-46. ISSN № 2073-7173.

8. V.E. Lelyukhin, О.V. Kolesnikova and E.V. Ruzhitskaya Geometry of SixDimensional Space for Engineering. A.A. Radionov et al. (eds.). Proceedings of the 6th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2020), Lecture Notes in Mechanical Engineering, 2021. pp. 386-394.

9. O.V. Kolesnikova, V.E. Lelyukhin and F.Yu. Ignatev Formation of Schemes Generating Geometric Structure of Machine Parts. A.A. Radionov et al. (eds.). Proceedings of the 5th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2019), Lecture Notes in Mechanical Engineering, pp. 355-363.

10. Gologlu C. (2004) A constraint-based operation sequencing for a knowledge- based process planning. J Intell Manuf 15(4):463-470.

11. Koenig D.T. Computer-integrated manufacturing: theory and practice. Taylor and Francis, Boca Raton. 1990.

12. Yusri Yusof, Kamran Latif. Survey on computer-aided process planning. Springer-Verlag London. June 2014. DOI 10.1007/s00170-014-6073-3.

13. ГОСТ 3.1109-82. ЕСТД. Термины и определения основных понятий. - Москва: Стандартинформ. 2012.

14. Лелюхин В.Е., Колесникова О.В., Ружицкая Е.В. Антоненкова Т.В. Геометрия неидеальных объектов в инженерной деятельности (машиностроение и робототехника). - Москва: Знание-М, 2020. - 104 с. ISBN 978-5-907345-80-5.

15. Игнатьев Ф.Ю., Колесникова О.В., Лелюхин В.Е. Исследование сходимости алгоритма автоматического проектирования технологического процесса механической обработки. «Ученые записки КнАГТУ». .№ V (53) 2021 «Науки о природе и технике», с. 30 - 37 ISSN. 2222-5218.

16. Cayley A. A theorem on trees. Quart. J. Pure Appl. Math., 23 (1889), 376 - 378; Collected Mathematical Papers, Vol. 13, Cambridge University Press, 1897, 26-28.

17. Lelyukhin V., Kolesnikova O. Approach to determining order of production of parts and assembly units of engineering products in production process planning. International Conference on Industrial Engineering, ICIE 2017. Procedia Engineering 206 (2017) 1515-1521.

18. O.V. Kolesnikova, V.E. Lelyukhin and F.Yu. Ignatev Formation of Schemes Generating Geometric Structure of Machine Parts. A.A. Radionov et al. (eds.). Proceedings of the 5th International Conference on Industrial Engineering (ICIE 2019), Lecture Notes in Mechanical Engineering, pp. 355-363.

Размещено на Allbest.ru