Software & Systems

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 Sо (или подача на зуб Sz для фрезерования). Далее последовательно рассчитываются и корректируются поправочными коэффициентами стойкость инструмента  скорость резания Vрез, частота вращения шпинделя n, минутная подача Sm, путь резания Lрез и машинное время tмаш.

Для практических расчетов аналитический метод модифицирован путем приведения взаимосвязанных функций и tмаш к общему аргументу Si. Это позволило получить систему уравнений вида:

  ;

Sо, Sz=const; n=var,                                              (1)

где n – частота вращения шпинделя, об.–1; z – число зубьев фрезы, шт.; d – диаметр обработки, мм; m – безразмерный коэффициент относительной стойкости инструмента.

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

      (2)

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

Вспомогательное время перехода tв рассчитывается как

tв=(0,10, ..., 0,15)×tмаш+tси×k,                               (3)

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

Трудоемкость технологической операции tшт на МЦС составит:

,                           (4)

где i – индекс технологического перехода в операции; n – число технологических переходов; q – число смен инструмента в рабочей зоне; tц – время цикла смены заготовки.

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

Выражения (1)–(4) описывают взаимосвязи режимов резания Lрез, Sм, n, Vрез,  с трудоемкостью обработки tшт.

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 автоматически сгенерировать до 30 вариантов режимов резания, отличающихся величиной минутной подачи Si, стойкостью инструмента  и машинным временем tмаш.

Тем самым обеспечена возможность выбора любого варианта режимов резания (Si, n, Vрез,  и tшт) 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 (tмаш+tв) и время поворотов магазина tМИ 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.

В качестве критериев эффективности работы станка при разных вариантах режимов резания могут использоваться расход режущих инструментов (РИ) NРИ, себестоимость обработки СО, коэффициенты загрузки по машинному kмаш и опе­ративному kоп времени, производительность PО, прирост срока окупаемости оборудования LО.

Математические модели к расчету эффективности работы МЦС следующие.

·      Условие формирования количества технологических операций в сменном задании (СЗ):, где TЦ – плановое время автоматической работы станка; a – коэффициент недогрузки станка (1–3 %);  – штучное время технологической операции i-го наименования; Ni – число операций i-го наименования в СЗ; М – номенклатура технологических операций.

·      Число технологических операций в СЗ NСЗ, шт.: , где Ni – число технологических операций i-го наименования; М – номенклатура технологических операций в СЗ.

·      Фактическое время выполнения СЗ TСЗ, мин.:  где  Tсм – цикл смены заготовки в рабочей зоне станка; ,  – составляющие цикла смены РИ;   – соответственно машинное и вспомогательное время j-го из ni технологических переходов i-й операции.

·      Производительность PО, шт./час: , где NСЗ – число технологических операций в СЗ; TСЗ – фактическое время выполнения СЗ.

·      Расход режущих инструментов NРИ, шт.: , где  – машинное время технологического перехода, выполняемого РИ k-го наименования; Tk – стойкость инструмента k-го наименования;  – число переходов, выполняемых k-м инструментом в операции j-го наименования; Nj – число j-х технологических операций; IS – номенклатура используемых РИ.

·      Себестоимость выполнения технологичес­кой операции, CO, руб./шт.: , где Е – стоимость станко-минуты работы станка, руб./мин.; TСЗ – фактическое время выполнения СЗ; b – коэффициент стоимости инструмента; NСЗ – число технологических операций в сменном задании, шт.

·      Коэффициент загрузки по машинному вре­мени kмаш: , где  – машинное время j-го из ni технологических переходов i-й операции.

·      Коэффициент загрузки по оперативному времени kоп: , где ,  – соответственно машинное и вспомогательное время j-го из ni технологических переходов i-й операции.

·      Коэффициент прироста срока окупаемости станка, LO:    , где  – штуч- ное время технологической операции i-го на- именования; Ni – число операций i-го наимено- вания 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).

Данный режим работы предназначен для анализа единичного техпроцесса или сменного задания. 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 NРИ, СО, kмаш, kоп, PО, LО.

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.

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. № 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 образование–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.