Содержание к диссертации
Введение
1. Математическое, программное и инструментально-технологическое обеспечение фрезерования деталей свободной формы 9
1.1. Задание поверхности в системах автоматизированного проектирования 9
1.2. Методы формообразования скульптурных поверхностей с помощью фасонных концевых фрез 16
1.3. Модели формообразования скульптурных поверхностей и и инструментов для их получения 19
1.4. Моделирование симуляции 3-х координатного формообразования скульптурных поверхностей 27
1.5. Функциональный анализ современных CAD/САМ систем 39
1.6. Цель и задачи исследования 41
2. Определение формы исходной инструментальной поверхности по цифровому полутоновому изображению 3D модели сложнопрофильной детали 43
2.1. Критерии оптимизации группирования концевого инструмента для формообразования скульптурных поверхностей при чистовом трехкоординатном фрезеровании 43
2.2. Выделение границ зон обработки 44
2.3. Выделение линий перепада яркости на цифровом полутоновом изображении детали 46
2.4. Определение формы и размеров локальных инструментальных поверхностей 50
2.5. Разделение полученных профилей яркости на группы 52
2.6. Выбор инструмента из имеющегося на предприятии с использованием кластерного анализа 58
2.7. Локализация границ перемещения фрез на основе анализа степени обработки выбранным инструментом 60
2.8. Профилирование инструментальных поверхностей фасонных фрез 63
Выводы 66
3. Экспериментальные исследования 67
3.1. Условия проведения эксперимента 67
3.2. Ход и результаты эксперимента 75
Выводы 87
4. Практическое использование программного комплекса расчета инструментов и назначения границ обработки 89
4.1. Состав, исходные данные и возможности программного комплекса 90
4.1.1. Модуль профилирования инструментальных поверхностей для формообразования деталей, включающих скульптурные участки 91
4.1.2. Модуль построения инструментальных поверхностей для формообразования линейчатых поверхностей 93
Выводы 95
Общие выводы 95
Библиографический список 98
Приложение
- Методы формообразования скульптурных поверхностей с помощью фасонных концевых фрез
- Выделение линий перепада яркости на цифровом полутоновом изображении детали
- Выбор инструмента из имеющегося на предприятии с использованием кластерного анализа
- Модуль построения инструментальных поверхностей для формообразования линейчатых поверхностей
Введение к работе
Глобализация экономики, развитие транспортной инфраструктуры изменило условия международной торговли и с каждым годом все более и более ужесточает конкурентную борьбу на рынке производства изделий, в том числе имеющих сложные формы. Детали таких изделий производят с применением различных технологий, зачастую имеющих в своей основе технологическую оснастку, получаемую, как правило, методами механической обработки. Наиболее трудоемкими в изготовлении являются формообразующие элементы штампов и пресс-форм. Особой сложностью отличается оснастка для изготовления деталей авиационной, автомобильной промышленности, корпусов радио и аудиоаппаратуры, деталей бытовой техники, подошв обуви, упаковки пищевых продуктов, нефтепродуктов, косметики, бытовой химии, строительных материалов, элементов скульптур, барельефов и так далее. Скульптурные поверхности являются непременным атрибутом широкой гаммы изделий, имеющих самостоятельную художественную ценность (лепнины, медали, ювелирные украшения и т.п.).
По мнению Британской ассоциации производителей и поставщиков инструментов и пресс-форм опыт изготовителей, их близость к покупателям комплектующих компонентов теперь не стали основными критериями, определяющими выбор поставщиков, поскольку при глобализации это не является актуальным. На первые места сейчас вышли такие критерии, как качество изделий и наличие гарантий по его обеспечению, сроки и графики поставок, соответствие их мировому опыту работы с поставщиками, их финансовая стабильность, наличие современного технологическою оборудования, которым он располагает, цена продукции и возможность скидок [89].
При оценке готовности сотрудничать с поставщиками важное значение для производителей сложных изделий в России и во всем мире в настоящее время приобрело наличие у партнеров информационных и технологических средств интеграции производственных процессов на основе компьютерных технологий. В условиях международной конкуренции только такой подход позволяет снизить издержки производства при существенном повышении эффективности, сокращении цикла выпуска изделия и сроков его запуска. Последнее условие особенно важно для работы в динамично изменяющейся конъюнктуре современного рынка.
Такая интеграция создания изделия и его производства стала возможной благодаря росту вычислительных ресурсов современных процессоров, повышению функциональности систем САПР/АСТПП (автоматизированные системы подготовки производства), разработке совершенного математического аппарата. Интеграционные процессы охватывают этап дизайнерской проработки изделия, создание прототипов и опытных образцов. Тем самым создаются предпосылки для оперативной смены изделия в соответствии с требованиями маркетинговой стратегии, без отвлечения значительных ресурсов на корректировку конструкции и технологических процессов. Вместе с тем в ряде случаев автоматизация подготовительного процесса затруднена и требует высокой степени вовлечения в него труда рабочего или инженера.
Такие участки, как правило, становятся "узким местом" в производственной цепочке. Их ликвидация представляет актуальную задачу современного машиностроения. Выпуск изделий, имеющих сложные формы, требует самой тщательной технологической проработки и создания многообразной станочной оснастки. Это увеличивает сроки подготовительного периода, что не устраивает ни поставщика, ни потребителя будущей продукции.
В настоящее время для получения формообразующих поверхностей технологической оснастки и сложно-профильных деталей широко применяют фрезерные станки с числовым программным управлением (ЧПУ), что связано с их определенными достоинствами. Их применение позволяет сократить цикл изготовления деталей, понизить требования к квалификации рабочих, обеспечить повторяемость технологического процесса, уменьшить объем слесарно-доводочных работ. Современные графические системы автоматизированного проектирования (САПР) существенно упростили подготовку управляющих программ для указанных станков. Учитывая, что станки с ЧПУ являются дорогостоящим видом технологического оборудования, особое значение придается решению проблемы повышения эффективности их использования. Прежде всего, это касается чистовой обработки деталей сложной формы на фрезерных станках с ЧПУ, из-за преимущественно точечного касания инструмента и детали в процессе обработки, что приводит к значительным затратам времени на её
осуществление. Его сокращение может быть достигнуто оптимизацией стратегий обработки. Удачный выбор параметров обработки позволяет достичь двукратного повышения производительности [54,55,56]. В силу геометрической сложности обрабатываемых поверхностей актуальным становится снижение времени обработки оптимизацией выбора инструментов и назначения зон фрезерования с его применением, использования высокопроизводительных режимов резания и высокопроизводительного, конструктивно и технологически совершенного оборудования.
При подготовке к обработке фрезерованием деталей, спроектированных с использованием автоматизированных систем, возникают ситуации, при которых математическая модель детали, содержащая поверхности свободной формы [19,50,59], не имеет выраженных контуров, определяющих форму исходной инструментальной поверхности, а также границы чистовой обработки. Такие модели получаются при применении бесконтурного построения 3D моделей в системах ArtCAM Pro, TeMMa-3D, Cimagrafi, Enroute, ТуреЗ, Gemvision, при обратном проектировании в CopyCAD (фирмы Delcam, Великобритания), при восстановлении объемных моделей по плоским полутоновым изображениям в системе ArtEmboss. При этом приходится либо обрабатывать всю деталь одним инструментом при постоянных технологических параметрах (частная стратегия, шаг, режимы резания и т.д.) [44, 45, 46], либо определять форму инструментальной поверхности и зоны чистовой обработки путем построения технологических контуров на компьютере вручную. В этих случаях, как правило, неизбежно возникновение ошибок, а необоснованность принятых решений приводит к потерям в производительности процесса обработки. Следует отметить, что в большинстве современных САМ систем не автоматизирован процесс выбора стратегий обработки, формы и размеров режущего инструмента. Это системы предлагают выполнить технологу, на которого, таким образом, целиком возлагается ответственность за принятые решения. В результате технолог вынужден опираться исключительно на собственный опыт.
7 Данное исследование является продолжением комплексной работы «Оптимизация обработки деталей сложной формы на трехкоординатных фрезерных станках с ЧПУ», выполняемой в Иркутском государственном техническом университете на протяжении ряда лет [17,51,54]. Работа состоит из нескольких задач, часть из которых успешно решена: поиск оптимальных стратегий обработки [55,61], совершенствование процесса обработки барельефов с учетом их оптических свойств [52], оптимизация технологических областей обработки выбранным концевым и цилиндро-сферическим инструментом [41,53], проектирование формы и размеров инструментальных поверхностей для обработки деталей сложной конфигурации, оптимизация вспомогательных перемещений инструмента.
Рамки настоящего исследования определены выделением плоских и скульптурных областей поверхностей деталей, определения набора инструментов для формообразования выбранных областей на трехкоординатных фрезерных станках с ЧПУ, а также определения формы и размеров профильных фрез для формообразования линейчатых поверхностей.
Автоматизировать решение задач проектирования инструментальных поверхностей фрез для формообразования сложнопрофильных деталей представляется возможным при условии создания математической модели, позволяющей оптимизировать процесс формообразования на основе программных средств анализа «электронной» модели изделия. Таким образом, необходим метод, позволяющий автоматически и достаточно быстро выбирать оптимальную форму и размеры режущего инструмента, границы и оптимальные параметры стратегии чистового фрезерования деталей сложной формы на станках с ЧПУ. В настоящее время в отечественной и зарубежной науке существует ряд подходов к решению этой проблемы, но, тем не менее, она остается актуальной до настоящего времени.
В процессе подготовки диссертации разработаны методы оптимизации
границ чистовой обработки, определения формы и размеров режущего инструмента, определения степени соответствия полученных инструментальных поверхностей инструментам, имеющимся в базе данных предприятия. Это позволяет сделать вывод о возможности использования
8 имеющегося инструмента, или о необходимости изготовления новых инструментов, для чего предложено использовать разработанный программный комплекс OptimTooling. Также были разработаны методы определения форм и размеров инструментальных поверхностей профильных фрез для формообразования линейчатых поверхностей деталей, анализа соответствия полученной инструментальной поверхности инструментам, имеющимся в наличии на предприятии, в виде программного модуля, входящего в состав программного комплекса Optim Tooling.
На защиту выносятся следующие положения диссертационной работы:
Методы расчета локальной инструментальной поверхности фрез при формообразовании поверхностей деталей, имеющих скульптурные участки, выбора необходимого набора инструментов и определения возможности использования имеющегося инструмента на основе степени корреляции его формы и размеров с полученными профилями инструментальных поверхностей.
Метод нахождения оптимальных границ областей обработки, описанных контурными кривыми, по дискретно заданной модели детали для инструментов, рассчитанных с помощью разработанного программного комплекса OptimTooling.
Алгоритм повышения производительности обработки скульптурных, линейчатых и плоских поверхностей деталей на основе разработанного программного комплекса профилирования инструментальных поверхностей.
Методика и результаты экспериментальной проверки математических разработок.
Методы формообразования скульптурных поверхностей с помощью фасонных концевых фрез
Моделирование формообразования в современных САМ системах рассматривается с позиций выявления состава цикла движений функционального назначения при формообразовании всех элементарных поверхностей, входящих в состав скульптурной поверхности, ограничивающей собой обрабатываемую деталь. При этом учитывают все движения, включая и вспомогательные.
Движения на станках с числовым программным управлением обычно описывается в декартовой системе координат (рис. 1.9). Внедрение инструмента, как правило, совпадает с отрицательным направлением оси z, а отвод - с положительным. Оси х и у при этом определяют плоскость, перпендикулярную направлению внедрения инструмента в заготовку. В плоскости ху большой осью (т.е. осью, по которой происходит наибольшее перемещение) обычно является ось х, а малой - осьд .
Обработка скульптурных поверхностей при трехкоординатном фрезеровании может производиться точечным касанием фрезы и обрабатываемой поверхности, а также касанием линейным и поверхностным (табл. 1.1), при которых осуществляется сложное движение формообразования, включающее, к примеру, движение инструмента на глубину резания, движение вдоль строчки, подъем и переход инструмента к соседней строчке и т.д.
По определению, данному в работе [62], процесс формообразования -это процесс взаимодействия двух сопряженных поверхностей - детали и инструментальной поверхности. Оценка производительности процесса формообразования осуществляется с помощью кинематических параметров: протяженность траектории относительного перемещения инструменга, скорость и время цикла обработки.
Концевые фрезы, выпускаемые инструментальной промышленностью в соответствии с государственными стандартами, различаются по форме исходной инструментальной поверхности, размерам, материалам, форме зуба и режущей кромки в зависимости от обрабатываемого ими материала (чугун, цветные металлы, углеродистые, конструкционные и высоколегированные стали, а также другие сплавы). На рис. 1.10 показаны фрезы для обработки скульптурных поверхностей.
Основные требования, конструкции и технические условия на изготовление таких фрез представлены в государственных стандартах: ГОСТ 23247-78. Фрезы концевые для обработки деталей из легких сплавов на станках с программным управлением. Конструкции и размеры. ГОСТ 23248-78. Фрезы концевые для обработки деталей из высокопрочных сталей и титановых сплавов на станках с программным управлени ем. Конструкции и размеры. ГОСТ 23249-78. Фрезы концевые для обработки деталей из высокопрочных сталей, титановых и легких сплавов на станках с программным управлением. Технические условия. ГОСТ 1092-80. Фрезы торцевые насадные диаметром от 100 до 250 мм со вставными ножами из быстрорежущей стали. Конструкции и размеры
При подготовке программ для обработки деталей на станках с ЧПУ с помощью САМ систем разработчик сталкивается с проблемой назначения режущего инструмента, а в отдельных случаях с подготовкой технического задания на проектирование нестандартного инструмента для обработки конкретной поверхности свободной формы. Эта задача может решаться с использованием методов моделирования формообразования и компьютерной симуляции механообработки, которые позволяют исходя из известной формы поверхности детали определить форму и основные размеры режущего инструмента или группы инструментов, обеспечивающих качественную и полноценную обработку заготовки.
При подготовке обработки номинальной поверхности детали необходимо решить ряд вопросов, а именно: а) рассчитать координаты профиля инструментальной поверхности, как функции координат номинальной поверхности детали при условии сохранения работоспособности инструмента после переточек; б) определить границы значений параметров установки инструментов, допустимые условиями формообразования; в) определить, и если необходимо (и допустимо), изменить номинальную поверхность детали, если на некотором ее участке параметры инструмента не удовлетворяют какому-либо условию формообразования.
Следует отметить, что существует ряд условий для формообразования поверхности. Согласно основным положениям работ [46, 62J для формообразования детали необходимо: во-первых, наличие сопряженной инструментальной поверхности, соприкасающейся с поверхностью обрабатываемой детали и соблюдения при этом условия контакта NxV = 0 в процессе обработки (где N- нормаль к обрабатываемой поверхности, а V- скорость относительного движения детали), во-вторых, выполнение условия соприкосновения инструментальной и обрабатываемой поверхности без внедрения в тело детали.
Эти условия были дополнены и развиты СИ. Лашневым и М.И. Юли-ковым [37,57]. СП. Радзевич [59] добавил условия отсутствия интерференции между поверхностью детали и инструмента в дифференциальной окрестности точки контакта инструментальной и обрабатываемой поверхностей и вне её.
Функции инструмента - срезание припуска и формообразование находятся в противоречии, так как рациональная схема формообразования часто не соответствует рациональной схеме срезания припуска, соответственно вопросы резания относятся к кинематике резания, а вопросы формообразования - к кинематике формообразования [15,62].
В современной теории формообразования вопросы определения формообразующих поверхностей глубоко и полно разработаны для поверхностей изделия, допускающих скольжение по себе. У отдельных авторов [13,14,19,20,21,26,28,34,35,36,40,45,48,51,126,127,131,134,135] рассматриваются варианты обработки сложных поверхностей фасонным инструментом, но при относительно простом формообразующем движении.
Выделение линий перепада яркости на цифровом полутоновом изображении детали
Для нахождения инструментальных поверхностей, способных формо-образовать выделенные участки, необходимо определить начальные точки их построения. Так как эти инструментальные поверхности способны формооб-разовать лишь небольшой участок поверхности, они были обозначены как локальные. Для нахождения начальных точек выделялись линии перепада интенсивности изображения, соответствующие линиям перепада кривизны поверхностей детали.
Как показано в ряде работ [1,73] определение линий перепадов яркости основывается на нахождении частных производных. На рис. 2.3. приведены изображение светлого объекта простой формы на темном фоне, кривая интенсивности вдоль горизонтальной линии сканирования изображения, а также первая и вторая производные этой кривой. Линии перепадов яркости на цифровом изображении в результате дискретизации обычно слегка размыты, в связи с этим участки кривой, соответствующие перепаду яркости представляют собой наклонные линии даже в случае резкого скачка яркости.
В указанной модели перепада яркости первая производная всех участков кривой с постоянной интенсивностью равна нулю и является постоянной величиной на участках изменения интенсивности. С другой стороны, вторая производная равна нулю на всех участках, кроме начальных и конечных точек изменения интенсивности. С учетом этого очевидно, чго величина первой производной может быть использована для обнаружения наличия перепада яркости, а знак второй производной - для определения того, на темной или на светлой стороне кромки располагается пиксель кромки. При этом знак второй производной позволяет однозначно определить переход интенсивности на линии перепада.
Аналогично можно определять кромки произвольной формы и размеров при любой их ориентации на изображении. Для этого изучается профиль, перпендикулярный к направлению линии перепада яркости в любой заданной точке, а результаты находятся указанным выше способом. Первая производная в любой точке изображения получается из величины градиента в этой точке, а вторая производная определяется с помощью преобразования Лапласа. Для дискретных изображений оператор Лапласа определяется следующим образом:
Оператор Лапласа определяет переход интенсивности, он редко сам по себе используется для нахождения линий перепада яркости, являясь оператором производных второго порядка, оператор Лапласа дает результат очень чувствительный к помехам. В связи с этим он, как правило, выполняет второстепенную роль при определении, на какой из сторон линии перепада находится данный пиксель.
Для выделения перепадов яркости можно использовать нелинейные фильтры. Для нелинейных алгоритмов привлекают нелинейные операторы дискретного дифференцирования. В фильтре Робертса реализована перемещающаяся по изображению маска 2x2: Дифференцирование проводится с помощью одного из выражений:
Определение перепадов яркости с помощью фильтра Собела производится маской размером 3x3: ГрадиентО[/(л:,.у)] может быть вычислен по формулам (2.1), (2.2).
Возможно применение более широких окрестностей для нахождения градиента, а также других вариантов фильтров, но в системах технического зрения, наиболее часто применяется именно фильтр Собела, в связи с наибольшим усреднением, и тем самым меньшей чувствительностью к помехам. Кроме того, фильтр Собела - это один из наиболее быстрых алгоритмов нахождения градиента.
Из приведенного сопоставления следует, что для обработки плоского полутонового изображения целесообразно использовать фильтр Собела.
Формирование выходного бинарного изображения g{x,y) при использовании фильтра Собела наиболее приемлемо производить присваивая центральному (х,у)-ому пикселю вместо fxy значение яркости, определяемого следующими соотношениями: где Т - неотрицательная пороговая величина, определяемая точностью обработки.
На следующем этапе необходимо объединить точки изображения g{x,y) в контуры. Для этого проводим анализ характеристик пикселей в небольшой окрестности (размером 3x3) каждой точки (х,у) образа, который уже подвергся процедуре обнаружения контура. Все точки являющиеся подобными, соединяются, образуя границу из пикселей, обладающих некоторыми общими свойствами.
При таком анализе для установления подобия пикселей контура необходимо определить: величину градиента, требуемого для построения контура по пикселям и направление градиента. Первая характеристика вычисляется по формулам (2.1) или (2.2). Пиксель контура с координатами \х ,у ) в определенной ранее окрестности (х,у) подобен по величине пикселю с координатами {х,у), если справедливо неравенство
Выбор инструмента из имеющегося на предприятии с использованием кластерного анализа
Кластеризованные профили инструментов и профили инструментов, имеющиеся в базе данных предприятия, в общем случае, различаются по дискретности. Соответствие дискретности профилей по оси абсцисс является необходимым условием сравнения двух профилей инструментальных поверхностей. Для этого в алгоритме предусмотрено интерполирование значения профилей инструментов из базы данных в точках, координаты по оси абсцисс которых соответствуют определенным в матрице кластеризованных профилей значениям. Для одномерной табличной интерполяции необходимо использовать функцию вида: В = /(x,Y,X,), где Y и X - значения профиля из матрицы стандартных профилей и соответствующие ему координаты по оси абсцисс приведенного графика интенсив-ностей, В и X, - интерполированные значения стандартных профилей и координаты по оси абсцисс, в которых значения кластеризованных профилей определены. Для решения задачи нахождения соответствия полученных инструментов имеющимся в базе данных допустимо использовать широко распространенный в теории распознавания изображений коэффициент корреляции двух матриц [24, 73,101]. В общем виде где Етп - матрица координат профиля инструментальной поверхности, полученная в результате обработки полутонового изображения детали, Втп - матрица координат профиля инструментальной поверхности имеющегося инструмента, тхп - размер матриц координат профилей инструментальных поверхностей. ,
В - среднее всех элементов матриц Ей В соответственно. Учитывая, что сравниваются векторы, формула (2.10) принимает вид: Где Ет соответствует последовательно всем вектор-строкам из матрицы V, wxl - размер векторов профиля стандартного инструмента и профиля рассматриваемой детали. Качество подбора можно регулировать, принимая во внимание только те коэффициенты корреляции, значения которых превышают некоторое предварительно установленное значение (например 0,9). Поскольку этот метод заключается в непосредственном сравнении двух областей, он весьма чувствителен к отклонениям ориентации и размера объекта, что является необходимым, но недостаточным условием определения соответствия полученных участков инструментальных поверхностей, инструментальным поверхностям стандартного инструмента.
В рабочем алгоритме использован альтернативный метод определения соответствия кластеризованных профилей профилям инструментов из базы данных определяющий «степень вписываемости» инструментальных поверхностей стандартных инструментов в расчетные инструментальные поверхности. В случае выбора цилиндрической концевой фрезы из базы данных принимаем инструмент, ближайший меньший по диаметру к кластеризованному профилю. В случае обработки скульптурных участков, в качестве инструмента из базы данных, принимаем профиль длиной меньшей или равной длине кластеризованного профиля, поэлементные значения которого при переносе профиля из базы данных вдоль образующей поверхности смещения должны быть больше или равны значениям кластеризованного профиля (рис. 2.10). Максимально соответствующим считается профиль, наиболее конформный рассчетному. Оценить качество обработанной скульптурной поверхности с помощью разработанного метода при высокой точности (с отклонением порядка ±0,01 мм и менее) не представляется возможным вследствие ограниченного диапазона изменений значений яркости. В случае обработки плоских участков концевыми фрезами достоверность проверки разработанным методом можно повысить путем уменьшения цены дискреты полутонового изображения детали. Кроме того, для приближенного анализа фрезеруемости скульптурных и плоских областей можно использовать морфологические операции над изображениями. На их основе можно с высокой точностью выделить границы перемещений инструментов и оценить качество обработки. Математическая морфология (от греч. morphe - форма) [1,101,103] предназначена для исследования структуры некоторых множеств однотипных объектов. Так как любое изображение может быть представлено в виде набора пикселей, операции математической морфологии применимы и к изображению при исследовании свойств его формы и структуры, а также для его обработки. Одним из основных достоинств морфологии является неизменность существенных форм изображения при высокой компактности и хорошем быстродействии. Для анализа полноты обработки плоских областей рассчитанными инструментами использовалась бинарная (двоичная) морфология, а для приближенного анализа обрабатываемости скульптурных участков - морфологические операции для обработки полутоновых изображений. Как уже было отмечено выше, изображение детали на предварительном этапе разделяется на несколько плоских и скульптурных областей. Причем в разработанном методе скульптурная область может «соседствовать» только с плоскими областями, а плоские, в свою очередь - как с плоскими, так и со скульптурными. Кривая, описывающая траекторию инструмента, а следовательно и зону, ограничивающую его перемещение проходит через точки, расположенные на оси фрезы. Поэтому ось смещена от границы области, причем направление и величина смещения зависит от геометрии обрабатываемой области и инструмента. Выделенная плоская область подвергается двукратному наращению (dilation): где ТІ - структурный элемент в виде диска, радиусом, соответствующим радиусу инструмента, выбранного из базы данных концевых фрез на предыдущем этапе.
После каждого наращения проверяется выполнение условия для пикселей, входящих одновременно в состав соседних областей и логического умножения: если f(x,y) Apt, при f(x,y)eSTl Периметр полученного изображения ограничивает зону обработки выбранной фрезой с учетом смещения на величину радиуса инструмента (рис. 2.11), которая после масштабирования и векторизации в программе-векторизаторе импортируется в САМ-систему для механообработки. Подвергнув область Aml наращению Am, 77, и, вычтя исходное изображение плоской области из результата наращения, определяем площадь неудаленного материала. Если остается неудаленный материал в пределах анализируемой зоны, используется расчетный инструмент меньшего диаметра для удаления необработанных участков и вышеприведенный алгоритм повторно производит морфологические операции. Рис. 2.11. Морфологические операции над бинарным изображением выделенных плоских областей Структурным элементом для бинарной морфологии как уже отмечалось, является диск (отпечаток следа концевой фрезы на поверхности детали), он представляет собой также двоичное изображение, характеризующееся на чальной точкой, расположенной в центральном пикселе. Вначале результирующая поверхность заполняется нулями, образуя полностью черное изображение. Затем осуществляется сканирование исходного изображения структурным элементом пиксель за пикселем. Для сканирования каждого пикселя на изображение «накладывается» структурный элемент іак, чтобы совместились сканируемая и начальная точки. Затем проверяется условие на соответствие пикселей структурного элемента и точек изображения «под ним». Если условие выполняется, то на результирующем изображении в соответствующих местах ставятся единицы. Структурным элементом для полутоновой морфологии (рис. 2.12) является объемный структурный элемент. В настоящей работе использовали структурные элементы, определяемые двумя матрицами: а) матрица описывающая диск, б) матрица высот у ненулевых элементов предыдущей матрицы. Таким образом, можно описать инструментальные поверхности концевых фрез различных форм и размеров (сфероцилиндрические, цилиндрические с радиусом закругления, конические, сфероконические, конические с радиусом закругления, и т.п.). Для определения границы обработки выбранным инструментом скульптурной области производится двукратное наращение выделенной области объемным структурным элементом где ТІ - объемный структурный элемент, соответствующий выбранному на предыдущем этапе инструменту из базы данных фрез различных форм и размеров (цилиндросферические, цилиндрические с радиусом закругления, конические, сфероконические, конические с радиусом закругления, и т.п.).
Модуль построения инструментальных поверхностей для формообразования линейчатых поверхностей
При разработке программного комплекса для трехкоординатного фрезерования деталей, имеющих сложные поверхности, был создан программный модуль профилирования инструментов для формообразования линейчатых поверхностей. На рис. 4.5 изображен внешний вид окна программного модуля, профилирующего инструментальные поверхности для обработки деталей, имеющих линейчатый профиль. Он позволяет построить профиль интенсивности изображения, получить и вывести на экран инструментальную поверхность фрезы с осью, лежащей в плоскости изображения или в плоскости нормальной к ней, а также проверить степень корреляции полученной инструментальной поверхности инструментам, имеющимся в базе данных. Структурная схема обработки деталей, включающих скульптурные, плоские или линейчатые поверхности изображена на рис. 4.6.
Практическое использование предложенного метода продемонстрировало, что повышение эффективности производства достигается в результате: 1) теоретически и практически обоснованного, автоматизированного выделения на сложной поверхности, представленной в виде компьютерной модели, плоских и скульптурных областей; 2) обоснованного расчета для плоских областей параметров концевых цилиндрических фрез, для скульптурных - сфероцилиндрических фрез и фрез других форм, в том числе и из имеющихся в базе данных предприятия; для линейчатых поверхностей - фрез с фасонным профилем; 3) предоставления возможности расчета инструментообеспеченности производства для обработки плоских и скульптурных областей на основе анализа «вписываемости» инструментов из базы данных в расчетные обобщенные исходные инструментальные поверхности; 4) описания границ обработки расчетными инструментами; 5) возможности использования для проверки на фрезеруемость электронной модели, представленной полутоновым растровым изображением в градациях серого; 6) возможности расчета площади поверхности, получаемой на каждом технологическом переходе; 7) определения рационального сочетания форм и размеров инструментов, используемых для обработки скульптурной поверхности; 8) интеграции программного комплекса OptimTooling с различными системами автоматизированного проектирования и производства; 9) возможности включения результатов исследования в автоматизированную систему оптимизации фрезерной обработки на станках с ЧПУ, управляющей процессами выбора частных стратегий, шага между соседними проходами фрезы и вспомогательных перемещений инструмента; 10) возможности включения программного комплекса в общую цепь конструкторско-технологическои подготовки производства через локальные и глобальные сети. 1. Показаны пути возможного использования разработанного математического аппарата для решения производственных и учебных задач. 2. Результаты работы были реализованы на ряде предприятий
Иркутской области (ООО «Мебель-Про», Центр механообработки 000 ТД «Ар-Мет», ИрГТУ) при производстве формообразующих поверхностей штампов и пресс-форм, изготовлении форм для литья и других изделий, содержащих скульптурные поверхности. 1. Решена задача повышения производительности при обработке сложных пространственных поверхностей путем обоснованного определе ния состава и параметров предназначаемых для использования фрез в автоматизированном режиме. 2. На основании проведенного анализа литературных источников сделан вывод о целесообразности использования точечных индексных изображений в формате .bmp для описания скульптурных, плоских и линейчатых участков деталей. 3. Создан математический аппарат на основе существующих математических приемов теории аффинных отображений, дифференциальной геометрии, кластерного анализа, теории обработки изображений, математической морфологии, использование которого обеспечивает повышение производительности формообразования скульптурных поверхностей на фрезерных станках с ЧПУ. 4. Разработаны алгоритмы построения инструментальных поверхностей для формообразования плоскостей, скульптурных и линейчатых поверхностей в пределах рассчитываемых границ, с использованием в качестве исходной информации плоского полутонового изображения поверхности детали. 5. Предложено решение, позволяющее минимизировать комплект режущих инструментов для формообразования плоских и скульптурных областей детали, имеющих сложные поверхности. 6. На основе анализа «вписываемости» инструментов из базы данных предприятия в рассчитанные инструментальные поверхности и сравнения степени их корреляции разработан метод анализа инструменто-обеспечения производства деталей со сложными поверхностями. 7. С использованием методов математической морфологии разработан способ назначения границ обработки режущим инструментом определенного типоразмера. 8. На основе разработанной методики создан программный комплекс ОрimTooling профилирования инструментальных поверхностей фрез. 9. Разработана оригинальная методика эксперимента и тестовая деталь, позволившие объективно и всесторонне оценить эффективность применения предложенных алгоритмических решений и программ обработки скульптурных поверхностей. Ю.Результатами измерения отклонений формы и размеров обработанных тестовых деталей подтверждена эффективность выполненных разработок. 11.Показана эффективность использования системы OptimTooling совместно с существующими программами-векторизаторами и САМ-системами. На основе исследования параметров технологических переходов (длины траектории инструмента, времени обработки и пр.) установлено, что применение предлагаемого программного комплекса позволяет повысить производительность фрезерования на 10...30%. 12.Результаты работы прошли апробацию и внедрены на ряде предприятий, а также в учебном процессе в Иркутском государственном техническом университете.
