CC BY
65
Машиностроение и компьютерные технологии
Сетевое научное издание
http://www.technomagelpub.ru ISSN 2587-9278 УДК 621.91.01
Анализ средств автоматизации программирования оборудования, оптимизация последовательности обработки поверхностей сложных корпусных деталей
Кравченко И.И.1'*, Бухаров C.B.1 'kriigigyandexju
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
Задачей данной работы является оптимизация последовательности механической обработки изготовления корпусных деталей на многооперационных станках за счет минимизации взаимных холостых перемещений рабочих органов станка. Для её решения был проведен анализ нескольких существующих CAM систем. Он показал, что данные системы не могут рассчитать вспомогательное временя, следовательно, не могут его минимизировать. Однако, исследования показали, что нахождение оптимальной последовательности обработки поверхностей детали можно отнести к классической задаче коммивояжера. Был разработан алгоритм решения данной задачи, который может быть использован в качестве модулей в автоматизированных системах проектирования технологической подготовки производства. Оптимизация последовательности обработки позволяет сократить штучное время обработки и повысить производительность обработки.
Ключевые слова: многооперационный станок, корпусная деталь, производительность, оптимизация, последовательность обработки, CAM система
1. Введение
Огромные масштабы развития машиностроения в нашей стране ставят новые научные проблемы. Первостепенное значение приобрели качество и эффективность производства во всех отраслях. Качество изделия в значительной степени определяется уровнем разработки технологического процесса (ТП). Большое число исходных данных и факторов, влияющих на построение такого процесса, не позволяет проанализировать все его возможные варианты и не всегда выбранный вариант является оптимальным с точки зрения производительности и себестоимости.
Системный подход при проектировании ТП механообработки на многооперационных станках затруднен в силу их конструктивных и технологических особенностей [1], технолог не в состоянии обеспечить одновременно оптимизацию технологического про-
Ссылка на статью:
// Машиностроение и компьютерные технологии. 2018. № 07. С. 31-47.
Б01: 10.24108/0718.0001423
Представлена в редакцию: 16.06.2018
© НП «НЭИКОН»
цесса, высокое качество выпускаемой продукции и экономичность проектных работ. В наше время новых ТП, повышение качества и сложности выпускаемых изделий непосредственно связано с оптимальными вариантами разработанной технологии.
Данные проблемы привели к поискам новых подходов к проектированию технологических процессов. Так, ещё в 70-х годах, появилось автоматизированное проектирование с помощью ЭВМ (САПР ТП). Эти системы позволили разрабатывать автоматизиро-ванне системы технологической подготовки производства и проектирования. Данная область успешно развивалась и в наше время существует большое количество программного обеспечения для автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП). Они непосредственно связанны с конкретным оборудованием и, как правило, являются модулем для подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ (CAM системы).
CAM (computer-aided manufacturing) - средства автоматизации программирования обработки заготовок на станках с ЧПУ. Это автоматизированная система, либо модуль автоматизированной системы, предназначенный для подготовки управляющих программ. Под термином понимается как сам процесс компьютеризированной технологической подготовки производства, так и программно-вычислительные комплексы, используемые инженерами-технологами.
CAM системы развивались одновременно с CAD системами, начиная с 60-х годов. Однако их развитию и расширению мешало несовершенством CAD систем. В настоящее время CAM и CAD системы интегрированы друг в друга, то есть каждый CAM имеет свой встроенный CAD. К примеру, SolidCam и SolidWorks.
CAD (computer-aided design) - автоматизированная система, реализующая информационную технологию выполнения функций проектирования, представляет собой организационно-техническую систему, предназначенную для автоматизации процесса проектирования, состоящую из персонала и комплекса технических, программных и других средств автоматизации его деятельности.
Сейчас существует большое количество современных CAM систем от разных разработчиков. Наиболее распространенные из них:
1. CATIA от Dassault Systems;
2. Edgeсam от Vero Software (HEXAGON);
3. NX CAM от Siemens PLM Software;
4. T-Flex от Top Systems.
Проанализируем некоторые из CAM систем и их возможности.
2. Анализ CAM систем
CATIA - система автоматизированного проектирования (САПР) французской фирмы Dassault Système.
Это комплексная система автоматизированного проектирования (CAD), технологической подготовки производства (CAM) и инженерного анализа (САЕ), включающая в се-
бя передовой инструментарий трёхмерного моделирования, подсистемы программной имитации сложных технологических процессов, развитые средства анализа и единую базу данных текстовой и графической информации. Система позволяет эффективно решать многие задачи технической подготовки производства - от внешнего (концептуального) проектирования до выпуска чертежей, спецификаций, монтажных схем и управляющих программ для станков с ЧПУ.
В настоящее время CATIA занимает около 70% мирового рынка систем автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства в авиакосмической промышленности и более 45% в автомобилестроении. В число крупных пользователей системы входят такие компании, как Boeing, Airbus, Renault, Mercedes-Benz, BMW, Chrysler, Volvo, Peugeot, Ferrary, Volkswage. Cреди российских пользователей - ГАЗ, ВАЗ, УралАЗ, ВПК МАПО-МИГ.
CATIA V5 - CAD/CAM/CAE - система для описания изделия и его моделирования на разных этапах жизненного цикла. Наличие различных платформ в CATIA V5 является уникальным средством для расширения ее пользовательской базы по принципу «одна система - разные возможности» и для быстрого наращивания производительности. Области применимости - объединяют в себе программные продукты, характерные для решения конкретной совокупности задач в процессе жизненного цикла изделия. Выделяются следующие семь областей применимости: машиностроительное проектирование (Mechanical Design); разработка дизайна изделий (Shape Design and Styling); системный синтез промышленных изделий (Product Synthesis); проектирование систем и коммуникаций (Equipment and Systems Engineering); инженерный анализ (Analysis); программирование обработки на станках с ЧПУ (NC Manufacturing); управление проектированием и обмен данными (Infrastructure) [2].
Модуль CATIA NC Manufacturing. Базовые возможности CATIA по работе со станками с ЧПУ включают построение и редактирование траекторий движения инструмента, моделирование съема материала, анализ оставшегося материала, создание производственной документации. Технологам-программистам станков с ЧПУ предоставляется инфраструктура для работы со всеми продуктами по программированию станков с ЧПУ с возможностью просмотра и анализа технологических операций изготовления деталей, созданных средствами данной системы. Более того, поддерживается импорт и просмотр различных производственных данных, включая файлы формата APT, CL и коды ISO (УП в G-кодах).
Преимущества CATIA:
1. Огромные вычислительные возможности (в т.ч. прочностные) методом конечных элементов;
2. Возможность кинематического анализа механизмов;
3. Поддерживается импорт и просмотр различных производственных данных, включая файлы формата APT, CL и коды ISO (УП в G-кодах);
4. Продуманный и достаточно удобный интерфейс. Недостатки CATIA:
1. Для использования всех возможностей в полной мере нужен достаточно мощный, хорошо скомплектованный компьютер;
2. Не полноценная поддержка требований ГОСТа;
3. Затруднена возможность редактирования импортированных моделей.
Таким образом, CATIA не специализируется именно на CAM системах, но она имеет широкий диапазон возможностей, что отражается в её стоимости.
NX CAM предоставляет полное программное решение для разработки управляющих программ для оборудования с ЧПУ (CAM), постпроцессирования и симуляции работы станков. Расширенные функции приложения NX CAM в каждом из его модулей могут максимально увеличить отдачу от инвестиций в новейшие технологии обработки. Программное обеспечение NX успешно внедрено и используется во многих отраслях промышленности, его возможности для производства проверены в авиакосмической отрасли, автомобилестроении, в производстве медицинского оборудования, изготовлении пресс-форм и штампов, а также в станкостроении.
Программное обеспечение NX CAM предоставляет широкий спектр функциональных возможностей, которые способствуют решению множества задач в одной системе, от простой до высокоскоростной и многоосевой обработки. Гибкость системы NX CAM позволяет легко решать самые сложные задачи.
NX CAM поставляется и как отдельное рабочее место для программирования обработки, так и как CAD/CAM система, а также может включать систему управления технологическими данными и библиотеками инструментов. NX CAM поддерживает совместную работу с приложениями конструкторского проектирования NX, образуя единое решение [3].
Преимущества NX CAM:
1. Расширенные возможности программирования
2. Автоматизация программирования
Последние технологии автоматизации программирования станков с ЧПУ в NX CAM могут повысить эффективность производства. Благодаря обработке на основе элементов (FBM) можно сократить время программирования до 90 %. Кроме того, шаблоны позволяют использовать заранее определенные процессы на основе правил, чтобы стандартизировать программируемые задачи и ускорить их выполнение.
3. Постпроцессирование и симуляция
Программа NX CAM имеет тесно интегрированную с ней систему постпроцессиро-вания, которая позволяет легко сгенерировать требуемый код станка с ЧПУ для большинства типов станков и систем ЧПУ. Многоуровневый процесс проверки программы для
станка с ЧПУ включает симуляцию на основе G-кода, что позволяет исключить необходимость использования внешних пакетов программ для симуляции.
4. Интегрированное решение
В NX реализованы расширенные средства автоматизированного проектирования, которые позволяют решать любые задачи: от моделирования новых деталей и подготовки моделей деталей для CAM до создания чертежей наладки по данным из 3D-модели
5. Производительность программирования
Например, новейшие технологии взаимодействия с пользователем и интуитивное графическое программирование позволяют быстро создавать программы для станков с ЧПУ.
Недостатки NX CAM:
1.Для использования всех возможностей в полной мере нужен достаточно мощный, хорошо скомплектованный компьютер;
2.Высокая стоимость лицензии.
Эта CAM система обладает широким диапазоном возможностей. Все сопряжено с встроенным CAD модулем, имеется большой спектр различных методов и шаблонов траекторий.
Программа Edgecam разработана компанией Vero Software. Это один из ведущих мировых программных продуктов в области создания управляющих программ обработки для станков с ЧПУ, токарной, фрезерной и электроэрозионной групп.
Отличительной особенностью Edgecam является возможность ассоциативной обработки параметрических твердотельных моделей AutoCAD, Autodesk Inventor, SolidWorks, Solid Edge, Catia, Creo Parametric, КОМПАС-3D, а также целого ряда других CAD-систем. Загрузка моделей производится без конвертации. Вероятность потери и искажения данных при передаче полностью исключается.
Edgecam позволяет моделировать на экране весь процесс обработки:
• выбрать станочное приспособление;
• визуализация траектории движения инструмента с контролем перемещений на холостом ходу и возможных столкновений с станочной оснасткой;
• создать сечения обработанной заготовки для детализации сложных мест и оценки качества обработки;
• провести сравнение конструкторской и технологических моделей и проанализировать наличие «зарезов» и недообработанных зон.
Новый удобный в работе инструмент - временная шкала. Она графически отображает продолжительность циклов в Edgecam, а также последовательность и продолжительность действий, точки их синхронизации, синхронизация перемещений револьверных головок и шпинделей. Система позволяет определить, штучное время на операцию обработки заготовки на станке с ЧПУ.
В Edgecam Simulator отображается не только сама заготовка, но и состав технологической системы - шпиндель, поворотное устройство, станочное приспособление и т.п.. Весь процесс изготовления детали на станке с ЧПУ можно увидеть в реальном времен. Причем одновременно можно вращать заготовку, менять режимы отображения (например, представлять деталь полупрозрачной), изменять скорость процесса визуализации [4].
Преимущества Edgecam:
1. Возможность открывать файлы большинства CAD систем, таких как КОМПАС, Siemens NX, SolidEdge, SolidWorks, Autodesk Inventor, CATIA V5;
2. Для работы не требуется мощный компьютер, достаточно среднего уровня;
3. Возможность получить по результатам работы программы УП в G-кодах.
Недостатки Edgecam:
1. Сформированная последовательность обработки требует корректировки оператором;
2. Не всегда адекватное распознавание поверхностей обработки;
3. Затруднена возможность редактирования импортированных моделей.
Проведенный анализ нескольких CAM систем показывает, что их возможности достаточно широки, однако данные системы могут рассчитать только основное суммарное время выполнения технологических переходов, но не могут рассчитать вспомогательное время их выполнения, исключая возможность его минимизации.
Если рассматривать обработку сложной корпусной детали на многооперационном станке, то в общем цикле обработки вспомогательное время составляет до 35% [5]. Также, при обработке на этих станках необходимо учитывать такой показатель, как коэффициент машино-часа - KM4. Для токарно-винторезного станка KM4 = 1, для станка с ЧПУ KM4 = 6, а для многооперационных станков KM4 = 25 и больше [1]. Таким образом, чтобы сделать многооперационный станок рентабельным и, как будет показано дальше - обеспечить максимальную его производительность, необходимо не только сокращать основное время, но и также сокращать вспомогательное. Отметим, что нахождение оптимальной последовательности выполнения переходов является актуальной задачей. Минимизация времени выполнения взаимных холостых перемещений рабочих органов станка позволяет сокращать вспомогательное время.
С целью уменьшения взаимных холостых перемещений рабочих органов многооперационных станков предлагается её решение на основе классической задачи коммивояжера сформулировав эту проблему как «оптимизация маршрута обработки элементарных поверхностей корпусных деталей.
3. Нахождение оптимальной последовательности
Многооперационные станки с числовым программным управлением (ЧПУ) могут проводить комплексную механическую обработку 3-х мерных заготовок при помощи различных инструментов. Они оснащаются инструментальными магазинами и автооператорами для автоматической смены инструмента, что существенно повышает их производительность. При обработке заготовок на многооперационных станках важно знать факторы и их влияние, обеспечивающие максимальную производительность. В работах [1,5] приведен подробный анализ, показывающий влияние основных факторов, характеризующих обработку на этих станках. Аналитическая зависимость производительности от интенсификации режимов обработки, от количества смен инструментов, от времени смены инструмента и от потерь холостых ходов [4]:
(? =
К0-Х
1 + к0 ■ х ■ + к0 ■ х ■ А[ ■ + + к0 ■ х ■ сI
и.
где X - коэффициент интенсификации режимов обработки (X = — - показатель интен-
По
сификации режимов обработки, где П текущая частота вращения шпинделя станка; по базовая частота вращения шпинделя станка); Ко - технологическая производительность
базового варианта, К0 = —; 7 - время на осуществление рабочих ходов; - время за-
1р
трачиваемое на вспомогательные переходы (в дальнейшем под будем понимать время, входящее в ^, затрачиваемое на холостые перемещения детали и инструмента, позиционирование в системе координат станок, деталь и т.д.); Аi - повторяемость использования ьго инструмента при обработке заготовки, (А = 1, 2, 3,..., К); 7СМ + 7К - время смены и
N
координации одного режущего инструмента; • ^ Сг - сумма потерь времени, связанного с
1=1
эксплуатацией инструмента.
При определении оптимального плана обработки поверхностей корпусной детали, используя критерий минимальной себестоимости, математическая модель интенсифицирует режимы обработки, обеспечивая при этом требуемые параметры качества детали. Необходимо знать соответствуют ли эти условия максимальной производительности?
Исследования формулы показывают, что при данных условиях обработки детали имеется такое значение Х, которое обеспечивает максимальную производительность. Однако, кривые, изображенные на рис.1 полученные по формуле, путем изменения Х и , при постоянных остальных членах. С увеличением потерь , характер кривых производительности меняется, они становятся более пологими. Для одного и того же значения аргумента Xmax кривые характеризуются различными значениями максимальной производительности, уровень которой определяется величиной . Это обстоятельство означает, что
при обработке деталей на многооперационных станках только при соответствующем уменьшении ^ можно обеспечить максимальную производительность.
Рис. 1. Зависимость производительности от изменения скорости резания и времени холостых ходов
Если время, входящее в состав, затрачиваемое на установку и съем детали, включения и выключения отдельных механизмов и т.д. многооперационного станка сведено к минимуму, то время, затрачиваемое на взаимные холостые перемещения детали и инструментов, необходимо уменьшать за счет оптимальной последовательности обработки поверхностей детали, последовательности смены инструмента, перемещений и поворотов стола.
В общем цикле обработки корпусной детали вспомогательное время составляет до 35% [5]. Уменьшить вспомогательное время можно за счет оптимизации последовательности обработки отверстий, плоскостей, а также последовательности смены инструмента, позиционирования и поворотов стола. Эта задача является многовариантной, трудоемкой и обеспечить её решение возможно только с применением ЭВМ при наличии определенных алгоритмов, отражающие конкретные условия обработки детали.
Задачей данной работы является минимизация вспомогательного времени на основе разработки математической модели оптимизации последовательности механической обработки поверхностей сложных корпусных деталей с учетом технологических правил построения операций. То есть, необходимо найти такую последовательности переходов обработки поверхностей при известных технологических параметрах, чтобы время взаимных холостых перемещений заготовки и инструментов было минимальным. Это обстоятельство означает, что при обработке заготовок на многооперационных станках только при соответствующем уменьшении ^ можно обеспечить максимальную производительность, полагая, что все остальные составляющие ^ минимизированы.
Составим маршрут обработки элементарных поверхностей на конкретном примере. Предположим, что в корпусной детали имеется сторона, на которой необходимо обработать ряд отверстий (рис. 2). Маршрут обработки для крепежных отверстий М10х1,25-6Н и М6-6Н следующий: сверление и нарезанием резьбы.
Обработка каждого отверстия будет осуществляться по следующему технологическому процессу: полностью обрабатывается отверстие по всем переходам и только потом обрабатываем следующие поверхности. По время обработки каждого отверстия положение детали относительно шпинделя станка неизменно. При завершении полной обработки одного отверстия осуществляется перемещение детали для обработки второго, третьего и так до последнего. Из-за высокой частоты смены инструмента данный маршрут обработки является далеко не оптимальным. Время, затрачиваемое на смену инструмента, становится слишком большим, тем самым увеличивая вспомогательное время.
Рис. 2. Эскиз корпусной детали
Помимо анализируемой корпусной детали представим детали, для которых исследуемая проблема является крайне актуальной (рис. 3, рис. 4).
Ввиду больших затрат времени на смену инструмента дальнейшим шагом будет минимизация числа смен инструмента. Этот метод построения операции на многоцелевых станках заключается в разбиении отверстий на группы по диаметру. Сначала одним инструментом по первому переходу обрабатываются все отверстий одной группы, затем - смена инструмента и обработка по второму переходу и т. д. до полной обработки отверстий первой группы. Затем выполняют обработку следующей группы.
Рис. 3. Деталь № 1, вид сппереди и вид сзади
Рис. 4. Деталь № 2, вид сппереди и вид сзади
Далее необходимо оптимизировать маршрут обработки множества отверстий каждой группы. В качестве целевой функции принимается время взаимных холостых перемещений рабочих органов станка . Требуется определить такую последовательность обработки отверстий в группе, при которой целевая функция будет минимальной.
Чтобы сократить вспомогательное время, необходимо оптимизировать весь процесс обработки. Рассмотрим эту задачу подробнее. Изображенная деталь (см. рис. 2), в которой необходимо обработать 13 отверстий. Каждое отверстие обрабатывается по двум переходам сверление и нарезание резьбы. Всего 13 2=26 переходов, каждый из которых назовем вершиной. Время, необходимое для перехода от одной вершины к другой, называют ребром. Для существования маршрута обработки детали необходимо найти путь обхода всех вершин, причем посещение вершины одним инструментом возможно только один раз.
Для получения оптимального маршрута необходимо минимизировать сумму ребер. Таким образом, задача оптимизации маршрута обработки сводится к известной задаче коммивояжера. Коммивояжер должен побывать в ряде городов. Известно время переезда между каждой парой городов. Необходимо выбрать самый непродолжительный замкнутый маршрут. Так как число возможных маршрутов находится в факториальной зависимости от размерности задачи (числа вершин), то метод полного перебора вариантов для отыскания наилучшего неприемлем. Аналитическое решение такой задачи не найдено, однако существует несколько вычислительных алгоритмов отыскания решения.
В работах [6,7] решена методом Литтла частная задача определения оптимальной последовательности обработки только отверстий корпусных деталей на многооперационных станках в несколько переходов различными инструментами. Алгоритм Литтла является частным случаем применения метода "ветвей и границ" для конкретной задачи. Общая идея алгоритма тривиальна: нужно разделить огромное число перебираемых вариантов на классы и получить оценки для них, чтоб иметь возможность отбрасывать варианты не по одному, а целыми классами [8]. Такой метод решения задачи требует при большой размерности матрицы значительных затрат времени. Применяемость алгоритма Литтла к нашей задачи ограничена в силу невозможности метода формализовать в целом технологические закономерности и правила обработки детали.
Нами был предложен метод динамического программирования, который впервые был разработан Беллманом Р. в 1953 г. для решения задачи коммивояжера. Содержание принципа оптимальности Беллмана: "Каково бы ни было состояние S системы в результате какого-либо числа шагов, на ближайшем шаге нужно выбирать управление так, чтоб оно было оптимальным в совокупности с управлением на всех последующих шагах, включая данный". Беллманом четко были сформулированы условия, при которых принцип верен. Основное требование - процесс управления должен быть без обратной связи, т.е. управление на данном шаге не должно оказывать влияния на предшествующие шаги. Принцип оптимальности утверждает, что для любого процесса без обратной связи оптимальное управление такого, что оно является оптимальным для любого подпроцесса по отношению к исходному состоянию этого подпроцесса. Поэтому решение на каждом шаге оказывается наилучшим с точки зрения управления в целом. Если изобразить геометрически оптимальную траекторию в виде ломаной линии, то любая часть этой ломаной будет являться оптимальной траекторий относительно начала и конца [9,10,11].
Это означает, что решение задачи сводится к нахождению такой последовательности выполнения переходов обработки поверхностей, которая обеспечит минимальное значение целевой функции tB min.
Для изготовления детали типа корпус изображенной на рис. 2 необходимо выбрать модель технологического оборудования с ЧПУ и инструменты для обработки всех поверхностей этой детали. Характеристики оборудования и данные об инструменте необходимы для составления матриц переходов для оптимизации. Для обработки всех поверхно-
стей этой детали требуется пятикоординатный фрезерный многооперационный станок с поворотным шпинделем СТЦ 40В (1000VBF) с ЧПУ [12].
Для сверления всех отверстий выбираем сверла фирмы Бапёу1к. Для сверления отверстия 08,75Н9 - СогоБгШ 860.1-0850-026А1-ММ H10F (для М10х1,25-6Н) и для сверления отверстия 05Н9 - СогоБгШ 860.1-0500-015А1-ММ 2214 (для М6-6Н). Для нарезания резьбы М10х1,25-6Н - СогоТар Е305М10, а для М6-6Н - СогоТар Е099М6 [13].
Составим маршрут обработки. При расчетах вспомогательного времени скорость холостых перемещения при позиционировании рабочего органа выбранного станка по всем координатам примем равной 4000 мм/мин [12], а время на смену инструмента - 12 секунд (автооператор должен извлечь инструмент из шпинделя, поместить его в магазин, магазин повернется, автооператор извлекает новый инструмент и вставляет его в шпиндель). Приведем нумерацию каждого перехода в табл. 1.
Таблица 1. Нумерация переходов
Номер перехода Обработка
1, 2, 3, 4, 5 Сверление 08,75Н9
6, 7, 8, 9, 10 Нарезания резьбы М10х1,25-6Н
11, 12,., 18 Сверление 05Н9
19, 20,., 26 Нарезания резьбы М6-6Н
Чтобы было с чем сравнивать оптимальную последовательность обработки найдем суммарное вспомогательное время с учетом смены инструмента для варианта, когда мы сначала сверлим отверстия, потом нарезаем в них резьбу и так далее, то есть прямая последовательность. В этом случае число смен инструмента минимально и последовательность по переходам будет следующей:
Тогда суммарное вспомогательное время равняется 80,8 секундам.
Согласно условию задачи коммивояжера нам известно расстояние между каждой парой вершин. Поэтому составляем матрицу с размерностью равной числу переходов, в нашем случае это 26х26 (рис. 5). В ячейках указывается суммарное время перемещения инструмента от позиции 1 (номер строки) к позиции ] (номер столбца) и его смена. Расстояние между отверстиями нам известны по чертежу детали, а скорость холостых перемещений указана в паспорте станка. При составлении матрицы переходов следует учитывать ограничения, накладываемые технологическими закономерностями на классическую симметричную задачу коммивояжера. Так, на пример, невозможно нарезать резьбу в отверстии не просверлив его, поэтому этот переход следует считать бесконечным, т.е. запрещенный переход (обозначаем нулем). Получается несимметричная задача коммивояжера, для решения которой метод ветвей и границ неприемлем.
ИЗ ВеПтпап 2.01 - Финальная магтрииа. Файл Матрица Сервис ?
□ | в| ТЕЙ «М Н(1р| Положение таблицы Стр: 1 Стб: 1 Положение курсора Стр: 21 Стб: 26
Нач Кон 1 |2 |3 |4 |5 |б |7 |8 |Э |10 |11 |12 Из |14 М 5 Иб |17 |18 |18 120 |21 122 123 124 125 126
нач 1 000,0 1,2 1,3 1,3 1,4 12,0 0,0 0,0 0,0 0,0 14,1 14,2 14,1 13,6 13,2 12,3 13,2 13,7 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
нач 2 1,2 1,3 1.3 1.4 12,0 0,0 0,0 0,0 0,0 14.1 14.2 14.1 13,6 13.2 12.3 13,2 000,0 1,2 1,3 1,9 0,0 12,0 0,0 0,0 0,0 14,4 14,2 13,3 13,3 13,1 13,4 13,3 14,3 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
нач 3 1,2 000,0 1,0 1,7 0,0 0,0 12,0 0,0 0,0 15,6 15,4 15,1 14,5 14,3 14,4 14,3 15,4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
нач 4 1,3 1,0 000,0 1,0 0,0 0,0 0,0 12,0 0,0 15,3 15,3 15,6 15,0 14,7 14,7 15,0 15,6 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
нач 5 1,3 1,7 1,0 000,0 0,0 0,0 0,0 0,0 12,0 15,4 15,5 15,4 14,3 14,5 14,3 14,5 15,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
нач 6 0,0 0,0 0,0 0,0 000,0 1,2 1,3 1,3 1,4 14,1 14,2 14,1 13,6 13,2 12,3 13,2 13,7 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
нач 7 12,0 0,0 0,0 0,0 1,2 000,0 1,2 1,8 1,8 14,4 14,2 13,8 13,3 13,1 13,4 13,8 14,3 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
нач 3 0,0 12,0 0,0 0,0 1,3 1,2 000,0 1,0 1,7 15,6 15,4 15,1 14,5 14,3 14,4 14,3 15,4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
нач 3 0,0 0,0 12,0 0,0 1,3 1,3 1,0 000,0 1,0 15,3 15,3 15,6 15,0 14,7 14,7 15,0 15,6 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
нач 10 0,0 0,0 0,0 12,0 1,4 1,3 1,7 1,0 000,0 15,4 15,5 15,4 14,3 14,5 14,3 14,5 15,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
нач 11 14,4 15,6 15,3 15,4 14,1 14,4 15,6 15,3 15,4 000,0 0,6 1,0 1,3 1,3 1,2 0,9 0,5 12,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
нач 12 14,2 15,4 15,3 15,5 14,2 14,2 15,4 15,3 15,5 0,6 000,0 0,4 1,0 1,2 1,3 1,3 1,0 0,0 12,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
нач 13 13,3 15,1 15,6 15,4 14,1 13,3 15,1 15,6 15,4 1,0 0,4 000,0 0,6 1,0 1,3 1,3 1,2 0,0 0,0 12,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
нач 14 13,3 14,5 15,0 14,9 13,6 13,3 14,5 15,0 14,3 1,3 1,0 0,6 000,0 0,4 1,0 1,2 1,3 0,0 0,0 0,0 12,0 0,0 0,0 0,0 0,0
нач 15 13,1 14,3 14,7 14,5 13,2 13,1 14,3 14,7 14,5 1,3 1,2 1,0 0,4 000,0 0,6 1,0 1,3 0,0 0,0 0,0 0,0 12,0 0,0 0,0 0,0
нач 16 13,4 14,4 14,7 14,3 12,3 13,4 14,4 14,7 14,3 1,2 1,3 1,3 1,0 0,6 000,0 0,4 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 12,0 0,0 0,0
нач 17 13,3 14,3 15,0 14,5 13,2 13,3 14,3 15,0 14,5 0,3 1,3 1,3 1,2 1,0 0,4 000,0 0,6 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 12,0 0,0
нач 13 13,7 14,3 15,4 15,6 15,0 13,7 14,3 15,4 15,6 15,0 0,5 1,0 1,2 1,3 1,3 1,0 0,6 000,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 12,0
нач 13 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 12,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 000,0 0,6 1,0 1,3 1,3 1,2 0,3 0,5
нач 20 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 12,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,6 000,0 0,4 1,0 1,2 1,3 1,3 1,0
нач 21 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 12,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 0,4 000,0 0,6 1,0 1,3 1,3 1,0
нач 22 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 12,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,3 1,0 0,6 000,0 0,4 1,0 1,2 1,3
нач 23 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 12,0 0,0 0,0 0,0 1,3 1,2 1,0 0,4 000,0 0,6 1,0 1,3
нач 24 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 12,0 0,0 0,0 1,2 1,3 1,3 1,0 0,6 000,0 0,4 1,0
нач 25 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 12,0 0,0 0,3 1,3 1,3 1,2 1,0 0,4 000,0 0,6
нач кон 26 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 12,0 0,5 1,0 1,0 1,3 1,3 1,0 0,6 000,0
Рис. 5. Матричный модуль временных заатрат для оптимизаации
Матричный модуль является маршрутным техпроцессом в цифровом виде, построенный на технологических закономерностях проектирования ТП.
Результатом работы программа является оптимальная последовательность переходов (рис.6).
Отчёт
Оптимальная последовательность переходов:
1 > 2 > 3 > 4 > 9 > 10 > 9 > а 17 > 23 > 24 э- 23 > 22 > 21 > 20 > 19 > 7 > 5 > 13 > 11 > 12 > 13 > 14 > 19 > 15 > > > 2; > т
< г
Суммарное время холостых перемещений и смены инструмента:|53,5 секунд.
| Закрыть !
Рис. 6. Результат оптимизации
Преимуществом данного подхода к решению поставленной задачи является то, что в матрице временных затрат расстановкой в ячейках запретов имеется возможность, исходя из технологических правил, не рассчитывать заранее недопустимые варианты обработки. В нашем случае, например, невозможно выполнить нарезание резьбы в отверстии без его сверления. По сути, при заполнении матрицы, учитывая технологические закономерности, мы получаем, матрицу, которая представляет возможную, но не оптимизированную последовательность выполнения переходов [11]. Также надо учитывать, тот факт, что помимо учета заранее недопустимых вариантов обработки, технолог может управлять этими ограничения при построении матрицы в диалоговом режиме.
4. Заключение
Анализируя результаты расчеты по программе Bellman видно, что последовательность, полученная с помощью этой программы, имеет наименьшее вспомогательное время. Если сравнивать её с предложенной прямой последовательностью, то сокращение вспомогательного времени составляет 10-12%. Величина не значительная, однако необходимо учитывать, что был рассмотрен пример одной несложной корпусной детали с обработкой 2 групп отверстий. Конечно, для более сложных корпусных деталей, данная методика нахождения оптимальной последовательности обработки сокращает вспомогательное временя до 20% по сравнению с базовыми вариантами обработки [11]. Примеры таких деталей были представлены на рис. 3 и рис. 4. Также необходимо отметить, что данная методика приобретает наибольшую актуальность применяя её начиная с серийного производства.
Список литературы
1. CATIA: изменяя мир: 3D Experience CATIA R2018x / DS: Dassault Systemes. Режим доступа: https://www.3ds.com/ru/produkty-i-uslugi/catia/ (дата обращения: 10.04.2018).
2. Digitally transform part production using NX for Manufacturing / Siemens: Ingenuity for life. Режим доступа: https://www.plm.automation.siemens.com/global/ru/products/nx/nx-for-manufacturing.html (дата обращения: 10.04.2018).
3. Edgecam: Products. Режим доступа: http://www.edgecamsoftware.ru/products (дата обращения: 10.04.2018).
4. Волчкевич Л.И. Автоматизация производственных процессов: учеб. пособие. 2-е изд. М.: Машиностроение, 2007. 380 с.
5. Маталин А.А., Дашевский Т.Б., Княжицкий И.И. Многооперационные станки. М.: Машиностроение, 1974. 320 с.
6. Холмогорцев Ю.П. Оптимизация процессов обработки отверстий. М.: Машиностроение, 1984. 184 с.
7. Автоматизированная система проектирования технологических процессов механосборочного производства / В.М. Зарубин и др.; под ред. Н.М. Капустина. М.: Машиностроение, 1979. 247 с.
8. Акофф Р.Л., Сасиени М.В. Основы исследования операций: пер. с англ. М.: Мир, 1971. 534 с. [Ackoff R.L., Sasieni M.W. Fundamentals of operations research. N.Y.: Wiley, 1968. 455 p.].
9. Беллман Р. Применение динамического программирования к задаче о коммивояжере // Кибернетический сборник. 1964. Вып. 9. С. 219-222.
10. Капустин Н.М., Кравченко И.И., Диланян Р.З. Оптимизация последовательности обработки поверхностей // Изв. высших учебных заведений. Машиностроение. 1978. Вып. 7. С. 178-183.
11. Кравченко И.И., Киселев В.Л. Разработка математической модели оптимальной последовательности обработки плоскостей и других взаимосвязанных поверхностей сложных корпусных деталей // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана: Электрон. журн. 2016. № 1. С. 67-77. DOI: 10.7463/0116.0831542
12. СТАН: Каталог: продукция. Режим доступа: https://www.stan-company.ru/catalog/metalloobrabatyvayushchee-oborudovanie/tokarnoe/tokarnye-obrabatyvaushchie-tsentry (дата обращения 14.04.18).
13. Официальный сайт компании Sandvik Coromant. Режим доступа: http://sandvik-coromant.tools/?yclid=6145297988553021734 (дата обращения 18.10.18).
Mechanical Engineering & Computer Science
Electronic journal
http://www.technomagelpub.ru ISSN 2587-9278
Mechanical Engineering and Computer Science, 2018, no. 07, pp. 31-47.
DOI: 10.24108/0718.0001423
Received: 16.06.2018
© NP "NEICON"
Analysing Computer-Aided Manufacturing Systems and Optimising Work Sequence of Complex Shell Parts
I.I. Kravchenko1*, S.V. Bukharov1
kriigigyandexju
:Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: multi-functional machine tool, shell's part, efficiency, processing sequence, CAM system
A track record in application of multi-operational CNC machines shows that their using is efficient only in the case of a significant increase in productivity rate and a dramatically reduced time-to-market of new products. Manufacturing capabilities of multi-operational machines (MOM) have been most completely revealed when machining the complex shell parts. The more complicated is a design of the part and the more is the number of its surfaces to be machined and the number of tools desirable for its machining and positioning, the more efficient is the use. One way to improve the MOM machining rate is to reduce nonproductive machine time by decreasing the mutual overlap processing of the movable operating elements of the machine.
To solve this problem, the computer-aided manufacturing (CAM) systems have been analysed. The analysis has shown that their capabilities are wide enough, however, these systems can calculate only the total execution time of the main manufacturing steps, but cannot calculate the nonproductive machine time and minimise it. This conclusion suggests that the task of optimizing the processing sequence is relevant. The research has shown that the problem can be solved by dynamic programming methods, one of which is the solution of the traveling salesman problem (the Bellman's method). With a known processing schedule of all the elementary surfaces of the shell part, i.e. the known number of the manufacturing steps to be performed, each step is represented as a vertex of some graph, and technological links between the vertices of its edges. A mathematical model developed on the Bellman principle, which is adapted to the manufacturing tasks allows us to minimise mutual overlap processing time of the operating elements of the machine to perform all the steps in the optimal sequence. Based on the MOM model (1000VBF), the mathematical model has passed tests when machining the shell part with 26 manufacturing steps to reach up to 12% reduction of the nonproductive machine time, as a result of optimization.
References
1. CATIA: izmeniaia mir: 3D Experience CATIA R2018x / DS: Dassault Systemes [CATIA: Changing the world: 3D Experience CATIA R2018x / DS: Dassault Systemes]. Available at: https://www.3ds.com/ru/produkty-i-uslugi/catia/, accessed 04.10.2018 (in Russian).
2. Digitally transform part production using NX for Manufacturing / Siemens: Ingenuity for life]. Available at: https://www.plm.automation.siemens.com/global/ru/products/nx/nx-for-manufacturing.html, accessed 04.10.2018 (in Russian).
3. Edgecam: Products. Available at: http://www.edgecamsoftware.ru/products, accessed 04.10.2018 (in Russian).
4. Volchkevich L.I. Avtomatizatsiia proizvodstvennykh protsessov [Automation of production processes]: a textbook. 2nd ed. Moscow: Mashinostroenie Publ., 2007. 380 p. (in Russian).
5. Matalin A.A., Dashevskij T.B., Kniazhitskij I.I. Mnogooperatsionnye stanki [Multioperational machines]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1974. 320 p. (in Russian).
6. Kholmogortsev Yu.P. Optimizatsiia protsessov obrabotki otverstij [Optimization of hole processing]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1984. 184 p. (in Russian).
7. Avtomatizirovannaia sistema proektirovaniia tekhnologicheskikh protsessov mekhanosborochnogo proizvodstva [Automated system for designing technological processes of mechanical assembly production] / V.M. Zarubin a.o.; ed. by N.M. Kapustin. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1979. 247 p. (in Russian).
8. Ackoff R.L., Sasieni M.W. Fundamentals of operations research. N.Y.: Wiley, 1968. 455 p. (Russ. ed.: Ackoff R.L., Sasieni M.W. Osnovy issledovaniia operatsij. Moscow: Mir Publ., 1971. 534 p.).
9. Bellman R. Primenenie dinamicheskogo programmirovaniia k zadache o kommivoiazhere [Application of dynamic programming to the traveling salesman problem]. Kiberneticheskij sbornik [Cybernetics], 1964, no. 9, pp. 219-222 (in Russian).
10. Kapustin N.M., Kravchenko I.I., Dilanyan R.Z. Optimization of the sequence of surface treatment. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenij. Mashinostroenie [Proc. of Higher Educational Institutions. Machine Building], 1978, no. 7, pp. 178-183 (in Russian).
11. Kravchenko I.I., Kiselev V.L. Mathematical optimal sequence model development to process planes and other interconnected surfaces of complex body parts. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU], 2016, no. 1, pp. 67-77. DOI: 10.7463/0116.0831542 (in Russian)
12. STAN: Katalog: produktsiia [STAN: Production catalog]. Available at: https://www.stan-company.ru/catalog/metalloobrabatyvayushchee-oborudovanie/tokarnoe/tokarnye-obrabatyvaushchie-tsentry, accessed 14.04.18 (in Russian).
13. Sandvik Coromant [The official website of Sandvik Coromant]. Available at: http://sandvik-coromant.tools/?yclid=6145297988553021734, accessed_18.10.2018 (in Russian).
