Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, проблемы, цель и задачи исследования 11
1.1. Анализ проблем проектирования технологических процессов механической обработки по методу автоматического синтеза 11
1.1.1. Роль геометрических моделей объектов изготовления при проектировании технологических процессов механической обработки 12
1.1.2. Выбор схемы процесса проектирования технологических процессов обработки 18
1.2. Анализ классических рекомендаций по выбору технологических баз 21
1.3. Методы формализации процесса выбора баз при проектировании технологических процессов механической обработки и применение их в современных системах САПРТП 27
1.4. Цель и задачи исследования 36
Глава 2. Выбор единых технологических баз и баз на первых операциях корпусных деталей на основе выявленных ограничений 39
2.1. Задачи решаемые при выборе единых технологических баз и баз на первых операциях 39
2.1.1 Анализ геометрических свойств поверхностей с точки зрения базирования детали 41
2.1.2. Выявление геометрических связей, определяющих положение поверхностей в системе координат, связанной с деталью 42
2.1.3. Выявление параметров, характеризующих связи между поверхностями детали 50
2.2. Разработка метода оценки возможности использования поверхностей в качестве технологических баз на первых операциях 53
2.2.1 Определение принципиальной возможности использования поверхностей детали в качестве технологических баз 64
2.2.2 Проверка возможности использования выявленного комплекта технологических баз детали на первой операции 69
2.3. Определение положения поверхностей в трехмерном пространстве 74
Глава 3. Использование трехмерной модели в решении задач выбора баз при автоматизированном проектировании 81
3.1 Использование геометрических моделей деталей в решении задач выбора баз 81
3.1.1 Описание трехмерной геометрической модели детали в файле xmt txt 84
3.1.2. Представление параметров плоскости и цилиндрической поверхности в файле xmt txt 88
3.1.3. Описание двухмерной геометрической модели детали в файле dxf 2D 94
3.2. Разработка трехмерной модели технологического процесса механической обработки детали 96
Глава 4. Разработка алгоритма функционирования подсистемы формирования единых технологических баз и баз на первых операциях 107
4.1. Описание состава, структуры и информационных связей функциональных подсистем СИТЕП МО 107
4.2. Описание подсистемы формирования единых технологических баз и баз на первых операциях на основе трехмерных моделей 112
4.3. Информационное обеспечение подсистемы формирования КТБ 113
Общие выводы 117
Список литературы 119
Приложение
- Анализ классических рекомендаций по выбору технологических баз
- Разработка метода оценки возможности использования поверхностей в качестве технологических баз на первых операциях
- Разработка трехмерной модели технологического процесса механической обработки детали
- Описание подсистемы формирования единых технологических баз и баз на первых операциях на основе трехмерных моделей
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Правильное функционирование машины и выполнение ею своих служебных функций в первую очередь обеспечивается за счет соответствующего относительного движения или положения исполнительных поверхностей. Относительное движение или положение исполнительных поверхностей описывается геометрическими характеристиками, такими как размеры, расстояния, относительные повороты.
При проектировании технологических процессов изготовления деталей основная задача состоит в выборе единых технологических баз и баз на первых операциях.
В процессе изготовления деталей машин действует большое число разнообразных факторов таких как протяженность вдоль координатных осей, недоступность поверхности для использования в качестве технологических баз, положение обрабатываемой поверхности относительно технологической базы, положение зажимных элементов приспособления, которые оказывают влияние на выбор той или иной поверхности в качестве технологической базы. Вследствие этого на этапе проектирования машины необходимо учитывать данные факторы при выборе технологических баз.
При проектировании технологических процессов механической обработки в состав исходной информации входит образ будущей детали, поэтому чрезвычайно важным является поиск соответствий между пространственными образами объектов и формой их машинного представления.
Для того, чтобы создать машину требуемого качества, надо уметь правильно формировать комплекты технологических баз. Качество решения задачи выбора баз предопределяет качество машины, ее производительность, экономичность в эксплуатации.
Важной проблемой является полнота формализации описания объектов изготовления и принятия технологических решений
Указанные обстоятельства определяют актуальность настоящей работы.
Предмет исследования
В диссертационной работе предметом исследования является разработка метода автоматизированного выбора технологических баз корпусных деталей на основе трехмерных моделей.
Исследуются технологические свойства поверхностей с точки зрения базирования заготовки, позволяющие автоматизировать процесс выбора единых технологических баз и баз на первых операциях.
Цель работы
Повышение эффективности проектирования технологических процессов механической обработки заготовок, в условиях мелкосерийного производства, на основе автоматизированного выбора единых технологических баз и баз на первых операциях, с использованием трехмерной и двухмерной моделей детали и заготовки.
Методы исследования
Исследование методов автоматизированного выбора технологических баз корпусных деталей на основе трехмерных моделей основано на использовании положений технологии машиностроения, аналитической геометрии в пространстве и на плоскости, теории матриц и систем линейных уравнений При разработке трехмерных моделей размерных связей технологического процесса обработки использованы двудольные графы При разработке логико-алгебраической модели детали применена логика предикатов.
Научная новизна работы
1 Установлены технологические свойства поверхностей, то есть способность рассматриваемой поверхности лишать заготовку определенного числа степеней свободы с учетом ориентации заготовки в системе координат приспособления, позволяет повысить эффективность проектирования технологических процессов механической обработки заготовок в условиях мелкосерийного производства, на основе автоматизированного выбора единых технологических баз и баз на первых операциях с использованием трехмерных и двухмерных моделей, детали и заготовки
2 Выявленные технологические свойства поверхностей с учетом ограничений по протяженности вдоль координатных осей, недоступности для использования в качестве технологических баз, положению обрабатываемой поверхности относительно технологической базы и положению зажимных элементов приспособления позволяют автоматизировать процесс формирования комплектов технологических баз на первых операциях и определять положение обрабатываемой поверхности относительно технологических баз
Практическая ценность
1 Разработанный метод автоматизированного выбора технологических баз с учетом
ограничений, накладываемых на поверхности корпуса, позволяет формировать комплекты
единых технологических баз и баз на первых операциях
2 Разработан метод построения технологической модели заготовки, представляющей
исходную информацию для проектирования технологического процесса механической
обработки, на основе ее трехмерной геометрической модели
Основные результаты работы
1 Установлено влияние свойств поверхностей относительно их номинального положения на возможность использования их в качестве технологических баз
2 Определена связь между форматом xmttxt геометрического файла Parasolid и технологическими свойствами поверхностей по базированию заготовки, что позволяет автоматизировать процесс передачи исходной геометрической информации в технологическую среду проектирования технологического процесса
Реализация работы
Разработанный метод автоматизированного выбора технологических баз корпусных деталей использован на Рузаевском заводе химического машиностроения, в учебном процессе на кафедре технологии машиностроения Рузаевского института машиностроения (филиала) Мордовского государственного университета им Н П Огарева
Публикации
По теме диссертации имеются 7 публикаций
Апробация
Результаты работы докладывались и были одобрены на заседании кафедры технологии машиностроения Московского государственного технологического университета «СГАНКИН», на организационные, философские и технические проблемы современных машиностроительных производств III Всероссийской научно - практической конференции в 2003 году в г Саранск, на VIII научной конференции молодых ученых Мордовского государственного университета им Н П Огарева в 2003 году в г Саранске
Структура и объем работы
Основное содержание диссертации изложено на 192 страницах машинописного текста, иллюстрированного 29 рисунками и 19 таблицами Текст диссертации состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы (86 наименований) и приложений
Анализ классических рекомендаций по выбору технологических баз
Анализу практического опыта выбора технологических баз, их систематизации и формализации процесса выбора повещено много работ [1,2, 3, 4, 5, 6, 72].
Все рекомендации по выбору технологических баз можно условно разделить на две группы: выбор поверхностей, конструктивные и качественные характеристики которых определяют способность поверхности быть базой того или иного типа, и выбор поверхностей, использование которых в качестве баз обеспечивает требуемую точность относительного положения поверхностей готовой детали.
Большинством специалистов процесс выбора баз подразделяется на три этапа: выбор баз для первой операции, выбор баз для окончательной обработки поверхностей и выбор прочих баз [6], соответственно черные, чистые и промежуточные базы. Рассмотрим существующие рекомендации для этих этапов.
Выделяют следующие задачи, решаемые на первых операциях [1]: - обеспечить точность размеров, связывающих обработанные поверхности с необрабатываемыми; целесообразно распределить припуск между поверхностями, подлежащими обработке.
Для решения первой задачи в соответствии с [1, 5, 72] предлагается выбирать в качестве технологических баз поверхности, остающиеся необработанными. И хотя многократные последующие установки, связанные со сменой баз оказывают влияние на положение обрабатываемых поверхностей относительно необрабатываемых, тем не менее, такое влияние незначительно. Это объясняется тем, что добавочные погрешности обычно невелики по сравнению с допустимыми в размерах, определяющих последние соотношения [6].
При решении второй задачи на первой операции руководствуются тремя основными положениями [1]: - необходимостью сохранения плотного однородного слоя материала на поверхностях с целью повышения их износостойкости: - необходимостью равномерного распределения припуска на обработку на каждой отдельной поверхности; - необходимостью сокращения объема металла, подлежащего удалению в процессе обработки.
Решение этой задачи требует значительного опыта технологического проектирования. Предлагаемые рекомендации можно выразить следующим образом: в качестве баз на первой операции следует выбирать поверхности, на которых желателен наименьший или наиболее равномерный припуск [4].
Как справедливо отмечалось, обычно задачи, решаемые на первой операции, носят противоречивый характер: решение, дающее целесообразное распределение припуска, приводит к снижению точности связей обработанных поверхностей с поверхностями, остающимися необработанными, и наоборот» Поэтому необходимо рассматривать множество вариантов, изыскивая приемлемое решение.
В ряде работ выбор черных технологических баз связывается в первую очередь с обеспечением требуемой точности размеров между обрабатываемыми поверхностями. Так, на первой стадии надо создавать технологические базы, совпадающие с основными конструкторскими базами, для чего заготовку надо базировать по ее исполнительным поверхностям [1,2].
Взгляд на первую операцию как операцию подготовки баз характерен для работ [1, 2, 3, 4, 5, 6 и др.]. Их рекомендации можно свести к двум: - черная база должна обеспечить первоочерёдную обработку поверхности, относительно которой в чертеже детали координировано большее число других поверхностей; - в качестве черной базы следует выбирать поверхность, относительно которой могут быть обработаны поверхности, используемые при дальнейших операциях как технологические базы.
Поскольку из-за перераспределения внутренних напряжений обработка каждой последующей поверхности может искажать ранее обработанную поверхность, то сначала следует выбирать базы для обработки поверхностей, к точности которых предъявляют меньшие требования, а потом поверхности, которые должны быть более точными.
Главной задачей окончательной обработки является обеспечение требуемой точности готовой детали. В связи с этим основной рекомендацией по выбору технологических баз для выполняемых операций является использование в качестве таковых конструкторских баз детали (принцип совмещения или единства баз), причем предпочтение отдается основным конструкторским базам [6, 72 и др.], поскольку чаще всего положение большинства поверхностей задается относительно основных баз деталей.
Ставя первоочередной задачей технологического проектирования, получение годной детали, большинство специалистов рекомендуют выбирать промежуточные технологические базы так же, как и при окончательной обработке, и использовать их по возможности на всех операциях технологического процесса.
Разработка метода оценки возможности использования поверхностей в качестве технологических баз на первых операциях
При проектировании технологического процесса механической обработки детали особое значение приобретает правильная оценка использования поверхностей в качестве технологических баз.
Можно выделить пять основных ограничений, удовлетворяя которым поверхность может быть использована в качестве технологической базы, и принадлежать к определенному классу баз: 1. установочная (лишает деталь трех степеней свободы); 2. направляющая (лишает деталь двух степеней свободы); 3. опорная (лишает деталь одной степени свободы); 4. двойная направляющая (лишает деталь четырех степеней свободы); 5. двойная опорная (лишает деталь двух степеней свободы).
В зависимости от принадлежности к одному из перечисленных классов, поверхность при ее ориентации в пространстве, может лишать деталь количества степеней свободы, которое указано в скобках.
При определении последовательности смены положений детали в процессе обработки и при формировании позиций и установов особое значение приобретает правильная оценка возможности использования поверхностей в качестве технологических баз.
Одним из основных признаков, оказывающих влияние на возможность использования поверхности в качестве технологической базы, является ее протяженность вдоль координатных осей. Протяженность поверхности детали оказывает существенное влияние на число лишаемых степеней свободы и следовательно может быть использована как одно из ограничений при оценке возможности ее применения в качестве технологической базы.
Угловая ориентация детали осуществляется путем наложения двух связей одного направления. Независимо от того, располагаются ли точки приложения связей на одной поверхности или на разных, необходимо сначала оценить возможность угловой ориентации в том или ином направлении, а затем дать технологическую оценку и показать целесообразность реализации полученного варианта базирования. Легко установить, что для угловой ориентации относительно оси X необходимо иметь достаточные размеры поверхностей вдоль осей Y или Z.
Расстояние между точками приложения связей (вернее между проекциями этих точек на оси координат) должно быть достаточным для угловой ориентации с достаточной точностью. Если точка находится на одной поверхности, то можно говорить о достаточной протяженности (размерах) поверхностей в определенных направления в зависимости от требуемой угловой ориентации детали.
Требуемая угловая ориентация Достаточная протяженность поверхностей вдоль оси Y или Z X или Z X или Y
Для приближенной оценки наименьшего допустимого расстояния при определении положения деталей типа «корпус» можно воспользоваться выражением вида [72]: где ЬдогЛа - наименьшее допустимое расстояние для обеспечения требуемого углового положения детали относительно оси X; /= 0,25 - эмпирический коэффициент позволяющий снизить или компенсировать моменты от активных сил (веса, закрепления, резания и т.д.) при установке заготовки в приспособлении; LY и Lz - соответственно габаритные размеры детали вдоль осей Y, Z.
Для определения допустимых расстояний, обеспечивающих требуемое угловое положение детали относительно других осей, соответственно меняются индексы:
Разработка трехмерной модели технологического процесса механической обработки детали
Структура детали задается ее моделью, которая служит исходной информацией для проектирования технологических процессов механической обработки.
В моделях математической логики в качестве множества исходных элементов используются различные высказывания, а в качестве отношений - операции над высказываниями (например, конъюнкция л (И), дизъюнкция v (ИЛИ), отрицание -л (НЕ)) [82].
Важную роль при разработке трехмерной модели логико-алгебраическая модель объектов изготовления, обладающая свойством универсальности. Универсальность модели состоит в том, что она позволяет выявлять все геометрические свойства детали (расчет площадей поверхностей, объема детали, определение возможности обработки поверхности при заданной схеме базирования и направлении обработки и т. д.), необходимые при проектировании технологических процессов механической обработки и является важным звеном при разработке «сквозных» САПР.
Первая составляющая языка (логическая) относится к условиям взаимодействия полупространств, с помощью которых осуществляется «конструирование» рассматриваемой детали D.
Вторая составляющая языка (алгебраическая) относится к механизму построения полупространств с помощью поверхностей базового множества М.
Одно из основных назначений логико-алгебраической модели заключается в том, что с ее помощью становится возможным определение технологических баз процесса механической обработки детали в трехмерном пространстве.
При разработке модели размерных связей технологического процесса механической обработки, для трехмерного случая, целесообразно использовать двудольный граф связей комплектов технологических баз и обрабатываемых поверхностей.
Граф называется двудольным, если множество его вершин разбивается на такие две доли, что концы любого ребра графа оказываются в разных долях [70, 73, 77, 82, 83].
Двудольный граф может применяться как для синтеза структуры технологического процесса механической обработки, так и для трехмерного размерного анализа.
Пример двудольного графа приведен на рис. 3.7.
На рис. 3.7 цифрами обозначены поверхности детали, а буквами - комплекты технологических баз.
Направленные дуги от поверхностей к технологическим базам показывают поверхности, которые включаются в данный комплект баз. Например, комплект технологических баз «б» состоит из поверхностей {1, 3}, комплект технологических баз «г» - из поверхностей {2,3}.
Направленные дуги от комплектов технологических баз к поверхностям показывают возможность обработки этих поверхностей с данного комплекта.
Например, с комплекта технологических баз «б» могут быть обработаны поверхности {4, 5}, с комплекта баз «в» - {2}.
Следовательно, двудольный граф представляет собой модель размерных связей (размерную структуру) технологического процесса механической обработки в трехмерном пространстве.
В построении логико-алгебраической модели важную роль играют два предиката: предикат Р(А, D) принадлежности точки А детали D и предикат Р(п0, пб, п) возможности обработки поверхности п0 при заданном комплекте технологических баз Пб и направлении обработки п.
С помощью предиката Р(А, D) оказывается возможным просматривать деталь D путем сканирования точки А на достаточно плотной сетке области расположения детали и выявлять необходимые свойства. Предикат Р(А, D) определяется как функция со значениями О и 1. Функция Р(А, D) принимает значение 1, если точка А принадлежит детали D и 0 - в противном случае.
Алгоритм вычисления функции P(A,D) содержит следующие три этапа: 1. построение логико-алгебраической модели обрабатываемой детали D; 2. вычисление булева вектора п(А) = [п1(А), п2(А), ...)], где ПІ(А), і = 1,...,n - логическая функция одного переменного А, определяющая условие попадания точки А в полупространство, образованное поверхностью ПІ, П - количество поверхностей, ограничивающих деталь D; 3. вычисление значения логической функции Р(А, D) = f(n(A)), определяющей логические условия относительного положения полупространств, образованных поверхностями п,.
Предикат Р(п0, пб, п) определяется как функция со значениями О и 1. Алгоритм расчета предиката Р(п0, пб, п) содержит следующие этапы: 1. построение логико-алгебраической модели обрабатываемой детали D; 2. вычисление предиката Р(А, D) при заданном комплекте технологических баз пб и направлении обработки п; 3. если Р(А, D) = 0, то Р(п0, пб, п) = 1, если Р(А, D) = 1, то Р(п0, пб, n) = 0.
Описание подсистемы формирования единых технологических баз и баз на первых операциях на основе трехмерных моделей
При решении задачи формирования комплектов технологических баз необходимо перейти от размеров между поверхностями к системам координат, определяющих положение поверхностей.
Переход к системам координат производится на основе использования параметров определяющих положение поверхностей в пространстве. Для этого в файле xmt_txt определяются строки, в которых заключена необходимая для расчетов информация о всех составляющих данную деталь поверхностях.
Определение значений параметров систем координат, характеризующих ограничения рассматриваемых поверхностей в пространстве основывается на разработке норм формирования комплектов технологических баз трехмерной и двухмерной модели объекта изготовления.
Функционирование подсистемы формирования КТБ в на основе трехмерных моделей (рис. 4.3) обеспечивают смежные подсистемы проектирования в соответствии со схемой, приведенной на рис. 4.4.
Из схемы видно, что для функционирования подсистемы формирования комплектов технологических баз на основе трехмерных моделей, необходима исходная информация, включающая технологические модели детали и заготовки.
Выбор комплектов единых технологических баз, с использованием принципа совмещения конструкторской технологической и измерительных баз, осуществляется на основании анализа размерных связей между поверхностями, которые отражены в файле dxf 2D детали и заготовки (см. рис. 4.5 а.). При выборе технологических баз на первых операциях для обработки поверхностей комплекта единых технологических баз, используется геометрический файл Parasolid 3D детали и заготовки (см. рис. 4.5 б.)
От качества указанной информации будет зависеть результат решения задачи формирования комплектов технологических баз на основе трехмерных моделей. Если в результате расчета, формирование комплектов технологических на основе трехмерных моделей будет обеспечено, то выходная информация подсистемы формирования КТБ будет являться входной для подсистемы построения двудольного графа (структуры ТП МО) детали и выбора режимов резания, расчета норм времени на операции, и, в конечном счете, для формирования технологической документации.
