CC BY
45
УДК 621.77 Дата подачи статьи: 13.11.15
Б01: 10.15827/0236-235Х. 115.198-201
МЕТОД ОРГАНИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА ДЛЯ ПРОЦЕССОВ ГЛУБОКОЙ ВЫТЯЖКИ
(Работа выполнена при поддержке областного гранта «Разработка методологии технического перевооружения предприятий машиностроительного комплекса Оренбуржья на основе производственных систем нового поколения», соглашение № 36 от 23 июня 2015 г.)
А.И. Сердюк, д.т.н., профессор, директор; М.В. Овечкин, к.т.н., старший преподаватель, maxov-1@mail.ru; М.А. Корнипаев, к..т..н., доцент (Оренбургский государственный университет, аэрокосмический институт, просп.. Победы, 13, г. Оренбург, 460018, Россия); А.В. Щеголев, генеральный директор (Механический завод, просп.. Мира, 4, г. Орск, 462403, Россия)
В статье описывается метод организации информационного и программного обеспечения автоматизированной системы технической подготовки производства для процессов глубокой вытяжки. Отмечено, что эффективность функционирования бизнес-процессов виртуальных предприятий, основанных на сложных процедурах управления и информационного обмена, обеспечивается весьма трудоемкой, выполняемой с использованием информационных и компьютерных технологий технической подготовкой производства, которая включает в себя конструкторскую, технологическую и организационно-экономическую подготовку производства. В этих условиях особую актуальность приобретают разработка и использование компьютерных средств для комплексной автоматизации системы технической подготовки производства - от разработки технологического процесса глубокой вытяжки, проектирования технологического инструмента, разработки управляющих программ для систем ЧПУ современного оборудования по его изготовлению до автоматизированного оформления конструкторской и технологической документации. На примере производства стальных баллонов высокого давления описаны компоненты, участвующие в автоматизированных процессах передачи информации о подготовке производства. Разработана и представлена схема эффективной организации информационного и программного обеспечения, состоящая из шести модулей, объединенных в четыре группы в зависимости от функционального назначения. Отмечено, что важным компонентом автоматизации производства вытяжных заготовок является программа DEFORM, использование которой на предприятии позволяет оценить форму заготовки на каждом шаге моделирования, определить возможность появления разрывов при свертке листовой заготовки, подобрать усилие вытяжки. Приведены формулы расчета количества вытяжек на основании степени деформации металла. Проиллюстрированы поэтапно сформированные модели вытяжных инструментов, экспортированные в программу КОМПАС-3Б. Предложены пути дальнейшего развития метода, основанные на автоматизации изготовления вытяжного инструмента.
Ключевые слова: автоматизация, АСТПП, подготовка производства, информационное обеспечение, DEFORM.
Эффективность функционирования бизнес-процессов виртуальных предприятий, основанных на сложных процедурах управления и информационного обмена, обеспечивается весьма трудоемкой, выполняемой с использованием информационных и компьютерных технологий технической подготовкой производства (ТИП), которая включает в себя конструкторскую, технологическую и организационно-экономическую подготовку производства [1]. ТИП осуществляется в целях эффективного освоения нового или модернизированного изделия, внедрения новых сложных машин и оборудования, новых технологических приемов и изменений организации производства. Она предусматривает разработку технологических процессов, проектирование оснастки, приспособлений и специального инструмента, необходимых для обеспечения технологического процесса, расчеты производственных мощностей, подготовку нормативной документации [2].
С развитием компьютерных САБ/САМ/САЕ/... САх-технологий системы ТИП все более интегри-
руются в единую автоматизированную систему ТПП (АСТПП), выполняющую роль верхнего уровня управления предприятием, обеспечивающего развитие ресурсов предприятия для выпуска все более совершенных изделий в нужных количествах в установленные сроки и с минимальной себестоимостью.
Требуется максимальная эффективность в работе подразделений, обеспечить которую возможно лишь с использованием АСТПП, связанных с разработкой конструкторской и технологической документации на необходимые изделия, а также быстрым перепрофилированием оборудования цехов и участков предприятия, занятых их изготовлением.
В этих условиях особую актуальность приобретают разработка и использование компьютерных средств для комплексной автоматизации АСТПП -от разработки технологического процесса глубокой вытяжки, проектирования технологического инструмента, разработки управляющих программ для систем ЧПУ современного оборудования по
его изготовлению до автоматизированного оформления конструкторской и технологической документации.
Организация информационного и программного обеспечения АСТПП формализованно может быть представлена в виде системы информационных потоков, то есть совокупности всех физических перемещений информации. Применительно к процессам глубокой вытяжки в качестве компонентов, участвующих в автоматизированных процессах передачи информации о подготовке производства, можно выделить следующие:
- модуль расчета параметров заготовки;
- модуль расчета параметров инструмента вырубки;
- банк данных;
- система моделирования процессов обработки металлов давлением DEFORM;
- модуль расчета параметров инструментов вытяжки;
- модуль расчета числа вытяжных операций.
Модель организации информационных потоков
АСТПП процессов глубокой вытяжки на примере производства стальных баллонов высокого давления представлена на рисунке 1. Ее неотъемлемой
частью является система моделирования процессов обработки металлов давлением DEFORM, в которой составляется таблица с данными по параметрам вытяжных операций [3]. DEFORM - система конечно-элементного моделирования, предназначенная для анализа трехмерного течения металла при различных процессах обработки металла давлением, инструмент, позволяющий прогнозировать характер формообразования при операциях обработки металлов давлением без существенных затрат на экспериментальное исследование [4]. DEFORM является наиболее распространенной системой моделирования обработки металлов давлением. В России пользователями являются ГАЗ, Трубодеталь, Тяжпрессмаш и многие другие предприятия. Использование DEFORM позволяет оценить форму заготовки на каждом шаге моделирования, определить возможность появления разрывов при свертке листовой заготовки, подобрать усилие вытяжки. Результаты исследования, описанные в работе [5], показывают соответствие результатов, полученных с помощью математического моделирования в программе DEFORM и при проведении натурных испытаний. Кроме того, система позволяет провести моделирование с использованием инструментов, полученных на этапе автоматизированного расчета параметров вытяжных инструментов.
Одним из ключевых блоков представленной модели информационных потоков является банк данных. В его состав входят несколько БД, СУБД на базе MS Access, а также СУБД на Delphi с использованием механизмов ADO. Кроме того, в него могут входить данные в виде книжных и электронных справочников. Необходимо подготовить данные по механическим свойствам деформируемого металла заготовки. Их можно получить путем выборки из БД механических свойств используемых металлов посредством формирования SQL-запроса на основании указанного материала заготовки (либо его характеристик в виде удельного веса и коэффициента уточнения). При заполнении базы реко-
Автоматизация расчета параметров технологического процесса вырубки
Расчет параметров заготовки
Расчет кружка, ехе
Кружок.M3d
Расчет параметров инструментов вырубки
Автоматизация расчета вырубного инструмента.ехе
Инструмент.МЗс!
Параметры заготовки, механические свойства материалов
Банк данных
Данные по расчетам параметров
Данные по расчетам параметров
Данные в виде справочников
п
Данные в виде справочников
Параметры Система моделирования
операций процессов
обработки металлов
давлением
DEFORM
Параметры заготовки, механические свойства материалов
Автоматизация расчета параметров вытяжных инструментов
Параметры операций
Расчет параметров инструментов
Расчет количества вытяжек
Автоматизация расчета вытяжных инструментов, ехе
Инструменты.МЗс!
Определение
числа вытяжек, ехе
Рис. 1. Организация информационного и программного обеспечения системы ТПП баллонов
Fig. 1. Information support and software for a cylinder fitting-out system
мендуется использовать аппроксимацию для перевода графических данных по свойствам металлов в числовые характеристики. Кроме того, необходимо задать эвристику по подбору числовых параметров, точные значения которых отсутствуют в БД.
Банк данных, в свою очередь, осуществляет обмен информацией с блоком «Автоматизация расчета параметров технологического процесса вырубки», который состоит из модулей расчета параметров заготовки и инструмента вырубки. Основными составляющими алгоритма проектирования заготовки для глубокой вытяжки являются верное разбиение заготовки на составляющие элементарные объемы и четкий контроль механических свойств, опирающийся на сведения об изменении пределов прочности металла [6].
На выходе блока автоматизации расчета параметров технологического процесса вырубки, представленного внизу схемы, находится 3D-мо-дель заготовки, вырубных матриц и пуансона, представляемых в формате КОМПАС-3D. Для повышения качества передачи 3D-модели из КОМПАС-3D предложено использовать систему Geomagic Studio, а для передачи данных о геометрии - формат STEP. Экспериментально установленные режимы настройки Geomagic Studio позволили экспортировать в формат STL в препроцессор DEFORM-3D геометрические модели пуансона, матрицы и прижима. Кроме того, блок связан с банком данных, представляющим собой автоматизированную информационную систему централизованного хранения и коллективного использования данных [7]. Выходными данными блока являются коэффициент зазора, диаметр матрицы, высота кромки и угол скалывания, 3D-модель инструментальной сборки в формате КОМПАС-3D, построенная по результатам автоматизации расчета.
Расчет инструментов вытяжки, являющийся частью функциональной составляющей блока автоматизации расчета параметров технологического процесса вырубки, состоит из расчета параметров инструментов и расчета количества вытяжек. При определении числа вытяжек следует учитывать, что с ростом степени холодной пластической деформации усиливаются прочностные свойства металла (увеличиваются пределы прочности и текучести, твердость), а пластические свойства ослабевают (уменьшаются относительное удлинение, сужение, ударная вязкость). Холодная пластическая деформация сопровождается искажением кристаллической решетки металла - образованием новых дислокаций, дроблением зерен, их сплющиванием и удлинением в направлении наибольшего течения металла. В результате искажений кристаллической решетки и появления остаточных напряжений изменяются физико-химические свойства металла, например, уменьшается электро- и теплопроводность. В результате холодной деформации в металле возникают также преимущественная ори-
ентировка (текстура) и анизотропия свойств, то есть их неоднородность в зависимости от направления преимущественного течения металла. При дискретизации данных, получаемых на основании эксперимента или аппроксимации на основе механических свойств материалов, следует проводить проверку порядка получаемых значений на соответствие формуле
ig(i - K )
lg(1 - Kcp )
(1)
где п - количество вытяжек; & - суммарная степень деформации; ^ - средняя операционная степень деформации [8].
Кроме того, число вытяжек можно определить графическим путем на основании графических данных степени деформации при вытяжке, определяемой по формуле
K = Fo F ■ 100%,
F
(2)
где Fo - площадь поперечного сечения полуфабриката до вытяжки; Fi - площадь поперечного сечения полуфабриката после вытяжки [5].
Модули автоматизации расчета параметров вытяжных инструментов позволяют в автоматизированном режиме рассчитывать и строить вытяжные инструменты и на выходе получать поэтапные модели пуансонов и параметры матриц процесса вытяжки (рис. 2). Механические свойства материалов для данного этапа берутся из банка данных, параметры расчета могут приниматься на основе таблицы параметров расчетов, формируемой на основе результатов моделирования в DEFORM. Для автоматизированного определения числа вытяжек на основании деформации заготовки необходимо использовать БД, содержащую информацию по суммарному наклепу с определенной степенью дискретизации. Пользователь вводит параметры полуфабриката и выбирает материал из базы либо указывает коэффициент растяжения материала. Результатом работы модуля являются 3D-модели пуансонов, а также диаметры матриц и толщины стенок получаемых заготовок.
Рис. 2. Пример поэтапно сформированных моделей вытяжных инструментов
Fig. 2. The example of step-by-step formed models of drawing tools
В предложенной модели учтена возможность самостоятельного задания последовательности прохождения полуфабриката через матрицы в виде сценариев. Можно составить сценарий использования матриц «вручную», последовательно выбирая необходимые, а также загрузить его из файла.
Таким образом, в статье описана разработанная схема эффективной организации информационного и программного обеспечения АСТПП баллонов. Выделено шесть модулей, объединенных в четыре группы по функциональному назначению: «Автоматизация расчета параметров технологического процесса вырубки», «Банк данных», «Система моделирования процессов обработки металлов давлением DEFORM», «Автоматизация расчета параметров вытяжных инструментов». Описаны потоки данных и даны рекомендации по связям между модулями и группами. Завершающим этапом автоматизации технической подготовки производства стальных баллонов для газов является автоматизация изготовления вытяжного инструмента. При его производстве рекомендуется использовать станки с ЧПУ, так как качество обработки напрямую влияет на процесс вытяжки.
Литература
1. Схиртладзе А.Г., Скворцов А.В., Чмырь Д.А. Проектирование единого информационного пространства виртуальных предприятий. М.: Абрис, 2012. 615 с.
2. Медведева С.А. Основы технической подготовки производства: учеб. пособие. СПб: Изд-во СПбГУ ИТМО, 2010. 69 с.
3. Щеголев А.В., Овечкин М.В., Сергеев А.И. Обзор систем моделирования процессов обработки металлов давлением // V Междунар. науч.-практич. конф.: сб. матер. Краснодар, 2014. С.119-121.
4. Паршин В.С., Кармышев А.П., Некрасов И.И., Пугин А.И., Федулов А.А. Практическое руководство к программному комплексу DEFORM-3D. Екатеринбург: Изд-во УрФУ. 2010. 266 с.
5. Смирнов-Аляев Г.А. Сопротивление материалов пластическому деформированию. Л.: Машиностроение, 1978. 368 с.
6. Щеголев А.В., Овечкин М.В. Автоматизация расчетов кружка для операции глубокой вытяжки // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. URL: http://www.science-education.ru/120-15632 (дата обращения: 12.11.2015).
7. Наумов Д.М., Вальтер А.И. Методика применения баз данных в автоматизированных системах расчета процессов ОМД // Автоматизация: проблемы, идеи, решения: сб. тр. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 27-30.
8. Валиев С.А. Комбинированная глубокая вытяжка листовых материалов. М.: Машиностроение, 1973. 176 с.
9. Щеголев А.В., Сердюк А.И., Сергеев А.И. Методика анализа процесса глубокой вытяжки // Науч.-технич. вестн. Поволжья. 2015. № 2. С. 232-234.
DOI: 10.15827/0236-235X. 115.198-201 Received 13.11.15
A METHOD OF ORGANIZING INFORMATION AND SOFTWARE FOR CAM PROCESSES DEEP DRAWING
(Acknowledgements. The work was done with the support of the regional grant "Development of a technical re-equipment methodology of Orenburg region machine-building enterprises on the basis of new generation production systems", agreement no. 36, June 23, 2015)
1Serdyuk A.I., Ph.D., Professor, Director; lOvechkin M. V., Ph.D., Chief Lecturer, maxov-l@mail.ru; 1Kornipaev M.A., Ph.D., Associate Professor; 2Shegolev A. V., Director General
1Orenburg State University, Aerospace Institute, Pobedy Ave. 13, Orenburg, 460018, Russian Federation 2JSC «Mechanical plant», Mira Ave. 4, Orsk, 462403, Russian Federation
Abstract. This article describes a method of organizing information and software support for an automated fitting-out system of deep drawing processes. It is noted that the efficiency of business processes of virtual enterprises, which are based on complex management information exchange procedures, is provided by highly labour-intensive fitting-out system (CCI) using information and computer technologies. The fitting-out system includes design, technological, organizational and economic pre-production. In these conditions the development and use of computer facilities for complex automation of a fitting-out system is extremely important. The system incluges a lot of procedures ranging from deep drawing technological process development, technological tool design, control programs development for CNC systems of modern equipment for its production to automated execution of design and technological documentation. On the example of steel high-pressure cylinders production the article describes the components involved in the automated processes of production information transfer. The authors developed and presented an effective organization chart of information and software support, which consists of six modules grouped into four groups by functional purpose.
It is noted that an important component of drawing pieces automated production is DEFORM software. It allows the company to assess the shape of a workpiece at each step of modeling, to determine the possibility of gaps occurrence at convolution the blanks, to choose a drawing force. The paper presents formulas for calculating a number of extracts on the basis of a metal deformation degree. It also illustrates stepwise generated model extraction tools that are exported to the program "KOMnAC-3D". The authors propose the ways of further development of the method based on automation of exhaust tool manufacturing.
Keywords: automation, CAM, preparat fitting-out, information supply, DEFORM.
References
1. Skhirtladze A.G., Skvortsov V.A., Chmyr D.A. Proektirovanie edinogo informatsionnogo prostranstva virtualnykh predpriyaty [Design of a Single Information Space of Virtual Enterprises]. Moscow, Outline Publ., 2012, 615 p.
2. Medvedeva S.A. Osnovy tekhnicheskoy podgotovki proizvodstva [Fundamentals of Technical Preparation of Production]. St. Petersburg, SPbSU ITMO Publ., 2010, 69 p.
3. Schegolev A.V., Ovechkin M.V., Sergeev A.I. Overview of modeling systems of metal processing by pressure. V Mezhdunar. nauch-praktich konf.: sb. mater. [Proc. 5 Int. Science and Practice Conf.]. Krasnodar, 2014, pp. 119-121 (in Russ.).
4. Parshin V.S., Karmyshev A.P., Nekrasov I.I., Pugin A.I., Fedulov A.A. Prakticheskoe rukovodstvo kprogrammnomu kompleksu DEFORM-3D [A practical Guide to Program Complex DEFORM-3D]. Ekaterinburg, UrFU Publ., 2010, 266 p.
5. Smirnov-Alyaev G.A. Soprotivlenie materialov plasticheskomu deformirovaniyu [Resistance of Materials to Plastic Deformation]. Leningrad, Mashi-nostroenie Publ., 1978, 368 p.
6. Shchegolev A.V., Ovechkin M.V. Automation of circle calculations for deep drawing. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya [Modern Problems of Science and Education]. 2014, no. 6. Available at: http://www.science-education.ru/120-15632 (accessed November 12, 2015).
7. Naumov D.M., Walter A.I. The method of databases application in automated systems for metal forming processes calculation. Avtomatizatsiya: problemy, idei, resheniya [Automation: Problems, Ideas, Solutions]. Tula, Tula State Univ. Publ., 2009, pp. 27-30 (in Russ.).
8. Valiev S.A. Kombinirovannaya glubokaya vytyazhka listovykh materialov [Combined Deep Drawing of Sheet Materials]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1973, 176 p.
9. Schegolev A.V., Serdyuk A.I., Sergeev A.I. The method of deep drawing process analysis. Nauchno-tekhnich vestnik Povolzhya [Scientific and Technical Volga region Bulletin]. 2015, no. 2, pp. 232-234 (in Russ.).
