Введение к работе
Актуальность проблемы. Требования к качеству, надежности, экономичности машиностроительной продукции и самого машиностроительного производства, его технологии постоянно повышаются. Вследствие этого повышаются требования к качеству конструкторско-технологической подготовки производства, которая включает в качестве своей основы размерный анализ. Размерный анализ – это большой комплекс расчетно-аналитических действий, осуществляемых при разработке и анализе конструкций и технологических процессов: построение специальных размерных схем конструкций и технологических процессов, выявление и фиксация взаимосвязей всех размерных параметров, выявление размерных цепей, проверка и установление рациональных способов простановки размеров в чертежах, назначение достаточного и необходимого числа технических требований, назначение обоснованных допусков, минимальных припусков, проверочный расчет возможности обеспечения чертежных размеров и технических требований, расчет средних припусков, определение номинальных значений и отклонений операционных размеров, определение толщины покрытий, глубины азотирования и других характеристик.
Среди изделий машиностроения значительную часть составляют узлы, агрегаты и машины осесимметричной формы: насосы, газотурбинные двигатели, турбодетандеры, и т.п. Основные детали подобных изделий имеют форму тел вращения, ограниченную цилиндрическими, плоскими, коническими, сферическими и другими (фасонными) поверхностями вращения. К таким деталям относятся детали классов валов, втулок, дисков. Размерный анализ конструкций из таких деталей и технологических процессов данных классов деталей предусматривает расчет трех типов параметров: 1) продольных размеров;
2) диаметральных размеров; 3) отклонений расположения (отклонений от параллельности торцов и осей, отклонений от перпендикулярности).
Практика размерного анализа конструкций из деталей типа тел вращения и технологических процессов данных классов деталей выявила следующие проблемы:
- расчет линейных конструкторских и технологических размеров, диаметральных размеров, отклонений расположения выполняется раздельно, без учета взаимного влияния отклонений от перпендикулярности торцов и цилиндрических поверхностей, и отклонений от соосности цилиндрических поверхностей;
- расчет точности сборки изделия также выполняется раздельно для размеров и отклонений расположения, не учитывается влияние отклонений расположения отдельных деталей на точность сборки;
- проблемы самого расчета – неполная автоматизация, необходимость построения изображений размерных схем, неопределенность направлений звеньев размерной цепи при расчете технологических размеров.
Возникновение данных практических проблем обусловлено проблемами в теории размерного анализа, связанными с ограничениями, которые накладывает использование теоретического представления о сборочной единице, детали, исходной и обрабатываемой заготовке, как совокупности поверхностей, осей, линий и точек, связанных размерными связями. Все методики размерного анализа технологических процессов и конструкций деталей типа тел вращения в настоящее время основаны на принятии и описании поверхностей и осей в качестве основных взаимосвязанных элементов деталей. Данные представления позволяют учесть смещение параллельных осей (отклонение от соосности) как расстояние между осями, перекос поверхностей или осей (отклонение от параллельности, перпендикулярности) как угол между поверхностями или осями. Для этих двух видов отклонений могут быть составлены размерные цепи расстояний и углов, которые решаются отдельно. Однако не учитывается тот факт, что отклонение от параллельности поверхностей или перекос осей влияет на расстояние между поверхностями или осями в пределах детали, а смещение оси, например, одного центрового отверстия, приводит к перекосу общей оси двух центровых отверстий. Кроме того, существуют проблемы при аналитическом математическом описании поверхностей и осей. Объекты – плоскость, цилиндрическая поверхность, ось могут быть достаточно просто описаны уравнением, но это будет уравнение бесконечной плоскости, цилиндрической поверхности или оси. Для размерного анализа важно описать участок поверхности (оси), являющийся элементом детали, причем необходимо учесть в математической модели детали погрешности изготовления, характерные для реальных деталей.
Таким образом, актуальной является проблема совершенствования теории размерного анализа как основы его дальнейшего развития и расширения возможностей с точки зрения повышения достоверности получаемых результатов и производительности расчетов.
Необходимо применить новые теоретические представления об объектах размерного анализа и на этой основе обеспечить его дальнейшее совершенствование в направлении создания более адекватных моделей и соответствующих методов расчета, строгого теоретического обоснования существующих методов, замены ручных методов подготовки, обработки информации и принятия решений на автоматизированные и автоматические, создания предпосылок более полного использования результатов размерного анализа в инженерном анализе при конструировании и проектировании технологических процессов механической обработки и сборки.
Диссертационная работа связана с выполнением госбюджетной НИР по тематическому плану фундаментальных исследований Минобрнауки РФ «Исследование динамических процессов и прочности механических систем с учетом особенностей реальных связей» (2004-2005гг.), и с конструкторско-технологическим обеспечением реализации проекта по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы» (2006-2008гг.), проект «Рабочие процессы поршневых пневмодвигателей и пневмодвигатель-компрессорных агрегатов».
Целью работы является совершенствование теории размерного анализа технологических процессов и конструкций на основе синтеза наиболее совершенных существующих понятий и методов с их модернизацией путем разработки математических моделей, учитывающих взаимное влияние размерных параметров и отклонений от расположения поверхностей, и применения методов математического и компьютерного моделирования. Для решения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
- проанализировать существующие понятия, модели, методы размерного анализа с целью выявления системы допущений, лежащих в их основе;
- разработать математическую модель детали типа тел вращения, позволяющую объединить расчет линейных, диаметральных размеров, параметров отклонений от расположения поверхностей, более точно отразить погрешности изготовления;
- разработать теоретические схемы, позволяющих более полно отразить структуру размерных связей, а также обеспечить визуализацию объектов размерного анализа;
- разработать математическую модель детали, позволяющую теоретически решить задачу определения взаимного расположения деталей после их соединения при сборке с учетом точности соединяемых деталей;
- разработать метод расчета технологических размеров и отклонений расположения, позволяющий выполнить расчет линейных технологических размеров, диаметральных технологических размеров, отклонений расположения совместно, с учетом взаимного влияния отклонений от перпендикулярности и отклонений от соосности;
- разработать метод расчета технологических размеров и отклонений расположения, позволяющий полностью автоматизировать подготовку и обработку информации при размерном анализе;
- разработать программное обеспечение для размерного анализа технологических процессов и конструкций на основе усовершенствованных методов расчета.
Методы исследований. В качестве общей основы использованы положения технологии машиностроения, связанные с понятием точности и ее обеспечением.
Теоретические исследования проводились на базе основных положений и методов размерного анализа, теории размерных цепей. Для разработки математических моделей использовались: теория графов, аналитическая и вычислительная геометрия, методы формализации, алгоритмизации, математического и компьютерного моделирования.
Широко использовались возможности современных ПЭВМ.
Научная новизна выполненной диссертационной работы заключается в следующем.
1. Введение в число объектов размерного анализа новых элементов формы деталей – кромок.
2. Описание формы деталей типа тел вращения кромочной моделью, охватывающей большее число отклонений взаимного расположения поверхностей за счет описания отклонений расположения кромок.
3. Система взаимосвязанных теоретических и измеряемых параметров кромочной модели детали типа тела вращения.
4. Структурные изображения сборочной единицы и технологического процесса механической обработки на основе кромок.
5. Метод решения задач размерного анализа на основе применения кромочной модели детали с использованием матричного представления графа линейных размеров, позволяющий учесть взаимное влияние перекосов и радиальных смещений поверхностей детали при расчете отклонений расположения.
6. Метод информационной связи кромочной модели и модели на основе понятия – поверхность.
7. Метод расчета технологических размеров и отклонений расположения на основе матричного представления графа в случае наложения поверхностей на размерной схеме и в случае заранее неизвестных направлений звеньев размерных цепей.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Результаты научных исследований вносят вклад в технологию машиностроения, дополняя расчетные методики учетом взаимосвязи размерных параметров и отклонений от расположения поверхностей и их взаимного влияния. Для руководства и использования в инженерной деятельности разработаны:
- рекомендации по применению усовершенствованных методик размерного анализа с использованием результатов в автоматизированных системах проектирования, технологической подготовки производства и инженерного анализа.
- методика применения комплекса программ размерного анализа технологических процессов и конструкций; осуществлена опытная эксплуатация программ на ФГУП «ОМО им. П.И. Баранова» и ОАО ОмПО «Радиозавод им. А.С. Попова» (РЕЛЕРО).
Результаты исследований используются в учебном процессе при преподавании дисциплин «Математическое моделирование процессов в машиностроении», «Основы выбора и принятия технологических решений», «Информационная технология», в курсовом и дипломном проектировании на кафедре «Технология машиностроения» Машиностроительного института ОмГТУ при подготовке дипломированных специалистов по специальности 151001 «Технология машиностроения» и по другим машиностроительным специальностям.
На защиту выносятся:
- математическая модель деталей типа тел вращения на основе понятия кромки с соответствующим аппаратом теоретических и измеряемых параметров и их преобразования и метод ее применения для решения технологических задач обеспечения точности деталей и сборочных единиц;
- структурные изображения сборочной единицы и технологического процесса механической обработки, являющиеся аналогами размерных схем, отражающих положение объектов – поверхностей – и связанных с ними кромок при размерном анализе, позволяющие связать между собой кромочную модель и модель на основе поверхностей, а также обеспечить визуализацию изображений деталей, сборочных единиц, операционных эскизов, схем обработки;
- методика определения размеров детали на основе матричного представления графа конструкторских размеров и её применение для расчета линейных, радиальных, диаметральных технологических размеров, отклонений расположения, ожидаемых погрешностей, координат кромок при визуализации;
- комплекс программного обеспечения, реализующий методы аппарата кромок, расчета конструкторских и технологических размеров, отклонений расположения, визуализации изображений деталей, операционных эскизов, схем обработки и сборочных единиц.
Апробация работы. Результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на: науч.-практ. семинаре «Программные системы в автоматизации проектирования изделий машиностроения», Ижевск. мех. ин-т, Ижевск, 1988; Всесоюз. науч.-техн. конф «Конструктивно-технологические методы повышения надежности и их стандартизация», Тульск. политехн. ин-т, Тула, 1988; научно-техн. конф. «Проблемы машиностроения и металлообработки», Омск. политехн. ин-т., Омск, 1992; III, IV, V, VI VII междунар. науч.-техн. конф. «Динамика систем, механизмов и машин», ОмГТУ, Омск, 1999-2009; междунар. науч.-техн. конф. «Новые технологии – железнодорожному транспорту: подготовка специалистов, организация перевозочного процесса, эксплуатация технических средств», Омский гос. унив. путей сообщения, Омск, 2000; I Всеросс. науч. internet-конф. «Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках» ТГУ им. Г.Р. Державина, Тамбов, 2001; науч.-метод. конф. «Совершенствование форм и методов управления качеством учебного процесса», ОмГТУ, Омск, 2001; междунар. науч.-техн. конф., посвящ. памяти ген. конструктора аэрокосм. техники акад. Н.Д. Кузнецова. СГАУ им. С.П. Королева, Самара, 2001; науч.-техн. конф «Развитие оборонно-промышленного комплекса на современном этапе», Омск. гос. университет, Омск, 2003; 43-й межд. науч.-техн. конф. Ассоциации автомоб. инж. «Проблемы создания и эксплуатации автомобилей, специальных и технологических машин в условиях Сибири и Крайнего Севера», СибАДИ, Омск, 2004; I, II, III регион., IV всерос. науч. конф., посвящ. памяти главн. констр. ПО «Полет» А.С. Клинышкова «Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники», ОмГТУ, Омск, 2004-2009; всеросс. науч.-техн. конф. «Новые материалы и технологии в машиностроении», Рубцовский индустриальный институт, Рубцовск, 2004; III междунар. технолог. конгр. «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения», ОмГУ, Омск, 2005; III межд. науч.-техн. конф. «Новые материалы, неразрушающий контроль и наукоемкие технологии в машиностроении», ТюмГНГУ, Тюмень, 2005; междунар. науч.-техн. конф. «Новые материалы и технологии в машиностроении», Брянская гос. инж.-технолог. акад., Брянск, 2006; IV междунар. технолог. конгр. «Военная техника, вооружение и современные технологии при создании продукции военного и гражданского назначения», ОмГТУ, Омск, 2007; II съезде инженеров Сибири, г. Омск, 2008; I Всеросс. науч.-техн. конф «Россия молодая: передовые технологии – в промышленность», Омск, 2008; междунар. науч.-практ. конф «Инновационные технологии в машино- и приборостроении», ОмГТУ, Омск, 2010; I междунар. науч.-техн. интернет-конф. молодых ученых «Автоматизация, мехатроника, информационные технологии», ОмГТУ, Омск, 2010; VI междунар. науч.-техн. конф. «Современные проблемы машиностроения», ТПУ, Томск, 2011; всеросс. науч.-образ. конф. «Машиностроение – традиции и инновации» (МТИ-2011), МГТУ «СТАНКИН», Москва, 2011; семинарах кафедры «Технология машиностроения» и научных конференциях ОмГТУ; расширенном заседании кафедры «Технология машиностроения» ОмГТУ; на научном семинаре кафедры «Общая технология машиностроения» Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, г. Барнаул; на научном семинаре кафедры «Технология машиностроения» Южно-Уральского государственного университета, г. Челябинск.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 51 печатной работе, в том числе в 15 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ, зарегистрированы 5 программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, основных выводов, списка литературы из 225 наименований, приложений.
Диссертация изложена на 350 страницах, содержит 52 таблицы, 141 рисунок.
