Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ методов обеспечения точности токарной обработки нежёстких валов на станках с ЧПУ. Цель и задачи исследования 10
1.1 Анализ технологического процесса изготовления нежёстких валов 10
1.2 Влияние жёсткости технологической системы на точность токарной обработки цилиндрических заготовок 18
1.3 Методы обеспечения точности токарной обработки нежёстких валов 23
1.4 Математические модели, описывающие упругие деформации в процессе обработки 33
1.5 Компьютерные средства для расчётов и визуализации в области токарной обработки
1.5.1 Автоматизированный расчёт параметров резания в системах технологической подготовки производства 42
1.5.2 Визуализация процесса токарной обработки 43
1.5.3 Программные средства для исследования процесса токарной обработки 45
Выводы по разделу 1 47
2 Исследование влияния параметров заготовки и технологических режимов на погрешность токарной обработки нежёстких валов 49
2.1 Методика проведения исследований 49
2.2 Инфологическая модель оценки точности токарной обработки нежёстких валов 51
2.3 Алгоритмизация расчётов упругих деформаций в системе СПИД, возникающих под действием силы резания 56
2.4 Проверка адекватности математической модели 59
2.4.1 Методика проведения исследований для оценки адекватности математической модели 59
2.4.2 Проверка воспроизводимости полученных данных при производственном эксперименте 61
2.4.3 Проверка адекватности математической модели 62
2.5 Выявление закономерностей влияния параметров заготовки и технологических режимов на погрешность токарной обработки нежёстких валов 65
2.5.1 Зависимости упругих деформаций от параметров заготовки и режимов резания 65
2.5.2 Зависимость шероховатости поверхности от параметров токарной обработки и режущего инструмента 73
2.5.3 Зависимость основного технологического времени от параметров токарной обработки 73
2.6 Ранжированная оценка влияния входных данных на показатели точности 78
Выводы по разделу 2 83
3 Программная реализация системы для автоматической коррекции управляющей программы станка с ЧПУ 86
3.1 Программное обеспечение компьютерной системы 86
3.1.1 Функциональные возможности и архитектура программного обеспечения 86
3.1.2 Модуль работы с базами данных 90
3.1.3 Модуль формирования исходных данных 92
3.1.4 Модуль выбора режущего инструмента 93
3.1.5 Модуль определения параметров резания 95
3.1.6 Модуль расчёта силы резания 97
3.1.7 Модуль работы с G-кодом для станка с ЧПУ 99
3.1.8 Модуль формирования выходных данных 103
3.2 Последовательность работы с ProgRez 104
3.3 Методика автоматической коррекции управляющей программы 106
Выводы по разделу 3 107
4 Оценка эффективности применения программного комплекса для повышения точности обработки и апробация работы 108
4.1 Рекомендации по применению программного комплекса ProgRez 108
4.1.1 Тестирование работы программного обеспечения 108
4.1.2 Определение параметров резания 115
4.2 Система автоматической коррекции управляющей программы как подсистема АСТПП нежёстких валов 116
4.3 Определение эффективности применения программного комплекса 120
4.3.1 Оценка погрешности токарной обработки 120
4.3.2 Сравнение экспериментальных и расчётных значений погрешности токарной обработки станинных роликов 125
4.3.3 Экономическая эффективность применения программного комплекса 127
Выводы по разделу 4 129
Заключение 130
Список использованных источников
- Компьютерные средства для расчётов и визуализации в области токарной обработки
- Алгоритмизация расчётов упругих деформаций в системе СПИД, возникающих под действием силы резания
- Модуль формирования исходных данных
- Определение эффективности применения программного комплекса
Введение к работе
Актуальность темы. К нежёстким валам относятся детали типа тел вращения, у которых длина превышает диаметр в 12 и более раз. В тяжёлом машиностроении примерами таких деталей являются станинные ролики и валки для прокатки стали, изготавливаемые в ОАО «МК ОРМЕТО-ЮУМЗ» и входящие в состав производственного оборудования ОАО «Уральская сталь». Стоимость таких деталей, размеры которых превышают несколько метров, а масса достигает десятков тонн, составляет несколько миллионов рублей.
Переход предприятий на использование станков с ЧПУ исключило возможность традиционного применения люнетов при точении, а снижение погрешности обработки обеспечивается путем занижения режимов резания и введением дополнительной операции (шлифование). Результатом стало увеличение себестоимости изделий.
Поскольку изготовление нежёстких валов ведется на многих предприятиях машиностроительного профиля, то выявление эффективных путей повышения точности при их токарной обработке на станках с ЧПУ является актуальной научной проблемой.
Одним из путей её решения является применение метода коррекции управляющей программы (УП). В этом случае оценка значений отклонения формы заготовки от заданной чертежом по всей длине обрабатываемой поверхности осуществляется с учётом характеристик оборудования, инструмента, свойств материала, технологических требований и другой информации.
Прогнозируемая погрешность компенсируется за счёт изменения траектории перемещения режущего инструмента путём корректировки управляющей программы станка с ЧПУ.
Таким образом, разработка теоретических и практических решений для повышения точности токарной обработки на станках с ЧПУ является актуальной научной задачей, имеющей существенное значение для экономики страны, что определило актуальность, выбор объекта, предмета и цели исследования.
Работа выполнена в рамках г/б НИР № 01201155447 «Методология создания высокоавтоматизированных производственных систем нового поколения с заданными свойствами» на кафедре систем автоматизации производства Оренбургского государственного университета; областного гранта «Разработка методологии технического перевооружения предприятий машиностроительного комплекса Оренбуржья на основе производственных систем нового поколения», соглашение №36 от 23.06.2015 г.
Цель работы - минимизация погрешности токарной обработки нежёстких валов на станках с ЧПУ, возникающей под действием силы резания, на основе разработки методики и автоматизированных средств коррекции управляющей программы.
Задачи исследования:
- теоретико-информационный анализ процесса токарной обработки нежёстких валов на станках с ЧПУ;
разработка инфологических моделей и программных процедур оценки точности токарной обработки нежёстких валов;
разработка информационного обеспечения на базе выявленных закономерностей влияния параметров заготовки и технологических режимов на погрешность токарной обработки;
алгоритмическая и программная реализация системы автоматической коррекции управляющей программы;
- экспериментальная оценка эффективности применения разработанного
программного комплекса для повышения точности обработки нежёстких валов.
Объект исследования - процесс образования погрешностей токарной обработки на станках с ЧПУ при изготовлении нежёстких валов.
Предмет исследования - модели и алгоритмы процедур автоматической коррекции исходного кода управляющих программ систем ЧПУ.
Методы исследования. Использовались основные положения теорий резания и сопротивления материалов, методы математической статистики, планирования и обработки результатов эксперимента, математического и функционального моделирования, аппроксимации функций, технология объектно-ориентированного программирования.
Научной новизной обладают:
предложенная инфологическая модель оценки точности обработки нежёстких валов, отличающаяся функциональными возможностями настройки на реальные условия при неполной информации о процессе обработки, адекватность которой подтверждена на основе натурных экспериментов;
информационное обеспечение подсистемы АСТПП на базе выявленных закономерностей и аппроксимирующих функций влияния входных данных на показатели точности обработки;
архитектура подсистемы АСТПП для повышения точности обработки нежёстких валов;
- алгоритмы реализации типовых процедур автоматической коррекции
управляющей программы;
- методика автоматизированной коррекции перемещения инструмента в УП
системы ЧПУ на основе расчёта величины упругих деформаций нежёсткого вала.
Практическую значимость имеют:
метод компенсации упругих деформаций нежёстких валов при токарной обработке на станках с ЧПУ, включающий предложенный математический аппарат, набор входных и выходных данных для расчёта погрешности геометрической формы, зависящей от податливости технологической системы и влияющей на качество изделия, разработанную последовательность вычислений, оценку и варианты использования результатов;
программный комплекс и инструкции по его эксплуатации, позволяющие для введенных параметров заготовки, режущего инструмента и параметров режимов резания рассчитать величину упругих деформаций нежёсткого вала в процессе токарной обработки и внести в управляющую программу необходимую коррекцию траектории перемещения инструмента для компенсации возникающих погрешностей.
Результаты, выносимые на защиту:
математический аппарат, предложенный для расчёта упругих деформаций нежёстких валов, допускающий возможность настройки на реальные условия в условиях неполной информации о процессе обработки;
алгоритм расчёта величины упругих деформаций, адекватность которого доказана на основе натурных экспериментов;
информационное обеспечение подсистемы АСТПП в виде ранжированных функций влияния параметров оборудования, заготовки, инструмента и режимов резания на величину упругих деформаций нежёстких валов в процессе обработки;
архитектура подсистемы АСТПП для автоматизированного расчёта величины упругих деформаций нежёстких валов и их компенсации за счёт коррекции траектории перемещения инструмента в УП системы ЧПУ;
метод автоматической коррекции G-кода управляющей программы для изготовления нежёстких валов, учитывающий входные данные процесса резания, включающий математический аппарат, алгоритмы расчёта и компенсации деформаций, программную реализацию и методику оценки эффективности применения.
Реализация работы. Результаты работы приняты к использованию в ОАО «МК ОРМЕТО - ЮУМЗ» и АО «Механический завод» (г. Орск) в виде программного комплекса ProgRez и методики автоматической коррекции управляющей программы токарной обработки нежёстких валов на станках с ЧПУ, а также в учебный процесс Оренбургского государственного университета.
Апробация полученных результатов. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и получили одобрение на заседаниях:
международных научно-практических конференций: «Формирование основных направлений развития современной статистики и эконометрики» (Оренбург, 2013), «Интеллектуальный потенциал XXI века: ступени познания» (Новосибирск, 2015), «Современные пути развития науки и образования» (Смоленск, 2015), «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации» (Оренбург, 2015), «Виртуальное моделирование, прототипирование и промышленный дизайн» (Тамбов, 2015);
всероссийских научно-практических конференций «Автоматизация и информационные технологии» (Москва, 2012), «Компьютерная интеграция производства и ИПИ-технологии» (Оренбург, 2013, 2015), «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2014);
школы-семинара молодых учёных и специалистов в области компьютерной интеграции производства (Оренбург, 2012, 2014).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 17 работ, в том числе 3 статьи в журналах из «Перечня...» ВАК, 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка использованных источников из 120 наименований, приложений. Работа выполнена на 182 страницах машинописного текста, включая 50 рисунков, 18 таблиц и 38 страниц приложений.
Компьютерные средства для расчётов и визуализации в области токарной обработки
На примере одного из станинных роликов, указанных в таблице 1.1, опираясь на технологическую карту (рисунок 1.1), рассмотрим порядок операций механической обработки детали.
Представим последовательность действий в виде схемы на рисунке А.2 приложения А. Как показал анализ технологического процесса производства станинного ролика, обработка детали на токарном станке состоит из четырёх этапов. Первый этап «Горизонтально – расточная обработка №1» включает в себя подрезку торцов, восстановление осевых и центровку детали. Второй этап «Токарная обработка №1» включает в себя подрезание торцов и шеек ролика с установленным чертежом диаметром и припуском в 10 мм, шероховатостью Ra6,3. Линейные размеры выполняется по чертежу. Третий этап «Горизонтально – расточная обработка №2» включает в себя правку центровых отверстий после термической обработки. Завершающая четвёртая операция «Токарная обработка №2» включает в себя точение поверхностей с припуском 5 мм под Ra6,3. Между указанными этапами механической обработки осуществляются промежуточные операции контроля и других видов обработки, которые указаны на рисунке справа от направляющих стрелок.
Обработка деталей производилась на станке модели 1К670Ф3, который изображён на рисунке А.3 приложения А. Станок предназначен для чистовой и черновой токарной обработки изделий из стали, чугуна и других материалов. На станке возможна обработка сложных поверхностей (цилиндрических, конических, криволинейных), нарезание любых видов резьбы, растачивание отверстий на глубину до 1000 мм, торцевая обработка с постоянной скоростью резания. Он оснащен современным суппортом с двумя ламельными боковыми резцедержателями. В настоящее время система управления данного станка модернизирована путем установки современных приводов фирмы Siemens и системы ЧПУ Sinumerik 840D. В качестве двигателя главного движения установлен компактный асинхронный двигатель мощностью 113 кВт, с частотой вращения 1000 об/мин (1079 НМ VC: 129кВт, 1150 об/мин, 1071 НМ 245 A, VC: 243 A), двигателями подачи установлены синхронные серводвигатели 1FT6. Общие характеристики станка приведены в таблице А.1.
На основании акта технического обследования механической части станка на проверку геометрической точности и биения центров передней и задней бабки (Приложение А, рисунок А.4) установлены допуски и фактические отклонения перемещения, параллельности суппорта и радиального биения конического отверстия шпинделя передней бабки. На основании акта технического обследования механической части станка (Приложение А, рисунок А.5) при проведении визуального обследования установлено, что механическая часть станка находится в удовлетворительном состоянии и может продолжать эксплуатацию на установленных технологией параметрах, и позволяет производить на нём обработку деталей. Таким образом, можно сделать вывод, что станок 1К670Ф3 обладает достаточной жёсткостью.
При обработке ролика 4 с экрана панели системы ЧПУ установлены значения оборотной подачи s = 1,45 мм/об, а также значение частоты вращения шпинделя n = 34 об/мин. Определим скорость резания [5]: n-d-n 3,14-450-34 v = = = 48 м/мин, (1.1) 1000 1000 где d – диаметр станинного ролика 4; Определим время обработки [6]: L 4300 4300 Г = — = = = 87,2 мин, (1.2) о sn 1,45-34 49,3 где L – длина обрабатываемой поверхности, мм; n – частота вращения шпинделя, об/мин. Учитывая, что предельная скорость резания v = 120 м/мин [7] для ис пользуемого резца Т5К10, получаем, что используемая скорость резания в 2,5 раза меньше допустимой. Из паспортных данных станка известно, что макси мальная скорость вращения шпинделя составляет 160 об/мин, то есть почти в 5 раз больше используемой. Из полученных расчё тов видно, что обработка происходит на заниженных режимах резания. Требования к обрабатываемой детали указаны на её техническом чертеже и обусловлены особенностями работы механизма, в состав которого она входит. Согласно чертежу, допуск рабочей поверхности составляет 0,5 мм, допуск торцевого биения относительно общей оси рабочей поверхности на диаметре 600 мм составляет 0,1 мм.
Произведены измерения диаметров на центральной части ролика, имеющего длину 4300 мм, через каждые 400 мм, сразу после окончания четвёртой стадии обработки детали на указанном ранее станке. Измерительный прибор, используемый для снятия необходимых размеров, – микрометр, прошедший испытания на точность измерений согласно ГОСТ 6507-09 [8]. Момент процесса измерения представлен на рисунке А.6 приложения А.
Результаты измерений для наглядности перенесены на чертёж детали и представлены на рисунке А.7. Как показали результаты проведенных измерений, обработанные детали имели дефект «бочкообразности» с максимальным отклонением диаметра до 0,7 мм, что является низким показателем качества для станка с современной системой ЧПУ. Стоит учесть, что обработка производилась на заниженных режимах резания, при этом, как показывают измерения, ролик не удовлетворяет требованиям, указанным на чертеже. Отклонение по допуску превышает 0,2 мм, а допуск торцевого биения превышен в 3 раза.
Из-за дефекта «бочкообразность» станинным роликам, как и другим нежёстким деталям, независимо от того, что токарный станок с ЧПУ удовлетворяет при обработке допускам на шероховатость поверхности (Ra3,2; Ra6,3), на этапе окончательной механической обработки (рисунок 1.1), назначается до полнительная операция – шлифование, которая уменьшает погрешность обработки до допустимых значений, установленных требованиями технического задания и чертежа.
Стоимость таких изделий, с учётом сложности технологического процесса изготовления достаточно высока, а дополнительные операции шлифования и обработка на заниженных режимах, увеличивают трудоёмкость и себестоимость детали, что в конечном итоге снижает эффективность и конкурентоспособность производства.
Таким образом, возникает задача отказаться от операции шлифования, повысить производительность механической обработки и обеспечить требуемую точность изготовления нежёстких валов за счёт токарных операций на станках с ЧПУ.
Для выявления причин вариации диаметров станинных роликов проведен опрос специалистов предприятия, проанализирована научная и учебная литература, то есть проведен, так называемый, психологический эксперимент. Результаты эксперимента представлены в виде диаграммы Исикавы (причинно-следственной диаграммы), которая относится к одному из «семи инструментов контроля качества». На диаграмме, показанной на рисунке 1.2, выделена проблема для решения («Точность обработки нежестких валов»), сгруппированы факторы, влияющие на данную проблему (причины первого, второго и третьего порядка), указаны значимости факторов, полученные в результате статистической обработки результатов эксперимента [9].
Наиболее значимое влияние на точность токарной обработки нежестких валов в условиях рассмотренного предприятия оказывают упругие деформации технологической или СПИД (станок-приспособление- инструмент-деталь) системы, возникающие под влиянием нестабильности сил резания. Погрешности, связанные с этими упругими деформациями, обусловлены жесткостью всех элементов рассматриваемой системы, относятся к разряду систематически переменных и их распределение принимают по нормальному закону [10].
Алгоритмизация расчётов упругих деформаций в системе СПИД, возникающих под действием силы резания
Анализируя математические зависимости, приведённые в разделе 2.2 выделены основные факторы, влияющие на величину рассматриваемой погрешности при токарной обработке нежёстких заготовок цилиндрической формы. Из (2.2) и (2.5) видно, что к ним относятся: сила резания P, определяемая подачей s, глубиной резания t, скоростью резания v; отношение диаметра детали d к длине обработанной поверхности L; материал обрабатываемой заготовки, представленный модулем упругости E.
Учитывая тот факт, что доказана адекватность используемой математической модели, исследуем с её помощью влияние основных определяющих факторов на показатели эффективности токарной обработки нежёстких валов.
Для того, чтобы определить зависимость погрешности y от силы резания, рассмотрим влияние на неё параметров резания, являющихся основными определяющими факторами Р. Исследования проводились для интервалов значений, приведённых, как рекомендованные для выбранного обрабатывающего инструмента фирмой-производителем – пластина из твёрдого сплава CCMT-120408 F3 (сплав ТС20НТ) и резцедержателя SCLCR/L 2020 K12: глубина резания изменялась от 1 до 3 мм с шагом в 0,2 мм, подача - 0,15 до 0,25 мм/об с шагом 0,1 мм/об и скорость резания - от 210 до 350 м/мин. Параметры заготовки идентичны тем, которые были приняты при проверке адекватности используемой математической: длина обрабатываемой поверхности 480 мм (с учётом 20 мм закреплённых в патроне), диаметр 25,5 мм, сталь 45.
Изменяя один из параметров резания, значения двух других принимались минимальными или максимальными. Расчёты приведены в таблицах Б 9 – Б 14 приложения Б. Полученные зависимости в общем виде представлены на рисунке 2.6. Анализ зависимости максимального отклонения от параметров резания показал, что изменение подачи в указанном ранее диапазоне для минимальных и максимальных значений t и v, описывается линейными возрастающими функциями. Величина достоверности аппроксимации составляет 0,9993 и 0,9996. При минимальных и максимальных значениях глубины и скорости резания ymax изменилась на 0,057 мм и 0,155 мм соответственно, при этом, как показано на рисунке 2.6а, граничные значения отличаются на 0,22 мм и 0,318 мм. Аналогичны зависимости максимального отклонения диаметра от заданного чертежом при варьировании глубины резания, достоверность аппроксимации составляет 1, описывающие их функции линейные и возрастающие. При минимальных и максимальных значениях подачи и скорости резания ymax изменилась на 0,25 мм и 0,332 мм соответственно, при этом граничные значения отличаются на 0,043 мм и 0,125 мм соответственно (рисунок 2.6б).
Зависимость рассматриваемого отклонения от скорости резания отличается от предыдущих тем, что описывается линейно убывающей функцией, достоверность аппроксимации составляет 0,9937. При минимальных и максимальных значениях подачи и глубины резания ymax изменилась на 0,01 мм и 0,042 мм, граничные значения отличаются на 0,421 мм и 0,389 мм соответственно (рисунок 2.6в).
Из результатов, представленных на графиках рисунка 2.6, видно, что наибольшее изменение величины погрешности наблюдается при варьировании значения глубины резания, затем подачи и незначительно при изменении скорости. Стоит учитывать тот факт, что разница между минимальными значениями отклонений и максимальными при варьировании подачи изменилась в 1,45 раза, глубины резания в 2,9 раза и скорости резания 1,08 раза, поэтому неоднозначно преимущественное влияние подачи на рассматриваемую погрешность. Для этого необходимо проводить ранжированную оценку, позволяющую наиболее точно оценить влияние параметров резания на у. а) зависимость ymax от s
Графики зависимости утах от параметров резания Графики, представленные на рисунке 2.7, позволяют оценить зависимость максимального отклонения уmax от процентного изменения силы резания Р, при варьировании соответствующих параметров резания. Расчётные значения представлены в виде таблиц В.1 – В.6 приложения В.
При изменении скорости резания v в рекомендуемом для режущей пластины диапазоне значение силы изменилось менее, чем на 10 % от полученного при минимальных t, v, s. При изменении подачи сила Р увеличилась более, чем на 30 %, а при изменении глубины резания более чем на 65 %. Таким образом, при варьировании параметров резания, наибольшее влияние на значение Р оказывает изменение глубины резания t, фактически в два раза меньшее изменение s. В формуле (2.1) для определения рассматриваемой погрешности, учитыва ется влияние материала, из которого изготовлена обрабатываемая нежёсткая заго товка, при помощи модуля упругости первого рода Е. Результаты исследования влияния его значения на максимальное отклонение уmax представлено на рисунке 2.8. При варьировании приведённых указанных ранее значениях параметров реза ния для трёх случаев при Е = 200000 Н/мм2 (сталь 20), Е = 210000 Н/мм2 (сталь 45) и Е = 220000 Н/мм2 (сталь высоколегированная 09Х17Н) значения в контрольных точках отличаются в пределах от 0,01 до 0,02 мм, что незначительно по сравнению со значением общей составляющей погрешности токарной обработки. Следовательно, если обрабатываемая заготовка изготовлена из стали, то при её токарной обработке резцами из твёрдого сплава, на рекоменду емых их изготовителем параметрах резания, марка стали влияет не существенно на погрешность, связанную с её жёсткостью.
Одним из главных определяющих факторов упругих деформаций, возникающих под действием силы резания и обусловленных жёсткостью обрабатываемой заготовки, является отношение длины обрабатываемой поверхности L к её диаметру d (L/d). Расчёты проводились при минимальных рекомендуемых параметрах резания для выбранной пластины из твёрдого сплава и в общем виде представлены в таблице В.7 приложения В.
На рисунке 2.9 представлены зависимости отклонения y, определяющего величину рассматриваемых деформаций, рассчитанных для трёх контрольных точек, при общей длине обрабатываемой поверхности 480 мм на расстоянии от закрепления в патроне 288, 336 и 384 мм соответственно.
Также на рисунке выделены 3 границы, которые согласно проведённым исследованиям, определяют рабочую зону для целесообразного введения функции предыскажения траектории резания (2.4). При значениях L/d до 23 погрешность изменяется в пределах от 0,01 до 0,3 мм. Так как условия обработки учитывались при минимальных параметрах резания (с минимальной Р), то в этом диапазоне для повышения точности токарной обработки на станках с ЧПУ эффективно использовать оптимизацию параметров s, v, t с введением поправки в управляющую программу.
Модуль формирования исходных данных
Основным назначением модуля визуализации является графическое представление полученной зависимости y = f(x). Количество контрольных точек по длине обрабатываемой поверхности заготовки, в которых определяются значения упругих перемещений, задаётся пользователем вручную. В случае, если значение y превышает допустимое значение yдоп, заданное на чертеже изделия, то функция отображается красным цветом.
В программном комплексе ProgRez в модуле работы с экспериментальными данными реализуется сравнение экспериментальных и расчётных значений упругих перемещений. Алгоритм его работы представлен на рисунке Д.1 приложения Д. Ввод экспериментальных значений, полученных непосредственно в процессе токарной обработки, осуществляется вручную. Предусмотрена возможность графического отображения экспериментальной и расчётной зависимостей, а также представление в виде таблицы с подсчётом процентной разницы. Количество одновременно отображаемых функций, ограничено двенадцатью.
При завершении работы с программным комплексом формируется отчёт в формате .doc. Он содержащий информацию об основных результатах, выбранном инструменте и т.д. Данная функция реализуется при помощи модуля формирования выходных данных, алгоритм его работы представлен на рисунке 3.Д приложения Д. Также он позволяет передать результаты исследования в модуль работы с базами данных и сохранять конечный G-код для станка с ЧПУ.
Таким образом, как показано на диаграмме компонентов, представленной на рисунке 3.1, в состав программного комплекса ProgRez входить семь основных функциональных модулей: модуль формирования исходных данных, выбора режущего инструмента, определения параметров резания, работы с базами данных, расчёта силы резания, работы с G-кодом для станка с ЧПУ и формирования выходных данных. А также четыре вспомогательных модуля: справочный модуль, модули определения управляющей функции, визуализации отклонения формы поверхности и работы с экспериментальными данными.
Последовательность использования основных модулей программного комплекса в общем виде представлена на схеме рисунка 3.12.
На начальном этапе использования, если не учитывать ознакомительный курс по работе с ProgRez, реализуемый справочным модулем, осуществляется ввод исходных данных, который соответствует взаимодействию модулей формирования исходных данных и работы с базами данных. Для программ, входящих в состав рассматриваемого программного комплекса, ввод исходных данных значительно отличается, это обусловлено различиями их интерфейсов и структур.
На втором этапе осуществляется выбор оборудования технологической системы. Главным фактором, влияющим на величину рассматриваемой погрешности, обусловленной жёсткостью заготовки, является сила резания. Её значение напрямую зависит от параметров резания, определяемых используемым инструментом и возможностями станка с ЧПУ.
Отметим, что в программе OptimRez в качестве режущего инструмента выбираются только пластины из твёрдого сплава и их державки. В данном случае программа CalkRez может быть использована, как дополнение, так как в ней реализуется ещё и выбор инструментов из быстрорежущей стали.
На третьем этапе при помощи модуля определения параметров резания определяется подача, скорость и глубина резания. В случае, если пользователю необходимо получить их значения расчётным методом или при обработке используются резцы из быстрорежущей стали, применяется программа CalkRez. Также на этом этапе осуществляется расчёт силы резания при помощи соответствующего модуля.
На четвёртом этапе определяется траектория движения режущего инструмента с учётом рассчитанных в контрольных точках значений упругих перемещений. При этом используется модуль работы с базами данных, определения управляющей функции и визуализации отклонения формы поверхности.
Пятый этап заключается в обработке и визуализации экспериментальных данных, реализуется в OptimRez во вспомогательном модуле работы с экспериментальными данными. Данные измерений погрешности после обработки на станке, вводятся в программу вручную, в которой они сравниваются с расчётными.
Шестым и заключительным этапом работы с ProgRez, согласно схеме рисунка 3.12, является разработка G-кода для станка с ЧПУ. Для её функционирования используется соответствующий модуль, предусматривающий загрузку шаблона управляющей программы, в зависимости от системы ЧПУ, его заполнение, редактирование и сохранение в нужном формате.
Рассмотренная схема основных функциональных возможностей программного комплекса ProgRez позволяет определить последовательность действий пользователя для автоматизированного расчета величины упругих деформаций нежестких валов и их компенсации за счет коррекции траектории перемещения инструмента в УП системы ЧПУ. Однако она не отражает всех функциональных возможностей разработанных программ.
Определение эффективности применения программного комплекса
Используем диаграммы с дорожками, которые позволяют изображать процессы в контексте их выполнения различными подразделениями и службами предприятия.
Разделим действия на диаграмме на группы, отделяющиеся друг от друга вертикальными линиями. Две соседние линии и образуют дорожку, а действия между этими линиями соответствуют отдельным стадиям работ.
На начальном этапе осуществляется анализ заказа и принимается решение о необходимости проведения научно-исследовательских работ и их составе. В соответствии с заявленными заказчиком условиями эксплуатации, требованиями к стоимости и основным характеристикам изделия формируются данные для технической подготовки производства.
На этапе конструкторской подготовки производства осуществляется проектирование и оформление соответствующей документации, разрабатываются 2D и 3D модели изделия с учётом результатов научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, формируется конструкторская документация. Возможно применение уже имеющихся на предприятии чертежей подобных деталей, с внесением определённых поправок для адаптации готовых проектных решений к требованиям заказчика [112].
В программном комплексе ProgRez для обработки экспериментальных результатов используется соответствующий программный модуль.
Под технологической подготовкой производства, в соответствии с ГОСТ 14004-83 [113], понимается совокупность мероприятий на предприятии, необходимых для осуществления заданного объёма выпуска продукции с установленными технико-экономическими показателями и обеспечивающих наличие полных комплектов документации и средств технологического оснащения. Технологическое проектирование включает разработку процессов основной обработки, программ для станков с ЧПУ; составление технологических маршрутов; разработку нормативов трудоемкости и норм расхода материалов, режимов работы оборудования; анализ технологии производства и применение возможных вариантов её изменения с целью снижения затрат и т.д. При помощи разработанного программного комплекса ProgRez на данном этапе подготовки производства осуществляется выбор режущего инструмента.
Далее проводятся научно-исследовательские работы по анализу реальных условий обработки или определению коэффициента щ, используемого в предложенном математическом аппарате для расчёта упругих деформаций нежёстких валов у.
Оценка погрешности обработки осуществляется за счёт сравнения допуска на обрабатываемые поверхности уэои заготовки и рассчитанного значения w Затем разрабатывается G - код управляющей программы (УП) для станка с ЧПУ и принимается решение о применении метода автоматической коррекции. Если утах удоп, то при помощи разработанного программного обеспечения назначаются режимы резания и автоматически корректируется текст УП.
Технологическая подготовка производства завершается оформлением соответствующей документации (маршрутной карты, G - кода и т.д.), которая передается в систему управления предприятием для производства изделия [114].
Для оценки разработанной методики автоматизированной коррекции управляющей программы, реализуемой в программном комплексе ProgRez, проведём исследования с использованием программного обеспечения фирмы ЕМСО [115,116]. Представим алгоритм исследования в виде схемы рисунка 4.8 [117].
Исследования проводились в пять этапов. На первых двух при помощи программного комплекса ProgRez осуществляется расчёт поправочной функции и составление G-кода с учётом корректировки.
На третьем этапе осуществляется проверка работоспособности скомпилированного кода в программах моделирования рабочего процесса. Он вводится с целью учёта особенностей системы ЧПУ, а также для его редактирования и адаптации непосредственно к условиям планируемой обработки [118]. Так, в классе систем ЧПУ Аэрокосмического института ОГУ при помощи специализированного программного обеспечения фирмы ЕМСО проверена работоспособность G-кода, фрагменты которой представлены на рисунках 4.9 – 4.11.
На четвёртом этапе исследования использовался станок модели ST-10Y фирмы Haas [119] с системой ЧПУ на базе Fanuc 21. Материал заготовки сталь 3, режущая пластина CNMG 120408 – PM 4325, L = 240,0 мм, d = 21,0 мм, v = 200 м/мин, s = 0,5 мм/об, t = 1,0 мм. Обработка осуществлялась на шести заготовках в два прохода. Для трех заготовок корректировка управляющей программы осуществлялась при первом проходе, для остальных трех – при втором. Фрагменты обработки представлены на рисунке 4.12.
На заключительном этапе осуществлялись измерения отклонений формы заготовки по всей длине обрабатываемой поверхности. Результаты измерений значений упругих деформации y(х) при обработке по управляющей программе представлены в таблице 4.2.
Из таблицы 4.3 видно, что при диаметре 19 мм значение ymax уменьшилось на 70 %. При диаметре 17 мм, эффективность применения метода автоматизированной коррекции управляющей программы снизилась, значение погрешности уменьшилось на 66,8 %. Данная закономерность соответствует теоретическим исследованиям, проведённым ранее, а также не противоречит результатам, приведенных в научных работах в этой области.
При помощи программного комплекса ProgRez рассчитаем значение погрешности токарной обработки, возникающей под действием силы резания, с учётом реальных условий обработки данной детали для станинного ролика, чертёж которого представлен на рисунке А7 приложения А.
Сравним абсолютные и относительные значения погрешности, полученной на режимах резания, используемых на предприятии. Результаты сравнения представим в таблице 4.4. Результаты расчётов погрешности при выбранных режимах резания представлены в таблице 4.5.