Содержание к диссертации
Введение
1. Научные проблемы, возникающие впроизводственной деятельности малых инновационных предприятий (мил) в машиностроении 13
1.1. Малые инновационные предприятия машиностроения в национальной инновационной системе России 13
1.2. Место МИЛ в условиях современного машиностроения 22
1.3. Модели управления МИЛ 31
1.4. Анализ путей автоматизации подготовки и управления производством в МИЛ в машиностроении 35
1.5. Анализ особенностей использования современного технологического оборудования и инструментального обеспечения в производственных процессах МИЛ в машиностроении 47
1.6. Постановка целей и задач исследования 56
2. Научные основы автоматизации технологической подготовки производства наукоемких изделий в МИЛ 58
2.1. Принятие решений по выбору объекта производства на основе анализа технологических решений 58
2.2. Анализ информационных потоков и базы знаний, необходимых в автоматизации деятельности МИЛ 62
2.3. Применение стандартов и рекомендаций ЕСТПП для технологической подготовки производства МИЛ. Этапы ТЛИ МИЛ 68
2.4. Решение задач МИЛ методами теории нечетких множеств 73
2.5. Решение задач МИЛ методами теории решения многокритериальных задач на нечетком множестве альтернатив 79
2.6. Выводы по главе 83
3. Автоматизация технологической подготовки производства мил в машиностроении 84
3.1. Применение САМ-систем и САПР ТП для решения технологических задач МИЛ в машиностроении 84
3.2. Автоматизация процедур интеграции САПР ТП и CAD/CAM/CAE-систем 92
3.2.1. Разработка процедур автоматизации распознавания и идентификации конструкторско-технологических элементов деталей в интегрированных САПР 92
3.2.1.1 Представление информации о 3D модели детали и конструкторском 2D чертеже в формате IGES 92
3.2.1.2. Декомпозиция геометрической модели детали на КТЭ 94
3.2.1.3. Формализация описания КТЭ 102
3.2.1.4. Пример использования модели приближенных рассуждений. 103
3.2.1.5. Распознавание элементов 2 уровня 107
3.2.1.6 Разработка методики сопоставления 3D модели детали и 2D-
чертежа 115
3.2.1.7. Распознавание конструкторских обозначений на 2D-чертеже 119
3.2.2. Разработка алгоритмов и программного комплекса распознавания конструкторско-технологической информации на основе ЗО-модели детали и 20-чертежа 120
3.3. Выводы по главе 141
4. Автоматизация процедур выбора режущего инструмента и стратегий обработки деталей для многофункционального технологического оборудования с ЧПУ 142
4.1. Проблема выбора рационального режущего инструмента в условиях МИЛ в машиностроении 142
4.2. Формализация описаний и математическая модель процесса подбора режущего инструмента 147
4.3. Разработка алгоритмов автоматизированной системы выбора режущего инструмента для многофункционального технологического оборудования с ЧПУ в условиях машиностроительных МИЛ 159
4.4. Описание разработанного программного комплекса для автоматизации процедуры выбора режущего инструмента 165
4.5. Автоматизация процедур выбора стратегий обработки деталей 175
4.5.1. Методика снижения производственных затрат на основе процедур выбора кинематической и инструментальной стратегий обработки деталей 175
4.5.2. Кинематическая стратегия обработки деталей 179
4.5.3. Инструментальная стратегия обработки деталей 188
4.6. Выводы по главе 198
5. Решение научно-производственных задач мил в машиностроении за счет создания интеграционных структур 199
5.1. Решение задач поддержки деятельности региональных МИП за счет создания инновационных центров высоких технологий в машиностроении при технических университетах 199
5.2. Исследование и создание АСНИ для удаленного доступа МИП к специализированному научному оборудованию 211
5.3. Разработка информационной модели и концепции автоматизированных систем для проектирования и применения технологической оснастки в производственных процессах МИП за счет создания интеграционных структур 221
5.3.1. Решение задачи обеспечения МИП технологическим оснащением через создание региональных центров внедрения У СП (РЦ У СП) 221
5.3.2. Оценка экономической эффективности создания РЦ УСП 225
5.4 Мониторинг научно-технической информации в Интернет в области конструкторско-технологической подготовки производства 228
5.4.1. Формализация потребности в мониторинге актуальной научно-технической информации в сети Интернет в деятельности МИП 228
5.4.2. Разработка новых методик автоматизированного поиска и анализа актуальной информации в Интернет 235
5.4.3. Разработка программного комплекса для автоматизированного поиска и анализа актуальной информации в Интернет и методики его применения в условиях МИП 250
5.5. Выводы по главе 257
6. Исследование процесса подготовки производства наукоемких изделий в условиях мип в машиностроении 259
6.1. Разработка и исследование виртуальных моделей оборудования и инструмента в производственных процессах МИП (на примере ООО «ИЦ ВТМ») 259
6.2. Реализация разработанной методики автоматизации технологической подготовки производства в условиях МИП в машиностроении 269
6.3. Выводы по главе 283
Основные выводы и результаты 284
Список публикаций
- Место МИЛ в условиях современного машиностроения
- Применение стандартов и рекомендаций ЕСТПП для технологической подготовки производства МИЛ. Этапы ТЛИ МИЛ
- Разработка процедур автоматизации распознавания и идентификации конструкторско-технологических элементов деталей в интегрированных САПР
- Формализация описаний и математическая модель процесса подбора режущего инструмента
Введение к работе
Актуальность темы. В современных российских условиях в машиностроительной отрасли сложилась ситуация, при которой большинство крупных промышленных предприятий, успешно существовавших до начала девяностых годов, оказались не в состоянии выживать в конкурентной среде. Среди причин неудач необходимо особо выделить тотальное устаревание технической базы, необходимость содержать ряд малоэффективных подразделений, длительный цикл подготовки производства новых изделий, отсутствие крупных оборотных средств, высокий средний возраст инженерных кадров.
В настоящее время, из крупных машиностроительных предприятий наилучшим образом себя чувствуют предприятия, работающие на оборонные отрасли или по государственным заказам, с редко изменяющимся номенклатурным рядом продукции и ограниченно участвующие в конкурентной борьбе. В связи с этим, особое место стали занимать активно создаваемые машиностроительные малые инновационные предприятия (МИП), которые даже в кризисных условиях имели возможность успешно конкурировать на рынке, развиваться и приносить прибыль.
Среди этих предприятий наиболее перспективными показали себя МИП, использующие во всех сферах их деятельности современные информационные технологии, среди которых особое место занимают вопросы автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства, реализуемые в виде различных CAD/CAM/CAE-систем и прикладных автоматизированных систем. При этом, как показал анализ при оценке их конкурентоспособности, наиболее важными вопросами для МИП в управлении производством являются вопросы автоматизации ТПП, что говорит об актуальности проведенного диссертационного исследования.
Представленное диссертационное исследование базируется на работах советских и российских ученых в областях автоматизации технологической подготовки производства, технологии машиностроения, режущего инструмента и технологических приспособлений, теории резания, теории разработки информационных автоматизированных систем. В частности, стоит отметить таких ученых, как Базров Б. М., Балакшин Б.С., Безъязычный В.Ф., Бочкарев П.Ю., Бржозовский Б.М., Васильев А.С., Волков Д.И., Волчкевич Л.И., Воронов А.Г., Гатчин Ю.А., Горанский Г.К., Григорьев С.Н., Емельянов, С.Г., Желобов А.А., Иноземцев А.Н., Капустин Н.М., Кондаков А. И., Корчак С.Н., Корсаков В.С., Кутин А.А., Малов А.Н., Митрофанов В.Г., Митрофанов С.П., Павлов В.В., Пуш А.В., Рыжов Э.В., Соломенцев Ю.М., Смоленцев В.П., Султан-Заде Н.М., Суслов А.Г., Федонин О.Н., Федоров В.П., Цветков В.Д., Шаумян Г.А., Шептунов С.А., , Яблочников Е.И. Ящерицын П.И. и др.
Объект исследования – процесс технологической подготовки производства МИП в машиностроении.
Предмет исследования – автоматизированные системы, используемые в процессе технологической подготовки производства МИП в машиностроении.
Цель работы – повышение эффективности деятельности МИП в машиностроении за счет автоматизации ТПП на основе формализации процедур выбора и реализации технологических и организационно-технических решений.
Для достижения цели исследования решены следующие задачи.
-
Решена научная проблема автоматизации процесса технологической подготовки производства малых инновационных предприятий за счет интеграции существующих и комплекса разработанных автоматизированных подсистем в рамках АСТПП.
-
Разработан метод идентификации и распознавания конструкторско-технологических элементов деталей на основе 3D-модели и 2D-чертежа, достоверно подтвержденный разработанным программным комплексом интеграции CAD-систем и САПР ТП.
-
Создан новый научно обоснованный подход к построению автоматизированной системы выбора прогрессивного режущего инструмента на примере токарного инструмента со сменными неперетачиваемыми пластинами в условиях малых инновационных предприятий.
-
Предложена теория построения инструментальной стратегии обработки и созданы методы ее автоматизированного выбора для элементарных поверхностей деталей.
-
Предложен метод выбора рационального использования режущего инструмента в процессе формообразования на основе нечеткой логики, как кинематической стратегии обработки, для основных элементарных поверхностей, на примере токарной обработки.
-
Предложен научно-обоснованный подход к созданию малых машиностроительных научно-исследовательских инновационных предприятий при университетах по 217 ФЗ от 02.08.09, как современных интеграционных структур, обеспеченных комплексом технологических, информационных и программных средств. Рассмотрено построение АСТПП и АСНИ таких предприятий и их интеграция в сферу промышленного производства РФ.
Методы исследования базируются на методах теории нечетких множеств, теории решения многокритериальных задач на нечетком множестве альтернатив, математической логики, технологии машиностроения, теории автоматизации и управления технологическими процессами и производствами. Исследования проводились с учетом государственных стандартов и рекомендаций.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Предложен и обоснован метод комплексной автоматизации процесса технологической подготовки производства для малых машиностроительных инновационных предприятий, основанный на пересмотренном подходе к технологическому проектированию и применении созданного информационного и программного обеспечения.
-
Разработан метод интеграции CAD-систем и САПР ТП, позволяющий сократить время на ТПП машиностроительных МИП за счет решения научной задачи автоматизированной подготовки исходных данных для проектирования технологических процессов в САПР ТП, на основе распознавания и идентификации конструкторско-технологических элементов деталей из 3D-модели и 2D-чертежа детали с применением теории нечетких множеств и нечеткой логики.
-
Предложен и обоснован метод выбора рационального металлообрабатывающего инструмента в условиях малых машиностроительных инновационных предприятий на основе способов решения многокритериальных оптимизационных задач в условиях различной важности критериев достижения максимума целевой функцией. Метод апробирован на токарном инструменте со сменными неперетачиваемыми пластинами.
-
Обоснована необходимость введения в ТПП МИП термина «инструментальная стратегия обработки», применительно к элементарным поверхностям деталей для учета возможностей современного высокотехнологичного металлообрабатывающего оборудования. Решена научная задача автоматизации процедуры выбора инструментальной стратегии обработки применительно к элементарным поверхностям в условиях интеграции с АСТПП для малых инновационных предприятий на основе многокритериального выбора в условиях определенности.
-
Предложена новая методология создания интеграционных структур и методы построения автоматизированных систем научных исследований на базе малых инновационных предприятий, созданных при университетах по 217 ФЗ от 02.08.09 г. и направленных на обеспечение научных исследований прикладных задач современного автоматизированного машиностроительного производства.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-
В результате выполненных исследований получило дальнейшее развитие следующее направление науки в области автоматизации и управления технологическими процессами и производствами в машиностроении - автоматизация технологической подготовки производства (в частности: предложен новый научный подход к эффективной организации автоматизированной системы технологической подготовки производства малых машиностроительных инновационных предприятий, предложен новый метод интеграции конструкторских проектных модулей и систем проектирования технологических процессов, разработан метод выбора рационального режущего инструмента со сменными неперетачиваемыми пластинами для токарной обработки в условиях малых машиностроительных инновационных предприятий, введены термины инструментальная и кинематическая стратегии обработки элементарных поверхностей, научно обоснована их необходимость, предложены научные подходы по выбору наилучшей инструментальной и кинематической стратегий обработки).
-
На основе разработанного и научно обоснованного подхода, а также предложенных методов разработаны автоматизированные системы распознавания и идентификации конструкторско-технологических элементов деталей, выбора рационального токарного инструмента со сменными неперетачиваемыми пластинами, выбора инструментальной стратегии обработки элементарных поверхностей, выбора кинематической стратегии обработки элементарных поверхностей.
-
Разработаны автоматизированные системы обеспечения наукоемких видов деятельности созданных при университетах по 217 ФЗ от 02.08.09 малых инновационных предприятий (в частности: АСНИ в виде виртуальной лаборатории сканирующей микроскопии с доступом к экспериментальной установке через Интернет и автоматизированная система мониторинга научно-технической информации в Интернет в области конструкторско-технологической подготовки производства для машиностроительных МИП).
Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований и разработанные программные комплексы нашли широкое применение в деятельности ряда машиностроительных МИП: ООО «ИЦ ВТМ», ООО «Техальянс», ООО «Ультра-плюс», ООО «МТК», ООО «Элемент», ООО «БЗЖТ», ООО «БИС», ООО «КанКор», ООО «Росгидротех», ООО «Спецсервис», что подтверждается соответствующими справками и актами о внедрении. В учебном процессе ФГБОУ ВПО «БГТУ» результаты внедрены на кафедрах "Компьютерные технологии и системы" и "Технология машиностроения" при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплинам "CAD-CAM системы", "Технология автоматизированного производства", "САПР ТП". Получен патент на полезную модель «Аппаратно-программный комплекс для управления удаленным оптическим микроскопом» №110842 от 27.11.2011 г. Получены свидетельства о регистрации электронных ресурсов № 16063 «Автоматизированная БД режущего инструмента для токарной обработки» от 10.08.2010 г., №17089 «Автоматизированная база данных для информационной поддержки деятельности инновационных предприятий в области высоких технологий в машиностроении» от 20.05.2011 г.
Результаты работы стали основой проведенных НИР:
грант Президента РФ (под руководством автора) «Разработка теории и методов принятия инновационных решений при автоматизированном проектировании процессов изготовления наукоемких изделий» (МК-417.2010.8);
НИР «Исследование и развитие новых механизмов интеграции научной и образовательной деятельности в рамках инновационных центров наукоемких технологий» (гос. рег. № 01 2009 54252, заказчик Минобрнауки);
НИР «Разработка математических моделей, информационного и программного обеспечения для поддержки инновационных решений в области высоких технологий наукоёмких производств» (гос. рег. №01 2009 64010);
НИР «Разработка теории построения инструментальной среды создания многоагентных систем интеллектуализации поиска и анализа данных в глобальных вычислительных сетях» (гос. рег. № 01 2009 54253, Минобрнауки);
НИР «Консультационные услуги по проектированию технологической оснастки для штамповки стекольных изделий» (НИР № 1455У);
НИР «Разработка отраслевой системы доступа к информационным ресурсам научного и образовательного назначения по приоритетным направлениям развития науки и техники в области искусственного интеллекта и CALS-, CAD-, CAM-, CAE-технологий» (гос. рег. № 01 2006 05586);
Апробация работы. Основные научные и практические результаты работы докладывались и обсуждались на кафедре «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический институт им. В.Г. Шухова», на расширенном заседании кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет», на расширенном заседании кафедры «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования в машино- и приборостроении» (в присутствии кафедр «Проектирование технических и технологических комплексов» и «Автоматизация и управление технологическими процессами» ФГБОУ ВПО «Саратовский государственных технический университет», на международных научных конференциях "Качество и ИПИ-технологии" в 2002 г. в г. Москве, на международной научно-технической конференции "Обеспечение качества технологического проектирования в условиях интегрированных САПР. Контактная жесткость. Износостойкость. Технологическое обеспечение." в 2003 г. в г. Брянске, на межрегиональной научно-технической конференции "Информационные технологии, энергетика и экономика" в 2004 г. в г. Смоленске, на 9-й Международной научно-технической конференции АТМ , 25-29 мая 2009 г., г. Ялта, на Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности механообработки на основе моделирования физических явлений» в г. Рыбинск, в 2009 г., на международной научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы автоматизации технической подготовки производства на промышленных предприятиях» в г. Брянск, в 2009 г., на V Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании» в г. Варна, Болгария, в 2009 г., на IV Международной научно-технической конференции «Наука, техника и технологии XXI века (НТТ-2009)» г. Нальчик, в 2009 г., на четвертой всероссийской научно практической конференции «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» в г. Оренбург, в 2009 г., . на IV-й Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве. ИТНОП-2010» в г. Орел, в 2010 г., на международной научно-технической конференции «Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности» в г. Могилев в 2010 г., . на международной научно-технической конференции «Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки» в г. Минск, в 2011 г., на VII Международной конференции «Стратегия качества в промышленности и образовании» в г. Варна, Болгария, в 2011 г.и других.
Публикации. По результатам исследования опубликовано 76 работ, в том числе 70 статей и тезисов докладов на конференциях (из них 17 в ведущих научных журналах, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов докторских диссертаций), 2 монографии, 2 учебных пособия, 1 патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка из 250 наименований, 9 приложений, основная часть содержит рисунки, формулы и таблицы.
Место МИЛ в условиях современного машиностроения
Специфика подготовки производства в России, в отличие от зарубежной, накладывает свои ограничения на использование систем автоматизированного проектирования. Автоматизация за рубежом в основном ориентирована на системы автоматизированного проектирования конструкции деталей или сборки, подготовку конструкторской документации, разработку УП. Существует большой спектр развитых CAD/САМ систем, и можно с уверенностью сказать, что возможно выбрать систему для полной автоматизации конструкторских задач и подготовки УП для станков с ЧПУ (без учета стоимости). Вопросы автоматизации технологической подготовки производства в большей мере решаются в системах автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП) отечественных производителей. Таким образом, если поднимается вопрос о комплексной автоматизации подготовки производства на российских предприятиях, то подразумевается наличие САПР ТП отечественного производителя.
На ряде предприятий, в условиях применения современных CAD/CAM-систем и российских САПР ТП, возникает разрыв информационных потоков при передаче информации из конструкторских модулей в технологические.
Проведенные исследования показали, что в настоящее время преобразование информационной (геометрической) модели детали, полученной на выходе CAD/САМ системы в форму, пригодную для передачи в САПР ТП, чаще всего осуществляется оператором вручную, что приводит к определенным искажениям и, в целом, автоматизация формирования технологической модели детали является до сих пор нерешенной задачей. Известные форматы обмена информационными моделями деталей в САПР (DXF, IGES, STEP и др.) не позволяют хранить и передавать в требуемом объеме в другие системы технологическую модель изделия. Это обусловлено предназначением этих форматов для хранения и передачи геометрической информации. Среди вышеназванных стандартов, STEP имеет наилучшие потенциальные возможности, однако и в нем отсутствуют прикладные протоколы, предназначенные для хранения и передачи технологических моделей и данных. Протокол АР203, реализованный во многих CAD-системах и декларированный как поддержка технологий STEP, способен передавать геометрическую информацию, но не технологическую.
Для решения поставленной проблемы необходимо проводить исследования и разрабатывать методологию обмена конструкторско-технологической информацией в условиях многоуровневых САПР. За основу можно брать конструкторскую модель детали, разработанную в CAD-системе и создавать специализированные программные модули.
Специализированное ПО для подбора современного режущего инструмента и назначения режимов резания.
Для промышленных предприятий, особенно для МИП, актуальны задачи снижения трудоемкости операций и себестоимости изготовления деталей с сохранением заданных показателей качества. Поэтому, ведется постоянный поиск путей совершенствования технологических процессов изготовления деталей с учетом возможностей, предоставляемых современным высокопроизводительным режущим 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 собственного 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 рациональных вариантов конструкций инструментов [31].
Поэтому, необходимо создавать системы для подбора рационального металлорежущего инструмента для обработки изделий на многофункциональном технологическом оборудовании с ЧПУ. Выбор может осуществляется на основе данных, полученных из геометрической модели детали, представляемой в виде ЗЭ-модели и 2Б-чертежа и технологической информации (материал и твердость заготовки, размерные допуски, шероховатость поверхностей), с последующей передачей спецификации на выбранный инструмент в САМ-систему и САПР ТП [14].
Система должна, с учетом ЗБ-модели изделия, автоматически формировать, ранжировать и выбирать различные варианты структурных компоновок режущего инструмента в зависимости от ряда критериев, рассчитывать рациональные режимы резания.
Применение стандартов и рекомендаций ЕСТПП для технологической подготовки производства МИЛ. Этапы ТЛИ МИЛ
Проверка существования шпоночного паза начинается с 2Э-чертежа. Признаком наличия шпоночного паза будет являться наличие местного разреза на ступени вала. По местному разрезу определяется длина L и глубина паза G (рис. 3.17), причем длина и глубина определяются независимо от исполнения паза. Ширина шпоночного паза определяется из ЗБ-модели. На рис. 3.18 показано условное сечение рассматриваемого КТЭ в ЗБ-модели перпендикулярно оси вращения детали.
Объемный элемент в сечении будет представлен тремя плоскостями и поверхностью вращения. Поверхность вращения будет задана сектором полной поверхности вращения с углом у. Расстояние между точками 1 и 2 будет шириной В шпоночного паза. Точность шпоночного паза определяется точностью инструмента и практически не влияет на технологический процесс изготовления детали, Условное сечение ЗБ-модели детали. Внутренняя шпоночная канавка может быть элементом 2 уровня для КТЭ 1 уровня 20 «Внутренняя цилиндрическая ступень» и 33 «Внутренняя коническая ступень». Все КТЭ типа 20 и 33 проверяются на наличие внутренней шпоночной канавки. Алгоритм поиска и идентификации аналогичен алгоритму для КТЭ 13 «Шпоночная канавка», рассмотренного ранее, и здесь не приводится.
Сегментная канавка может быть элементом 2 уровня для КТЭ 1 уровня 03 «Цилиндрическая ступень» и 07 «Коническая ступень». Все КТЭ типа 03 и 07 проверяются на наличие сегментной канавки. Алгоритм поиска и идентификации аналогичен алгоритму для КТЭ 13 «Шпоночная канавка», рассмотренного ранее, за исключением замены прямой линии дна шпоночной канавки (на 20-чертеже) на окружность. Длина и глубина паза считываются также с 2Б-чертежа, а ширина паза - с ЗЭ-модели.
Поиск и идентификация КТЭ «Шлиц» осуществляется в ЗБ-модели. Торцы деталей проверяются на наличие шлицев. Шлиц в ЗЭ-модели состоит из 3-х плоскостей, одна из которых перпендикулярна оси вращения детали, а две - параллельны (рис. 3.19). к расстояния между параллельными плоскостями, составляющими КТЭ «Шлиц».
Разработка методики сопоставления 3D модели детали и 2Б-чертежа
Решение задачи поиска конструкторских обозначений на 20-чертеже, а также некоторых КТЭ 2 уровня, не может быть решена без четкого понимания структуры 20-чертежа. Задача сопоставления 2D и 3D появляется после однозначного понимания автоматизированной системой конструкции детали из ЗБ-модели на основании графа декомпозиции.
Информация в 2Б-чертеже в формате IGES представляется в виде линий (прямые, дуги, окружности, кривые) с различными атрибутами, такими как толщина линии, тип линии и т.д., а также текстом. Положение линий определяется тремя координатами, но так как чертеж является плоским, две координаты определены явно (X и У) или неявно (требуется математическая трансформация в X и Y), причем ось X располагается параллельно оси вращения детали на главном виде и направлена слева направо, а ось Y - перпендикулярно X и направлена снизу вверх. Основные элементы 20-чертежа в формате IGES представлены в табл. Обозначение Текст представляет собой поле, определенное на чертеже координатами точки О (X,Y). В поле вписан текст. 0120 ЧО W В формате IGES существуют также составные элементы, например размеры, которые являются логическим объединением нескольких линий и текста. Фактически, 20-чертеж в формате IGES представляет собой набор линий и текста, представленных в виде координат точек.
Задача сопоставление ЗБ-модели и 20-чертежа сводится к поиску линий на чертеже, обозначающих конкретный, уже распознанный КТЭ. Для поиска линий необходимо для каждого КТЭ определить количество линий его составляющих и их местоположение. Пример описания представления КТЭ на 20-чертеже приведено в табл. 3.10.
Описание представлений КТЭ на 20-чертеже позволит найти и сопоставить плоские линии основной формы детали их объемному представлению. Одним из самых важных вопросов сопоставления 2D и 3D является поиск осевой линии вида, на котором ось вращения детали располагается параллельно оси X. В дальнейшем, будем называть этот вид главным.
Разработка процедур автоматизации распознавания и идентификации конструкторско-технологических элементов деталей в интегрированных САПР
Инструментальная стратегия обработки заключается в выборе оборудования, инструмента и назначении режимов резания. При любой стратегии обработки элементарной поверхности возможно использовать как инструмент производства России, так и инструмент иностранных производителей. При использовании инструмента отечественного производителя, возможно добиться снижения затрат на инструмент, но при этом, затраты на инструмент в пересчете на одну деталь могут оказаться выше, чем у дорогого высокотехнологичного инструмента (также возможны проблемы с достижением требуемого качества обрабатываемых поверхностей). Высокотехнологичный инструмент гораздо дороже, но за счет высокой износостойкости в серийном производстве возможно получить высококачественные детали при снижении их общей себестоимости.
Таким образом, научное исследование, направленное на выбор наилучшей инструментальной стратегии обработки КТЭ деталей, является актуальным и необходимым (в исследованиях по направлению, отраженному в данном разделе, принимал участие ассистент Мартыненко А.А.).
Научная проблема выбора инструментальной стратегии обработки возникла сравнительно недавно, с появлением широкого выбора инструмента с новыми возможностями. В отечественной науке этому вопросу уделялось мало внимания по причине ограниченного выбора инструмента для выбора стратегий. В работах Цветкова В.Д. и других авторов упоминается понятие «маршрут обработки поверхности (МОП)», частично схожее с предложенным понятием «инструментальная стратегия обработки». Под МОП понимается последовательность видов обработки (например точение, шлифование, полировка), а под инструментальной стратегией обработки понимается выбор конкретных инструментов и способов их применения. Поэтому, несмотря на схожесть инструментальной стратегии обработки и МОП, принято решение применять первое понятие.
Получив значимость альтернатив и проранжировав их получаем рекомендации по выбору инструментальной стратегии обработки.
Рекомендовать стратегию обработки конкретной элементарной поверхности может опытный технолог или эксперт в данной области. К сожалению, не всегда имеется возможность использовать знания таких специалистов. Альтернативой знаниям эксперта может быть автоматизированная система по выбору инструментальной стратегии обработки, которая на основе математического аппарата будет производить выбор стратегий обработки, по ряду критериев заданных пользователем [81].
Структурно-функциональная схема автоматизированной системы Разработанная автоматизированная система состоит из: - подсистемы ввода данных, включающей выбор конструкторско-технологического элемента (элементарной поверхности), выбора заготовки и ее параметров, ввод параметров КТЭ; - подсистемы анализа, включающей выбор стратегии обработки, выбор станка и металлорежущих инструментов; - подсистемы расчета и выводов, включающей в себя определение режимов резания, затраты на инструмент в перерасчете на один КТЭ, затраты и время на обработку КТЭ;
Подсистема ввода данных отвечает за корректный ввод оценок экспертов, взаимосвязей и построение запроса пользователем. В подсистеме анализа реализованы математические модели и алгоритмы обработки экспертных оценок, расчета весов экспертов. В подсистеме расчета и выводов формируются запросы в подсистему анализа, подготавливаются данные для вывода и формируются отчеты для 195 предоставления пользователю. Результатом работы системы являются рекомендации, содержащие необходимые данные об инструментальной стратегии обработки конструкторско-технологического элемента, рекомендуемых инструментах, рекомендуемых режимах резания, а также предварительный расчет времени и стоимости обработки.
В исследовании рассмотрен ряд КТЭ деталей типа «тела вращения», основные из которых представлены в табл. 4.14.
1. Предложен метод автоматизированного подбора рационального металлорежущего инструмента, заключающийся в автоматическом анализе распознанной КТМ детали для выявления наиболее рациональных по геометрическим параметрам инструментов и ранжировании полученного списка на основе использовании теории решения многокритериальных задач на нечетком множестве альтернатив для выбора наиболее подходящих из них в заданных условиях.
2. Разработана автоматизированная система подбора рационального металлорежущего инструмента, на примере токарного инструмента со сменными неперетачиваемыми пластинами, позволяющая, при применении в ТПП машиностроительных МИП, существенно снизить затраты на приобретение инструмента и повысить эффективность металлообработки.
3. Для учета новых возможностей современного высокотехнологичного металлообрабатывающего оборудования и инструмента в ТПП машиностроительных МИП предложено и обосновано введение понятий инструментальной и кинематической стратегий обработки поверхностей деталей. 4. Разработан метод выбора инструментальной стратегии обработки элементарных поверхностей деталей, позволяющий автоматически генерировать возможные варианты обработки указанных элементов с учетом возможностей современного инструмента и оборудования и рассчитывать для них экономические затраты на обработку. 5. Разработан метод выбора кинематической стратегии обработки поверхностей деталей, позволяющий выбирать траекторию движения режущего инструмента в процессе формообразования на основе автоматизированного анализа условий обработки с передачей полученных данных в САМ-системы для разработки управляющих программ для технологического оборудования с ЧПУ. 6. Создан программный комплекс по выбору инструментальной и кинематической стратегий обработки поверхностей деталей, применение которого в ТПП машиностроительных МИП позволяет повысить производительность обработки и существенно снизить себестоимость продукции.
Формализация описаний и математическая модель процесса подбора режущего инструмента
Использование виртуальных станков в комплексе с моделями приспособлений и инструментов обеспечивает получение информации о процессе механической обработки изделия до запуска реального изготовления. Знание системы о текущем состоянии заготовки позволяет проверить УП по режимам резания с целью ускорения процесса обработки, позволяет повышать эффективность использования оборудования и улучшать качество обрабатываемых поверхностей. В процессе верификации УП, траектория инструмента разделяется на элементарные участки с заданным шагом. Сравнивая объем материала, снимаемого на каждом участке, с заданными рекомендуемыми условиями резания, система назначает рациональную подачу на каждом участке. Системы верификации учитывают такие факторы обработки, как производительность станка (мощность, тип шпинделя, скорость быстрого позиционирования и т.п.), тип режущего инструмента (форма, число зубьев, вылет, интенсивность износа и т.п.), глубина, ширина, угол резания.
Реализация разработанной методики автоматизации технологической подготовки производства в условиях МИП в машиностроении
В качестве одного из примеров применения предложенного и научно обоснованного подхода к ТПП МИП в машиностроении и разработанных автоматизированных систем рассматривалась деталь «Фланец синхротрона», изготавливаемая на базе МИП ООО «ИЦ ВТМ» по заказу ООО «НПФ «Мегатерм», предназначенная для соединения труб синхротрона. Внутри труб создается высокий вакуум (порядка 10"9 Торр). Уплотняющий зуб этой детали соединяется с полированным медным кольцом врезаясь в него, тем самым, обеспечивая герметизацию. Учитывая эти эксплутационные требования поверхность уплотняющего зуба должна быть высокоточной и не иметь царапин и выбоин (рис. 6.10.). В связи со сложностью изготовления уплотняющего зуба, ранее заказы на производство фланца размещались в США. Такая ситуация является экономически необоснованной, поэтому было необходимо организовать производство подобных деталей в РФ на МИП с целью обеспечения импортозамещения подобного типа изделий. Другим фактором является серийный тип производства, экономический эффект в котором от применения разработанных методик и автоматизированных систем будет максимальным.
Группа деталей «Фланец» имеет более 20 типоразмеров, элементы группы имеют похожую конструкцию уплотняющего зуба, но различные размеры остальных элементов. Детали изготавливается из материала Сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72. По техническим условиям, в качестве заготовки может быть использован только листовой прокат. Круглый прокат не может быть применен по причине возможности проникновения воздуха при глубоком вакууме через структуру материала.
Фрагменты чертежа детали. При изготовлении изделия была применена методика автоматизации технологической подготовки производства, рассмотренная в диссертационной работе. Заказчик передал конструкторский чертеж детали. Далее, были проведены следующие этапы технологической подготовки производства и изготовления детали.
Изготовление заказанной партии деталь. Далее необходимо рассмотреть все названные этапы, проведенные в процессе технологической подготовки производства и изготовления детали «Фланец синхротрона». Выбор метода получения заготовок и изготовление заготовок.
Поскольку в технических требованиях было явно указано направление проката, в качестве метода получения заготовок выбираем вырезку круглых дисков из листового проката сталь 12Х18Н10Т ГОСТ 5582-75.
Вырезать заготовку из листового проката в условиях МИЛ можно лишь при условии наличия дорого специализированного оборудования. Как показало исследование рынка, существует ряд предприятий, специализирующихся на заготовительном производстве или имеющих недогруженное заготовительное оборудование. Заказ изготовления заготовок на этих предприятиях - единственный вариант для данной детали. Наиболее подходящим оборудованием по цене и качеству являются установки плазменной резки. Разработка ЗБ-модели детали. Документация на деталь «Фланец синхротрона», была представлена в виде конструкторского чертежа. ЗЭ-модель детали была разработана в CAD/CAM/CAE-системе ProEngineer WildFire 4.0. Разработанная параметрическая модель изделия «Фланец синхротрона» представлена на рисунке 6.11.
