Повышение эффективности проектирования технологической оснастки на основе использования автоматизированной системы Т-FLEX Parametric CAD

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Актуальность темы. В условиях современной экономики и острой конкуренции на российском рынке особую актуальность для производственных предприятий приобретает проблема регулярного обновления выпускаемой продукции, повышения её качества, сокращения сроков и стоимости технической подготовки производства, максимального удовлетворения запросов потребителей в наиболее короткие сроки.

Процессу проектирования станочных приспособлений свойственны слабая структурированность и значительная размерность проектной и справочной информации, многовариантность допустимых решений. Развитие информационных технологий и программного обеспечения привело к созданию CAD/CAM/CAE-систем нового поколения, позволяющих автоматизировать решение разнородных задач, в том числе некоторых задач технологической подготовки производства.

Быстрая смена версий CAD-систем усложняет процесс поддержки и сокращает жизненный цикл специализированных САПР на их основе. Современные CAD/CAM/CAE-системы только начинают надежно удовлетворять требованиям конструкторов, не имеют в достаточном объеме разработанных баз данных нормализованных деталей и конструкций, поставляемых и обновляемых преимущественно за отдельную плату, и не содержат расчетов требуемой силы закрепления, точности, увеличивая затраты на технологическую подготовку производства. Отсутствие связанных с базами данных станочных и контрольно-измерительных приспособлений их расчетов не гарантирует требуемого качества изделий основного производства. Разрывается связь моделей технологического процесса объекта производства и конструирования станочных приспособлений. Поэтому, разработка метода проектирования станочной и контрольно-измерительной оснастки, обеспечивающей использование математических моделей и передачу данных из среды конструирования объекта производства (CAD) и среды технологического проектирования (САПР ТП) в среду проектирования станочных приспособлений, включив их в единое корпоративное информационное пространство в рамках тенденций внедрения CALS-технологий и создания гибкого автоматизированного производства, является актуальной.

Целью работы является разработка методики параметрического проектирования сложных машиностроительных объектов на примере станочной и контрольно-измерительной оснастки с разработкой математических моделей представления инженерных знаний и программно-методических модулей, обеспечивающих быструю адаптацию к системе T - Flex CAD, учитывающих весь процесс жизненного цикла продукции.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработан метод автоматизированного параметрического проектирования, обеспечивающий повышение точности обработки, на основе формирования модели станочной и контрольно-измерительной оснастки, состоящей из множества структурных элементов, соотношений между ними и способов их формирования.

2. Разработана методика формирования модели станочной и контрольно-измерительной оснастки в виде иерархического графа древовидной структуры, на основе которой создается библиотека параметрических элементов в CAD-системе проектирования.

3. Разработан алгоритм расчета на основе формализации силовых и точностных расчетов станочной и контрольно-измерительной оснастки.

Практическую ценность работы составляют:

1. Созданная система параметрического проектирования станочной и контрольно-измерительной оснастки на примере кондукторов различного назначения и калибров.

2. Разработанное программное обеспечение, позволяющее получить полный комплект конструкторской документации с расчетом технико-экономического обоснования применения станочной и контрольно-измерительной оснастки.

3. Сформированные в соответствии с разработанными методиками библиотеки параметрических моделей стандартных и типовых элементов станочной и контрольно-измерительной оснастки, которые возможно использовать при построении параметрических моделей машиностроительных изделий, проектируемых в системе Т - FLEX CAD.

Апробация работы. Основные результаты были представлены на Всероссийском конкурсе «Компьютерный инжиниринг 2004» (3-е место по разделу "Дидактические системы, программные продукты и учебно-методическое обеспечение учебного процесса), доложены и обсуждены на Всероссийских и Международных научно-технических конференциях в Рыбинске (2003 - 2004 гг.), Санкт-Петербурге (2003 - 2004 гг.).

Работа принята к использованию в ОАО ГМЗ "АГАТ", г. Гаврилов-Ям, Ярославской области.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных работ, в т.ч., две работы в рецензируемых изданиях.

1. Анализ современного состояния работ по автоматизации проектирования станочной и контрольно-измерительной оснастки.

Рассмотрены особенности топливно-регулирующей аппаратуры авиационных двигателей, выпускаемых ОАО ГМЗ «Агат» (общий вид одного из агрегатов представлен на рис. 1), и основные виды технологической и контрольно-измерительной оснастки, применяемые при их производстве.

станочный параметрический калибр оснастка

Рис. 1. Распределитель топлива РТФ-59Б

Проведенный анализ процесса проектирования технологической и контрольной оснастки на ОАО ГМЗ "АГАТ" показал, что процесс проектирования проходит при слабой оснащенности интеллектуального труда и слабой подготовке проектировщиков к работе в новых условиях современных информационных технологий, отсутствуют основные расчеты при проектировании, которые, как правило, носят поверхностный характер, например, с многократным превышением коэффициента запаса, что утяжеляет конструкцию приспособления и ведет к большому расходу дорогостоящих инструментальных материалов при производстве приспособлений. Процесс проектирования охватывает только начальную стадию жизненного цикла изделия, не производится анализ причин несоответствий заданных эксплуатационных свойств при проектировании, изготовлении и эксплуатации приспособлений и т.д.

При определения причин возникающих несоответствий эксплуатационных свойств приспособлений при их проектировании, изготовлении и эксплуатации, также были применены известные инструментами качества: циклическая модель управления качеством PDCA (рис. 2), процессный подход при проектировании приспособлений, причинно-следственная диаграмма К. Исикавы.

Выходом из сложившегося положения является применение специализированных автоматизированных объектно-ориентированных систем проектирования, представляющих собой CAD-системы, адаптированные к конкретной предметной области с помощью программно-методических модулей.

Вопросы автоматизированного проектирования машиностроительных объектов и станочных приспособлений, в частности, рассматривались в работах: В.И. Аверченкова, А.Г. Раковича, М.И. Другаковой, В.Б. Ильицкого, В.Н. Юрина, В.С. Мухина, Л.А. Антипиной, В.В. Микитянского, А.А. Шатилова и др. Выявлено, что в настоящее время существует множество различных систем автоматизированного проектирования, в основном затрагивающих автоматизированное проектирование станочных приспособлений низкого уровня, которые не полностью соответствуют требованиям современных интегрированных CAD/CAM/CAE - систем. Отсутствуют системы по проектированию контрольно-измерительной оснастки.

Рис. 2. Цикл PDCA применительно к проектированию приспособлений

Поэтому, в связи с потребностью частой смены продукции и повышения качества, осуществления быстрой и качественной конструкторской подготовки производства, выявлена актуальность в создании автоматизированной системы параметрического проектирования станочной и контрольно-измерительной оснастки.

Выполнен сравнительный анализ современных отечественных и зарубежных CAD/CAM/CAE -систем, на основе которого установлено, что система T-FLEX CAD версии 7.2, обладающая большими возможностями параметрического проектирования, является наиболее подходящей основой для разработки автоматизированной системы параметрического проектирования станочной и контрольно-измерительной оснастки, и наиболее целесообразна для малых предприятий.

2. Анализ способов представления инженерных знаний в виде сетевых моделей

Сформирована сетевая модель станочного приспособления (рис. 3).

Рис. 3. Схема обобщенной сетевой модели кондуктора для сверления отверстий

Самый верхний уровень схемы сетевой модели представлен чертежом общего вида. Уровень сборки представляет собой сборочные единицы, непосредственно формирующие конструкцию кондуктора. Это базовые детали кондуктора - корпус, кондукторная плита, и т. п.

Элементы следующего уровня - сборка 1-го уровня, в состав, которых входят сборочные единицы и отдельные детали кондуктора, например, делительные устройства, поворотные столы и т. п.

Сборки 2-го уровня состоят только из стандартных изделий. Это фиксаторы, кондукторные втулки, винты, рукоятки и т. п.

В свою очередь структуру каждой детали можно также представить сетевой моделью в виде графа, т. е. дополнить схему множеством сетевых графов деталей.

3. Требования к системе параметрического проектирования станочной и контрольной оснастки, на основе которых определены её функции, выявлены подходы, применяемые при создании машиностроительных САПР

Разработан процесс создания системы параметрического проектирования станочной и контрольной оснастки (рис. 4).

Рис. 4. Процесс создания автоматизированной системы параметрического проектирования станочной и контрольной оснастки

Приведены зависимости для расчета станочной и контрольно-измерительной оснастки, позволяющие проводить расчеты: на точность (формула 1), потребной силы закрепления (формулы 2 и 3) и суммарной погрешности измерения на контрольно-измерительных приспособлениях (формула 4).

Данные расчетные зависимости представлены в общем виде для разработки математического обеспечения автоматизированной системы проектирования, но не претендует на обобщение всего многообразия проблем теории и расчета станочной и контрольной оснастки. Причем, прежде всего, обращено внимание на весь жизненный цикл эксплуатации станочной и контрольно-измерительной оснастки (с расчетом и обеспечением износостойкости установочных элементов, расчетом и обеспечением износостойкости кондукторных втулок по методике В.Б. Ильицкого).

Для расчета точности кондуктора в общем случае используется формула:

, (1)

где допуск на размер детали от базовой плоскости до оси обрабатываемого отверстия, величина характеризующая точность кондуктора, зазор между инструментом и сменной кондукторной втулкой, зазор между сменной и постоянной кондукторными втулками, е отклонение от соосности наружной и внутренней поверхностей кондукторной втулки, М увод сверла.

Состояние статического равновесия заготовки для расчета потребной силы закрепления описывается шестью уравнениями, выражающими аналитические условия равновесия заготовки под действием приложенных к ней сил. Алгебраические суммы проекций всех сил на каждую из трех координатных осей равны нулю и алгебраические суммы моментов относительно каждой оси равны нулю. Система уравнений равновесия в матричной форме имеет вид:

[R] + [W] + [Fтр] = К[P]; (2)

[MR] + [Mw] + [MFтр] = К[Mp], (3)

где [R] = [УRix, УRiy, УRiz] матрица-столбец реакций опор, УRix, УRiy, УRiz сумма проекций реакций опор соответственно на оси OX, OY, OZ; W[УWКx, УWКy, УWКz] матрица-столбец сил зажима, УWkx, УWky, УWkz сумма проекций сил зажима соответственно на оси OX, OY, OZ; [Fтр] = [УРтр.i.х, УРтр.i.y, УРтр.i.z] матрица-столбец сил трения, УРтр.i.х, УРтр.i.y, УРтр.i.z сумма проекций сил трения соответственно на оси OX, OY, OZ; [Р] = [УPjx, УPjy, УPjz] матрица-столбец силы резания, УPjx, УPjy, УPjz сумма проекций силы резания соответственно на оси OX, OY, OZ; К коэффициент запаса; [Mr], [Mw], [МFтр], [Мр] матрицы-столбцы моментов сил соответственно реакций опор R, зажима W, трения Fтр, резания Р вокруг осей OX, OY, OZ.

Суммарная погрешность измерения на контрольно-измерительных приспособлениях:

, (4)

где щу.э - погрешности изготовления установочных элементов и их расположения на корпусе приспособления; щБ - погрешности базирования; щс - погрешности смещения измерительной базы контролируемой детали относительно рабочих поверхностей установочных элементов; щз - погрешности закрепления; погрешность передаточных устройств состоящая из двух видов:щр - систематические погрешности, из-за неточности изготовления передаточных элементов, щП - случайные погрешности, обусловленные случайными факторами, а именно наличием зазоров между осями и отверстиями рычагов, неточностью их перемещения и другими причинами; погрешность установочных мер, используемых для настройки измерительных средств, состоящая из: щН - систематическая погрешность, учитывающей отклонения установочных размеров от номинальных, щН.С - случайная погрешность, которая возникает при настройке; погрешность метода измерения щМ.

Предложен метод функционально-стоимостного анализа, который автор, предлагает проводить по трем основным показателям:

Ш расчеты на точность выполняемых геометрических параметров приспособления;

Ш определение потребной силы закрепления;

Ш экономические расчеты, связанные с оценкой целесообразности применения станочного и контрольного приспособления.

4. Создание автоматизированной системы параметрического проектирования станочной и контрольно-измерительной оснастки

На основе предложенного подхода и использования ранее выполненных работ другими авторами в области прикладных САПР разработана структурно - функциональная схема автоматизированной системы параметрического проектирования станочной и контрольной оснастки (рис. 5).

Созданы универсальные алгоритмы программно методических модулей, входящих в состав системы.

В разработанной системе заложена возможность редактирования и создания новых параметрических моделей конструкций машиностроительных изделий, на основе которых возможно осуществить процесс проектирования нового изделия. Алгоритмы, заложенные в модули оптимизации, документооборота, построения деревьев файловой структуры, описания сборочных чертежей, функционально-стоимостного анализа и получения деталировки, являются универсальными.

Учитывая ограниченные возможности системы T-FLEX CAD для получения деталировки, с учетом параметризации предложен и реализован более удобный механизм получения чертежей и спецификаций, основанный на новой файловой структуре организации графической библиотеки, которая позволяет корректно производить деталировку сложных сборочных конструкций. Разработаны методики построения параметрических моделей, структурных элементов конструкции оснастки в системе T-FLEX CAD и представлены способы задания переменных в таких моделях.

В пятой главе сформулированы требования к техническому обеспечению автоматизированной системы параметрического проектирования станочной и контрольно-измерительной оснастки, рассмотрены возможности её настройки.

Принцип действия разработанной автоматизированной системы параметрического проектирования сводится к тому, что при изменении исходных данных на проектирование оснастки, рассчитываются конструктивные параметры в зависимости от условий ее работы, (расчеты производится в системе управления базами данных FoxPro 6.0), затем полученные данные передаются в параметрическую модель станочной и контрольно-измерительной оснастки (система T-FLEX CAD 7.2), в состав которой входят сборочный чертеж общего вида, деталировочные чертежи и спецификации. В результате происходит обновление параметров параметрической модели и соответственно обновление чертежей и спецификаций на проектируемую оснастку.

Рис. 5. Схема автоматизированной системы параметрического проектирования станочной и контрольно измерительной оснастки

При работе с автоматизированной системой параметрического проектирования станочной и контрольно-измерительной оснастки пользователю предоставляется возможность настроить автоматизированную систему параметрического проектирования, т. е. расширить базы данных основных элементов оснастки и обновить файловую структуру сборочного чертежа, если придется внести изменения в конструкцию оснастки.

Процесс ввода исходных данных на проектирование станочной и контрольно-измерительной оснастки разбит на несколько основных этапов.

На первом этапе в соответствии с техническим заданием выбирается тип проектируемой оснастки (рис. 6). После определения типа проектируемой оснастки и нажатия на определенный тип меню в зависимости от данного выбора появляется активное меню (рис. 7), которое содержит определенный вид расчета в зависимости от жизненного цикла проектируемой оснастки.

Рис. 6. Выбор типа проектируемой оснастки

После этих расчетов и просмотра результатов они передаются в систему параметрического проектирования T-FLEX CAD версии 7.2.

Проектирование контрольно-измерительной оснастки решено на примере расчета и проектирования предельных калибров (рис. 8).Результатом работы системы является комплект конструкторской документации, в состав которого входят: сборочный чертеж общего вида (рис. 9), сборочные чертежи узлов оснастки, чертежи деталей, спецификации на все сборочные чертежи.

Рис. 7. Выбор типа расчета проектируемой технологической оснастки

Рис. 8. Активное меню автоматизированной системы параметрического проектирования предельных калибров

Рис. 9. Сборочный чертеж общего вида кондуктора

Выполнен расчет по оценке экономического эффекта от внедрения автоматизированной системы параметрического проектирования станочной и контрольно-измерительной оснастки, который составляет 173023 р.

Заключение

Проведенные автором теоретические и экспериментальные исследования в области разработки системы параметрического проектирования технологической и контрольно-измерительной оснастки позволяют сделать следующие выводы по работе:

1. Анализ содержательных аспектов параметризации процесса проектирования позволил выявить и систематизировать методы параметризации, разработать их классификацию, с помощью которой в зависимости от уровня сложности решаемой конструкторской задачи можно выбрать метод параметризации, а затем на его основе систему параметрического проектирования.

2. Проведенные исследования показали возможность моделирования процесса параметризации в виде сетевой модели представления знаний, состоящей из множества структурных элементов, отношений между ними и способов их формирования.

3. Разработанная методика создания сетевой модели объекта проектирования в виде графа древовидной структуры позволяет формировать библиотеки параметрических элементов, составляющих объект проектирования, что было использовано применительно к объектам машиностроительного производства.

4. Разработанный алгоритм уточненного расчета станочной и контрольно-измерительной оснастки учитывает особенности жизненного цикла, построения параметрических моделей оснастки, отдельных деталей конструкции. Данный алгоритм может быть рекомендован для автоматизированного и ручного проектирования оснастки.

5. Внедрение созданной автоматизированной системы параметрического проектирования станочной и контрольно-измерительной оснастки при автоматизации конструкторской подготовки производства в ОАО ГМЗ «Агат» позволило сократить время проектирования и повысить качество получаемой конструкторской документации.

Литература

1. Безъязычный, В.Ф. Анализ проектирования станочных приспособлений с применением инструментов качества [Текст] / В.Ф. Безъязычный, И.Н. Аверьянов, В.В. Голованов // Инструмент и технологии. 2003. №11-12. С.56 59.

2. Аверьянов, И.Н. Основы автоматизированного параметрического проектирования станочной и контрольно-измерительной оснастки [Текст] / И.Н. Аверьянов, В.В. Голованов // «Проблемы определения технологических условий обработки по заданным показателям качества изделий»: материалы Российской научно-технической конференции. Рыбинск: РГАТА, 2003. - С. 267-270.

3. Голованов, В.В. Применение инструментов качества при проектировании приспособлений. [Текст] / В.В. Голованов // «Проблемы определения технологических условий обработки по заданным показателям качества изделий»: материалы Российской научно-технической конференции Рыбинск: РГАТА, 2003. - С. 197-201.

4. Аверьянов, И.Н. Моделирование сложных машиностроительных объектов на примере станочной и контрольно-измерительной оснастки [Текст] / И.Н. Аверьянов, В.В. Голованов // моделирование и обработка информации в технических системах: материалы Российской научно-технической конференции. Рыбинск: РГАТА, 2003. - С.197-201.

5. Аверьянов, И.Н. Параметрическое проектирование станочной и контрольно-измерительной оснастки [Текст] / И.Н. Аверьянов, В.В. Голованов // Российский научно-технический журнал. 2004. №21-22. С.10 13.

Размещено на Allbest.ru