Автоматизация проектирования режимов резания на многоцелевых станках

Таким образом, на основе опыта эксплуатации сложной РЭА ввиду многообразия ее отказов и признаков их проявлений предложена расширенная классификация вида отказа. Определение вида отказа в процессе текущего ремонта необходимо для выработки правильной последовательности замены неработоспособных элементов на работоспособные. Однако эта задача достаточно сложная и может занимать много времени. Автоматизация решения данной задачи возможна с помощью идентификационной модели РЭА, а также формализованного описания процесса распознавания вида отказа РЭА и определения порядка замены неработоспособных ТЭЗ.

Литература

1. Давыдов П.С. Техническая диагностика радиоэлектронных систем. М.: Радио и связь, 1988. 256 с.

2. Игнатьев С.В., Клемин А.А., Черняк А.В. Критерии идентификации видов отказов радиоэлектронной аппаратуры для диагностических систем с элементами искусственного интеллекта // Актуальные проблемы вузов ВВС: межвуз. сб. науч. тр. М.: МО РФ, 2002. Вып. 13.

3. Клемин А.А., Игнатьев С.В., Черняк А.В. Метод идентификации видов отказов радиоэлектронной аппаратуры для диагностических систем с элементами искусственного интеллекта // Изв. вузов. Радиоэлектроника. Киев: Изд-во КПИ, 2004. Вып. 3.

References

1. Davydov P.S., Tekhnicheskaya diagnostika radioelek-tronnykh system [Technical diagnostics of radioelectronic systems], Radio i svyaz, 1988, 256 p.

2. Ignatev S.V., Klemin А.А., Chernyak A.V., Aktualnye problemy vuzov VVS: Mezhvuz. sb. nauch. tr. [Contemporary issues of Air Force universities: interacademic collected papers], Iss. 13, Moscow, MO RF, 2002.

3. Klemin А.А., Ignatev S.V., Chernyak A.V., Radio-electronics and Communications Systems, Iss. 3, Kiev, KPI, 2004.

УДК 621.91:004.942

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ НА МНОГОЦЕЛЕВЫХ СТАНКАХ

Р.Р. Рахматуллин, к.т.н., доцент; А.О. Казаков, ведущий инженер; В.А. Кузьмин, ведущий инженер; А.И. Сердюк, д.т.н., профессор, директор

Рассматривается проблема повышения эффективности эксплуатации современных многоцелевых станков с ЧПУ за счет автоматизированного выбора режимов резания по варьирующимся производственным показателям. Разработан метод формализованного расчета и оценки режимов резания по текущим критериям эффективности работы многоцелевых станков.

Предложены математические модели и программный продукт, позволяющий для каждого технологического перехода сгенерировать множество вариантов режимов резания с последующим выбором оптимального по любому из предлагаемых показателей эффективности. Реализована подсистема моделирования работы станка, предоставляющая возможность выявить и сократить внеплановые простои для каждого технологического процесса изготовления деталей, а также проанализировать множество технологических процессов с целью выбора наилучшего по используемым критериям станка из имеющегося парка для оптимизации режимов резания, номенклатуры режущих инструментов, плановой длительности цикла работы станка.

Разработанный авторами программный продукт может использоваться на предприятиях машиностроительного профиля как для оперативного синтеза режимов резания по текущим критериям планирования производства, так и для обоснованного формирования технического задания на приобретение новых многоцелевых станков.

Ключевые слова: механическая обработка, многоцелевые станки, режимы резания, критерии эффективности, автоматизация проектирования.

CUTTING MODES DESIGN AUTOMATION FOR MULTIPURPOSE MACHINES Rakhmatullin R.R., Ph.D., Associate Professor; Kazakov A.O., Leading Engineer; Kuzmin V.A., Leading Engineer;

Serdyuk A.I., Ph.D., Professor, Director Aerospace Institute (Orenburg State University, Aerospace Institute, Orenburg, 13, Pobedy Av., Orenburg, 460018, Russia, 333333p@mail.ru, aksot871@mail.ru, Biomehanoid@bk.ru, sap@mail.osu.ru) Abstract. Production efficiency increasing of modern multipurpose computer numerical control (CNC) equipment is considered in the article. The efficiency is achieved due to an automated choice of the cutting mode according to varying production figures.

The method of formalized calculation and assessment of the cutting mode according to present efficiency criteria is worked out.

The offered numerical schemes and software can generate various cutting modes and choose optimal one according to any given efficiency index. Simulating subsystem of the equipment operation that is able to find and reduce sudden standstills for every engineering procedure of a part construction. The subsystem can also analyse many engineering procedures to choose the best one according to given criteria of the equipment, for optimal cutting mode, nomenclature of cutting tools, planned operation period.

The developed software can be useful for engineering to synthesize efficiently cutting modes according to current criteria of industrial planning as well as booking new multipurpose equipment.

Keywords: mechanical processing, multipurpose machine tools, the regimes of cutting, criterion of effectiveness, the automation of the design.

Техническое перевооружение машиностроительных предприятий сопровождается приобретением современных многоцелевых станков (МЦС) с расширенными технологическими возможностями и автоматической сменой режущих инструментов. Высокая стоимость МЦС, необходимость возврата вложенных средств и сокращения сроков окупаемости предъявляют повышенные требования к организации их использования.

Жесткость, быстроходность и мощные приводы МЦС, высокие режущие свойства современных инструментов позволяют вести механическую обработку заготовок в широком диапазоне режимов резания, выбираемых в зависимости от текущих критериев эффективности производства.

Однако на практике при разработке управляющей программы (УП) для системы ЧПУ технолог назначает режим резания исходя из собственного опыта или нормативных данных. Единожды разработанная УП с фиксированными режимами резания становится неизменной, что исключает возможность оперативного управления режимами при изменении критериев планирования производства.

Для решения проблемы разработано компьютерное приложение, позволяющее синтезировать оптимальный вариант режима резания по одному из нескольких критериев эффективности. Приложение включает два программных модуля: модуль расчета вариантов режимов резания, времени выполнения технологических переходов и стойкости режущих инструментов и модуль моделирования работы станка при выполнении множества технологических процессов при выбранном варианте режима резания с расчетом показателей эффективности функционирования МЦС.

Программный модуль расчета вариантов режимов резания

В основу расчета режимов резания положен традиционный аналитический метод, при котором в зависимости от величины припуска, требований к точности и шероховатости поверхности назначаются глубина резания и оборотная подача 5"о (или подача на зуб для фрезерования). Далее последовательно рассчитываются и корректируются поправочными коэффициентами стойкость инструмента Т, скорость резания Крез, частота

вращения шпинделя п, минутная подача Sm, путь резания Ьрез и машинное время /маш.

Для практических расчетов аналитический метод модифицирован путем приведения взаимосвязанных функций Т и ¿маш к общему аргументу Это позволило получить систему уравнений вида:

s„

S,

Т —

ic у.

V.

V —

рез

пх dх n 1000 ;

, _ рез qt f г*

'маш — ; SM G Р,

'Ш1П

м '

, S

max м

};

рез /

£о, 8=свт1; п=уаг, где п - частота вращения шпинделя, об.4; г - число зубьев фрезы, шт.; ё - диаметр обработки, мм; т - безразмерный коэффициент относительной стойкости инструмента.

Нижняя граница интервала варьирования минутной подачи Smmln устанавливается исходя из нормативной стойкости инструмента Тн решением системы обратных уравнений:

& =

v --c.

Ре3 (Тн).

1000 xVpe3

S х z х n S0 х n

пхё

Верхняя граница Smmax устанавливается программно по условию Т > ^, что означает запрет на выполнение одного перехода более чем одним инструментом.

Вспомогательное время перехода 4 рассчитывается как

4=

где /си - время цикла смены инструмента в рабочей зоне, с; к - булева (логическая) переменная: к=0, если предыдущий переход выполнен этим же инструментом, и к=1 в противоположном случае.

Трудоемкость технологической операции /шт на МЦС составит:

t — Y (ti +ti) +1 х q +1

ттгг / j V маш в си ^ ц

где I - индекс технологического перехода в операции; п - число технологических переходов; q -число смен инструмента в рабочей зоне; /ц - время цикла смены заготовки.

Выражение (4) служит для приближенного расчета /шт, поскольку более точные значения 4 можно установить лишь расчетом по управляющей программе.

n —

i—1

Выражения (1)-(4) описывают взаимосвязи режимов резания £рез, £м, п, Крез, Т с трудоемкостью обработки /шт.

Разработанный программный модуль «Режим» (рис. 1) позволяет для всех видов технологических переходов на МЦС (черновое, чистовое и тонкое фрезерование, растачивание, зенкерование, развертывание, нарезание резьбы, сверление и рассверливание) для Бт е (Б™п,..., БТ*) автоматически сгенерировать до 30 вариантов режимов резания, отличающихся величиной минутной подачи <%, стойкостью инструмента Т и машинным временем /маш.

Рис. 1. Экранная форма программного модуля «Режим» с результатами расчета режимов резания при варьировании минутной подачи

Тем самым обеспечена возможность выбора любого варианта режимов резания п, Крез, Т и /шт) для оценки эффективности его применения в УП ЧПУ по текущим критериям эффективности производства.

Современные режущие инструменты поставляются фирмами-производителями с указанием конкретных режимов резания. Отклонение от рекомендованных параметров, связанное с варьированием режимов резания, приводит к изменению стойкости инструментов. В этом случае необходимо либо экспериментально выявить закономерности изменения стойкости, либо попытаться получить такие данные от фирмы-производителя. Далее данные закономерности в математическом виде добавляются в программный модуль.

Программный модуль моделирования работы МЦС

Для оценки эффективности работы МЦС при выбранном варианте режимов резания разработан программный модуль, моделирующий работу станка методом автоматизированного построения циклограмм [1, 2].

Суть разработанного алгоритма моделирования заключается в автоматизированном синтезе цепочки последовательных взаимообусловленных отрезков времени на выполнение технологических переходов, а также элементарных составляющих циклов смены инструментов и заготовок. При этом переменными составляющими циклов являются время технологических переходов (/маш+/в) и время поворотов магазина /МИ при подготовке инструментов [3, 4].

Графическая иллюстрация результатов моделирования в виде циклограммы работы станка (рис. 2) позволяет убедиться в правильности работы программы, визуально оценить наличие и причины потерь эффективности работы станка, количественно оценить потери по соответствующим критериям эффективности.

МИ

АСИ ШП

ДЕТ

/, сек

Рис. 2. Формальное описание циклограммы работы многоцелевого станка: МИ - магазин инструментов, АСИ - устройства автоматической смены инструментов, ШП - шпиндель (выполнение технологического

перехода), ДЕТ - смена детали в рабочей зоне

В качестве критериев эффективности работы станка при разных вариантах режимов резания могут использоваться расход режущих инструментов (РИ) АрИ, себестоимость обработки СО, коэффициенты загрузки по машинному кмаш и оперативному коп времени, производительность Р0, прирост срока окупаемости оборудования ЬО.

Математические модели к расчету эффективности работы МЦС следующие.

• Условие формирования количества технологических операций в сменном задании (СЗ):

ТЦ

X (1 -а) — £^хN

< Тц , где Тц

плановое

время автоматической работы станка; а - коэффициент недогрузки станка (1-3 %); г - штучное время технологической операции /-го наименования; N - число операций /-го наименования в СЗ; М - номенклатура технологических операций.

• Число технологических операций в СЗ ЖС3,

м

шт.: «сз = У N , где N - число технологических

1=1

операций /-го наименования; М - номенклатура технологических операций в СЗ.

• Фактическое время выполнения СЗ Тсз,

«СЗ И

мин.: Т~ = с,хX УУ(г +1 + г + г + г ),

СЗ см СЗ / , / А си1 МИ у си2 машу в у ^

'=1 у=1

где Тсм - цикл смены заготовки в рабочей зоне станка; 1 , 1сщ - составляющие цикла смены РИ;

г , г - соответственно машинное и вспомогательное время у-го из п/ технологических переходов /-й операции.

N

• Производительность РО, шт./час: Р0 = —— ,

ТС3

где ЖС3 - число технологических операций в СЗ; Тсз - фактическое время выполнения СЗ.

• Расход режущих инструментов ЖРИ, шт.:

Угк

/ у м:

1у М У маш.

«РИ X«у , где 4

к=1 ]=1 Т

- машинное

время технологического перехода, выполняемого РИ к-го наименования; Т - стойкость инструмента

7 к

к-го наименования; и  - число переходов, выполняемых к-м инструментом в операции у-го наименования; N - число у-х технологических операций; /Е - номенклатура используемых РИ.

• Себестоимость выполнения технологической операции, С0, руб./шт.: с = Ех(ТСз + Рх«РИ),

0 N

«СЗ

где Е - стоимость станко-минуты работы станка, руб./мин.; Тсз - фактическое время выполнения СЗ; р - коэффициент стоимости инструмента; ЖС3 - число технологических операций в сменном задании, шт.

Коэффициент загрузки по машинному вре-

мени кмаш: кмаш =

«СЗ И

У У г

/ ^ / ' маш у '•=11=1

Т

где гм;

машинное

время у-го из п/ технологических переходов /-й операции.

• Коэффициент загрузки по оперативному

«С3 И'

У У( ^маш,, + О

7 7 '=1 1=1

времени коп: коп = —

Т

где г , г

- соответственно машинное и вспомогательное время у-го из ni технологических переходов /-й операции.

• Коэффициент прироста срока окупаемости

станка, Ь0: ^ =

Т

где 1шт - штуч-

коп хУ

ное время технологической операции /-го наименования; Ж, - число операций /-го наименования в СЗ; М - номенклатура технологических операций.

Исходные данные для работы программы моделирования включают технические характеристики станка, сведения о технологических процессах, включая режимы резания, номенклатуру и стойкость РИ, а также сведения об исходном размещении инструментов в магазине станка. В программе моделирования предусмотрены два режима работы: моделирование текущего СЗ и моделирование на выборке вариантов СЗ (статистика).

В режиме моделирования текущего СЗ создается текстовый файл с цифровым представлением результатов моделирования. Цифровые данные интерпретируются на отдельной экранной форме в виде циклограммы работы станка и его агрегатов, а также в виде сводной круговой диаграммы баланса времени и показателей эффективности работы станка (рис. 3).

«го 1гв 45 1*э шо

Рис. 3. Форма результатов работы программы в режиме «Сменное задание»

Данный режим работы предназначен для анализа единичного техпроцесса или сменного зада-

9

'=1

к

И

ния. Анализ может производиться по одному или нескольким из используемых критериев для разных станков, различных режимов резания, вариантов размещения инструментов в гнездах магазина. Возможны организация и использование базы данных по различным моделям МЦС, имеющимся на предприятии.

Режим статистики применяется для анализа множества техпроцессов или СЗ. Оценка результатов выполняется на основе статистически рассчитанных параметров вероятностного распределения значений выбранного критерия ЛрИ, СО,

^ого РО> ^О•

Целью анализа могут служить выбор наилучшего по используемым критериям станка из имеющегося парка, формирование ТЗ на приобретение нового станка, оптимизация режимов резания, номенклатуры РИ, плановой длительности цикла работы станка (рис. 4) и прочее.

300 360 420 480 Цикл работы станка Тц, мин.

Рис. 4. Зависимость себестоимости обработки на многоцелевом станке от длительности цикла его работы

С использованием разработанного метода формализованного расчета и оценки режимов резания по текущим критериям эффективности работы многоцелевых станков разработан программный продукт, позволяющий в автоматизированном режиме сформировать до 30 вариантов режимов резания и оценить их эффективность по восьми критериям.

Программный продукт может использоваться на предприятиях машиностроительного профиля как для оперативного синтеза режимов резания по текущим критериям планирования производства, так и для обоснованного формирования технического задания на приобретение новых многоцелевых станков.

Интеграция программного продукта с современными САПР, используемыми на промышленных предприятиях, возможна путем автоматической подстановки режимных параметров в текст управляющей программы системы ЧПУ, например в форматах STL, UNICODE; через обменные файлы, например в форматах DBF, ADM, STEP; путем диалогового переноса в смежное окно графической системы, например в CATIA, CIMATRON, PROENGINEER.

Дальнейшее расширение функциональных возможностей программного продукта ведется в направлении автоматической оптимизации режимов резания и их передачи в управляющую программу системы ЧПУ станка.

Литература

1. Сердюк А.И., Сергеев А.И. Метод циклограмм в построении компьютерных моделей ГПС // Автоматизация и современные технологии. 2005.№ 11. С. 17-23.

2. Сердюк А.И., Рахматуллин Р.Р. Проектирование гибких производственных ячеек методом автоматизированного построения циклограмм // Вестн. машиностроения. 2008. N° 4. С. 85-87.

3. Сердюк А.И., Рахматуллин Р.Р., Зеленин А.П. Метод циклограмм в исследовании гибких производственных ячеек. Модели и алгоритмы: монография. Оренбург: ОГУ, 2009.

4. Сердюк А.И., Рахматуллин Р.Р., Шамаев С.Ю., Назаров С.А. Алгоритмы автоматизированного построения циклограмм работы оборудования // Технология машиностроения. 2010. № 9. С. 51-56.

5. Гильфанова Ф.Ф. Автоматизированное построение и анализ циклограмм работы технических систем // Наука и об-разование-2005: матер. всеросс. науч.-практ. конф. Нефтекамск. ИЦ НФ БашГУ. Нефтекамск, 2005. С. 37-39.

6. Плотников А.Л. Повышение надежности определения режима резания для автоматизированного оборудования // СТИН. 2000. № 5. C. 20-25.

References

1. Serdyuk A.I., Sergeev A.I., Avtomatizatsiya i sovremennye tekhnologii [Automation and modern technologies], 2005, no. 11, pp. 17-23.

2. Serdyuk A.I., Rakhmatullin R.R., Russian Engineering Research, 2008, no. 4, pp. 85-87.

3. Serdyuk A.I., Rakhmatullin R.R., Zelenin A.P., Metod tsiklogramm v issledovanii gibkikh proizvodstvennykh yacheek. Modeli i algoritmy [The Method of Sequence Diagrams in the Research of Flexible Manufacturing Cells. Models and Algorithms], Orenburg, 2009.

4. Serdyuk A.I., Rakhmatullin R.R., Shamaev S.Y., Nazarov S.A., Tekhnologiya mashinostroeniya [Engineering technique], 2010, no. 9, pp. 51-56.

5. Gilfanova F.F., Nauka i obrazovanie-2005: mater. vseross. nauch.-prakt. konf. [Science and education-2005: proc. of the first All-Russian scientific and technical conf.], 2005, pp. 37-39.

6. Plotnikov A.L., Russian Engineering Research, 2000, no. 5, pp. 20-25.

Вниманию авторов!

Пристатейный список литературы (не менее 3 пунктов) необходимо транслитерировать в соответствии с общепринятыми в мировой практике правилами библиографических описаний на латинице. Новые редакционные требования на сайте журнала www.swsys.ru.

250

и200

50

00

50

60

120

180

240