Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор вопросов проектирования токарных приспособлений и постановка задачи исследования 6
1.1. Обзор методов проектирования приспособлений ... 6
1.1.1. Традиционное проектирование 7
1.1.2. Автоматизированное проектирование 10
1.2. Обзор конструкций токарных приспособлений 12
1.3. Анализ методов проектирования технических объектов 41
1.3.1. Стратегии проектирования 41
1.3.2. Методы проектирования 44
1.4. Постановка задачи исследования 49
1.5. Выводы по главе 1 51
Глава 2. Формализация процесса проектирования технических объектов 52
2.1. Обобщенная модель технической системы 52
2.2. Концепция стратегии интерактивного проектирования 60
2.3. Критериальная оценка конструктивных решений . 64
2.3.1. Структуризация критериев 64
2.3.2. Формирование набора критериев для ступеней конкретизации 68
2.4. Выводы по главе 2 81
Глава 3. Методы поддержки принятия конструкторских решений при автоматизированном проектировании токарных приспособлений 82
3.1. Декомпозиция конструкции токарного приспособления 82
3.1.1. Основные элементы приспособления 83
3.1.2. Примеры конструктивного оформления элементов 86.
3.2 Определение весовых коэффициентов критериев... 90
3.2.1. Критерий — надежность выполняемых функций 90
3.2.2. Критерий - сложность конструкции 98
3.2.3. Критерий — точность 99
3.2.4. Критерий - безопасность 101
3.2.5. Критерий — величина вспомогательного времени 102
3.3. Пошаговая конкретизация конструктивных элементов приспособления 103
3.3.1. Алгоритм проектирования 103
3.3.2. Конкретизация элементов решения 105
3.4 Структура конструкторской базы данных 131
3.5. Выводы по главе 3 153
Глава 4. Реализация автоматизированных методов принятия конструкторских решений 154
4.1. Основные характеристики разработанного программного обеспечения 154
4.2 Примеры диалоговых окон 161
4.3 Выводы по главе 4 172
Основные выводы и результаты 173
Список литературы 175
- Обзор методов проектирования приспособлений
- Обобщенная модель технической системы
- Декомпозиция конструкции токарного приспособления
- Основные характеристики разработанного программного обеспечения
Введение к работе
Актуальность работы.
Технический прогресс в машиностроении в большей степени зависит от конкурентоспособности выпускаемых машин. В то же время эта конкурентоспособность зависит от качества и себестоимости деталей, которые определяются технологией их изготовления, занимающей 30-70% в общей трудоемкости производства машин. Затраты на изготовление, приобретение и эксплуатацию технологической оснастки составляют до 20% от стоимости оборудования, а себестоимость и сроки подготовки производства в основном определяются величиной затраты труда и времени на проектирование и изготовление технологической оснастки.
Применение машиностроительной технологической оснастки позволяет значительно повысить эффективность используемого оборудования и повысить гибкость производства. Наиболее трудоемкой в проектировании и изготовлении частью технологической оснастки являются станочные приспособления.
При проектировании токарных приспособлений их конструкции сводят к типовым: патроны, центра, оправки, планшайбы. Конструкции, созданные на основе подобия, отличаются перерасходом материала, невозможностью достижения максимальных значений показателей, влияющих на качество изготовления деталей, снижением коэффициента загрузки оборудования.
Поэтому разработка эффективной методологии проектирования и создание системы помощи принятия конструкторских решений является актуальной задачей.
Цель работы:
Повышение качества и сокращение сроков проектирования токарной технологической оснастки на основе автоматизации интерактивных процедур.
Научная новизна работы заключается в следующем:
установлении связей между этапами, определяющие логику интерактивного проектирования;
формировании структуры функциональной модели системы проектирования, особенностью которой являются знания о количестве входящих в ее состав элементов, способах и видах контактных взаимодействий, возникающими между ними, качестве изготовления, как отдельных элементов, так и узлов в сборе;
разработке интерактивного алгоритма поддержки принятия конструкторских решений;
- информационно-программное обеспечение процесса проектирования технологической оснастки для станков токарной группы.
Методы исследования.
При выполнении работы использовались основные положения методологии проектирования машин, технологии машиностроения, машиноведения и деталей машин, теория множеств, теория графов, системный анализ.
Практическая ценность работы состоит в разработке методического и информационного обеспечения системы автоматизированного проектирования токарной оснастки в интерактивном режиме.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались на семинарах кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления» МГТУ «Станкин»; XI научной конференции МГТУ «СТАНКИН» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН», XII научной конференции МГТУ «СТАНКИН» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН», VII всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука — региону».
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано шесть печатных работ.
Обзор методов проектирования приспособлений
Технический прогресс в машиностроении в большей степени зависит от конкурентоспособности выпускаемых изделий. В то же время эта конкурентоспособность определяется качеством и себестоимостью деталей, из которых состоит изделие, а также качеством сборки деталей и занимает 30-70% в общей трудоемкости производства машин [6]. Затраты на изготовление, приобретение и эксплуатацию технологической оснастки составляют до 20% от стоимости оборудования, а себестоимость и сроки подготовки производства в основном определяются величиной затраты труда и времени на проектирование и изготовление технологической оснастки. Машиностроительная технологическая оснастка представляет собой обширную номенклатуру изделий для обработки заготовок, для их установки и закрепления на станках, для транспортировки деталей и для выполнения сборочных операций.
Наиболее трудоемкой в проектировании и изготовлении частью технологической оснастки являются станочные приспособления. Применение станочной оснастки, особенно переналаживаемого типа, не только обеспечивает, но и расширяет технологические возможности как универсальных, так и станков с числовым программным управлением [7].
Точность механической обработки в значительной степени зависит от станочной оснастки. При обработке заготовок методом пробных проходов точность детали зависит в основном от квалификации рабочего. Применение автоматического метода получения размеров механизированного закрепления заготовок в приспособлении практически полностью устраняет влияние уровня квалификации рабочего на точность обработки. Качество деталей в этом случае в значительной степени зависит от станочного приспособления, его точности, способности сохранить её" в процессе обработки, места приложения и направления зажимной силы и т.д.
Исходя из того, что станочные приспособления являются одним из звеньев технологической системы «станок - приспособление - инструмент -заготовка», к ним, как и ко всем элементам системы, предъявляются высокие эксплуатационные требования, конечная цель которых - обеспечить требуемую точность и качество изготовления деталей. К таким эксплуатационным свойствам относятся: жёсткость, надёжность, точность, износостойкость основных элементов, виброустойчивость.
Создание конструкций технологической оснастки, отвечающей перечисленным требованиям - процесс сложный и трудоемкий, предоставляющий конструктору широкие возможности для проявления творческой инициативы.
Наибольший вклад в развитие науки о станочных приспособлениях внесли В.А. Блюмберг, A.M. Дальский, В.А. Здор, М.П. Егоров, М.А. Ансеров, Г.С. Ивасышин, Н.М. Капустин, В.М. Кован, А.Г. Схиртладзе, B.C. Корсаков, В.Ю. Новиков, Ю.Н. Кузнецов, А.Н. Малов, Б.Н. Вардашкин, В.В. Микитянский, А.П. Соколовский, В.В. Ильицкий, А.А. Шатилов, А.С. Шац и др.
В области автоматизации проектирования технических объектов - В.И. Аверченков, А.И. Половинкин, А.Г. Ракович, Г.С. Чумаков и др.
Указанные научные деятели в своих работах отражают суть двух подходов к проектированию технологической оснастки: традиционному и автоматизированному.
Разработка конструкции приспособления заключается в постепенном построении эскиза, выражающего идею приспособления, по контуру обрабатываемой детали. При конструировании приспособлений тщательному изучению и анализу подвергают обрабатываемую деталь, станок, на котором планируется оснащаемая операция, способ подвода режущего инструмента и смазочно-охлаждающей жидкости, средства обеспечения установки детали, удаления стружки и др. Учитывают положение станочника относительно проектируемого приспособления и оборудования, размер партии деталей и планируемую производительность обработки, структуру технологической операции и режимы резания, вес заготовки, способ её загрузки и выгрузки [1,2, 3].
В процессе анализа обрабатываемой детали выделяют поверхности, подлежащие обработке в проектируемом приспособлении, поверхности, назначенные технологическими базами и под зажимы. Изучают геометрическую форму, размеры, координаты взаимного расположения поверхностей, а также требования точности обработки.
Порядок проектирования. Конструирование функциональных элементов приспособления создаётся постепенно по мере аналитического рассмотрения функциональных поверхностей обрабатываемой детали. При этом на стадии конструирования каждой очередной функциональной группы элементов осуществляется их увязка с решениями, полученными на более ранних стадиях.
В общем случае процесс проектирования станочных приспособлений описывается следующими этапами: 1. Конструирование установочных элементов. При анализе технологических баз принимают решения о типах, размерах, пространственном положении и точностном исполнении установочных элементов станочного приспособления. Эти решения фиксируют на чертеже, содержащем изображение обрабатываемой детали. Конструкция установочных элементов приспособления зависит от формы, размеров, расположения и точности технологических баз обрабатываемой детали. 2. Конструирование направляющих элементов.
В результате изучения обрабатываемых поверхностей детали принимают решения о конструкции элементов приспособления для направления режущего инструмента. 3. Конструирование зажимных элементов. Конструкцию зажимных элементов и устройств приспособления определяют при проектировании после анализа формы и размеров поверхностей обрабатываемой детали, назначенных технологом под зажим. При этом учитывают силовые факторы, имеющие место в процессе обработки в приспособлении, а также требования производительности и экономичности конструкции. 4. Конструирование корпуса. Осуществляют на завершающем этапе разработки приспособления. Конструкция корпуса должна обеспечить правильное положение в пространстве функциональных элементов приспособления, иметь достаточную жёсткость, предотвращающую потери точности обработки детали. 5. Расчёты. К основным расчётам можно отнести расчёты зажимных усилий прихватов и различных зажимных устройств, расчёты пальцев на срез, погрешности базирования и экономические расчёты.
Обобщенная модель технической системы
Под технической системой (ТС) будем подразумевать следующую последовательность элементов: станок - приспособление - инструмент -заготовка. ТС находится в составе производственного цикла, а следовательно, неразрывно связана с окружающими объектами. Чем лучше организовано ее взаимодействие с окружением, тем более надежно и качественно будет выполнять свои функции система.
Для выполнения своих функций ТС взаимодействует с окружающей средой и берет у нее необходимые для работы ресурсы. В качестве таких ресурсов могут выступать заготовки, запасные части, электрическая энергия, персонал, особые атмосферные условия и т.д. Под понятием окружающая среда подразумевается совокупность объектов живой и неживой природы, которые не могут быть произведены ТС и без взаимодействие с которыми, она не сможет функционировать. ТС должна быть регулируемой, а следовательно, управляемой. Управление может осуществляться как в ручную, так и дистанционно с помощью компьютерной программы. В результате свое деятельности ТС выпускает готовую продукцию и производственные отходы. Помимо этого ТС оказывает обратное воздействие на окружающую среду -поглощает энергию, создает вибрации, выбрасывает загрязнения и т.д.
В тоже время, в условиях современного машиностроительного производства к ТС предъявляют требования не только по повышению производительности и качества, но и по обеспечению гибкости производства. Последнее становится особенно актуальным в связи с широким развитием работ по созданию гибких автоматизированных производств. Понятие гибкости машиностроительного производства неразрывно связано с понятием гибкости ТС. Для определения этого понятия опишем внутреннюю структуру ТС.
Внутренняя структура технологической системы Из рисунка видно, что станок взаимодействует с заготовкой двумя способами — напрямую используя приспособление и косвенно через режущий инструмент. Из четырех блоков наибольшее влияние на гибкость ТС оказывает взаимосвязь станок — приспособление — заготовка. В этой цепочке наибольшее влияние на гибкость производства оказывает приспособление. Именно от его качества в большей степени и будет зависеть качество изготовления детали.
Рассмотрим данную структуру с точки зрения модульной технологии. В основу модульной технологии положен принцип сочетания поверхностей, совместно выполняющих те или иные функции детали. Все поверхности деталей можно разделить на исполнительные и связывающие. Первые, в свою очередь, подразделяют на базирующие и рабочие поверхности [14, 15]. Для полного базирования детали, как известно, необходим комплект из трех поверхностей. Рабочие поверхности тоже выполняют свои функции комплектом. Особую роль играют связывающие поверхности. В их задачу входит объединение исполнительных поверхностей в единое пространственное тело-деталь и придание последней соответствующих конструктивных форм и размеров. Однако на форму, размеры, расположение связывающих поверхностей могут накладываться различного рода ограничения с тем, чтобы они не оказывали существенного влияния на качество выполнения деталью ее назначения. Из изложенного следует, что деталь выполняет свои функции не отдельными поверхностями, а сочетаниями поверхностей. В связи с этим вводится понятие "модуль поверхностей", под которым понимается комплект или сочетание поверхностей, объединенных совместным выполнением законченных функций детали. Классификация, в которой рассматриваемым объектом является модуль поверхностей, была разработана Базровым Б. М. [16].
Первым классификационным признаком является назначение модуля поверхности, в результате чего все модули поверхностей делят на три класса: модули базирующих поверхностей (МПБ), модули рабочих поверхностей (МПР) - исполнительные поверхности, и модули связывающих поверхностей (МПС). Дальнейшую классификацию осуществляют по конструктивным и геометрическим признакам, когда каждый класс модулей поверхностей делится на подклассы модулей на однотипности сочетающихся поверхностей и далее на группы и подгруппы. На рисунках 2.3 и 2.4 показаны модули поверхностей деталей, а на рис. 2.5 приведены примеры их конструктивного оформления.
Практически все детали содержат связующие и базирующие модули и только незначительная часть номенклатуры деталей имеет рабочие поверхности. К ним в первую очередь относятся детали, выполняющие роль кинематических звеньев - зубчатые колеса, червяки, рейки, винты и т.п.
Построение модульного техпроцесса включает следующие основные этапы:
1. Классификация поверхностей детали на модули поверхностей. Исходными данными для классификации являются чертежи детали и сборочной единицы, в которую она входит, и классификатор. Сначала выявляют рабочие модули на основе анализа назначения детали. Классификация заканчивается построением схемы конструкторских связей модулей поверхностей детали, которая строится по иерархической схеме.
2. Анализ модулей поверхностей на технологичность. Целью анализа является корректировка модулей поверхностей с позиции удобства работы с ними и сведения к минимуму их разнообразия.
3. Проектирование операции. В результате проектирования операции должна быть выбрана схема базирования заготовки, определенная последовательность обработки модулей поверхностей, рассчитаны затраты штучно-калькуляционного времени и составлена технологическая карта.
Декомпозиция конструкции токарного приспособления
Описанные в главе 2 методы обеспечивают наиболее рациональный подход для проектирования технологической оснастки. В дальнейшем в данной работе, взяв эти методы за базисные (основные), покажем их реализацию. Итак, в качестве реализации адаптивной стратегии выбран метод интерактивного проектирования, а для анализа данных выбран морфологический метод.
Особенностью токарной обработки является то, что приспособление крепится непосредственно на шпинделе станка, а обработка может осуществляться как в продольном, так и поперечном направлениях с возможностью установки режущего инструмента в различных плоскостях. В зависимости от технического задания детали и имеющегося оборудования порождается большое количество вариантов исполнения требуемого приспособления. Декомпозируем конструкцию токарного приспособления на составные элементы, что позволит определить оптимальный алгоритм пошагового проектирования [55].
Для того чтобы правильно составить схему интерактивного проектирования приспособления, необходимо сначала устранить ряд неопределенностей. Неопределенность конструкции приспособления выражается в многообразии исполнения ее базовых узлов. Через дальнейшую конкретизацию каждого элемента приспособления, заготовки, режущего инструмента, шпинделя станка можно вывести ее более конкретное описание. Рис. 3.1 отражает концепцию разработки приспособления через уточнение элементов входящих в состав системы станок — приспособление -инструмент - заготовка.
Через применение элементарных знаний о приспособлении, через связи элементов можно найти комплекс решений конструкции приспособления: движение, силы, правильное расположение, закрепление, форма и размеры.
На хорошо видно, что токарное приспособления должно четко фиксировать заготовку и передавать ей движение от шпинделя станка. Исходя из этого, можно сказать, что в состав конструкции приспособления должны входить два основных функциональных узла, необходимых для надежного закрепления приспособления на шпинделе станка и жесткой фиксации заготовки в приспособлении.
ЗМ для закрепления на станке представляет собой набор элементов необходимых для установки приспособления на шпинделе станка (рис. 3.2). Логика следующая - вначале оснастка устанавливается на базирующие элементы, затем она фиксируется зажимными элементами, и наконец, вращение от станка передается путем взаимодействия шпинделя и контактных элементов приспособления.
После фиксирования на шпинделе приспособления между указанными элементами возникают усилия: Р оп. - усилие опорных элементов. Оно равно по значению и обратно направлено усилию фиксации - Р фикс; ЗМ формирует усилие зажима - Р заж., возникающие, как равнодействующая от всех возникших усилий внутри механизма при воздействии Р вращ. — вращательного усилия от шпинделя.
ЗМ для установки детали, по сути, представляет собой описанный выше блок. Отличается он только тем, что зажим детали может осуществляться с помощью различных приводов. В остальном принцип действия остается неизменным.
Закрепленная деталь в процессе обработки воспринимает усилие резанья - Р рез. Это усилие в свою очередь передается на ЗМ приспособления через силы трения - Р тр. Оба зажимных механизма взаимодействуют между собой не только через генерируемые ими усилия зажима, но и через обратное усилие трения между ними — Р тр.
Помимо двух указанных функциональных узлов, немаловажным элементом приспособления является корпус. Он должен одновременно решать несколько задач: - компоновать все входящие элементы приспособления в единую конструкцию; - защищать от стружки базовые поверхности и фиксирующие элементы; - быть малогабаритным и не громоздким. 3.1.2. Примеры конструктивного оформления элементов Обобщив конструкции токарных приспособлений, рассмотренных в главе 1 можно сделать вывод, что деталь устанавливается в приспособление (или приспособление на станок) одним из следующих способов: - по плоскости; - по наружной цилиндрической (конической) поверхности; - по внутренней цилиндрической (конической) поверхности; - по сочетанию поверхностей. Передача движения от станка к детали через контактные элементы может осуществляться несколькими методами: - трением; - внедрением (контактное взаимодействие одной детали в другую с деформацией второй детали); - вспомогательными деталями; - рельефом поверхностей. В состав универсальных приспособлений нередко входят элементы, которые выполняют несколько функций одновременно. Такие элементы могут и базировать, и зажимать заготовку, и передавать ей движение от шпинделя (например, конусная оправка). Такая функциональная нагрузка в конструкции может быть выполнена в виде одной поверхности (или сочетанию поверхностей).
Основные характеристики разработанного программного обеспечения
В данной главе представлено описание разработанного программного обеспечения для автоматизированного проектирования токарной технологической оснастки (далее по тексту — программа), принцип работы которой базируется на теоретических основах, изложенных в предыдущих разделах. Программа представляет собой надстроечный модуль для системы твердотельного моделирования T-FLEX CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM (далее по тексту - T-FLEX).
В основе разработке программы положены принципы интерактивности и максимальной простоты. Программа поддерживает различные диалоговые режимы, позволяющие пользователю в режиме реального времени анализировать большое число вариантов проектирования (принцип интерактивности). Взаимодействие пользователя и программы строиться на привычном сегодня windows-интерфейсе, который зарекомендовал себя как наиболее дружелюбный к пользователю. Диалоговые окна отражают только необходимую информацию и предлагают не более трех вариантов дальнейших действий (принцип простоты). Такой подход сводит к минимуму время, затрачиваемое на привыкание к программному продукту.
Структурный скелет программы содержит три основных блока или модуля (рис. 4.1). Модуль критериев обеспечивает оперирование критериями, их функциями и методами оценок, а также содержит автоматизированную систему генерации критериев. Модуль работы с базами данных позволяет эффективно управлять данными, хранить и структурировать их в удобном для программы виде.
Отличительными функциональными особенностями программы являются: проектирование токарной технологической оснастки; создание готовых конструкций; возможность настройки стадийности проектирования; создание библиотек элементов и узлов конструкций; простая адаптация спроектированного приспособления к используемому оборудованию; интерактивный критериальный подход для оценки конструкций; установка различных оценочных критериев и создание новых; низкие системные требования.
Интеграция разработанной программы разбивается на два этапа: инсталляция и эксплуатация. Инсталляция осуществляется с помощью стандартного мастера по установки ПО для систем Windows.
При запуске мастер оценивает текущую конфигурацию персонального компьютера, а также выполняет поиск установленных версий системы T-FLEX. Минимальные системные требования (обусловлены требованиями T-FLEX): Процессор: Pentium III (700 МГц) или выше ОЗУ: 512 Мб Видео: GeForce или аналог с видеопамятью 64 Мб HDD: 350 Мб свободного места Дисковод для гибких дисков: CD-R/RW, DVD-R/RW Манипулятор: «мышь» и клавиатура Операционная система: Microsoft Windows 2000, ХР (SP2, SP3) Версия T-FLEX: T-FLEX CAD версии 10 и 11
Эксплуатация программы возможна как в комплексе с T-FLEX, так и отдельно от него. В случае раздельного использования общая функциональность программы будет сильно ограничена. Будут доступны только функции по работе с библиотеками элементов и с архивом готовых конструкций.
Логика работы основывается на использовании пользователем при проектировании новой конструкции специализированного файла проекта, который создается в самом начале работы. На следующих этапах в этот файл заносится информация обо всех действиях, совершаемых пользователем в системе. Таким образом, во-первых, обеспечивается возможность при необходимости оперативно вернуться на предыдущие уровни и внести изменения в выбранные узлы или элементы, а во-вторых, производится постепенное накопление информации о действиях пользователя и формирование комплекса входных данных для проведения разнообразных расчетов. Алгоритм функционирования программы соответствует пошаговой логике (рис. 4.4).
Работа с программой начинается с главного окна (рис. 4.5). Оно разделено на две секции: работа с конструкциями и настройка программного обеспечения под текущие задачи. До начала «боевой» эксплуатации программы ее необходимо корректно настроить. Настройка выражается в: определении необходимого количество стадий проектирования, подходящих под большинство типичных задач на данном производстве; определении базы необходимых элементарных элементов; вводе характеристик штатного станочного оборудования; анализе имеющегося списка критериев и необходимости его дополнения.
Комплект поставки программы содержит достаточно большой перечень типовых элементарных элементов конструкций. Для расширения функциональных возможностей программа позволяет вводить новые элементы и подвергать изменению имеющиеся. Наполнение базы данных элементарных элементов представляет собой сложный процесс отбора деталей, которые понадобятся для решения текущих и будущих конструкторско-технологических задач. Это очень трудоемкий и ответственный этап, поэтому для его выполнения рекомендуется привлекать технологов высокой квалификации. Работа с данными ограничена тремя основными функциями: создание, удаление и редактирование элементов (рис. 4.6).
При создании нового элемента помимо его основных характеристик необходимо провести оценочный критериальный расчет (рис. 4.7, 4.8). Такой процесс может занять достаточно продолжительное время. Поэтому затраты, связанные с единовременным созданием базы данных должны быть тщательно рассчитаны и обоснованы.
