Разработка моделей пространственносложных связанных поверхностей для программирования обработки на станках с ЧПУ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Калинин, Анатолий Анатольевич

• Калинин, Анатолий Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Калинин, Анатолий Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ С ПСП НА СТАНКАХ С ЧПУ

1.2 СТРАТЕГИИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДВОЙНОЙ КРИВИЗНЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В CAD/CAM СИСТЕМАХ.

1.3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ

ОБЪЕКТОВ В ФОРМАТЕ ДАННЫХ VDA FS

1.4 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛАВА 2. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ

ПРИМИТИВОВ ПРОСТРАНСТСВЕННОСЛОЖНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРИ

ПРОЕКТИРОВАНИИ ОБРАБОТОК ДЛЯ СТАНКОВ С ЧПУ

2.1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ СТРУКТУРЫ АДАПТИВНО-АППРОКСИМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ТОПОЛОГИЧЕСКИ СОСТАВНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

2.2 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДВОЙНОЙ КРИВИЗНЫ ПРИ ТОЧЕЧНОМ И ЛИНЕЙНОМ КОНТАКТЕ ИНСТРУМЕНТА

2.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ БИКОНИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА

2.6 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 3. БАЗОВЫЕ АЛГОРИТМЫ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ

АДАПТИВНО-АППРОКСИМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ

3.1 НЕКОТОРЫЕ АЛГОРИТМЫ ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ТОПОЛОГИЧЕСКИ ОБЪЕДИЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

3.2 АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ДАННЫХ

3.3 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 4 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА РАСЧЕТА ТРАЕКТОРИЙ

ДВИЖЕНИЙ ИНСТРУМЕНТА НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТАННОЙ МОДЕЛИ

4.1. ХАРАКТЕРИСТИКА РАСЧЕТНОГО МОДУЛЯ МНОГОКООРДИНАТНОЙ ФРЕЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

4.2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОРИЕНТАЦИИ ИНТСРУМЕНТА

4.3 ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АДАПТИВНО-АППРОКСИМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДВОЙНОЙ КРИВИЗНЫ

4.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка моделей пространственносложных связанных поверхностей для программирования обработки на станках с ЧПУ»

Современное развитие автоматизированных систем для конструкторской (CAD) и технологической подготовки (САМ) характеризуется следующими факторами. С одной стороны, универсальные CAD/CAM системы, обеспечивающие конструирование изделий и проектирование обработки деталей для широкого спектра обрабатывающего оборудования с ЧПУ, дополняются специализированными модулями Предлагаемые решения содержат необходимый набор функциональных возможностей для различных отраслей промышленности, авиакосмическая, автомобильная, медицинская, ювелирная, а также с учетом технологических особенностей проектирования и производства многокоординатная и высокоскоростная обработка, параллельный инжиниринг, адаптивная обработка и т д С другой стороны, для оптимального использования высокопроизводительного обрабатывающего оборудования необходимо максимально эффективно выполнять технологическую подготовку производства в CAD/CAM системах Для этого, в математическом обеспечение САМ системы должны быть использованы и учтены в полном объеме не только геометрические параметры обрабатываемых деталей, а также технологические параметры проектируемой обработки (инструментально-станочное оснащение).

Особой группой деталей, обрабатываемых на многокоординатных станках с ЧПУ, являются детали, имеющие пространственносложные поверхности (ПСП) линейчатые поверхности, поверхности двойной кривизны. Причем при моделировании процесса формообразовании деталей с ПСП допускается точечный и линейный контакт модели детали и инструмента

Очевидно, что формообразование с линейным контактом инструмента с поверхностью является более эффективным методом в силу следующих причин:

- объем удаляемого материала за один проход определяется длиной режущей части инструмента;

- остаточная высота гребешка между проходами в силу «нахлеста» двух соседних проходов равна нулю.

В случае линейчатых поверхностей применимы оба вида контакта в силу их геометрического определения Для поверхностей двойной кривизны широко используется только точечный контакт. Поэтому разработка математической модели обрабатываемых поверхностей (адаптивно-аппроксимационной модели), которая бы содержала геометрическое определение поверхностей и учитывала бы технологические параметры обработки геометрические параметры инструмента и вид контача его с поверхностью, является актуальной задачей.

Целью работы является повышение эффективности процесса проектирования обработки и обеспечение точности обработки деталей с ПСП на основе использования адаптивно-аппроксимационной модели поверхности.

В работе решаются следующие научные задачи1

1 разработка требований к исходным данным геометрических примитивов для определения адаптивно-аппроксимационной модели,

2. подготовка исходных расчетных моделей примитивов, используемых для реализации модели с использованием топологически объединенной поверхности;

3. разработка метода определения геометрических параметров биконического инструмента на основе разработанной модели,

4. разработка программной реализации адаптивно-аппроксимационной модели с использованием расчетных алгоритмов;

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. подготовленные расчетные математические модели примитивов для реализации адаптивно-аппроксимационной модели;

2. информационно-алгоритмическое обеспечение адаптивно-аппроксимационного моделирования с использованием алгоритмов построения топологически объединенной поверхности;

3. программные функции, реализующие метод адаптивно-аппроксимационного моделирования

Методы исследования. В работе использовались, методы системного анализа, методы структурного анализа, основные методы вычислительной геометрии, основные положения теории сплайнов, основные положения технологии машиностроения и ряд других научных методов и теорий Научная новизна работы.

- разработка модели топологически объединенных поверхностей с учетом технологических параметров пяти координатной обработки,

- разработка математического аппарата описания, модификации и хранения адаптивно-аппроксимационных моделей поверхностей для программирования обработки на станках с ЧПУ.

- разработка методики определения геометрических параметров режущего инструмента на основе адаптивно-аппроксимационной модели.

В результате исследований сущности процесса проектирования обработки на станках с ЧПУ разработана адаптивно-аппроксимационная модель, позволяющая с высокой степенью точности приблизить геометрический образ изделия к его техническому прототипу.

Практическая полезность заключается в

- разработке комплекса методического и программного обеспечения для функционирования в составе интегрированной CAD/CAM - системы;

- применении модифицированной интегрированной CAD/CAM - системы для эффективного проектирования процесса обработки поверхностей деталей, в том числе пространственносложных;

- обеспечении регламентированной точности за счет использования разработанной моделей на основе топологичсеки объединенных поверхностей при проектировании процесса обработки

Реализация результатов работы. Данная работа проводилась в соответствии с тематическим планом, утвержденным Федеральным агентством по образованию, по проекту. «Построение топологических моделей связанных поверхностей на основе аналитических сплайнов».

Апробация работы. Основные положения и результаты работы <5бсуждались на заседаниях кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления» МГТУ СТАНКИН 2005-2006 г.г., результаты представлялись на выставках SofTool 2006 г., 2005г., на ежегодных семинарах «Российский программный комплекс Т-FLEX» в 2004-2006 годах.

Публикации. По теме диссертационной работе опубликовано 4 печатных работы

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и приложений, изложенных на 109 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 3 таблицы, список литературы из 79 наименований.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Калинин, Анатолий Анатольевич

выводы'

1 В работе решена новая научная задача по разработке адаптивно-аппроксимационной модели построения пространственносложных поверхностей деталей, позволяющей с высокой степенью точности приблизить геометрический образ изделия к его техническому прототипу

2. При проектировании обработки деталей, имеющих в своем составе поверхности двойной кривизны, на этапе моделирования формообразования целесообразно использовать линейный контакт инструмента с поверхностью

3. Для автоматизации программирования обработки деталей с поверхностями двойной кривизны на станках с ЧПУ необходимо развитие и совершенствование метода представления поверхностей деталей в виде топологичсеки объединенной поверхности

4 Разработанные аналитические зависимости для геометрических примитивов в составе топологически объединенной поверхности, а также для определения адаптивно-аппроксимационной модели, позволяют спроектировать обработку поверхностей двойной кривизны с линейным контактом инструмента

5. Получен ряд аналитических зависимостей и программная реализация для определения геометрических параметров биконического инструмента на основе адаптивно-аппроксимационной модели

6. При разработке новых расчетных геометрических структур необходимо предусматривать их связь с объектами международных графико-технологическими форматов (VDA FS, STEP), что делает программный пакет конкурентоспособным на мировом рынке 7 На основе разработанного математического обеспечения создана программная реализация метода проектирования многокоординатной фрезерной обработки биконической фрезой в виде набора программных функций в составе интегрируемой CAD/CAM системы.

104

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Калинин, Анатолий Анатольевич, 2007 год

1. Автоматизированное проектирование и производство в машиностроении, под редакцией Ю. М Соломенцева, В Г Митрофанова М Высшая школа, 1986

2. Н И. Ахиезер Лекции по теории аппроксимации М. Наука, 1965.

3. Н. С. Бахвалов Численные методы М . Наука, 1973.

4. Р Беллман Динамическое программирование М.: Наука, 1960

5. И С Березин, Н. П. Жидков Методы вычислений, тт. 1,2 М • Наука, 1966.

6. В Г. Болтянский Оптимальное управление дискретными системами М ■ Наука, 1973.

7. А А Боровков Курс теории вероятностей М • Наука, 1972

8. И.Г Бурова Теория машинных сплайнов М ' Наука, 1983

9. В И Василенко Сплайн-функции теория, алгоритмы программы М ■ Наука, 1983

10. Д А. Владимиров Булевы алгебры М : Наука, 1969

11. Ф. Р. Гантмахер. Теория матриц М ' Наука, 1966.

12. Р И. Гжиров, П П. Серебреницкий. Программирование обработки на станках с ЧПУ-М Наука, 1990.

13. В Гилой. Интерактивная машинная графика М : Мир, 1982

14. В А Данилов Формообразующая обработка сложных поверхностей резанием -Мск: Наука, 1995.

15. Б А Дубровин, СП. Новиков, AT Фоменко Современная геометрия Методы и приложения М.: Наука, 1979

16. Дж Альберг, Э. Нилсон, Дж. Уолш Теория сплайнов и их приложения М : Наука, 1972.

17. Г. Данциг. Линейное программирование М.: Прогресс, 1966.

18. К Де Бор Практическое руководство по сплайнам М . Наука, 1983.

19. С М Ермаков. Методы Монте-Карло и смежные вопросы М : Наука, 1971.

20. Н В Ефимов Квадратичные формы и матрицы М.: Наука, 1972

21. Ю С. Завьялов, Б И. Квасов, В. Л. Мирошниченко Методы сплайн функций -М.: Наука, 1980

22. В П Иванов, А С. Батраков Трехмерная компьютерная графика М . Радио и связь, 1994.

23. В. А Ильин, Э. Г. Позняк Аналитическая геометрия М ■ Наука, 1971.

24. Интегральные уравнения М : Наука, 1968

25. Л. В. Канторович, В. И Крылов. Приближенные методы высшего анализа М.: Физматгиз, 1962.

26. Каханер Д Молер, Неш С. Численные методы и программное обеспечение М : Наука, 1998.

27. Л.Коллатц Функциональный анализ и вычислительная математика М :Мир, 1969.

28. В. П Корячко, В М. Курейчик, И П Норенков. Теоретические основы САПР М • Энергоатомиздат, 1987

29. Л Д Кудрявцев Математический анализ, тт. 1,2 М : Высшая школа, 1971

30. С И. Лажнев, А Н Борисов Геометрическая теория формообразования поверхностей режущим инструментом М.: Высшая школа, 1977

31. А М Летов Устойчивость нелинейных регулируемых систем М.: Физматгиз, 1962

32. А А Маталин, Б.И. Френкель Проектирование технологических процессов обработки деталей на станках с ЧПУ М • Наука, 1977

33. С Г Михлин, X Л Смолицкий Приближенные методы решения дифференциальных и интегральных уравнений М.: Наука, 1965.

34. Н Н Моисеев Численные методы в проблемах синтеза оптимальных систем -М: Наука, 1972.

35. П С Новиков Элементы математической логики М * Наука, 1973

36. И П Норенков Введение в автоматизированное проектирование М.- Высшая школа, 1986

37. И. П Норенков. Разработка систем автоматизированного проектирования М изд-воМГТУим Н Э Баумана, 1994

38. У Ньюмен, Р Спрулл Основы интерактивной графики М.: Мир, 1985.

39. Общемашиностроительные нормативы времени и режимов резания для нормирования работ, выполняемых на универсальных и многоцелевых станках с числовым программным управлением Часть 2 Нормативы режимов резания М. -Экономика -1990 474 с

40. Основы прикладной геометрии поверхностей элементов, под редакцией В И Якунина-М Наука, 1991.

41. А И. Петренко, О. И. Семенков Основы построения систем автоматизированного проецирования Киев Высшая школа, 1984

42. А В Петров, В М Черненький Разработка САПР в 10-ти книгах М. Высшая школа, 1990.

43. С.П. Радзевич Формообразование сложных деталей на станках с ЧПУ К Высшая школа, 1991.

44. П Р Родин Обработка фасонных деталей на станках с ЧПУ М * Наука, 1976.

45. П Р Родин Основы формообразования поверхностей резанием М.: Наука, 1977.

46. Ю А Розанов Случайные процессы М. Наука, 1971

47. И Н Рыжов Каркасная теория задания и конструирования поверхностей М • Наука, 1985.50 «Рынок САМ ставит новый рекорд», в журнале PCWeek, №8 2005.

48. И С. Сокольников Тензорный анализ (теория и применения в геометрии и в механике сплошных сред) М • Наука, 1971.

49. С Б Стечкин, Ю Н Субботин. Сплайны в вычислительной математике М : Наука, 1976

50. В Н. Татаренко, Р Э. Сафраган Способы обработки фасонных поверхностей на станках с ЧПУ К.: Наука, 1982

51. В Н Татаренко, Г.А Линкин, Б Д Мирошников Интенсификация процессов механической обработки пространственно сложных поверхностей на станках с ЧПУ К. Наука, 1980

52. С Уилкс Математическая статистика М . Наука, 1967

53. В Д Цветков Системно-структурное моделирование и автоматизированное проектирование технологических процессов М Высшая школа 1979

54. Д К Фаддеев, В Н Фаддеева. Вычислительные методы линейной алгебры М Физматгиз, 1963

55. Ф Факс, М Пратт Вычислительная геометрия Применение в проектировании и на производстве М.: Мир, 1982

56. С. Феферман. Числовые системы. Основания алгебры и анализа М. Наука, 1971

57. Функциональный анализ М : Наука, 1972

58. Д Хедли Нелинейное и динамическое программирование М Мир, 1967

59. Р В Хемминг. Численные методы М : Наука, 1972

60. В Н Четвериков, Э Н. Самохвалов, Г. И. Ревунков Базы и банки данных М Высшая школа, 1987.

61. Ю.С Шарин, Т.И Тишинина Методика подбора деталей для обработки на станках с ЧПУ- М: Наука, 1981.

62. Е В Шикин, А В Боресков Компьютерная графика М Диалог-МИФИ, 1995

63. Е В Шикин, А И. Плис Кривые и поверхности на экране компьютера Руководство по сплайнам для пользователей М . Диалог - МИФИ, 1996

64. Г Шпур, Ф -Л. Краузе Автоматизированное проектирование в машиностроении -М Машиностроение, 1988.

65. Р Эдварде Функциональный анализ М * Мир, 1969

66. CAD Systeme САНА, Informationszeitschrift - Stuttgart 1995

67. J. D. Foley, A vom Dam, S K. Femer, J. F. Hugues Computer graphics Principles and practice Addison Wesley Pub Com , 1991.

68. ICE M Anwendung, Informationszeitschrift Frankfurt 1994.

69. ICE Magazin, Informationszeitschrift, №9 November Frankfurt' 1995 72

70. A Mund VDA Flaechenschmttstelle (VDA FS), Version 2 0 - Frankfurt- Verband der Deutschen Automobilindustrie, 1987.

71. U. Rembold, В. О Nnaji, A Storr. CIM Computeranwendung in der Produktion Bonn Addison Wesley Company, 1996

72. Calculation of economic CL Data for sculptured surface machining Jr. Of KIIE, Kim DH, Choi В К 1983

73. VDA FS. Flaechenschnittstelle, Version 1.0 Frankfurt. Verband der Deutschen Automobilindustrie, 1984