Software & Systems

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 (ТПП), которая включает в себя конструкторскую, технологическую и орга- низационно-экономическую подготовку производства [1]. ТПП осуществляется в целях эффек- тивного 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 CAD/CAM/CAE/… CAх-технологий системы ТПП 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 програм- много 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 кото- рой 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 справоч- ников. Необходимо подготовить данные по ме- ханическим 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- 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 проектиро- вания 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 па- раметров технологического процесса вырубки, представленного внизу схемы, находится 3D-модель 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 кри- сталлической 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 тепло- проводность. 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 меха- нических свойств материалов, следует проводить проверку порядка получаемых значений на соот- ветствие формуле

,                                                    (1)

где n – количество вытяжек; Kd – суммарная степень деформации; Kср – средняя операционная степень деформации [8].

Кроме того, число вытяжек можно определить графическим путем на основании графических дан- ных степени деформации при вытяжке, определяемой по формуле

,                                           (2)

где F0 – 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. Ре- зультатом работы модуля являются 3D-модели пу- ансонов, а также диаметры матриц и толщины сте- нок получаемых заготовок.

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 технологи- ческого процесса вырубки», «Банк данных», «Система моделирования процессов обработки ме- таллов 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., Пу- гин А.И., Федулов А.А. Практическое руководство к програм- мному 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.