Разработка автоматизированной информационной системы проектирования и контроля управляющих программ для станков с числовым программным управлением

Язык труда и переводы:
УДК:
621.923.9
Дата публикации:
19 июля 2021, 22:30
Категория:
А3. Технология машиностроения
Аннотация:
Рассмотрены основные аспекты разработки автоматической информационной системы проектирования и контроля управляющих программ для станков с числовым программным управлением. Изучены вопросы разработки математического обеспечения — аналитической модели процесса круглого шлифования, методического — методики проектирования оптимальных циклов шлифования и методики контроля производственных циклов на возможность обеспечения точности и качества обрабатываемой поверхности при изготовлении партии деталей и программного — цифрового двойника процесса круглого шлифования обеспечения системы.
Ключевые слова:
круглое шлифование, оптимизация цикла шлифования, станки с числовым программным управлением, точность обработки, качество обработки
Основной текст труда

Современные шлифовальные станки с числовым программным управлением (ЧПУ) могут вести обработку по ступенчатым циклам режимов резания. Ступенчатое изменение режимов резания позволяет использовать в полной мере все технические возможности станка с ЧПУ и проводить обработку заготовки сразу за несколько стадий (черновой, получистовой и чистовой). Параметры цикла шлифования задаются в управляющей программе для станков с ЧПУ (УП ЧПУ).

В рамках реализации концепции «Индустрия 4.0» основным направлением развития машиностроительной отрасли становится автоматизации и цифровизация всех этапов производственного процесса. Немаловажную роль в обеспечении стабильности показателей качества и точности выпускаемой продукции играет подготовительный этап производства, в том числе подготовка и проверка УП ЧПУ. Подготовка УП ЧПУ включает в себя проектирование циклов режимов резания. Назначение режимов резания как элемента УП ЧПУ осуществляется в CAM-системе по усредненным данным оцифрованных нормативов 1990-х гг. (ХХ в.) выпуска для «идеальных производственных условий» без учета влияния силы резания, упругих деформаций технологической системы и переменных технологических факторов. Контроль УП ЧПУ в различных CAM-системах заключается в симуляции идеального взаимодействия инструмента и заготовки с точки зрения геометрии траектории передвижения при силе резания, равной нулю и отсутствии упругой деформации технологической системы. Контроль УП ЧПУ осуществляется только на столкновение, врезание, увод инструмента, отсутствует оценка рассеивания параметров погрешности обработки и шероховатости. В результате на предприятиях вынуждены проводить адаптацию УП ЧПУ к реальным производственным условиям путем обработки ряда пробных изделий. Это влечет за собой дополнительные временные, трудовые и материальные затраты.

Вопросами повышения производительности циклов и стабилизации показателей точности и качества в проектируемых циклах занимались разные ученые [1–5]. Тем не менее следует отметить, что [1–5] имеют ряд общих недостатков:

  • не всегда используются математические методы оптимизации;
  • не применяется одна из самых важных моделей ограничений производительности по точности обработки, т. е. проектируемые циклы не гарантируют стабильность показателей точности обрабатываемой поверхности;
  • не учитывается влияние переменных технологических факторов, таких как колебания припуска и исходного радиального биения в партии обрабатываемых заготовок, размерный износ шлифовального круга и затупление режущих зерен круга в процессе шлифования и т. д.

Цель настоящего исследования — осуществить создание автоматизированной информационной системы (АИС) проектирования и контроля УП ЧПУ, требующей разработки математического (аналитической модели процесса шлифования), методического и программного обеспечения. Решение данной научной проблемы является сложной научно-технической задачей в рамках всего автоматизированного машиностроения, так как требует установления множества взаимосвязей между входными и выходными данными АИС проектирования и контроля УП ЧПУ, условиями протекания процесса съема припуска, комплексом различных физических процессов и совокупностью переменных технологических факторов.

Рассмотрим собенности разработки методического, математического и программного обспечения  АИС проектирования и контроля УП ЧПУ. В рамках разработки математического обеспечения создана аналитическая модель съема металла в процессе круглого шлифования [6], устанавливающая взаимосвязь между глубиной резания (величиной снимаемого припуска), переменной жесткостью технологической системы по площади стола станка, входными параметрами процесса обработки (физико-механическими свойствами обрабатываемого материала, характеристикой круга и т. д.), режимами резания, кинематикой и особенностями съема припуска. Модель послужит основой цифрового двойника процесса круглого шлифования, которая позволит путем имитации съема металла рассчитывать изменения глубины резания на протяжении всего цикла шлифования, а соответственно и изменения текущих размеров заготовки [7]. В результате становится возможным прогнозирование точности и шероховатости обрабатываемой поверхности с учетом влияния переменных технологических факторов.

Создание методического обеспечения будет производиться в двух направлениях:

1) проектирование оптимальных циклов;

2) контроль применяемых заводских или вновь разрабатываемых с помощью других инструментов циклов (проектируемых не с использованием разрабатываемой АИС).

Математической основой разрабатываемых методик послужит аналитическая модель процесса съема металла. При разработке методики проектирования оптимальных циклов круглого шлифования [8] в качестве математического метода оптимизации будет использован метод динамического программирования, позволяющий накладывать ограничение по точности. В качестве целевой функции может быть выбрано минимальное основное время, максимальная стойкость круга или минимальная себестоимость операции. Поиск целевой функции производится с учетом действия следующих ограничений:

  • чертежных требований детали (точность, бесприжоговость, шероховатость);
  • паспортных данных станка (диапазоны режимных параметров, податливость технологической системы, мощность приводов);
  • параметров инструмента (характеристика круга, осыпаемость круга, степень затупления зерен круга);
  • настроечных параметров операции (перебег круга, настройка режимов резания в реверсных зонах).

Отметим, что применение описанной выше методики возможно не только для оптимизации циклов режимов резания, но и для оптимизации параметров управления циклом (геометрические параметры и характеристика круга, величина перебега круга, вылет оправки и др.).

Разработка методики контроля УП ЧПУ на возможность обеспечения точности и шероховатости обработанной поверхности проводится с учетом влияния множества переменных технологических факторов. Учет переменных технологических факторов становится возможным за счет применения имитационного моделирования множества вариантов различных условий обработки, возникающих в партии деталей в условиях серийного производства. Основу данной методики составит аналитическая модель процесса круглого шлифования, позволяющих рассчитывать и прогнозировать изменения текущих размеров и параметров шероховатости заготовки на протяжении всего цикла шлифования. В результате станет возможным цифровое представление размеров и параметров шероховатости обрабатываемой поверхности с учетом диапазонов варьирования переменных технологических факторов. Отметим, что методика также позволит анализировать причины возникновения брака и давать рекомендации по устранению брака.

Создание программного обеспечения направлено на получение программного продукта, реализующего функции АИС проектирования и контроля УП ЧПУ на основе математического и методического обеспечения. Применение технологии параллельного программирования позволит в полной мере осуществлять имитационное моделирование процесса плоского шлифования с прогнозированием изменения точностных и качественных характеристик обрабатываемой поверхности. Предполагается сформировать техническое задание на создание АИС проектирования и контроля УП ЧПУ, которое включает в себя «пилотные версии» алгоритмов и программ.

Отметим, что проведение предлагаемого исследования заложит теоретическую основу для масштабных исследований в рамках данного направления для всех видов механической обработки.

1. Растущие темпы оснащения машиностроительного производства современными станками с ЧПУ, позволяющими вести обработку по заданным циклам управления режимными параметрами, выявили отсутствие «работающего» цифрового инструмента для создания и контроля УП ЧПУ в различных CAM-системах. Данные УП ЧПУ должны гарантировать стабильность показателей точности и качества при обработке партии детали без дополнительных затрат на адаптацию к реальным производственным условиям.

2. В качестве решения предложена автоматическая информационная система проектирования и контроля управляющих программ для станков с ЧПУ, для создания которой необходимо разработать

  • математическое обеспечение — аналитическую модель процесса круглого шлифования,
  • методическое обеспечение — методику проектирования оптимальных циклов шлифования и методику контроля производственных циклов на возможность обеспечения точности и качества обрабатываемой поверхности при изготовлении партии деталей
  • программное обеспечение — цифровой двойник процесса круглого шлифования, техническое задание на его создание, «пилотные версии» алгоритмов и программ.
Литература
  1. Ломова О.С., Сорокина И.А. Исследование точности процесса круглого шлифования имитационным моделированием // Омский научный вестник. 2013. № 2. С. 99–102.
  2. Анализ формы шлифованных поверхностей при круглом шлифовании / С.М. Братан, С.И. Рощупкин, Д.Е. Сидоров и [др.] // Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. 2020. № 1. С. 259–262.
  3. Designing high-speed CNC-operations / A. Nurkenov, V.I. Guzeev, P.G. Mazein et al. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 450. Art. no. 032014. DOI: 10.1088/1757-899X/450/3/032014
  4. Optimization for internal traverse grinding of valves based on wheel deflection /S. Gao, C. Yang, J. Xu et al. // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2017. Vol. 92. Pp. 1105–1112. DOI: 10.1007/s00170-017-0210-8
  5. Stability analysis and optimization algorithms for the Set-Up of Infeed Centerless Grinding / D. Barrenetxea, J. Alvarez, J.I. Marquinez et al. // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2014. Vol. 84. Pp. 17–32. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2014.04.005
  6. Akintseva A.V., Prokhorov A.V., Omelchenko S.V. Modelling of correlation of actual and program feeds in the automatic cycle // IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 709. Art. no. 033003. DOI: 10.1115/1.1751423
  7. Designing optimal automatic cycles of round grinding based on the synthesis of digital twin technologies and dynamic programming method / P.P. Pereverzev, A.V. Akintseva, M.K. Alsigar et al. // International Journal of Mechanical Sciences. 2019. Vol. 10. No. 1. Pр. 331–341. DOI: 10.5194/ms-10-331-2019
  8. Akintseva A.V., Prokhorov A.V., Omelchenko S.V. Methodology for designing optimal internal grinding cycles resistant to varying processing conditions. // IOP Conference Series Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 709. Art. no. 033004. DOI: 10.1088/1757-899X/709/3/033004
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.