Повышение эффективности обработки формообразующей модельной оснастки мелкоразмерным инструментом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат технических наук Никитенко, Александр Васильевич

• Никитенко, Александр Васильевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Никитенко, Александр Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ МЕЛКОРАЗМЕРНОЙ ФОРМООБРАЗУЮЩЕЙ ОСНАСТКИ.

1.1. Методы получения мелкоразмерной формообразующей оснастки.

1.2. Инструменты, используемые для обработки формообразующей модельной оснастки и методы создания трехмерных компьютерных моделей элементов формообразующей модельной оснастки.

1.3. Анализ обрабатываемости пластмасс резанием и выбор модельных материалов.

1.4. Анализ способов оценки и методы измерения микрогеометрических характеристик поверхностей.

1.5. Анализ требований к качеству микрогеометрии поверхностей формообразующей модельной оснастки.

1.6. Методы автоматизации процессов принятия технологических решений на этапе разработки управляющих программ для станков с ЧПУ.

1.7. Методы разработки проектных процедур на основе нейронных сетей.

1.8. Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЯ, МЕТОДИКА И МАТЕРИАЛЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Методология достижения цели исследования.

2.2. Выбор материалов для обработки.

2.3. Описание оборудования, использованного для проведения экспериментов.

2.4. Разработка устройства для измерения сил резания при гравировании.

2.5. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРОЦЕССА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ СЛОЖНОПРОФИЛЪНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕЖОРАЗМЕРНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ.

3.1. Анализ влияния геометрических и технологических параметров процесса мелкоразмерной обработки на шероховатость обрабатываемых поверхностей.

3.2. Анализ кинематики процесса гравирования.

3.3. Методы снижения неравномерности сил резания, возникающих при гравировании на основе коррекции подачи при подготовке управляющих программ для станков с ЧПУ.

3.4. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1. Анализ результатов экспериментов по исследованию влияния геометрических и технологических параметров гравирования на шероховатость обрабатываемых поверхностей.

4.2. Исследование влияния коррекции подачи на величину сил, возникающих при обработке.

4.3. Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБРАБОТКИ ФОРМООБРАЗУЮЩЕЙ МОДЕЛЬНОЙ ОСНАСТКИ НА ОСНОВЕ АВТОМАТИЗАЦИИ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ ОБРАБОТКЕ МЕЛКОРАЗМЕРНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ.

5.1. Разработка алгоритмов функционирования мультиагентной системы для автоматизации поддержки принятия технологических решений при обработке мелкоразмерным инструментом.

5.2. Концептуальная модель построения технологического процесса мелкоразмерной обработки в условиях автоматизированной производства.

5.3. Разработка алгоритма выбора геометрии инструмента с использованием нейронных сетей.

5.4. Разработка алгоритмов расчета параметров микрорельефа при обработке мелкоразмерным инструментом и коррекции подачи на основе анализа управляющей программы.

5.5. Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности обработки формообразующей модельной оснастки мелкоразмерным инструментом»

В условиях растущей конкуренции на рынке товаров, сокращение времени подготовки производства и повышение производительности обработки позволяют эффективно реагировать на изменения экономической ситуации.

Наиболее распространенными видами формообразующей модельной оснастки, к которой предъявляются повышенные требования к качеству поверхностей, занимают пуансоны и матрицы штампов, мастер-модели для точного литья, электроды для электроэрозионной обработки штампов. Такие изделия имеют сложнопрофильные поверхности, обработка которых не может быть осуществлена стандартными инструментами, особенно для малогабаритной формообразующей модельной оснастки. Данные особенности определяют необходимость использования специального мелкоразмерного инструмента.

Однако в настоящее время практически отсутствуют научно обоснованные методы назначения режимов резания при обработке формообразующих поверхностей мелкоразмерным инструментом на станках с числовым программным управлением, что приводит к нерациональному назначению параметров обработки и как следствие — снижению качества и производительности процесса обработки. Поэтому повышение эффективности обработки сложнопрофильных поверхностей мелкоразмерным инструментом является актуальной задачей.

Кроме того, в современных системах автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП) выбор технологических параметров процесса обработки, таких как значение подачи, шага смещения между проходами а также оптимальный выбор геометрии инструмента практически не автоматизирован. Имеющиеся методы контроля процесса обработки и прогнозирования качества на стадии технологической подготовки производства изделий с поверхностями сложного профиля ограничиваются визуализацией процесса резания, что позволяет лишь приближенно оценить качество обработанных поверхностей на ЗО-модели изделия.

В этой связи, исследование процессов мелкоразмерной обработки, определение эффективных режимов резания, технологических параметров, методов прогнозирования качества и повышение производительности обработки является актуальной задачей современного машиностроения.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности обработки формообразующей модельной оснастки сложного профиля мелкоразмерным инструментом в условиях автоматизированного производства.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Определить режимы резания при обработке мелкоразмерным инструментом на станках с ЧПУ с учетом требований к качеству микро-рельфа обрабатываемых поверхностей на основе исследования механизмов формообразования поверхностей мелкоразмерным инструментом.

2. Разработать средства диагностики силовых характеристик процессов мелкоразмерной обработки.

3. Разработать алгоритмы коррекции управляющих программ для снижения неравномерности сил резания, учитывающие особенности обработки мастер-моделей и разработать автоматизированную систему принятия технологических решений для обработки формообразующей модельной оснастки мелкоразмерным инструментом.

Методы исследования. Исследования выполнены с использованием основных положений теории формообразования, технологии машиностроения, теории принятия решений, системного анализа, теории нейронных сетей, методов статистического анализа, методов геометрического моделирования.

Достоверность результатов. Достоверность подтверждена результатами моделирования и расчетов на основе данных, полученных на современном технологическом оборудовании, а также удовлетворительной сходимостью параметров экспериментально полученных результатов и результатов моделирования. В работе приведен достаточный согласно статистическим методам объем экспериментальных данных.

Научная новизна.

1. Установлены взаимосвязи между геометрическими характеристиками мелкоразмерного инструмента с формой и величиной возникающих микронеровностей профиля обрабатываемых поверхностей. Разработана математическая модель формирования качества микрорельефа поверхностей формообразующей модельной оснастки, учитывающая данные о технологических параметрах процесса обработки: радиуса и траектории движения инструмента, геометрии обрабатываемой поверхности.

2. Разработан алгоритм назначения режимов резания мелкоразмерным инструментом для полиметилметакрилата с учетом требований к микрорельефу обработанных поверхностей, обеспечивающий сокращение времени обработки, предложена методика выбора геометрических характеристик инструмента с использованием методов теории нейронных сетей.

3. Разработано и изготовлено устройство для измерения силовых характеристик процессов мелкоразмерной обработки на многокоординатных гравировально-фрезерных станках. Получен патент на изобретение №2397856.

Практическая ценность от реализации результатов работы.

1. Установлены зависимости между технологическими параметрами обработки и качеством обрабатываемых поверхностей, позволяющие оптимизировать режимы обработки мелкоразмерным инструментом.

2. Экспериментально подтверждена зависимость между параметрами, описывающими геометрические характеристики мелкоразмерного инструмента с формой и величиной возникающих микронеровностей профиля.

3. Разработано устройство для диагностики силовых характеристик процессов мелкоразмерной обработки для трехкоординатного гравировально-фрезерного станка.

4. Разработана автоматизированная система принятия технологических решений для обработки поверхностей сложного профиля с использованием методов теории нейронных сетей, которая может быть использована на стадии технологической подготовки производства формообразующей модельной оснастки.

Апробация работы. Научные и практические результаты по различным разделам диссертации докладывались и обсуждались на всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока» (Комсомольск-на-Амуре, 2007 г.); на 3rd International conference on «Manufacturing engineering. Kallithea of Chalkidiki» (Greece, 2008 г.); на шестой международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин и их конкурентоспособности» (Брянск, 2008 г.); на IV международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2008 г.); на международной научно-технической конференции «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» (Комсомольск-на-Амуре, 2009 г.); на Joint China-Russia symposium on «advanced materials processing technology» (Harbin, 2008, 2010); на Russia-China Symposium «Modern materials and technologies» (Khabarovsk, 2009).

Выполненные в работе теоретические и методические разработки отражены в отчетах о НИР «Разработка компьютерных объёмных моделей, технологий металлообработки, лазерной гравировки и технологии литья для учебных практикумов по специальностям ТМ, ТХОМ и ЛП» (2008 г.), «Разработка теории управления системами со сложными иерархическими структурами логико-динамического класса» (2006-2009 гг.), а также в отчете по теме «Разработка автоматизированной системы поддержки принятия технологических решений при обработке формообразующей оснастки мелкоразмерным инструментом» в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендуемых ВАК, получен один патент РФ на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 2 таблицы, 76 рисунков, список литературы из 75 наименований.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация в машиностроении», Никитенко, Александр Васильевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Основные научные и практические результаты заключаются в следующем:

1. Установлены взаимосвязи между параметрами, описывающими геометрические характеристики мелкоразмерного инструмента с формой и величиной возникающих микронеровностей профиля обрабатываемых поверхностей.

2. Разработаны алгоритмы для определения эффективных режимов резания на основе математической модели формирования качества поверхностей формообразующей модельной оснастки по данным о геометрических характеристиках мелкоразмерного инструмента и технологических параметров процесса обработки; при этом параметры микрорельефа могут быть установлены на уровне Ыа 0,8 - 1,6 мкм.

3. Спроектирован и изготовлен стенд для диагностики силовых характеристик процесса резания для трехкоординатного гравировально-фрезерного станка с диапазоном измерения 0 — 20 Н.

4. Разработан программный комплекс для коррекции управляющих программ с целью снижения неравномерности сил резания, возникающих при обработке сложнопрофильной формообразующей оснастки мелкоразмерным инструментом. Экспериментально подтверждено снижение амплитуды сил резания в 2-2,5 раза, возникающих при обработке сложнопрофильных поверхностей.

5. Разработана методика функционирования мультиагентной системы поддержки принятия технологических решений, позволяющая снизить время на проектирование технологических процессов обработки формообразующей модельной оснастки на 20-30%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Никитенко, Александр Васильевич, 2010 год

1. 3D фрезерно-гравировальные станки марки "Woodpecker" Электронный ресурс. режим доступа: http://www.specoborudovanie.ru/stanki/mo /frezemiestanki/frezer3dWoodpecker/

2. ArtCAM Pro Artistic CADCAM Software Электрон.ресурс. Delcam pic 2007. - Режим доступа: http://www.artcampro.com/about/whatispro.htm , свободный. - Загл.с экрана.

3. Davydov V.M. Formation of technological medium in CAD CAM system / Davydov V.M., Nikitenko A.V. // Proceedings of the 3rd International Conference on Manufacturing Engineering and EUREKA Brokerage Event,-Chalkidiki, Greece, 2008.

4. GOLDSUN CNC Technology / CNC Engraving-milling Machine Электронный ресурс. режим доступа: http://www.goldsun-vn.com/index.php?mod=productcontent&id=106&root:=120&bien=105

5. High-Z S-400 Электронный ресурс. режим дocтyпa:http://www.cnc-machine.ru/gravirovalno-frezernye-stanki/s-400.html

6. Tokyo Seimitsu Co. Ltd Application guide manual for surfcom series surface roughness & waviness parameters. Tokyo.: 2006 - 96 c.

7. Аналитические технологии для прогнозирования и анализа данных //http://www.neuroproject.ru/tutorial.php. Электронный учебник. Copyright ©1999-2005 НейроПроект

8. Базров Б.М. Модульная технология в машиностроении. М. : Машиностроение, 2001. - 368 с.

9. Бородин И. Ф., Судник Ю. А.Автоматизация технологических процессов. -М.: Колосс, 2004. 344 с.

10. Высшая аттестационная комиссия Министерства образования и науки Российской Федерации. Паспорта специальностей научных работников: http://vak.ed.gov.ru/ru/helpdesk/ (август 2010 г.)

11. Горбань А.Н., Нейроинформатика / Горбань А.Н., Дунин-Барковский В.Л.,Кирдин А.Н. и др. Новосибирск: Наука. Сибирское предприятие РАН, 1998.-296с.

12. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов: Учебник для машиностр. и приборостр. Спец. вузов,- М.: Высш. Шк., 1985. 304 е., ил.

13. Давыдов В. М. Основы построения нейронных сетей : учеб. Пособие / В. М. Давыдов, Е. С. Бойко. Хабаровск : Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та, 2005. - 67 с.

14. Давыдов В.М. Изготовление пуансонов и штампов малых размеров на основе CAD САМ технологий / Давыдов В.М., Никитенко A.B., Пуляевский A.B. // Сборник доклади 25 юбилейна научна конференция с международно участие МТФ'2007, том 2. Созопол, 2007.

15. Дарымов О. И. Обеспечение качества поверхностного слоя при фрезерной обработке / Дарымов О. И. // Технологическое обеспечение функциональных параметров качества поверхностного слоя деталей машин: Сб. науч. тр. Брянск : Изд-во БИТМа, 1987. - С. 58.

16. Демкин Н.Б. Качество поверхности и контакт деталей машин. -М. Машиностроение, 1981г.

17. Дунин-Барковский И.В., Измерения и анализ шероховатости, волнистости и некруглости поверхност. М.: Машиностроение, 1978. 232 с.

18. Дьяченко П.Е. Количественная оценка неровностей обрабатываемой поверхности. М.: 1963. 140с.

19. Еренков О.Ю. Анализ процесса разрушения твердых полимерных материалов на основе оценки параметров сигналов акустической эмиссии / Еренков О.Ю., Башков О.В., Никитенко А.В.// Справочник. Инженерный журнал. №2(143), 2009. 64 с.

20. Искусственный интеллект: Применение в интегрированных производственных системах / Под ред. Э. Кьюсиака; Пер. с англ. А. П. Фомина; Под ред. А . И. Дащенко, Е. В. Левнера. М. : Машиностроение, 1991.-544 с.

21. Искусственный интеллект: Справочник / Под общ. ред. Э. В. Попова и Д. А. Поспелова. В 3-х т. Т. 2. Модели и методы. М. : Радио и связь. 1990. -320 с.

22. Кабалдин Ю. Г., Биленко С. В., Шпилев А. М. Применение нейросетевых моделей процесса резания в системах адаптивного управления // СТЕН. -2002. № 3. - С. 3-9.

23. Казаков А., Карабчеев К. Механообработка в ADEM на простых примерах // САПР и графика. 2004. №11.

24. Каминская Л., Приходько Д. 3D-printing: печать или скульптура? Электронный ресурс. / ITC.UA, 2006. режим flocTyna:http://itc.ua/node/26028/

25. Кобаяши А. Обработка пластмасс резанием (Сокращ. перев с англ.). М., Машиностроение, 1974. 192 с.

26. Комбалов B.C. Влияние шероховатости твердых тел на трение и износ. М.: "Наука", 1974 г.

27. Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). СПб.: Питер, 2004. - 560 е.: ил.

28. Липницкий С. Ф. Моделирование интеллектуальных процессов в инженерных информационных системах / Липницкий С. Ф., Ярмош Н. А. -Мн. : Беларуская навука, 1996. 222 с.

29. Лихачев А. А. Поэтапная автоматизация подготовки производства / Лихачев А. А. // Автоматизация проектирования. 1997. - № 3.

30. Маталин A.A. Качество поверхности и эксплуатационные свойства деталей машин. М-Л. Машгиз., 1965. 288с.

31. Маталин А.Л. Шероховатость поверхности деталей в приборостроении. М., 1982. 184с.

32. Настольная 3D гравировально-фрезерная машина COMOGRAV МТ Profi Электронный ресурс. режим flocTyna:http://www.sky-lab .ru/comagravmt.htm

33. Основы автоматизации машиностроительного производства: Учеб. для машиностроит. спец. вузов / Е.Р.Ковальчук, М.Г.Косов, В.Г.Митрофанов и др.: Под ред. Ю.М.Соломенцева. -2-е изд., испр.-М.:Высш.шк., 1999.-312с.

34. Радзевич СЛ. Формообразование поверхностей деталей. Основы теории. Монография К.: Растан, 2001. 592с.

35. ИЦГОУ МГТУ "Станкин", "Янус-К", 2005. С.112-115.

36. Розенберг O.A., проф.; Швец C.B., доц. Геометрическое формирование высоты остаточного гребешка при точении. ИСМ HAH Украины, "Вюник СумДУ", №15, 2000

37. Слюсар В. Фаббер-технологии (новое средство трёхмерного моделирования) Электронный ресурс. / Журнал Электроника: Наука, Технология, Бизнес 5/ 2003 с. 54 - 60 - режим доступа: http://www.electronics.ru/pdf/52003/15.pdf

38. Соломенцев Ю. М., Митрофанов В. Г., Прохоров А. Ф. и др. Автоматизированное проектирование и производство в машиностроении. -М.: Машиностроение, 1985. 320 с.

39. Соломенцев Ю. М., Павлов В. В. Моделирование технологической среды машиностроения. М.: Станкин, 1994. - 104 с.

40. Сосонкин В. JL, Мартинов Г. М. Концепция числового программного управления: архитектура систем типа PCNC // Мехатроника. 2000. - № 1.- С. 26-29.

41. Сосонкин В. Л., Мартинов Г. М. Концепция числового программного управления: конфигурация систем ЧПУ // Мехатроника. 2001. - № 10. -С. 2-9.

42. Суровцев И. С., Клюкин В. И., Пивоварова Р. П. Нейронные сети. -Воронеж: Воронежский государственный университет, 1994. 222 с.

43. Суслов А. Г. Обеспечение качества поверхности и эксплуатационных свойств деталей // СТИН. 2002. - № 2. - С. 3-5.

44. Сысоев В. В. Моделирование технологических систем // Математическое моделирование технологических систем. 1995. - № 1, - С. 10-39.

45. Тарасов В. Б. Предприятия XXI века: проблемы проектирования и управления // Автоматизация проектирования. 1998. - № 4. - С. 45-52.

46. Таратынов О. В., Аверьянов О. И. Оценка качества продукции машиностроения // СТИН. 2001. - № 2 . - С. 3-6.

47. Таратынов О.В., Аверьянов О.И. Оценка качества продукции машиностроения // СТИН. 2001. - № 2 . - С. 3 6.

48. Терешин М. В. Автоматизация процедуры обмена конструкторско-технологическими данными о детали в многоуровневых интегрированных САПР: Дисс. канд. техн. наук / Терешин М. В. Брянск : Изд-во БГТУ, 2000. - 124 с.

49. Уоссермен Ф. Нейрокомпьютерная техника: теория и практика. М.: Мир, 1992. 184 с.

50. Уржумов H.A. Создание инструментальной среды структурного синтеза объектов. Дисс. к.т.н., Ижевск, 2007. с. 12-15.

51. Хватов Б.Н. Выполнение измерений параметров шероховатости поверхности по ГОСТ 2789-73 при помощи приборов профильного метода.Тамбов.: ТГТУ, 2006. 24 с.

52. Хлытчиев С.М. и др. Основы автоматики и автоматизации производственных процессов; Учебник для вузов связи/ С. М. Хлытчиев, А. С Ворожцов, И. А. Захаров.- М.: Радио и связь, 1985. 288 с.

53. Хусу А.П., Витенберг Ю.Р. Пальмов В.А. Шероховатость поверхностей (теоретико-вероятностный подход), Главная редакция физико-математической литературы издательства "Наука", М.:1975. 344 с.

54. Червяков Л. М. Послойное проектирование при управлении технологическими решениями // Труды конгресса "Конструкторско-технологическая информатика (КТИ-96)". М.: МГТУ "СТАНКИН", 1996. -С. 155-156.

55. Шадский Г. В., Ковешников В. А., Трушин Н. Н. Методология системного проектирования автоматизированных производственных систем // СТИН. 1998.-№6.-С. 3-7.

56. Швец С.В., ЯненкоМ.Б. Определение параметров шероховатости при точении. "Вюник СумДУ", №12(96)', 2006

57. Шероховатость поверхности. ГОСТ 2789-73.

58. Шлапаков С. И., Кривошеее И. А., Давыдов В. М. К вопросу о структуре нейронных сетей в системах распознавания образов // Проектирование технологических машин. М: МГТУ, 1999. С. 25-30.

59. Штучный Б.П. Механическая обраобтка пластмасс: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1987. - 152 е., ил.