Введение к работе
Винтовые поверхности (ВП) являются основой многих изделий машиностроения и их элементов: винтовых насосов, редукторов, счётчиков жидкостей, свёрл, фрез. Лезвийная обработка - распространённый на машиностроительных предприятиях метод механообработки - является наиболее эффективным способом создания винтовых поверхностей. Для этого используются такие виды обработки как: строгание, охватывающее фрезерование, фрезерование дисковыми и концевыми фрезами. Операции производятся на горизонтально- и вертикально фрезерных, токарных, строгальных, координатно-расточных станках. Затраты на разработку технологий лезвийной обработки достигают « 4.6% затрат на инновации машиностроительного предприятия (в 2007-2008 гг.).
Увеличение конкуренции на рынке ведёт к повышению требований к качеству изделий, содержащих винтовые поверхности, а также к необходимости снижения сроков технологической подготовки производства в связи с повышением номенклатуры и сложности изделий. Это приводит к необходимости интенсификации научных исследований (НИ) лезвийной обработки винтовых поверхностей (ЛОВП). Важнейшим результатом научных исследований ЛОВП, применяемым при технологической подготовке производства, являются математические модели и реализующие их программные средства. Использование моделей позволяет прогнозировать результаты обработки, что особенно важно при использовании изношенного технологического оборудования и при кооперации машиностроительных предприятий для совместного производства изделий. Для повышения эффективности научных исследований лезвийной обработки винтовых поверхностей необходима их автоматизация за счёт формализации процесса, выделения в нём интерактивных процедур. Это достигается разработкой и внедрением автоматизированных систем научных исследований (АСНИ).
Эффект от разработки и внедрения АСНИ лезвийной обработки винтовых поверхностей достигается за счёт: повышения производительности труда в исследовательских и испытательных подразделениях, улучшения технико-экономических характеристик изделий, содержащих ВП, на основе получения и использования более точных математических моделей, сокращения дорогостоящих натурных испытаний (в т.ч. исследовательских и технологических), исключения некоторых стадий опытно-конструкторских работ.
Существует ряд математических моделей, применение которых позволяет повысить точность обработки и эффективность операций ЛОВП, однако отсутствуют средства исследования подобных моделей, позволяющие достичь высокой степени автоматизации. Общие средства математического моделирования не подходят для этой цели, т.к. требуют проведения большого объёма вспомогательных работ. Коммерческие средства CAD/САМ не обладают достаточной функциональностью и не позволяют проверку и расширение исходных математических моделей. И те и другие средства дополнительно требуют больших затрат на приобретение, сопровождение и обучение персонала. Специализированные интерактивные программные системы являются лучшим средством автоматизации в данном случае, однако не существует методик их
построения, а разработанные ранее системы исследования моделей обладали рядом недостатков: не позволяли достичь высокой степени автоматизации, не являлись интерактивными, не решали задачи комплексного расчёта параметров обработки винтовых поверхностей. Многие исследователи использовали разновидности графического метода профилирования, не позволяющего достичь высокой точности расчётов. Разработку моделей ЛОВП и их программную реализацию проводили: СИ. Лашнев, Ю.Е. Петухов, В.Б. Протасьев и другие.
Таким образом, автоматизация научных исследований лезвийной обработки является актуальной народнохозяйственной задачей, требующей решения в виде разработки и внедрения интерактивных программных средств АСНИ.
Объект исследования: технологическая подготовка процессов лезвийной обработки винтовых поверхностей.
Предмет исследования: модели, методы и средства автоматизации исследований лезвийной обработки винтовых поверхностей при технологической подготовке производства.
Цель исследования: повышение производительности научных исследований лезвийной обработки винтовых поверхностей при технологической подготовке производства за счёт использования интерактивных программных средств автоматизации.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
анализ процессов разработки операционных технологий лезвийной обработки винтовых поверхностей для определения задач научных исследований;
структурирование процесса исследования математических моделей лезвийной обработки винтовых поверхностей для обеспечения возможности автоматизации;
разработка структуры и подсистем интерактивных программных средств АСНИ лезвийной обработки винтовых поверхностей, включая выявление требований и составление спецификаций;
разработка алгоритмов для математических моделей лезвийной обработки винтовых поверхностей, реализация прототипа интерактивных программных средств АСНИ для проверки теоретических положений;
разработка методики автоматизации исследований математических моделей лезвийной обработки винтовых поверхностей, включающей создание интерактивных программных средств АСНИ.
Применены следующие методы решения задач: методы создания АСНИ, методология структурного анализа и проектирования (SADT), теория множеств, теория реляционных баз данных (в т.ч. реляционное исчисление кортежей, реляционная алгебра), методы оптимизации, методы вычислительной математики, методы разработки программного обеспечения АСУ (в.т.ч: объектно-ориентированное и функциональное программирование, методы компьютерной графики, трансляции формальных языков).
Достоверность результатов исследования основывается на корректном применении математического аппарата и проверке теоретических положений при решении практических и производственных задач.
Научная новизна работы:
Модель проведения численных экспериментов с математическими моделями лезвийной обработки винтовых поверхностей, выделяющая в этом процессе повторяющуюся структуру, и дающая её формальное описание на основе теории множеств, исчислении предикатов 1-го порядка и реляционном исчислении кортежей.
Формальная спецификация интерактивных средств программного обеспечения АСНИ лезвийной обработки винтовых поверхностей, созданная на основе комплексного применения современных исследований и технологий в областях: формального описания диалога в графическом пользовательском интерфейсе (ГПИ), организации систем управления объектно-ориентированными БД (СУООБД) и интеграции программных средств АСУП.
Алгоритмы, реализующие математические модели комплексного анализа параметров и профилирования инструмента для лезвийной обработки винтовых поверхностей и расширяющие функциональность моделей за счёт использования численных методов и методов вычислительной геометрии.
Методика автоматизации исследований математических моделей лезвийной обработки винтовых поверхностей на основе интерактивных программных средств, реализующая комплексный подход к автоматизации, с учётом факторов экономической целесообразности и возможности развития исходных математических моделей.
Практическая ценность состоит в:
разработанных прототипах интерактивных программных средств исследования математических моделей расчёта технологических параметров ЛОВП и профилирования инструмента для обработки винтовых поверхностей постоянного шага, применение которых возможно как на этапе научных исследований, так и при разработке операционных технологий;
результатах применения интерактивных средств профилирования при разработке дисковой фрезы для обработки ВП с полузакрытым профилем на деталях «Винт Ду 100» («Винт левый» 23-81-5-1.02.01 и «Винт правый» 23-81-5-1.05.22) счётчика горюче-смазочных жидкостей, позволивших повысить точность и оптимизировать технологию обработки.
Положения, выносимые на защиту:
Модель проведения численных экспериментов с математическими моделями лезвийной обработки винтовых поверхностей.
Спецификация интерактивных средств программного обеспечения АСНИ лезвийной обработки ВП для двух случаев интеграции с АСУП.
Алгоритмы, реализующие и дополняющие математические модели комплексного анализа параметров и профилирования инструмента для лезвийной обработки винтовых поверхностей.
Методика автоматизации исследований математических моделей лезвийной обработки ВП основе интерактивных программных средств.
Реализация и внедрение результатов работы. Интерактивные программные средства (ИПС) профилирования применены при разработке инструмента для ЛОВП
с полузакрытым профилем на изделии «Винт Ду 100» счётчика горюче-смазочных жидкостей на ОАО «Промприбор» (г. Ливны) с получением экономического эффекта 2000 р. на изделие за счёт оптимизации операций ЛО. Те же программные средства рассмотрены на ОАО «Ливгидромаш» (г. Ливны), где признана возможность сократить время на проектирование специального инструмента и снизить материальные затраты на профилирование. Результаты научно-исследовательской работы внедрены в учебный процесс кафедр ИС и ТМиКТИ Орловского государственного технического университета. Прототипы ИПС зарегистрированы в реестре программ для ЭВМ в Федеральном институте промышленной собственности Роспатента.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались на следующих международных научно-практических конференциях: I, II и III конференциях «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (май 2004 г., май 2006 г., апрель 2008 г., г. Орел), «Новые информационные технологии в образовании» (февраль 2009 г., г. Екатеринбург), «Информационные технологии в образовании, науке и производстве» (июль 2009 г., г. Серпухов), «Состояния, проблемы и перспективы автоматизации технической подготовки производства на машиностроительных предприятиях» (ноябрь 2009 г., г.Брянск). Дипломная работа автора, содержащая основу шаблона подсистемы хранения данных АСНИ ЛОВП, отмечена дипломом II степени в конкурсе выпускных квалификационных работ в рамках III тура Всероссийской студенческой олимпиады 2006 г.
Публикации. По результатам исследования опубликовано 17 работ, включая 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК (из них 2 самостоятельных работы), 2 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка источников. Общий объём работы: 213 страниц машинописного текста, включающего 59 рисунков, 8 таблиц, список источников из 164 наименований, 7 приложений.
