Моделирование процесса выбора технологических баз при автоматизированном проектировании

Назначение технологических баз является одним из наиболее сложных и ответственных этапов проектирования технологических процессов механической обработки. Базы определяют геометрическую схему технологического процесса, то есть структуру размерно-точностных связей черновых, предварительно обработанных и чистовых поверхностей детали, а также требования к оснастке для реализации выбранных схем базирования. Тем самым решение вопроса о базах во многом предопределяет точность выполнения заданных размеров, конструкцию приспособлений, режущих, мерительных и вспомогательных инструментов, величины припусков, общую производительность и экономичность обработки детали [ 44, 76, 85]. Поэтому разработка научной методики назначения баз при проектировании технологических процессов является одной из основных задач технологии машиностроения.

Особенно остро проблема развития теории базирования встала в связи с развертыванием работ по автоматизации технологического проектирования. Отсутствие общих формализованных правил выбора баз сдерживает создание универсальных алгоритмов проектирования маршрута обработки детали и технологического процесса в целом. Полный же перебор возможных вариантов базирования весьма трудоёмок и не обеспечивает достаточной эффективности решения задачи.

Указанные обстоятельства определяют актуальность дальнейших исследований в области теории базирования, формализации процесса назначения технологических баз и создания математической модели процесса, которая могла бы быть эффективно реализована на современных ЭВМ.

В связи с вышеизложенным, целью диссертации является разработка и внедрение формализованного метода назначения технологических баз, универсального относительно конфигурации детали, её размеров, точности, условий производства и обеспечивающего эффективное решение задачи о базах как при традиционном, так и при автоматизированном проектировании технологических процессов механической обработки.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие основные задачи:

1. Анализ геометрической схемы технологического процесса и формализация свойств допустимых вариантов базирования.

2. Разработка математической модели задачи выбора баз.

3. Разработка метода и алгоритмов синтеза геометрической схемы технологического процесса, отвечающей принятому критерию оптимальности.

Структура диссертации отражает указанный состав и порядок решения задач исследования.

Б первой главе рассмотрены существующие технологические правила выбора баз и методы автоматизации решения задачи о базах, предложенные различными авторамиперечислены задачи, решение которых необходимо, но не нашло отражения в литературепоставлена цель и сформулированы задачи исследования.

Показано, что известные рекомендации по выбору баз отражают влияние производственных факторов и описывают наиболее предпочтительные способы автоматического получения точности размеров детали. Что же касается влияния взаимосвязи решений о способах получения точности различных размеров на выбор технологических баз, то характер этого влияния исследован недостаточно.

Существующие методы автоматизированного выбора баз, основанные на полном переборе и анализе всех возможных вариантов базирования [231 63 ], очень трудоёмки и малоэффективны, а методы целенаправленного синтеза рациональных вариантов, основанные на различных частных решениях, имеют весьма ограниченную область применения [6,52,64,72]. Основной недостаток этих методов заключается в том, что выбор баз для получения каждого отдельного исходного размера производится без надлежащего учета влияния принимаемого локального решения на сложность получения других размеров детали. Однако, как правило, выбор наиболее легкого способа получения одного размера в той или иной степени затрудняет получение остальных. Поэтому для решения задачи выбора баз необходимо обеспечить согласование критериев оптимальности локальных решений между собой и с общим критерием оптимальности технологического процесса.

Геометрическая схема технологического процесса (ГСТП), как совокупность локальных решений о базах, представляет собой сложный объект, характеризующийся структурой, свойствами и связями с другими моделями процесса механической обработки детали. В работе поставлены задачи системного анализа ГСТП, определения и формализации её структурных и функциональных свойств и разработки метода синтеза её оптимальной структуры с заданными функциями и свойствами.

Во второй главе в соответствии с поставленными задачами проводится формализация и системный анализ ГСТП. Исследуются взаимные связи технологических размерных цепей и связи структуры цепей с характеристиками детали и заготовки, оборудования и оснастки, маршрутами (планами) обработки поверхностей и маршрутной технологией в целом. Выводятся заключения о структурных и функциональных свойствах допустимых вариантов ГСТП. Анализируются и фор-мализируются свойства схем базирования в отношении геометрической формы, размеров и взаимного расположения базирующих поверхностей, обеспечивающие необходимую фиксацию положения детали относительно принятой системы координат. Предложен критерий оптимальности вариантов базирования и описаны алгоритмы их оценки.

Третья глава посвящается вопросам алгоритмизации синтеза ГСТП. На основе полученных в предыдущей главе заключений о структурных и функциональных свойствах и критерии оптимальности допустимых вариантов базирования разрабатывается математическая модель задачи о базах. Проводится анализ задачи и обосновывается необходимость создания специального метода для её решения. Описывается предлагаемый метод и рассматриваются вопросы его реализации при выборе баз для получения заданных размеров одного координатного направления, как частного случая задачи, а также при выборе баз для всех размеров детали и синтезе схем базирования. Предложенный метод синтеза ГСТП основан на декомпозиции задачи на ряд подзадач получения точности отдельных размеров детали и согласовании локальных критериев между собой и с общим критерием оптимальности ГСТП.

Четвертая глава посвящена вопросам практической реализации работы" Описывается новый графоаналитический метод назначения баз при неавтоматизированном проектировании технологических процессов и приводится пример решения задачи о базах. Описан способ автоматизированного выбора баз на ЭВМ, состав исходных данных и выходной информации. Предложен способ информационной связи программы выбора баз с подсистемами САПР-Т.

В приложении помещены новая практическая методика выбора баз, программа ЭВМ EC-I022 автоматизированного выбора баз и инструкция по её эксплуатации.

На защиту выносятся следующие научные результаты диссертационной работы:

I. Математическая модель задачи выбора баз, отражающая связи вариантов базирования с размерно-точностными характеристиками детали и заготовки, технологическими характеристиками оборудования и оснастки, требованиями к видам и взаимному расположению баз, а также с экономичностью изготовления детали.

2. Метод выбора баз, обеспечивающий взаимное согласование способов получения различных размеров детали и построение комплекса технологических размерных цепейотвечающего заданным требованиям и критерию оптимальности.

3. Способ функционирования подсистемы выбора баз и построения технологических размерных цепей в САПР-Т, обеспечивающий эффективный синтез оптимального варианта базирования.

Результаты диссертационной работы были положены в основу новой практической методики назначения баз при традиционном технологическом проектировании, которая может использоваться для изделий серийного и массового производства, характеризующихся широким распространением методов автоматического получения точности. Новая методика внедрена на ряде предприятий страны, в том числе Тульском машиностроительном заводе «Штамп» им. Б. Л. Ванникова, Челябинском станкостроительном заводе им. С.Орджоникидзе и др. Разработана и внедрена в одном из тульских научно-исследовательских институтов программа ЭВМ EC-I022 автоматизированного выбора баз и синтеза технологических размерных цепей. Общий экономический эффект составил 46,5 тыс.рублей.

Материалы диссертации включены в учебный процесс ТЛИ по курсу «Технология машиностроения» .

Отдельные разделы диссертации и работа в целом докладывались и обсуждались на заседаниях кафедр технологии машиностроения Тульского политехнического института (ТПИ), Ленинградского института точной механики и оптики (ЛИТМО), Ленинградского завода «ВТУЗ», на Х1-ХУП научно-технических конференциях ТПИ (I975-I98I гг.), рассматривались на научном совете по проблеме «Автоматизация про-ектно-конструкторских работ» и научно-техническом семинаре лаборатории автоматизированных систем технологического проектирования Института технической кибернетики ш БССР, научно-техническом семинаре факультета AM Московского высшего технического училища им. Н. Э. Баумана (МВТУ).

Основные научные результаты опубликованы в работах [66, 67, 68, 69, 70] .

4.4. Выводы.

1. Разработанный метод назначения технологических баз обеспечивает эффективное решение данной задачи как при традиционном, так и при автоматизированном проектировании процессов механической обработки деталей различных классов.

2. Внедрение новой методики выбора баз показало её высокую эффективность, позволило оптимизировать структуры технологических размерных цепей и снизить себестоимость механической обработки изделий.

3. Разработанная программа выбора баз обеспечивает эффективное построение технологических размерных цепей по каждому координатному направлению.

4. Использование ЭВМ для выбора баз целесообразно при проектировании процессов обработки деталей сложных форм с числом размеров 20−25 и более. Для деталей с меньшим числом размеров предпочтителен графо-аналитический метод.

5. Реализация результатов работы наиболее целесообразна на машиностроительных предприятиях с серийным и массовым производством при проектировании новых и корректировке действующих технологических процессов, а также в организациях, в чьи задачи входит разработка и внедрение САПР-Т.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе поставлен и решен ряд задач формализации и математического моделирования процесса синтеза схем базирования и соответствующих им технологических размерных цепей в САПР-ТП. Показана необходимость рассмотрения решения вопроса о базах с точки зрения его внешних и внутренних связей, взаимного согласования способов получения различных размеров детали. Получены следующие новые теоретические и практические результаты:

I. Установлено:

1), Задача выбора баз представляет собой систему взаимосвязанных подзадач получения различных размеров детали и стабилизации операционных припусков. Взаимосвязь решений подзадач выражается в том, что принятие решения какой-либо одной подзадачи в той или иной степени ограничивает области выбора решений остальных.

2). Синтез оптимального варианта базирования в общем случае может быть осуществлен лишь за ряд итераций с последовательным уточнением критериальных оценок.

3). В качестве критерия оптимальности баз может быть принята сумма затрат на оснастку, металл, снимаемый с заготовки (припуски), и достижение требуемой точности операционных размеров. На начальных этапах проектирования, ввиду отсутствия достаточных несходных данных для расчета этих затрат, целесообразно использовать балльные критериальные оценки.

4), Реализация принципа декомпозиции задачи и взаимного согласования локальных критериев позволяет осуществлять эффективный синтез схем базирования и технологических размерных цепей.

5), Построение технологических размерных цепей целесообразно производить вначале относительно конструкторских размеров детали, затем вычислить допуски на соответствующие операционные припуски, относительно которых также построить цепи, и т. д. до построения цепей относительно припусков на черновую обработку.

П. Создана математическая модель задачи выбора баз, отражающая связи вариантов базирования с размерно-точностными характеристиками детали и заготовки, технологическими характеристиками оборудования и оснастки, требованиями к видам и взаимному расположению баз, а также с экономичностью изготовления детали.

Ш. Разработан метод выбора баз, обеспечивающий взаимное согласование способов получения различных размеров детали и построение комплекса технологических размерных цепей, отвечающего заданным требованиям и принятому критерию оптимальности.

IV. На основе математической модели и метода выбора баз разработаны и внедрены:

— программа ЭВМ EC-IQ22 выбора баз и построения технологических размерных цепей;

— новая практическая методика назначения баз при неавтоматизированном проектировании технологических процессов.

V. Предложен способ информационной связи и взаимодействия разработанной программы выбора баз с различными подсистемами САПР-ТП.

Внедрение работы позволило значительно облегчить решение задачи выбора баз и снизить себестоимость механической обработки деталей за счет повышения фактической точности исходных размеров деталей и снижения брака, уменьшения припусков и экономии металла, а также уменьшения дополнительных затрат на обработку, связанных с несовмещением конструкторских баз с технологическими, и соответствующим ужесточением операционных допусков.

Реализация результатов работы наиболее целесообразна:

— на машиностроительных предприятиях с серийным и массовым характером производства при проектировании технологических процессов на новые нетиповые детали;

— в организациях, в задачи которых входит разработка и внедрение САПР-ТП;

— в учебных процессах соответствующих ВУЗов по специальностям «Технология машиностроения» и «Системы автоматизированного проектирования и автоматизация технологической подготовки производства» .

В частности, разработанный графоаналитический метод назначения баз позволяет значительно облегчить и ускорить построение рациональной геометрической схемы технологического процесса и может быть использован применительно к любым деталям на предприятиях, не имеющих автоматизированных рабочих мест технолога (АРМ-Т) или вычислительных центров.

Наибольший же эффект может быть получен при работе разработанной программы выбора баз в составе САПР-ТП, когда данные о детали и условиях производства формируются соответствующими блоками системы, а результаты решения задачи выбора баз служат исходными данными для дальнейшего автоматизированного технологического проектирования.