Разработка информационной модели автоматизированной системы технологической подготовки производства: На примере системы проектирования технологической оснастки сборных токарных резцов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.17, кандидат технических наук Толкачева, Ирина Михайловна

• Толкачева, Ирина Михайловна
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Толкачева, Ирина Михайловна

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Направление развития систем автоматизированного

проектирования

' 1.2. Применение конструктивно-технологических элементов для отображения информации при проектировании

1.3. Отображение структурной и прочностной информации

при проектировании токарного РИС

1.4. Постановка задачи исследования

1.5. Выводы по главе 1

2. СТРУКТУРИЗАЦИЯ СВЯЗЕЙ В КОНСТРУКЦИЯХ

РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

2.1. Передача сил и типы связей

2.2. Обоснование выбора свойств макроэлементов

2.3. Структуризация геометрической и прочностной информации

при проектировании инструмента

2.4. Методика отображения геометрической и прочностной

информации

2.5. Выводы по главе 2

3. СТРУКТУРИЗАЦИЯ СВЯЗЕЙ В РИС

3.1. Описание множества типов связей сборного

режущего инструмента РМЭ

3.1.1. Связи между погрешностями форм деталей и

упругопластическими деформациями

3.1.2. Описание конструкции РИС расчетными макроэлементами

3.2. Семейство РМЭ для описания сборных токарных резцов

3.3. Аппроксимация объектов РМЭ

' 3.4. Контактная задача и задача объединения РМЭ

3.5. Выводы по главе 3

4. ИНФОРМАЦИЯ ДЛЯ СТРУКТУРНОГО ОТОБРАЖЕНИЯ

ТОКАРНОГО РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

4.1. Информация, нагружающая вершины графа структуры РИС

4.2. Информация, относящаяся к дугам графа

4.3. Задачи проектирования РИС, решаемые на основе

структурного отображения

4.4 Методика построения образа РИС

4.5. Выводы по главе 4

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Литература

Приложение 1. Распечатка, программы расчета сборных токарных резцов на

жесткость

Приложение 2. Распечатка расчета для пластины марки Т15К6

Е = 5.2*105# / мм2

Приложение 3 Информация для расчета распределения температур в РИС

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка информационной модели автоматизированной системы технологической подготовки производства: На примере системы проектирования технологической оснастки сборных токарных резцов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Эффективность создания конкурентоспособного режущего инструмента во многом определяется средствами автоматизированного проектирования, имеющимися в распоряжении конструктора. В настоящее время при проектировании режущего инструмента и других машиностроительных объектов широко применяется методы математического моделирования, в основу которых положено геометрическое моделирование, а также анализ состояния конструкции на основе метода конечных элементов. В области геометрического моделирования достигнуты большие успехи и создано значительное количество трехмерных систем моделирования. В большинстве систем применяются системы макросов, включающие набор проволочных, каркасных и твердотельных макроэлементов. Достоинство использования заключается в том, что такой подход позволяет повысить производительность конструктора при проектировании сложных объектов. Общим недостатком геометрического моделирования является то, что получаемые объекты являются твердотельными или абсолютно твердыми. Поэтому после создания геометрического образа изделия на практике производятся прочностные и жесткостные расчеты конструкции на основе методов конечных и граничных элементов. Недостатком метода конечных элементов является то, что для каждой структуры изделия необходимо создавать математическую модель, устанавливая взаимодействие отдельных сборочных единиц. Такой подход не позволяет создать единую методологию формирования математической модели структуры токарного режущего инструмента, к тому же такая последовательность при проектировании увеличивает ее трудоемкость. Поэтому возникает актуальная задача разработки метода моделирования структуры проектируемого сборного режущего токарного инструмента, который бы обеспечивал одновременно как создание геометрического образа, так и жесткостности прочностной анализ структуры режущего инструмента.

Цель работы. Повышение эффективности автоматизированного проектирования сборного режущего токарного инструмента путем структуризации геометрической и жесткостной информации на основе расчетных макроэлементов, позволяющей на каждом этапе проектирования РИС производить анализ его состояния на соответствие служебному назначению.

Научная новизна. Состоит в выявлении существа геометрических, силовых связей между деталями режущего инструмента и представлении на этой основе деталей РИ набором нетвердотельных расчетных макроэлементов, позволяющих описать связь между множеством геометрических, физико-механических характеристик расчетных макроэлементов и точностными, прочностными и жесткостными параметрами РИС.

В основу такого представления положены две существенные особенности. Первая особенность состоит в отказе от твердотельности или абсолютной жесткости макроэлементов и представлением их набором конечных элементов, тип и форма которых, а также физико-механические характеристики соответствуют типу решаемой задачи, например, исследованиям теплопереноса или расчетам на прочность и т. д.

Вторая особенность состоит в описании РИС одновременным набором проволочных, объемных и поверхностных макроэлементов с разными геометрическими и физико-механическими свойствами, что позволяет учесть отличия в геометрических и физико-механических характеристиках материалов, режущих кромок, поверхностей и объемов у одной и той же детали или узла. Использование при проектировании разработанных расчетных макроэлементов позволяет в проектных работах кроме отображения необходимой трехмерной графической информации получить одновременно технические показатели или дать оценки точностным, прочностным и жескостным характеристикам РИС. Работа из четырех глав,

выводов и рекомендаций, списка литератупы и приложений.

6

В первой главе исследуется состояние вопроса проектирования сборного токарного режущего инструмента. Рассматриваются особенности отображения проектной информации с помощью теории графов и метода конечных элементов. Ставится задача исследования.

Во второй главе рассматривается передача сил и типа связей и обосновывается выбор типов расчетных макроэлементов для проектирования.

В третьей главе приводится описание множества токарного РИС набором расчетных макроэлементов (РМЭ), а также их аппроксимация набором конечных элементов. Дается решение контактной задачи и задачи склеивания.

Четвертая глава посвящена информации, необходимой для описания нагрузок на вершины и дуги графа, структурного отображения токарного РИС и методика построения , образа РИС.

Работа выполнена в Московском Государственном Технологическом Университете "Станкин" на кафедре "Инструментальная техника и компьютерное моделирование".

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Современное состояние и перспективы развития металлообработки характеризуются широким использованием сборного режущего инструмента, оснащенного сменными механически закрепляющимися режущими элементами, выполняемыми из твердых сплавов, керамики и твердотельных материалов. Наибольшее применение находят токарные резцы различных типов, торцевые и концевые фрезы и т.д. /1/.

Стремительный рост информационных технологий и рыночно - ориентированная адаптация производства послужили причиной разработки и внедрения систем автоматизированного проектирования (САПР) и систем сквозного проектирования (CAD/CAM) сборных режущих инструментов РИС, подавляющее большинство которых ориентированно на проектирование какого-либо вида РИС.

Вопросам проектирования и расчета режущего инструмента и его прочностного расчета посвящены работы В.И. Семенченко, В.А. Гречишникова, Г.Н. Сахарова, Т.А. Султанова, А.И. Бетанели, В.Ю. Конюхова и др., в которых заложены основы САПР РИС. Однако дальнейшее совершенствование автоматизированного проектирования РИС невозможно без рассмотрений современных тенденций САПР, и других систем автоматизированного проектирования и разработанного на этой основе единого подхода к формализации проектирования РИС и его расчета.

1.1 Направление развития систем автоматизированного проектирования

САПР, АСТПП, АСУ производством (АСУПР) развиваются в направлении создания

8

таких систем конструирования, технологической проработки и производства новых изделий, которые охватывают весь жизненный цикл изделия и предусматривают решение вопросов автоматизированного проектирования и производства с максимальной производительностью, надежностью, ремонтопригодностью, стоимостью.

Существует подход /2-7/ к организации разработок нового изделия, получивший название комплексного конструирования жизненного цикла. При таком подходе исследователи пытаются осуществить описание механизмов, физических объектов, среды, производства, различных явлений таким образом, чтобы иметь возможность моделировать на ЭВМ весь производственный процесс и получать субоптимальные решения для производства изделий нужного качества.

В основе системы моделирования лежат методы математического моделирования пространственно-временных явлений, эвристического моделирования (искусственный интеллект), позволяющий оперировать с нечеткими понятиями и использовать интеллектуальные возможности человека в области принятия решения. Построение модели включает выявление полного множества взаимоотношений, соответствующих описанию широкого класса технологических операций, которые, как правило, бывают неоднородными и влияют на качество детали.

Для моделирования процессов проектирования и конструирования новых изделий используют модели трех типов: универсальные - метасистемы, специальные - экспертные, детерминистические - математические модели. Структура модели представлена на рис. 1.1.

Метасистемы рассматриваются как модели метазнаний, т.е. представления собой знания о знаниях. Знания в метасистемах могут быть процедурные, доказательные и смешанного типа. Знания, используемые в конструировании и производстве, неоднородны по типу и применимости. Они могут отображать концептуальные решения и детальные. Выделяют следующие типы знаний:

• Творческие; о

Рис. 1.1

• Новаторские;

• Рядовые.

Творческие знания используют для определения минимума физических предложений, необходимых для создания математических моделей производства конкретного изделия.

Новаторские знания не имеют такого уровня обобщения, но предусматривают выработку значительного числа решений.

Рядовые знания используют при исполнении ежедневных инженерных обязанностей, связанных с конструированием и производством.

Метасистемные информационные модели являются основным средством обеспечения согласованного применения конструкторско-технологических знаний. Экспертные системы, являющиеся частью интеллектуальных систем, представляют собой специализированные модели, ориентированные на определенную область приложений, широко используются при проектировании.

Модели, особенно математические, отражают связь между различными явлениями касающихся материалов, процессов их обработки, технологического оборудования, систем управления. Взаимосвязи представляются в виде совокупностей математических уравнений и ограничений, которые вытекают либо из физической сущности явления и описаны с помощью соответствующих формул, либо установлены эмпирическим путем.

Таким образом, имеет место синтез новых систем, сочетающих в себе преимущества эвристического и детерминистского подхода к решению проблем.

Указанные модели являются основой для исследования прочностных свойств новых материалов. Рассмотрены следующие /3/-.SINDA, NASTRAN, MARC, ANSYS, ADINA, ABAQUS, GIPS. Все они базируются на применении метода конечных элементов (МКЭ).

Общие методы технической подготовки производства и подходы к формированию методического и организационного обеспечения разработаны Ю.М. Соломенцевым.

На рис. 1.2. представлены стадии жизненного цикла изделия по данным работы /2/,

11

Проектирование Научные исследования Конструирование Конструктивные элементы

Анализ Расчетные макроэлементы

Технологическая подготовка производства Технологическая подготовка Технологические макроэлементы

Анализ Расчетные макроэлементы

Производство Изготовление опытного образца Конструкторско-технологичексие макроэлементы

Испытания

Анализ Расчетные макроэлементы

Серийное производство Технологические макроэлементы

Анализ Расчетные макроэлементы

Сбыт Изучение рынка

Поставка потребителям

Заключение диссертации по теме «Теоретические основы информатики», Толкачева, Ирина Михайловна

Выводы и рекомендации

1. Проведенный анализ процессов проектирования этапов жизненного цикла РИС показал, что не удается обеспечить единое механическое и информационное обеспечение анализа принятых на каждом этапе решений. Все это потребовало дальнейшего совершенствования отображения информации при проектировании.

2. Геометрический образ РИС в современных системах проектирования РИС создается на основе конструктивных элементов, которые в известных системах проектирования принимаются абсолютно твердыми. Такие макросы не приспособлены для решения задач точностного и прочностного анализа конструкции, так как не учитывают физико-механические и прочностные характеристики и свойства поверхностного слоя. Это привело к созданию нового типа - расчетного.

3. Разработана классификация связей в конструкциях режущего инструмента, которая позволяет представить структуру РИС как цепь звеньев, в которых чередуются как объемные, так и контактные связи. Причем специфика конструкции РИС, вытекающая из наличия покрытий на его отдельных деталях, позволила в предложенной классификации выделить новый тип объемов, граничный и оболочечный.

4. Предложенная классификация связей позволила все многообразие конструкций РИС описать на базе контакта между предложенными расчетными макроэлементами объемного и оболочечного (поверхностного) типов, снабженных физико-механическими характеристиками, вытекающими из решаемой задачи.

5. Структуру связей в конструкциях РИС целесообразно рассматривать при помощи графов, в которых каждому объекту (РМЭ) соответствует вершина графа, любой связи одного уровня иерархии - дуга графа.

141

6. Расчетные макроэлементы несут информацию о геометрических, точностных и физико-механических свойствах изделия. Это достигается дискретизацией макроэлементов набором конечных объемных и граничных элементов.

7. Связи между расчетными макроэлементами осуществляются путем объединения их или контакта. Контакт в стыках может быть описан двумя моделями: стержневой и на основе кинематических условий контакта, выражающей условия совместности деформаций и зазоров.

8. Нагрузка на вершины графа включает информацию о геометрических формах, размерах, точностных показателях, числах конечных элементов, их физико-механических свойствах, что позволяет решать при анализе ряд важных задач: размерных, точностной, жесткостной и прочностной, теплоперенос и т.д.

9. Нагрузка на дуги графа формируется на основе информации о состоянии контактирующих поверхностей, физико-механических характеристик, зазоров и кинематических условий контакта.

10. Разработано методическое, алгоритмическое и программное обеспечение для расчета сборного РИС.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Толкачева, Ирина Михайловна, 1999 год

Литература.

1. Гречишников В. А. Лукина C.B. Основные направления совершенствования методологии проектирования сборного режущего инструмента. В сб.: Проектирование технологических машин. Выпуск 11.-М: МГТУ «Станкин», 1998. - с. 3-7.

2. Соколов В.П. Комплексная автоматизация технологического проектирования в гибких производствах. Автореферат.-М.: МГТУ «Станкин», 1995. - 46 с.

3. Gegel H.L. Future directions of CAD/CAM/CAE in manufacturing - overview, Autofact'87, Detroit, USA-11, 1987 - F.4.31.-4.47.

4. Убейко В.M. Интегрирование системы автоматизированного проектирования и производства. РГАСНТИ 55.01.77 - с. 8-14.

5. CAD/CAM -Schlüsseltechnologie als Intensivierungs factir. Autrenkoll, Leitung: Detlef Kochan, Berlin; verl. Die Wirtschaft, 1987. - 320c.

6. Системы автоматизированного пректирования изделий и технологических процессов в машиностроении. Под ред. P.A. Алика. - Л.: Машиностроение, 1986. - 319с.

7. Робототехника и гибкие автоматизированные производства. В 9-ти кн. Кн.8. Основы построения систесм автоматизированного проектирования гибких производств. (Ю.М. Соломенцев, В.Г. Митрофанов, В.П.Диденко, А. Ф. Прхоров; под общ. редакцией И.М. Макарова - М. Высшая школа, 1986. - 175с.

8. Цирков A.B. Особенности создания технологической среды параллельного проектирования объектов производства научно-технический сборник «Техника. Экономика. Сер. Автоматизация проектирования». -М.: ВИМИ, 1995. №3-4, - с. 19-29.

9. Jankel A and Morton R., Creative Computer Graphics, Combridge Univ, Press, London, 1984.

10. Auto CAD Release 11 forms basis of your company workgroup CAD operation. /Des. Eng. (Cr. Brit), 1990,Dec.,-p. 12.

11. Black I., Cross J.D. Mechanical engineering design with computer aided technology; an indastrial implementation. /Ргос. Inst. Mech. Ing.B., 1990, 204, Nol,pp 29-36.

12. Corn D.Graphics Awards winner, CADalyst, NolO, 1990, pp 48-52.

13. Ширяев H.B. Повышение эффективности конструкторско-технологической подготовки производства путем использования единой автоматизированной базы знаний. Автореферат.-М.: МГТУ «Станкин». 1997. - 20с.

14. Б.Хокс. Автоматизированное проектирование и производство.-М.: Мир. 1991. - 296с.

15. Волкова Г.Д. Разработка взаимосвязных информационных моделей процесса проектирования объектов станкостроения на этапе предпроектных исследований при создании САПР. Автореферат.-М.: МГТУ «Станкин». 1997. - 42с.

16. Гречишников В.А. Кирсанов Г.Н., Катаев A.B. и др. Автоматизированное проектирование металлорежущего инструмента. -М.: Мосстанкин. 1994. - 109с.

17. Лукина C.B. Совершенствование конструкций и условий эксплуатации протяжного инструмента на основе математического моделирования. Автореферат. -М.: МГТУ (Станкин). 1995. - 24с.

18. Конюхов В.Ю. Определение характеристик прочности и жесткости сборого режущего инструмента для обеспечения его работоспособности. Автореферат. -М.: Мосстанкин. 1988. -28с.

19. Аверченков В.И., Каштальон И.А., Пархутик А.П. САПР технологических процессов, приспособлений и режущих инструментов. Учебное пособие для ВУЗов. -М.: Выш. Шк. 1993. -288с.

20. Гречишников В.А. Колесов Н.В., Седов Ю.Е. и др. Режущий инструмент. Альбом под редакцией В. А. Гречишникова. — М.: Изд-во (Станкин), 1996. - 348с.

21. Остафьев В.А. Расчет динамической прочности режущего инструмента. -М.: Машиностроение, 1979. - 168с.

22. Новоселов Ю.А., Михайлов М.И. Расчет напряженно-деформированного состояния режущих инструментов с учетом их использования. Известие ВУЗов. Машиностроение. 1984. №5, - с. 126-130.

23. Spirito Е. Analiti dello Stado di tensione in un untesile monotagsente mediute il metodi degli elemente finite, "Maschine", 1977,vol 32, №7-8, pp 57-63.

24. Untersuchungen zum binsatz von Schneidleramic beim Drehen mit der Methode der Finite Elemente, "Fertigungs technik und Betrieb, Berlin, 35 (1985), №11, s.678-681. J. Jeopold und so w.

25. Остафьев В.А. Бузик П.Б. Метод оценки прочности расточных резцов при динамическим нагружении. Станки и инструмент. 1986. №4, - с. 17-18.

26. Белозеров В. А. Расчет режущей части инструментов из твердых материалов методом конечных элементов и оптимизация режимов обработки. В кн. «Проектирование и эксплуатация режущих инструментов ГАП. -Сведловск, 1987. - с 42-44.

27. Ящерецин П.И. Еременко М.Л, Жигало Н.И.Основы резания металлов и режущий инструмент. -Минск.: Высшая школа, 1981. - 560с.

28. Пиртахия A.JI. Моделирование точностных ограничений при оптимизации технологических процессов токарной обработке. Автореферат. -М. : МГТУ «Станкин», 1997. - 20с.

29. Рот. К. Констуирование с помощью каталогов. -М.: Машиностроение, 1995. - 420с.

30. Заблонский К.И. Детали машин. -Киев.:Высшая школа, 1985. - 518с.

31. Решетов Д.Н. Детали машин. -М.:Машгиз, 1963. -724с.

32. Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие в 3-х книгах. Кн.1,2,3. -М..Машиностроение, 1997.

33. Левине З.М. Решетов Д.Н. Контактная жесткость машин.-М.: Машиностроение, 1971.

34. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. -М.:Мир, 1989. - 510с.

35.

36.

37.

38.

39.

40.

41.

42.

43

44,

45,

46

47

48

49

Косов М.Г. Исследование скользящего контакта замкнутого кругового кольца с упругим цилиндром. В сб. Расчеты на прочность. Вып. 15. - М. Машиностроение, 1978.

Огибалов П.М., Колтунов М.А. Оболочка и пластины. -М.: МГУ, 1969. - 696с.

Власов В.З. Общая теория оболочек и ее приложения в технике. -М.:Государственное

издательство технико-теоретической литературы, 1949. -784с.

Аксельрад Э.Л. Гибкие оболочки, - М.: Наука, 1976. - 376с.

Пономареве.Д., Бидерман В.Л., Лихарев К.К. и др. Т.ЗгМ.:Машгиз, 1959. -1120.

Арутюнян A.C. Моделирование точностных задач на основе применения расчетных

макроэлементов. Автореферат. -М.: МГТу «Станкин», 1998. -19 с.

Волновые передачи (Сборник трудов). Под редакцией Н.И. Цейтлина. -М.: Станкин, 1970. -462с.

Степанский С.Г. Прогнозирование надежности деформирующего инструмента. -М.: МГТУ (Станкин), 1998. - 100с.

Гречишников В.А. Кирсанов Г.М., Каталов А.И. и др. Автоматизированное проектирование металлорежущего инструмента. -М.: Мостанкин, 1994. -109с. Гречишников В.А., Колесов Н.В., Козлов Е.В. Основы научных исследований в области проектирования и эксплуатации режущего инструмента. - М.: Мосстанкин, 1990. -56с.

Максимов М.А. Основы методологии постановки задач расчета и конструирования металлорежущего инструмента с помощью ЭЦВМ. -Горький.: ГПИ, 1978. - 76с. Семенченко И.И., Мастюшин В.Н., Сахаров Г.Н. Проектирование металлорежущих инструментов. -М.: Машгаз, 1962. - 952с.

Лукина C.B., Седов Б.Е., Гречишников В.А. Использование методов математического моделирования для расчета основных конструктивных параметров круглых протяжек. В сб. Наукоемкие технологии в машиностроении и приборостроении. -Рыбинск.: 1994.

Дроздов Ю.Н., Павлов В.Г., Пучков П.Н. Трение и износ в экстремальных условиях. -М.: Машиностроение, 1986. -224с.

Рещиков В.Ф. Трение и износ тяжелонагруженных передач. -М.: Машиностроение, 1975.-232с.

50. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин. -М.: Машиностроение, 1984. -280с.

51. Трение, изнашивание, смазка: Справочник в двух книгах. Т.1. /Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. —М.: Машиностроение, 1978. - 400с.

52. Трение, изнашивание, смазка, Справочник, в 2-х книгах. Т.2. /Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. —М.: Машиностроение, 1978. -356с.

53. Косов М.Г., Куин A.A., Саакян Р.В., Червяков Л.М. Моделирование и точность при проектировании технологических машин. -М.: МГТУ (Станкин), 1998. -104с.

54. SANDVIK Coromant. Выбор токарного инструмента и режимов резания. Каталог. -1978. -60с.

55. Walter. Каталог. 186393-292 (06/86), 1986. - 70с.

56. Сигерлинд JI. Применение метода конечных элементов.-М.: Мир, 1979. -392с.

57. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. -М.: Мир, 1975. - 542с.

58. Зенкевич О. Метод конечных элементов в теории сооружений и механике сплошных сред. -М.: Недра, 1974. - 240с.

59. Арутюнян A.C. Моделирование точностных задач на основе применения расчетных макроэлементов. Автореферат. -М.: МГТУ (Станкин), 1998. -19с.

60. Саакян Р.В. Дискретная модель оценки точности закрепления деталей в приспособлениях и соединениях на этапе проектирования (плоская задача). Автореферат, - М.: МГТУ (Станкин), 1994. -22с.

нсчйткя ярогрш