Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, проблемы, цель и задачи исследования 12
1.1. Анализ проблем проектирования технологических процессов механической обработки по методу автоматического синтеза 12
1.1.1. Роль геометрических моделей объектов изготовления при проектировании технологических процессов механической обработки 13
1.1.2. Выбор схемы процесса проектирования технологических процессов обработки. 19
1.2. Методы определения точности показателей размерных связей деталей при проектировании технологических процессов механической обработки 22
1.2.1. Расчет плоских технологических размерных цепей 28
1.2.2. Способы расчета плоских размерных цепей с параллельными звеньями 31
1.2.3. Способы расчета пространственных размерных связей и плоских размерных цепей с непараллельными звеньями 33
1.3. Цель и задачи исследования 39
Глава 2. Определение точности показателей пространственных размерных связей с учетом погрешностей относительного положения технологических баз 42
2.1. Анализ геометрических свойств поверхностей с точки зрения базирования детали : 43
2.1.1. Выявление геометрических связей, определяющих положение поверхностей в системе координат, связанной с деталью 45
2.1.2. Выявление параметров, характеризующих связи между поверхностями детали 50
2.2. Установление технологических свойств поверхностей с точки зрения базирования детали 53
2.3. Расчет точности показателей размерных связей в трехмерном пространстве 56
2.3.1. Определение положения поверхностей в трехмерном пространстве 58
2.3.2. Метод расчета точности показателей пространственных размерных связей с учетом погрешностей относительного положения технологических баз при решении обратной задачи размерного анализа 64
2.4. Выводы 86
Глава 3. Разработка трехмерной модели технологических размерных связей 88
3.1. Представление параметров плоскости и цилиндрической поверхности в файле dxf. 96
3.2. Установление норм точности показателей размерных связей трехмерной модели детали на основе исходной информации ее двумерной модели 100
3.2.1. Установление связей трехмерной и двумерной геометрических моделей детали по точности размеров поверхностей и расстояний между ними 100
3.2.2. Установление связей трехмерной и двумерной геометрических моделей детали по точности формы и относительных поворотов поверхностей 108
3.3. Разработка трехмерной модели размерных связей технологического процесса механической обработки детали 115
3.4. Выводы 125
Глава 4. Разработка алгоритма функционирования подсистемы трехмерного размерного технологического анализа при решении обратной задачи 126
4.1. Описание состава, структуры и информационных связей функциональных подсистем СИТЕП МО 126
4.2. Описание подсистемы размерного технологического анализа при решении обратной задачи в трехмерном пространстве 131
4.3. Информационное обеспечение подсистемы РТА 135
4.4. Выводы 137
Общие выводы 138
Список литературы 140
Приложение 1. Технологические возможности поверхностей корпусной детали 150
Приложение 2. Фрагмент файла dxf 3D, включающий параметры положения поверхностей корпусной детали в трехмерном пространстве 153
Приложение 3. Фрагмент файла dxf 2D, включающий нормы точности корпусной детали 160
Приложение 4. Логико-алгебраическая модель корпусной детали 165
Приложение 5. Пример использования функциональной зависимости при обработке плоской поверхности корпуса 178
Приложение 6. Показатели эффективности технологического процесса механической обработки корпуса 180
Приложение 7. Пример использования функциональных зависимостей при обработке поверхностей корпуса углового вентиля 183
- Методы определения точности показателей размерных связей деталей при проектировании технологических процессов механической обработки
- Определение положения поверхностей в трехмерном пространстве
- Установление связей трехмерной и двумерной геометрических моделей детали по точности формы и относительных поворотов поверхностей
- Описание состава, структуры и информационных связей функциональных подсистем СИТЕП МО
Методы определения точности показателей размерных связей деталей при проектировании технологических процессов механической обработки
Рассмотрим существующие положения в области двумерного размерного анализа технологических процессов механической обработки. Решение задач размерного анализа рассматривается в работах [1, 9, 13, 59, 61, 62, 69 - 73]. В общем, размерный анализ процессов обработки, при решении прямой и обратной задач, выполняют в следующем порядке.
1. Вычерчивание чертежа детали или отдельных проекций, которые необходимы для выполнения размерного анализа.
2. Индексация поверхностей, участвующих в рассматриваемом технологическом процессе и размерном анализе.
3. Простановка и нумерация конструкторских размерных связей.
4. Выявление, простановка и нумерация технологических и контрольных размерных связей.
5. Построение схемы обработки объекта изготовления, которая дает представление о детали и технологическом процессе ее обработки (рис. 1.1, 1.2).
6. Построение дерева составляющих звеньев размерных цепей (размерной структуры) технологического процесса механической обработки.
7. Построение графа взаимосвязанных размерных цепей.
8. Назначение допусков на технологические размеры и размеры заготовки.
9. Проверка (по графу взаимосвязанных размерных цепей) допусков на технологические размеры и расчет ожидаемой погрешности замыкающих звеньев.
10. Расчет припусков, технологических размеров и размеров заготовки.
11. Проверочный расчет технологических размеров и размеров заготовки.
К наиболее важным недостаткам определения точности показателей размерных связей можно отнести следующие [70]. Во-первых, установление точности показателей размерных связей осуществляется путем построения линейных размерных цепей и цепей относительных поворотов. Оба подвида размерных связей строятся как независимые цепи и рассматриваются как независимые величины. В то же время деталь представляет собой совокупность поверхностей, образующих пространственное тело. Поэтому назначение допусков на расстояния и повороты поверхностей, как на независимые величины, без их взаимного согласования приводит к значительным ошибкам в установлении норм точности.
Во-вторых, мало внимания уделяется изучению механизма передачи элементарных погрешностей, таких как установки заготовки, настройки станка на суммарную погрешность детали.
В-третьих, размерный анализ отличается высокой трудоемкостью. В связи с этим представляется актуальной задача автоматизации всех этапов размерного анализа. Это, в свою очередь, требует строго математического описания процесса выполнения размерного анализа, его алгоритмизации.
Например, на рис. 1.1, 1.2 показаны схемы обработки трехступенчатого вала.
Схемы обработки строятся для каждого координатного направления, что не позволяет учитывать связь показателей точности между ними. Данное обстоятельство снижает качество проводимых расчетов при проектировании технологических процессов механической обработки, поскольку не учитывается влияние погрешности относительного положения поверхностей, выступающих в качестве технологических баз на точность размеров поверхностей и расстояний между ними. Такие же недостатки проявляются и при формировании дерева составляющих звеньев (размерной структуры ТП МО) в двумерном пространстве.
Например, на рис. 1.3, 1.4 изображена размерная структура технологического процесса обработки вала для двух координатных направлений. Однако, непонятно, как осуществляется связь показателей точности относительного положения поверхностей 1 и 6, вследствие их отсутствия.
Необходимо отметить, что погрешности относительного положения технологических баз могут оказывать существенное влияние на точность положения обрабатываемых с этих баз поверхностей, тем самым, изменяя точность замыкающих звеньев. Однако, эти погрешности не рассматриваются в существующих методах расчета. Следовательно, разработка метода, позволяющего учитывать составляющую погрешности замыкающих звеньев, вносимую погрешностями относительного положения технологических баз, является необходимой.
Рассмотрим методы расчета размерных связей при выполнении размерного анализа.
При расчетах размерных цепей могут решаться прямая и обратная задачи. При решении прямой задачи, исходя из установленных требований к величине замыкающего звена, определяют номинальные размеры, величины допусков, координаты середины полей допусков и предельные отклонения всех составляющих размерную цепь звеньев. При решении обратной задачи, исходя из номинальных размеров, допусков, координат их середин, предельных отклонений, определяют те же характеристики замыкающего звена. Решением обратной задачи проверяют правильность решения прямой задачи.
Размерные цепи для случаев, когда должна быть обеспечена полная взаимозаменяемость, рассчитывают по методу максимума-минимума. В тех случаях, когда допустим экономически оправданный риск выхода за пределы поля допуска величины замыкающих звеньев у части изделий, размерные цепи могут рассчитываться вероятностным методом.
Номинальный размер А замыкающего звена размерной цепи, состоящей из m звеньев, включая замыкающее, может быть найден из уравнения номиналов [59]
Определение положения поверхностей в трехмерном пространстве
Проектирование геометрического объекта (объекта изготовления) предполагает наличие информации о положении объекта в пространстве и его размерные характеристики. При этом положение геометрического объекта определяется в системе координат, связанной с этим объектом (локальная система координат). Такая система координат сдвинута относительно жестко закрепленной системы координат (глобальная система координат).
Локальная система координат получается из глобальной системы координат с использованием таких преобразований, как параллельный перенос или поворот.
Любую новую систему прямоугольных координат OXYZ можно получить из любой старой системы CTXYZ (рис. 2.6) с помощью двух движений:
1. сначала совмещают начало (У с точкой О, сохраняя неизменным направления осей;
2. затем поворачивают полученную систему координат около точки О до совмещения с новой системой OXYZ.
В соответствии с этим достаточно знать формулы преобразования координат при переносе начала и при повороте осей.
Определение положения поверхностей детали в трехмерном пространстве осуществляется с помощью матриц преобразования систем координат, определяющих эти поверхности. Матрица линейного преобразования систем координат определяет преобразование - поворот и параллельный перенос в трехмерном пространстве.
В результате, имеем следующую зависимость между координатами:
Матрица поворота представляет собой (рис. 2.8) последовательный поворот системы координат O X Y Z" на углы Эйлера относительно системы координат OXYZ. За положительный принимают поворот осей против часовой стрелки.
Для определения матрицы поворота локальной системы координат относительно глобальной, необходимо определить коэффициенты Піц - Шзз Для их определения можно использовать следующий способ.
Коэффициенты Шц - тзз определяем через скалярное произведение координат основных векторов локальной (O X Y Z ) и глобальной (OXYZ) систем координат [46] по следующим зависимостям:
Данный способ целесообразен при машинной реализации процедуры определения коэффициентов, так как в файле dxf (см. главу 3) имеются все необходимые данные о параметрах, описывающих координаты основных векторов.
Например, пусть система координат второй поверхности корпуса (см. рис. 2.2) - локальная система координат, связанная с деталью.
Параметры, определяющие ее положение в глобальной системе координат (например, системе координат приспособления для установки детали на станке) представлены значениями координат центра (20, 15, 0) и координат основных векторов Г2 - (0, 0, 1), у2 - (1, 0,0),kV (0,1,0).
Глобальная система координат представлена значениями координат центра (0,0,0) и координат основных векторов і - (1,0,0), j -(0,1,0), k-(0,0,1).
Используя зависимости (2.1) и (2.2) найдем матрицу преобразования локальной системы координат в глобальную: где значения координат в четвертом столбце определяют координаты центра локальной системы координат в глобальной.
Обратную матрицу преобразования определим путем скалярного умножения значений координат основных векторов глобальной системы координат на значения координат основных векторов локальной системы координат (то есть, поменяв местами множители). Значения координат центра глобальной системы в локальной, в обратной матрице, будут расположены в соответствии со следующим правилом. Каждое значение параметра в четвертом столбце прямой матрицы должно быть умножено последовательно на коэффициенты, расположенные в одной с этим параметром строке. Полученные в результате значения будут занимать в обратной матрице позиции, соответствующие позициям, занимаемым коэффициентами этой строки.
Например, в первой строке построенной матрицы значение «20» должно быть умножено на коэффициенты піц, ніі2 и гщз- В результате умножения на коэффициенты піц и т13 получим «0», а на ПІ12 - 20. Коэффициент ти в матрице М занимает вторую позицию. Значит в обратной матрице значение «20» должно быть расположено на пересечении второй строки и четвертого столбца. Если в матрице М коэффициенты имеют знак «плюс», то полученное значение входит в обратную матрицу с обратным знаком, в противном случае со своим знаком.
Назначение обратной матрицы М"1 положения какой-либо поверхности в трехмерном пространстве, используемой в качестве технологической базы, заключается в том, что с ее помощью можно устранить влияние погрешности ее относительного положения, характеризуемой прямой матрицей М, на погрешность относительного положения обрабатываемых с этой базы поверхностей.
Установление связей трехмерной и двумерной геометрических моделей детали по точности формы и относительных поворотов поверхностей
Все рассмотренные выше положения по установлению связей dxf 3D и dxf 2D по нормам точности относятся к показателям точности размеров поверхностей и расстояний между ними.
Однако, в чертежах деталей кроме этих показателей имеются также показатели точности формы и относительных поворотов поверхностей.
В связи с этим рассмотрим формы представления допусков формы и относительного положения поверхностей в файле dxf 2D.
Общая форма представление допусков формы и относительного положения представляется по следующей схеме - символы в файле dxf 2D, разделяющие знаки допусков формы, положения и их значений.
Допуски формы, положения и соответствующие им обозначения, присутствующие в файле dxf (AutoCAD R14) приведены в табл. 3.2.
Например, изображенный на рис. 3.4, допуск параллельности имеет следующий вид в файле dxf 2D
Таким образом имеем: {\Fgdt;f} - знак параллельности; %%v - символы разделения; {\Fgdt;n} - знак диаметра; 0,1 - значение допуска параллельности; {\Fgdt;m} - знак зависимого допуска; {\Fgdt;n} - знак диаметра; 0,2 - значение допуска параллельности; А - обозначение базы; В - обозначение базы; С - обозначение базы.
В другом примере (рис. 3.5) показано совмещенное представление допусков параллельности и перпендикулярности.
Вновь появившийся символ AJ является знаком разделения допусков параллельности и перпендикулярности. Остальные символы имеют ту же функцию, что и в предыдущем примере.
В dxf 2D и dxf 3D не достаточно информации для определения той поверхности, которой принадлежат те или иные допуски формы и относительного положения. Для однозначного определения принадлежности этих показателей точности поверхностям необходимо иметь дополнительную информацию. Это можно сделать с помощью номинальных значений (вместе с отклонениями, если они не являются неуказанными предельными отклонениями) размеров или расстояний, заключенных в квадратные скобки. Например (рис. 3.6), 1,6 [09ОН7] означает шероховатость Ra 1,6, принадлежащая поверхности 7 номинальный диаметр которой равен 90 мм.
Приведенные положения для определения принадлежности показателей точности справедливы в тех случаях, когда эти показатели принадлежат поверхностям вращения (наружным или внутренним).
Для определения принадлежности допусков формы и относительного положения плоскости недостаточно одного номинального расстояния между поверхностями. Необходимо ввести два параметра, характеризующих номинальные расстояния между поверхностями, проставленные от плоскости, которой принадлежит показатель точности. Например (рис. 3.6), 12,5 [150] [85] означает шероховатость по Ra 12,5, принадлежащей плоскости 20, от которой расстояние до двух других поверхностей (осей) 22 и 7 равны соответственно 150 мм и 85 мм.
Таким же образом необходимо поступить с определением принадлежности остальных показателей точности формы и относительного положения.
В результате проведенного анализа по установлению связей трехмерной и двумерной геометрической моделей по трем видам показателей точности получим технологическую модель корпуса (табл. 3.3,3.4,3.5).
Описание состава, структуры и информационных связей функциональных подсистем СИТЕП МО
Интегрированная система проектирования технологических процессов механической обработки (СИТЕП МО) используется в технологической подготовке производства деталей машиностроения типа корпусных деталей, валов, втулок, штуцеров, тройников, рычагов, кронштейнов и др. СИТЕП МО создана на базе инвариантных программно-информационных средств, которые могут применяться для разработки САПР по всем переделам: технологий листовой штамповки, объемной штамповки, ковки, сборки, сварки и др. СИТЕП МО предназначена для повседневного использования в отделе главного технолога, технологических бюро цехов завода и при отработке конструкций деталей на технологичность. Пользователями системы являются технолог-разработчик технологических процессов механической обработки и системный технолог, который поддерживает информационную базу в актуальном состоянии и настраивает систему на новые технологические решения путем наращивания процедур расчета параметров ТП МО с помощью программ, оформленных в виде динамически подключаемых библиотек (DLL).
СИТЕП МО подразделяется на подсистемы: функциональные (проектные) и обеспечивающие.
К функциональным относятся подсистемы, которые обеспечивают решение задач проектирования ТП МО, начиная от ввода входной информации, процесса проектирования ТП МО и кончая распечаткой технологической документации (рис.4.1). Указанные подсистемы инициируются с помощью клавиш основного меню (вход, проектирование, документация).
К обеспечивающим относятся подсистемы, которые обеспечивают бесперебойную работу функциональных подсистем на компьютере. К ним, в частности, относятся подсистемы математического, программного и информационного обеспечения
Система состоит из следующих функциональных подсистем.
1. Подсистема подготовки исходной информации об изготавливаемой детали.
2. Подсистема выбора структуры технологического процесса на основе: технологического редактора, устанавливающего структуру ТП в режиме диалога; использования структуры ТП детали-аналога.
3. Подсистема расчета параметров технологического процесса: технологических размеров, размеров припусков и заготовки на основе размерного технологического анализа; норм времени на технологическую операцию - Тшт и Тпз; режимов резания для технологических переходов.
4. Подсистема распечатки комплекта технологической документации, которая обеспечивает: просмотр и окончательное редактирование форм технологических документов; вывод на печать комплекта технологической документации в автоматизированном режиме.
Обеспечивающие подсистемы СИТЕП МО включают подсистемы математического, программного и информационного обеспечения.
Математическое обеспечение содержит набор математических моделей, методов и алгоритмов, которые используются при расчете параметров ТП МО.
Программное обеспечение содержит набор программ, которые оформлены в виде dll и позволяют решать задачи выбора параметров ТП МО.
Информационное обеспечение содержит две составляющих: набор таблиц, оформленных в виде файлов, и средства поддержания информационной базы в актуальном состоянии, К указанным средствам относится СУБД Paradox-7.
Процедура проектирования (рис. 4.2) ТП МО содержит два этапа: выбор структуры ТП и расчет его параметров. Результаты проектирования отражены в основной технологической таблице, на основе которой выполняется распечатка технологической документации.
СИТЕП МО использует основные принципы проектирования ТП, которые нашли широкое применение на машиностроительных заводах мелкосерийного и серийного типа производства.
Проектирование на основе технологического редактора, который предоставляет пользователю возможность заполнения таблиц ТП при помощи поиска параметров ТП (шифров оборудования и технологической оснастки, технологических размеров, режимов резания, нормативов времени на каждую операцию) с использованием подсказок, прокруток, помощи по заполнению информации.
Проектирование на основе использования технологических процессов изготовления ранее разработанных деталей - аналогов, которые имеют аналогичное служебное назначение, геометрическую структуру и технологические процессы их изготовления. Сущность проектирования в этом случае состоит в поиске аналога для рассматриваемой детали и технологического процесса его изготовления, редактировании ТП и распечатке технологической документации.
Проектирование на основе использования типовых технологических процессов, которые разработаны предварительно для так называемой детали-представителя (комплексной детали).
Комплексная деталь охватывает класс деталей с одинаковыми конструктивно-технологическими признаками. Сущность проектирования на основе типизации состоит в настойке типового ТП на проектируемый и расчете параметров (или их вводе с помощью технологического редактора). При настройке происходит удаление "лишних" операций для поверхностей, которые отсутствуют в рассматриваемой детали и переходов, которые обеспечивают качество поверхностей выше требуемого.
Проектирование на основе синтеза структуры ТП путем автоматизированного выбора планов обработки каждой обрабатываемой поверхности, последовательности обработки поверхностей на основе выбора единых технологических баз и баз на первых операциях, группировании переходов в установы и операции с последующим расчетом параметров ТП.
