книги / Системы автоматизированного проектирования технологических процессов
..pdfДля оценки уровня создаваемых вариантов вводится целевая функция и формируется критерий оптимальности, т.е. правило предпочтения одного варианта другому.
Наиболее часто задачу определения оптимальной последовательности переходов решают при обработке ступенчатых поверхностей детали (пло ских, цилиндрических, наружных и внутренних), например при черновой то карной обработке ступенчатых валов, когда в качестве заготовки принимает ся прокат и каждая ступень вала имеет различный по величине напуск. Ана лиз возможных вариантов выполняется с помощью целевой функции, учиты вающей величину перемещения инструмента.
Другим характерным примером оптимизации структуры операции яв ляется сверление нескольких отверстий в корпусной детали. Здесь необхо димо отыскать между отверстиями маршрут наименьшей протяженности.
Для решения указанных задач обрабогки ступенчатых поверхностей и сверления отверстий используется метод динамического программирования.
6.5. Расчет технологических размеров
Технологические размеры определяются на основе расчета техноло гических размерных цепей.
Размерной цепью принято называть совокупность последовательно связанных размеров.
Размерные цепи могут быть разомкнутыми и замкнутыми. Например, на чертеж детали обычно наносят только те размеры, которые необходимы для ее изготовления. При этом размерные цепи оказываются разомкнутыми. Иногда на чертеже указывают дополнительные размеры, отмеченные знаком ф, а в технических требованиях записывают: «* Размеры для спра вок». В этом случае размерные цепи оказываются замкнутыми (рис. 6.3, а).
40 ± 0,2 |
30-0,1 |
20* |
90-0,7
Рис. 6.3. Замкнутая размерная цепы а - на чертеже детали; б - схема размерной цепи
Размеры, входящие в размерную цепь, называют звеньями. В замкну той размерной цепи одно из звеньев считают замыкающим, а остальные - со ставляющими.
Замыкающим называют звено, которое получается в результате вы полнения остальных звеньев данной цепи.
В зависимости от расположения звеньев в пространстве размерные цепи подразделяют на линейные, плоские и пространственные.
Линейной называется цепь, состоящая из размеров, лежащих на одной прямой или на нескольких параллельных прямых.
При размерном анализе выявляют непосредственно невыполняемые размеры, а затем формируют размерные цепи. Для наглядности каждую раз мерную цепь представляют в виде отдельной схемы (рис.6.3, б). Составляю щие звенья на схеме изображают одинарной линией, а замыкающие - двой ной.
Составляющие звенья можно разделить на увеличивающие и умень шающие. Увеличивающими называют составляющие звенья, при увеличении которых замыкающее звено увеличивается, уменьшающими - при увеличе нии которых замыкающее звено уменьшается. Увеличивающие звенья обо
значают Ах, уменьшающие - Ах
Учитывая обозначения увеличивающих и уменьшающих звеньев, по лучим выражение для определения величины замыкающего звена:
пт -1 ^
А0 ~ |
~ |
(6. 1) |
|
/=1 |
1=п+\ |
где п - число увеличивающих звеньев; т - общее число звеньев цепи, вклю чая замыкающее звено.
Наибольший предельный размер замыкающего звена
Ао = ы ,тах + л2тах + . . . + А ™ ) - ( А ™ + А™2+ ... + А Г {).
Наименьший предельный размер замыкающего звена
V m = U 1min+ ^ min- ‘ ' |
т т |
max\ |
+ ...+ V |
“ ) - ( ^ f f + 4 E 5 |
+ ... + Ат-1 /• |
Разность наибольшего и наименьшего предельных размеров замы
кающего звена определяет величину его допуска ТА$ , который выражается в виде
j тт\ , . |
|
~ а 2 |
)+...+ |
+ (4и- |
_ лЛ т-1т т ). |
При замене выражений, находящихся в скобках, соответствующими допусками получается формула для определения допуска замыкающею звена через допуски составляющих звеньев линейной размерной цепи:
ТЛ, = ТЛ, + тл, +... + ТА^ , ш ш Т Ал= mf j A: |
(6.2) |
1=1 |
|
Уравнения (6.1) и (6.2) являются основными уравнениями размерной
цепи.
При размерном анализе встречаются две группы задач: проверочные и проектные.
Проверочные задачи заключаются в определении характеристик за мыкающего звена по известным характеристикам составляющих звеньев. Например, номинальный размер (см. рис. 6.3)
^Кном) = ^1(ном) ~ ^2(ном) “ ^3<ном) = 90 —40 - 30 = 20,
средний размер
^Кср) = ^i(cp) ~ ^2(ср) " ^З(ср) = 89,65 - 40 - 29,95 = 19,7
Допуск размера Ао |
|
Та, = ТАх + ТЛ7 + 7 ^ = 0,7 + 0,4 + 0,1 = 1,2, |
«19,7 ± 0,6 |
Проектные задачи заключаются в определении характеристик одного или нескольких составляющих звеньев по известным характеристикам замы кающего звена.
Для расчета размерных цепей применяют два метода: метод максиму ма-минимума и вероятностный.
При расчете предельных размеров замыкающего звена методом мак симума-минимума предполагают, что в цепи возможно наихудшее сочетание предельных размеров составляющих звеньев: увеличивающие звенья имеют наибольшие размеры, уменьшающие - наименьшие. Поле рассеяния замы кающего звена оказывается наибольшим и содержит все 100 % случаев реа лизации цепи (все возможные значения замыкающего звена будут лежать в расчетных пределах).
При использовании вероятностного метода определяют «условное» поле замыкающего звена, содержащее менее 100% возможных случаев. При реализации цепи появляется некоторая вероятность того, что значения замы кающего звена окажутся вне допустимых пределов.
При расчете цепей вероятностным методом основное уравнение, ис пользуемое для расчета номинального и среднего размеров, остается неиз менным. Поэтому номинальный и средний размеры замыкающего звена, рас считанные двумя методами, совпадают.
Разница в расчетах при решении проверочных задач проявляется в определении поля рассеяния замыкающего звена. Уравнение полей рассеяния (допуска) для расчета методом максимума-минимума приведено выше (фор мула (6.2)). При расчетах вероятностным методом величина допуска замы кающего звена получается меньше, чем при расчетах методом максимумаминимума. Имеется несколько разновидностей формул вероятностного рас чета поля рассеяния. При выполнении размеров составляющих звеньев по за кону нормального распределения формула приобретает вид
Расчет технологических размеров выполняется в следующем порядке:
1.Строят размерную схему технологического процесса.
2.Выявляют замыкающие звенья (чертежные размеры и припуски на обработку) и относительно каждого замыкающего звена строят размерную цепь.
3.Составляют уравнения замыкающих звеньев.
4.Решают уравнения замыкающих звеньев.
Построение размерных цепей и решение уравнений начинается с кон-
цаТП.
Задача размерного анализа с позиции теории автоматизированного проектирования отнесена к группе расчетных для решения уравнений. Выяв ление звеньев и построение схемы выполняются в диалоговом режиме.
6.6. Проектирование операций
Для проектирования отдельной операции необходимо знать следую щее: маршрут обработки заготовки, схему ее базирования и закрепления, ка кие поверхности на какой размер и с какой точностью нужно обрабатывать, какие поверхности на какой размер и с какой точностью были обработаны на предшествующих операциях, припуск на обработку, а также темп работы, если операция проектируется для поточной линии.
Проектируя технологическую операцию, стремятся к уменьшению штучного времени /ш (время на изготовление одной детали). При поточном
методе обработки штучное время увязывают с темпом работы, обеспечивая заданную производительность поточной линии.
При проектировании операции уточняют ее содержание (намеченное ранее при составлении маршрута обработки), устанавливают последователь ность и возможность совмещения переходов во времени, окончательно вы бирают оборудование, инструменты и приспособление (или дают задание на
их конструирование), назначают режимы резания, определяют норму време ни, устанавливают настроечные размеры и составляю! схему наладки.
Норму времени сокращают, уменьшая ее составляющие и совмещая время выполнения технологических переходов. Основное, или технологиче ское, время t0(время на достижение цели операции по изменению заготовки, т.е. время на снятие стружки) сокращают, применяя высокопроизводитель ные режущие инструменты и режимы резания, уменьшая припуски на обра ботку, числа проходов и переходов при обработке поверхностей.
Вспомогательное время (в (время на осуществление действий, соз дающих возможность выполнения основной работы) сокращают за счет уменьшения времени вспомогательных ходов станка, рационального по строения процесса обработки, а также уменьшения времени на установку и снятие заготовок путем использования приспособлений с быстродействую щими зажимными устройствами. При одновременном выполнении основных и вспомогательных операций, т.е. при совмещении t0 и /а, сокращается штуч ное временя /ш, в него входят лишь наиболее продолжительные элементы времени из числа всех совмещаемых.
В результате определения структуры и последовательности операций формируется условный маршрут изготовления детали в следующем виде: номер этапа обработки, номер и наименование операции, комплект баз и пе реходов, входящих в данную операцию. Для получения технологического маршрута условный маршрут обработки необходимо дополнить слесарными, контрольными и промывочными операциями.
Слесарные операции (вспомогательные механические операции по снятию заусенцев, зачистке и притуплению кромок) должны быть введены в
следующих случаях:
-если чертежом задано притупление острых кромок;
-после методов обработки, образующих заусенцы (фрезерование, долбление, сверление);
-перед операциями термической и гальванической обработки;
после операций термической обработки.
Контрольные операции выполняются перед термическими и зубооб рабатывающими операциями, при переходе обработки в другой цех и в конце ТП.
6.6.1. Выбор технологической оснастки
Под технологической оснасткой понимают средства технологического оснащения, дополняющие технологическое оборудование и предназначенные для выполнения определенной части технологического процесса. Технологи ческой оснасткой являются приспособления, режущий инструмент, штампы, мерительные инструменты, пресс-формы, модели, литейные формы.
Приспособления - наиболее сложная и трудоемкая в изготовлении часть технологической оснастки. По целевому назначению приспособления
делят на пять групп:
JСтаночные приспособления для установки и закрепления заготовок.
Взависимости от вида механической обработки подразделяют на приспособ ления для токарных, сверлильных, фрезерных, шлифовальных, многоцелевых
идругих станков. Эти приспособления осуществляют связь заготовки со
станком.
2. Станочные приспособления для установки и закрепления рабочего инструмента (их называют также вспомогательным инструментом). Они осуществляют связь между инструментом и станком. К таким приспособле ниям относятся: патроны для сверл, разверток, метчиков; многошпиндельные сверлильные, фрезерные, револьверные головки; инструментальные держав ки, блоки и т.п.
С помощью приспособлений указанных выше групп осуществляют наладку системы станок - заготовка - инструмент.
3.Сборочные приспособления для соединения сопрягаемых деталей изделия, для крепления базовых деталей, обеспечения правильной установки соединяемых элементов изделия, предварительной сборки упругих элемен тов (пружин, разрезных колец) и др.
4.Контрольные приспособления для проверки отклонения размеров, формы и взаимного расположения поверхностей, сопряжения сборочных единиц, а также для контроля конструктивных параметров в процессе сбор ки.
5.Приспособления для захвата, перемещения и переворота тяжелых заготовок, а в автоматизированном производстве и ГПС и легких заготовок, и собираемых изделий. Приспособления являются рабочими органами про мышленных роботов.
Взависимости от степени унификации и стандартизации в машино строении и приборостроении в соответствии с требованиями ЕСТПП утвер ждены следующие стандартные системы станочных приспособлений:
- универсально-безналадочные УБП (различные центры - жесткие, рифленые, вращающиеся; поводковые устройства, зажимы, патроны различ ных типов, оправки, магнитные и электромагнитные плиты);
- |
универсально-наладочные |
- УНП |
(машинные тиски, скальчатые |
шайбы^^ |
патроны с различными приводами, план- |
||
- |
специализированные наладочные |
СНП - для установки заготовок |
|
различных размеров (в заданном диапазоне), близких по конфигурации с идентичными схемами базирования;
- универсально-сборочные - УСП, компонуемые на стандартизован ных плитах различных размеров (нормализация гидравлических, пневмати
ческих, магнитных устройств позволяет применять УСП и в крупносерийном производстве);
сборно-разборные - СРП (разновидность УСГ1), состоящие из сменных специальных наладок для долгосрочного применения;
- неразборные специальные —НСП —для оснащения конкретных операций индивидуального и группового производства однотипных по фор ме заготовок с идентичными схемами базирования.
При выборе приспособления обычно сопоставляют различные конст руктивные варианты для выполнения одной и той же операции. Технико экономическое обоснование применения того или иного приспособления учитывает ряд факторов: трудоемкость конструкторских работ; степень ис пользования в приспособлении нормализованных узлов и деталей; возмож ность повторного использования при смене объекта производства; металло емкость и размеры приспособлений; трудоемкость изготовления; повышение точности операции; трудоемкость сборки, компоновки универсально сборных, сборно-разборных и специализированных наладочных приспособ лений; возможность и длительность переналадки для изготовления других деталей.
Выбор режущих инструментов при оснащении ТП производят с уче том: вида станка; метода обработки, режимов и условий работы; материала заготовки, ее размеров и конфигурации; требуемых точности обработки и шероховатости поверхностей; типа производства; заданных объема выпуска деталей и производительности обработки; стоимости инструмента и затрат на его эксплуатацию.
Средства контроля выбирают с учетом типа производства, метрологи ческих характеристик инструмента (пределы измерения, пределы показания, цена деления и точность измерения), конструкторских особенностей деталей (габариты, масса, жесткость, шероховатость поверхностей), экономических соображений, а также с учетом улучшения условий труда контролеров. В единичном производстве используют универсальные измерительные средст ва. В серийном производстве наряду с универсальными средствами приме няют контрольные приспособления и предельные калибры. В массовом про изводстве широко используют специальные контрольно-измерительные при боры, контрольные приспособления многомерного типа, а также устройства для автоматического контроля.
Задача выбора средств технологического оснащения (СТО) относится к слабоструктурированным задачам. Для ее решения используют локализа цию системы, т.е. сужение номенклатуры деталей, охватываемых системой. Тип режущего инструмента определяется выбранным методом обработки. Выбор типоразмера инструмента легко формализуется. Для реализации вы бора решения разработаны надежные алгоритмы.
В таблицах T02S и TP2S представлен упрощенный алгоритм выбора сверла на языке таблиц решений:
Диаметр отверстия меньше или равен 20 мм
Обозначение сверла Обозначение сверла Сверло не выбрано Стандарт Стандарт
£)< = 20 |
Да |
|
D < =50 |
Да |
Нет |
(ТТС) РИ1 =(ТР2S) |
1 |
|
(ТТС) РИ1 = (TP3S) |
1 |
|
(ТТС)РИ1=' ' |
|
1 |
(ТТС) РИ4 = ТОСТ 10902-77' |
2 |
|
(ТТС) РИ4 = ТОСТ 10903-77 |
2 |
|
ТР25 Сверла с цилиндрическим хвостовиком (ГОСТ 10902-77)
D > ~ |
К - |
Обозначение |
20 |
130 |
'2300-0249' |
19,75 |
130 |
*2300-0340' |
19,50 |
130 |
'2300-0248' |
19,40 |
130 |
'2300-0247' |
19,25 |
130 |
'2300-0246' |
19,00 |
125 |
*2300-0245' |
T02S - таблица решений с ограниченными входами, TP2S- с расширенными входами, D - диаметр обрабатываемого отверстия, L - длина отверстия.
6.6.2. Установление режимов резания
Расчет режимов резания относится к основной задаче параметрической оптимизации в проектировании ТП. Установленные режимы должны обеспе чивать требуемое качество изделия при минимальных затратах общественно го труда.
При оптимизации наиболее распространенных процессов механиче ской обработки (точение, сверление, фрезерование) под режимами обработки понимается совокупность глубины резания t, подачи s, скорости v. Эти пере менные являются управляемыми.
Степень влияния отдельных переменных на основные показатели оп тимизируемого процесса различна, поэтому необходимо учитывать наиболее значимые режимы обработки. При наружном точении наиболее значимой пе ременной, влияющей на производительность обработки, является глубина обработки /, а не подача s. Если сравнивать скорость резания v и подачу s, увеличивать подачу выгоднее, чем скорость резания.
Один из первых подходов к параметрической оптимизации ТП касался вопроса оптимизации режимов резания методом линейного программирова ния. Это первый метод оптимизации, осуществляемый в процессе проекти рования ТП. В основе этого метода лежит построение математической моде-
188
ли (ММ), включающей в себя совокупность технических ограничений и оце ночную функцию упрощенного вида, приведенных к линейному виду лога рифмированием. Построим ММ процесса резания для операций точения, сверления и фрезерования.
Качество ММ и ее достоверность зависят от выбора технических огра ничений, в наибольшей степени определяющих описываемый процесс. К наиболее важным ограничениям, составляющим основу ММ процесса реза ния, относятся: режущие возможности инструмента; мощность электродви гателя привода главного движения; заданная производительность станка; наименьшая и наибольшая скорость резания и подача, допускаемые кинема тикой станка; прочность и жесткость режущего инструмента; точность обра ботки; шероховатость обработанной поверхности.
Рассмотрим особенности построения некоторых технических ограни чений.
Ограничение 1. Режущие возможности инструмента. Это ограничение устанавливает связь между скоростью резания, определяемой принятой стой костью инструмента, его геометрией, глубиной резания, подачей и механиче скими свойствами обрабатываемого материала, с одной стороны, и скоро стью резания, определяемой кинематикой станка, - с другой.
Скорость резания для различных видов обработки определяется по формуле
CVD2'K V
v
TmtXvsy'Z u'B rv *
где Cv - коэффициент, учитывающий условия обработки; D - диаметр по верхности; Kv - поправочный коэффициент; Т - стойкость инструмента; г- глубина резания; s - подача; Z - число зубьев инструмента; В - ширина обра
ботки; Zv, m, Xv,yvt и„ rv- показатели степеней.
В то же время скорость резания определяется кинематикой станка со гласно зависимости
v = TIDH/IOOO,
где я - коэффициент, п - частота вращения.
Приравнивая правые части формул и выполняя преобразование, полу чаем выражение первого технического ограничения в виде
ппт5У* ^ 3 1 8 —
Tmtxv Z "v Br*
Ограничение 2. Мощность электродвигателя привода главного движе ния. Этим ограничением устанавливается взаимосвязь между эффективной мощностью, затрачиваемой на процесс резания, и мощностью электроприво да станка.
Мощность, затрачиваемая на резание,
Cztx*nnzsy*%Br*Zu'K z
Учитывая необходимое условие протекания процесса резания, получа ем неравенство
Л'эф = £NHr\.
Приравнивая правые части выражений, записываем второе техниче ское о!раничение в виде неравенства
е>*1 ^ |
NH4KCg |
C7tXz Dz4iBr*Zu*Kz
Ограничения по наименьшим и наибольшим допустимым скоростям резания и подачам записываются в следующем виде:
п - п ст min |
и |
п - |
п ст шах |
5 —5 ci min |
и |
s - |
5 ст max |
Используя формулы для определения предела прочности, максималь ной нагрузки по жесткости резца, заготовки, прочности механизмов подач, шероховатости, можно получить остальные выражения технического огра
ничения в виде г)а1 -s°2 <>ba3
При оптимизации по двум элементам режимов резания п и s без изме нения /, Т и других технических факторов критерий оптимальности выража ется достаточно просто. Так, для минимальной себестоимости операции можно записать
Con=Cxi{ns),
где С] - постоянная, не зависящая от режимов резания п n s .
Соп будет минимальным при максимальном произведении ns, т.е. оце ночная функция будет иметь вид
f 0 = {ns)max