Программно-аппаратный комплекс автоматизации изготовления корпусных деталей на основе управления статистической настройкой инструмента

УДК 62-503.55

ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС АВТОМАТИЗАЦИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ УПРАВЛЕНИЯ СТАТИСТИЧЕСКОЙ НАСТРОЙКОЙ

ИНСТРУМЕНТА

В.И. Аверченков, А.В. Аверченков, Р. А. Филиппов, Л.Б. Филиппова,

А.С. Сазонова

Рассмотрены особенности настройки оборудования с ЧПУ с датчиками контактного типа, модель процедуры расчета величины коррекции на инструмент для обеспечения заданной точности обработки. Описана математическая модель расчета величины коррекции с учетом типа закрепления инструмента и результатов измерения датчиком контактного типа.

Ключевые слова: датчики контактного типа, погрешность измерения, фрезерный инструмент, систематическая погрешность, ЧПУ.

Развитие технологий автоматизации производства, направленных на повышение требований по качеству и точности изготовляемых изделий, связано с внедрением на предприятиях новых станков с ЧПУ с датчиками контактного типа. Настройка этого оборудования связана с использованием программно-технических комплексов, позволяющих в автоматическом режиме определить положение инструмента. При этом для обеспечения заданной точности необходимо вводить дополнительную коррекцию. В связи с большой номенклатурой выпускаемых изделий рассчитывать в каждом конкретном случае эту величину затруднительно, поэтому возникает потребность в создании автоматизированных систем, позволяющих учитывать ряд погрешностей настройки и вводить требуемую величину коррекции.

Согласно статистическим данным корпусные детали составляют 30 % от всех обрабатываемых деталей, при этом на их обработку затрачивается 70 % времени от всей механообработки [1]. Основной особенностью изделий типа корпус является наличие опорных протяженных и точных плоскостей, которые имеют высокие требования по точности расположения. Именно достижение этих конструкторских требований вызывает ряд сложностей. При этом точность обработки, в первую очередь, зависит от точности позиционирования инструмента. В связи с этим выполненная работа, направленная на создание новых методик и подходов к обеспечению на имеющемся оборудовании более высокой точности обработки с минимальными затратами, является актуальной. Особенно актуальны эти проблемы при изготовлении корпусных деталей на станках с ЧПУ.

В рамках статьи рассматривалась задача автоматизации изготовления изделий корпусов коробчатого типа, позволяющая повысить точность обработки по параллельности и перпендикулярности плоскостей. Важную роль в получении данных по этим требованиям играет точность позиционирования инструмента, которую на этапе настройки оборудования можно

задать с помощью расчета и введения величины смещения вершины кривой распределения по отношению к середине поля допуска с таким расчетом, чтобы весь брак был исправным. На этапе настройки оборудования невозможно учесть весь спектр параметров, влияющих на результат обработки [2].

В общем виде процедуру оценки оснастки можно представить в качестве «черного ящика» (рис. 1).

Геометрические данные поверхности^ Процесс расчета величины коррекции на инструмент Количество измерений, N ^

Геометрические данные инструмента^

Диаметр инструмента,

Данные о закреплении инструмента ^

Данные о станке ..

с учетом величины коррекции

к ^

База знаний

Рис. 1. Модель процедуры расчета величины коррекции на инструмент для обеспечения заданной точности обработки

База знаний содержит экспертные оценки альтернативных вариантов выбора и взаимную важность критериев. Трудность в обеспечении заданной точности по параллельности и перпендикулярности поверхностей корпусных изделий коробчатого типа возникает, вследствие невозможности учета на начальных этапах настройки станка на производство новой партии изделий неточностей позиционирования инструмента вызванных типом закрепления инструмента в шпинделе станка, типом закрепления патрона и геометрических параметров инструмента, (вылет и диаметр, мм).

В этом случае необходимо производить настройку станка с заведомым смещением т вершины кривой распределения по отношению к середине поля допуска с таким расчетом, чтобы весь брак был исправимым [3]. Чтобы полностью исключить неисправный брак, размер смещения кривой т необходимо увеличить на величину погрешности настройки станка вн\

т = /

где Т - обрабатываемой размер детали; 8н - погрешность настройки станка; о - среднеквадратичное отклонение измеряемого инструмента; Атст -погрешность перемещений станка; Ад - погрешность измерения датчика контроля геометрических параметров инструмента (контактного типа).

Согласно экспериментальным исследованиям Арег - погрешность

регулирования Аизм - погрешность, вызванная контрольно-измерительным инструментом при измерении уже готового изделия (Аизм = 0,257, - для шкальных приборов, Аизм = (0,15...0,1)Г - для специализированных устройств высокой точности); Аопр - погрешность, обусловленная типом закрепления инструмента в шпинделе станка и типом оправки,

Dопр

Л

1 N _ 2

NI d - di )2,

N 1

- 1 N

где di — — I di и di - значения инструмента; N - число повторений. N i

Согласно тактическому планированию эксперимента (с машинной моделью) количество реализаций эксперимента N для обеспечения заданной точности измерения е с вероятностной оценкой наступления события р, можно рассчитать по формуле

N — ^fi-Pi,

е 2

где tj - квантиль нормального распределения вероятностей.

Вероятностная оценка определения максимальной точности позиционирования p зависит от экспертных оценок, применяемых при обработке в каждом типе хвостовика и типе патрона, и вычисляется как

p=pij= Щ,

где | i=1, ..., m} (m=5) - распределение приоритетов для типов закрепления хвостовиков; (ю7- | j=1, ..., n} (n=9) - распределение приоритетов для типов патронов и адаптеров.

При проведении исследований по выбору и сравнению альтернатив закрепления инструмента для фрезерной обработки на станках с ЧПУ необходимо определить множество доступных для применения на предприятиях оправок и патронов для закрепления режущих вращающихся инструментов. Для проведения исследований и отработки методики выбрано множество закреплений инструментов (патронов и оправок), соответствующих международному перечню стандартизованных параметров для предоставления и обмена данными об инструменте согласно ISO 13399 (с иллюстрированными примерами использования); ISO 839-1:2006 Оправки фрезерные с конусностью 7:24. Часть 1. Размеры и обозначение; ISO 73881:2007 Хвостовики инструментов с конусностью 7:24 для устройств автоматической смены инструмента. При этом все множество выбранной оснастки выпускается различными производителями. Таким образом, затрагивается большая часть применяемой в общем машиностроении оснастки для фрезерной обработки.

При подготовке станка на производство новой партии изделий инструмент закрепляется сначала в оправку, которая затем устанавливается в соответствующий патрон, и только после этого инструмент закрепляется в шпинделе вертикального фрезерного центра с ЧПУ. Затем с панели ЧПУ станком задаются данные о том, какой порядковый номер будет присвоен инструменту в инструментальном барабане (магазине) и в каких ячейках памяти будет храниться первичная информация о геометрических параметрах инструмента (диаметре D и вылете H, мм).

Согласно стандартам обозначения выделяют две основных компоненты, характеризующих степень закрепления, инструмента в шпинделе:

Z = <Tz, Ре>,

где Tz - множество значений типов закрепления патрона; Р - множество типов оправок.

Описание множества значений типов закрепления патрона Tz можно условно согласно стандартам разделить на пять групп, определяющихся геометрической формой хвостовика патрона:

Tz ={ Tzi, Tz 2, Tz 3, Tz 4, Tz 5}.

Множество типов патронов или адаптеров Pe представляется в виде

Ре={Ре1, Ре2, ... Ре9}.

Согласно стандартам каждому типу закрепления хвостовика может быть сопоставлен любой из выше указанного множества патрон для закрепления инструмента.

При выборе рационального закрепления для обработки фрезерным инструментом необходимо учитывать ряд параметров. Для выбора системы крепления вращающегося инструмента основными критериями оценки являются жесткость на изгиб; жесткость на кручение; биение; точность позиционирования режущей кромки.

На выбор патрона или адаптера для вращающегося фрезерного инструмента, применяемого на вертикальных обрабатывающих фрезерных центрах с ЧПУ, решающее значение оказывают такие показатели, как передача момента; биение; сбалансированность.

Оценить по этим критериям, представленным в виде числовых значений, которые можно сравнить и по ним выставить оценки, практически невозможно. Возможности использовать «решающее правило» нет, поскольку они не сформулированы.

Существуют только оценки экспертов, представленные в «Справочнике технолога машиностроителя», технические рекомендации фирмы «Sandvik coromant», описанные в издании «Руководство по металлообработке», технические рекомендации фирмы «Dormer» в издании «Руководство. Обработка резанием» и т.д., которые имеют вид формулировок «хорошо», «отлично», «удовлетворительно», «ниже, чем», «выше, чем» [4].

Исходя из вышесказанного, получаем, что основными данными выбора более точного закрепления патрона в шпинделе станка являются оценки экспертов по ряду критериев, на основании которых необходимо осуществить заключение о превосходстве одного типа закрепления над другим.

Таким образом, для решения этой задачи необходимо применить систематическую процедуру для иерархического представления элементов, определяющих суть поставленной проблемы. Необходимо осуществить декомпозицию поставленной задачи на более простые составляющие части и осуществить обработку последовательности выдвинутых суждений экспертов по парным сравнениям. В результате будет получена относительная степень взаимодействия элементов в иерархии. Эти суждения можно будет

181

выразить численно, а затем с помощью процедуры синтеза множественных суждений получить оценки приоритетности критериев и найти альтернативные решения.

Поэтому решение поставленной многокритериальной задачи в рамках данного исследования сводится к попарному сравнению альтернатив в зависимости от важности критериев, и дальнейшее сравнение производится согласно методу анализа иерархий (МАИ), предложенного К. Саати [5].

Таким образом, использование МАИ позволит составить комплексную схему анализа и моделирования поставленной многокритериальной задачи принятия решений, а также структурировать поставленные задачи и формализовать связи между ее элементами, смоделировать процедуру критериального оценивания и предпочтения лиц, принимающих решение (экспертов), синтезировать решающие правила и установить предпочтения на множестве альтернатив.

Рассмотрим задачу выбора наиболее предпочтительного типа закрепления оправки в шпинделе станка (хвостовика оправки) Tz из множества выпускаемых:

Tz={Tz1, Tz2, Tz3, Tz4, Tz5}-

множество существующих типов закрепления хвостовика оправки.

Этот выбор осуществляется на основе степени соответствия альтернатив совокупности требований, определяемых системой 4 различных критериев С/:

а={сь О2, Сз, С4},

где С1 - жесткость на изгиб; С2 - жесткость на кручение; С3 - биение, С4 - точность позиционирования.

Используя метод парных сравнений, определяем следующие показатели:

- приоритеты элементов С относительно главной цели (оценки влияния заинтересованных сторон на выбор типа закрепления):

- приоритеты альтернатив Tzi относительно критериев С^.

С этой целью строим необходимые матрицы парных сравнений и для каждой матрицы рассчитаем нормализованный вектор приоритетов Ж, максимальное собственное число Xтах и отношение согласованности СЯ .

В данном случае требуется решать многокритериальную задачу оценки имеющихся альтернатив в условиях различной важности критериев. В этом случае каждому критерию С ставится в соответствие некоторый весовой коэффициент X/ > 0, причем

1

т

/ = 1, т и — X X / = 1.

т /=1

Естественно, чем большей является важность критерия, тем большее значение приписывается его весовому коэффициенту. Значения самих весовых коэффициентов определяются на основе стандартной процедуры

попарного сравнения критериев. Для этого вначале формируются матрицы попарных сравнений альтернатив относительно каждого критерия индивидуально. Поскольку сравнение любого критерия с самим собой означает только одинаковую важность, то при 1=] все Л] =1. Таким образом, матрица парных сравнений О является обратно симметричной:

Л] =1/

После этого находится собственный вектор Ж матрицы О, который соответствует предварительно вычисленному ее максимальному собственному числу Ьтах:

ОЖ= ЬтахЖ.

После построения и обработки матрицы парных сравнений целесообразно выполнить проверку согласованности суждений. Составляем матрицы парных сравнений альтернатив Тг1 относительно критериев Ск и вычисленные на их основе приоритеты и оценки согласованности.

После того как были найдены приоритеты для всех элементов иерархии за исключением альтернатив, выполняем иерархический синтез. На этом этапе вычисляются приоритеты альтернатив относительно критериев выбора. Полученные в результате значения приоритетов альтернатив относительно главной цели представляют собой интегральные оценки их предпочтения (глобальные приоритеты) и рассматриваются как решение поставленной в исследовании задачи определения наиболее предпочтительного типа закрепления хвостовика.

В соответствии с процедурой иерархического синтеза искомые приоритеты Ы{(Т2) находятся путем взвешенного суммирования локальных приоритетов по всем путям, ведущим от С к Т21 . Получаем соотношение

©/ Тг = Тк=1 ™гЖг).

Аналогичным образом решается задача выбора наиболее предпочтительного типа закрепления патрона, закрепляемого в оправке и установленного в шпинделе станка.

Из проведенных исследований следует, что формула (1) примет вид

т=Т-3о-8н,

о - среднеквадратичное отклонение измеряемого инструмента, характеризующее точность позиционирования положения инструмента,

о = Ат.ст. + Ад,

где Атст - погрешность перемещений станка; Ад - погрешность измерения датчика контроля геометрических параметров инструмента (контактного типа).

Согласно экспериментальным исследованиям, проведенным в рамках выполнения работы, при использовании вертикального фрезерного станка с ЧПУ с датчиком контактного типа было доказано, что Ад не зависит от типа закрепления инструмента и имеет постоянную величину, которую рассчитывают по формуле

А д = й - йн,

где А д - систематическая погрешность измерения датчика контактного типа; й - среднее значение диаметра измеряемого инструмента; йн - номинальный диаметр инструмента.

Погрешность настройки станка рассчитывается как

£ н -у А рег + Аизм + А опр .

В рамках исследования на основе предложенной методики определения величины коррекции была разработана структурная схема расчета величины коррекции на инструмент (рис. 2).

Редактор БД

База данных

1. Этап ввода информации

Выбор станка с ЧПУ

Выбор типа закрепления инструмента

Первичная информация об инструменте №П,Н, мм)

геометрических параметров поверхности

I

Данные об инструменте, станке, изделии

2. Этап расчета величины смещения

Расчет погрешности измерения датчиком контактного типа

Расчет погрешности закрепления инструмента

Расчет величины смещения

Количество измерений, d с учетом величины смещения, данные по альтернативному варианту

3. Оформление результатов проведенных расчетов

Передача данных в таблицу коррекции Offset

Отчет о проведенном расчете

Стойка ЧПУ

Рис. 2. Методика определения величины коррекции на инструмент

На основе предложенной методики создана автоматизированная система, которая позволяет считывать данные о закрепленном инструменте на станке с ЧПУ, устанавливая с ним соединение клиент-серверного типа.

Проведенные исследования показали, что использование предложенной в исследовании автоматизированной системы повышает точность обрабатываемых изделий и позволяет сократить временные затраты на подготовку запуска новой партии изделий.

Список литературы

1. Аверченков В.И. Автоматизация подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ. Ч. 1: учеб. пособие для вузов. Брянск: Изд-во БГТУ, 2010, 213 с.

2. Аверченков В.И. Исследование точности позиционирования объектов при оптической микроскопии с управлением через Интернет // Вестник БГТУ. Вып. 1. Брянск: Изд-во БГТУ,2012. С. 125 - 130.

3. Аверченков В.И. Оценка точности автоматизированной настройки режущего инструмента при обработке на станках с ЧПУ // Материалы 11-й Международной научно-технической конференции «Инженерия поверхности и реновация изделий». Ялта, 2011. С. 6 - 8.

4. Аверьянов О.И. Технология фрезерования изделий машиностроения: учеб. пособие. М.: Изд-во: «Форум», 2008. 432 с.

5. Саати Т. Л. Принятие решений при зависимостях и обратных связях. М.: Издательство ЛКИ, 2008. 360 с.

Аверченков Владимир Иванович, д-р техн. наук, проф., averatu-hryansk.ru, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет,

Аверченков Андрей Владимирович, д-р техн. наук, доц., averatu-hryansk.ru, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет,

Филиппов Родион Алексеевич, канд. техн. наук, доц., aver@tu-hryansk.ru, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет,

Филиппова Людмила Борисовна, канд. техн. наук, доц., avera tu-hryansk.ru, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет,

Сазонова Анна Сергеевна, канд. техн. наук, доц., aver@tu-hryansk.ru, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет

PROGRAM-HARDWARE COMPLEX OF AUTOMATION OF MANUFACTURE OF CASING DETAILS ON THE BASIS OF MANAGEMENT OF THE STATISTICAL

SETTING OF THE TOOL

V. I. Averchenkov, A.V. Averchenkov, R.A. Filippov, L.B. Filippova, A.S. Sazonova

The peculiarities of tuning equipment with CNC with contact type sensors, a model methodfor calculating the correction for a tool to ensure the specified accuracy ofprocessing are considered. The mathematical model of calculating the limits of correction is descrihed, taking into account the type of fastening of the instrument and the results of measuring the contact type sensors.

Key words: contact type sensors, uncertainty of measurement, milling tool, systematic error, milling tool, systematic error, CNC.

Averchenkov Vladimir Ivanivich, doctor of technical sciences, professor, aver@,tu-hryansk. ru, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University,

Averchenkov Andrei Vladimirovich, doctor of technical sciences, docent, aver@,tu-hryansk. ru, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University,

Filippov Rodion Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, aver@,tu-hryansk. ru, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University,

Filippova Lyudmila Borisovna, candidate of technical sciences, docent, avera tu-hryansk. ru, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University,

Sazonova Anna Sergeevna, candidate of technical sciences, docent, a vera tu-hr yansk. ru, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University