Повышение эффективности управления на автоматизированных профилегибочных машинах за счет уточнения математической модели процесса формообразования и оперативной коррекции управляющих программ

Актуальность проблемы.

Комплекс практических задач современного авиастроения, появление новых материалов, конструкций, повышение требований к уровню организации производства и к качеству выпускаемой продукции, ее конкурентоспособности на внешнем и внутреннем рынке определили насущную потребность в современных инновационных технологиях и оборудовании, характеризуемых возможно полной и высокоэффективной автоматизацией производства. К подобным прорывным технологиям последнего десятилетия обосновано можно отнести использование автоматизированных профилегибочных машин, в частности для гибки с растяжением сложнопрофильных длинномерных изделий.

Технология авиастроения, обработка авиационных сплавов давлением отличаются повышенной изменчивостью размерно-механических параметров заготовок, мелкосерийностью и многономенклатурностью, значительной сложностью кинематических схем и сложностью проектирования управляющих программ, высоким уровнем исходной (априорной) неопределенности, из-за чего существующие САПР оказываются неэффективными из-за отсутствия времени на своевременную подготовку управляющих программ в условиях быстрой смены номенклатуры деталей и инструментальной оснастки. Последнее обусловило необходимость разработки таких технологий [1−8, 91], при которых формообразующее замыкание координат и сил являлось бы слабозависящим от воздействия влияющих факторов и параметров различной природы за счет подготовки управляющей программы в реальном времени в режиме «Обучение» по первой детали.

Теория гибки с растяжением как совмещенной операции силового деформирования была подробно рассмотрена научными школами Московского государственного авиационно-технологического университета, Казанского [69.

71] и Воронежского государственных технических университетов. Ими были подробно отработаны методы и системы проектирования управляющих программ для автоматизированных профилегибочных машин при изготовлении больших партий однотипных деталей. Однако, на сегодняшний день открытыми остаются вопросы повышения эффективности управления формообразованием (повышение качества, производительности, уменьшение затрат на доводочные операции) с целью повышения точности технологии гибки с растяжением при изготовления специзделий со значительным разбросом и временным трендом в размерно-механических параметрах заготовок в условиях мелкосерийного многономенклатурного производства, например, формообразования партий свежезакаленных изделий из алюминиевого сплава Д16. Цель работы.

Повышение эффективности управления формообразованием сложнопрофильных деталей на автоматизированных профилегибочных машинах на основе уточнения математической модели процесса гибки с растяжением и анализа влияния непрямолинейности свободного участка деформируемого профиля, а также оперативного программирования в режиме «Обучение» и коррекции управляющих программ. Научная новизна.

1. Получена модель процесса формообразования на автоматизированных профилегибочных машинах, которая позволяет учитывать криволинейность свободного участка профиля между точкой схода заготовки с пуансона и концом заготовки. Разработаны методика и программный комплекс для расчета напряженно-деформированного состояния формообразуемого профиля, позволяющие давать обоснованные рекомендации о выборе технологических схем формообразования на автоматизированных профилегибочных машинах.

2. Предложен способ повышения эффективности управления формообразованием за счет компенсации влияния основных факторов, приводящих к остаточным деформациям деталей, в условиях мелкосерийного многономенклатурного производства с помощью оперативного программирования и коррекции управляющей программы.

3. На основе выполненных исследований обосновано управление формообразованием сложнопрофильных деталей на автоматизированных профилегибочных машинах, позволяющее компенсировать влияние криволинейности свободного участка профиля и деформаций обтяжного пуансона при автоматической подготовке и последующей коррекции управляющей программы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты модернизации аналитического решения и моделирования процесса формообразования на автоматизированных профилегибочных машинах на основе нового представления о выборе расчетной схемы нагружения, связанной с линией между точкой схода заготовки с пуансона и концом заготовки.

2. Способ формирования сетки опорных траекторий в режиме «Обучение» и калибровки, компенсирующий влияние деформаций обтяжного пуансона и криволинейности свободного участка профиля при автоматической подготовке и последующей коррекции управляющей программы.

3. Разработка методики и программного комплекса для расчета напряженно-деформированного состояния формообразуемого профиля, позволяющих давать обоснованные рекомендации о выборе технологических схем формообразования на автоматизированных профилегибочных машинах.

4. Подробное аналитическое и экспериментальное исследование влияния факторов и параметров различной природы, которое может быть компенсировано за счет применения способа «Обучения» и последующей корректировки управляющей программы.

Достоверность основных положений и выводов обеспечивается согласованностью с результатами имитационного моделирования, лабораторных и производственно-экспериментальных исследований.

Апробация.

Основные научные положения и результаты работ докладывались на Международной научно-технической конференции «Комплексное обеспечение точности автоматизированных производств» г. Пенза, 1995 г.), Международной конференции «Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении» (г. Саратов, 2002 г.), Международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (г. Пенза, 2003 г.), Всероссийской молодежной научно-технической конференции «22-е Гагаринские чтения» (г. Москва, 1996 г.), Всероссийских научно-практических конференциям по диагностике автомобильных дорог (г. Саратов, 2002, 2003 гг.), заседаниях кафедры «Конструирование и компьютерное моделирование технологического оборудования машинои приборостроения» СГТУ в 20 012 004 гг., научно-техническом совете ФГУП Саратовский научно-производственный центр «Росдортех».

Реализация результатов работы.

Повышена эффективность управления формообразованием сложнопрофильных деталейрезультаты теоретических исследований, вычислительных и натурных экспериментов внедрены в технологию процесса формообразования на автоматизированной профилегибочной машине ПГР-6АД с УЧПУ 2Р32М на ЗАО «Саратовский авиационный завод». Осуществлено изготовление силовых элементов для авиационной техники, самолетов Як-42, Як-54. Предложен способ правки на автоматизированном профилегибочном оборудовании трехметровых разборных дорожных реек КП-531, применяемых в диагностике автомобильных дорог для оценки ровности дорожного полотна. Разработан и практически применен способ «Обучение-калибровка» системы управления малогабаритного пресса для силовых операций окончательной правки, рекомендуемого для введения в технологию формообразования сложнопрофильных деталей.

Методы и средства исследований.

Теоретические исследования выполнены на базе теории автоматического управления, методов автоматизации технологических процессов и производств, робототехники, теории механизмов и деталей машин, теории упругости и пластичности, теории обработки металлов давлением и др. Для моделирования процесса гибки с растяжением использована интегрированная система автоматизации научных и инженерно-технических расчетов Maple. Экспериментальные исследования проведены для различных типоразмеров изготавливаемых деталей на автоматизированной профилегибочной машине ПГР-6АД с УЧПУ 2Р32М с применением сменных обтяжных пуансонов и сменных кулачков зажимных патронов с использованием общепринятых и оригинальных методик. Обработка результатов измерений осуществлена методами математической статистики с использованием программного продукта Mathcad PLUS 6.0.

Для достижения указанной цели поставлены научные задачи:

1. Выявить на основе систематизации и практических исследований основные влияющие факторы и параметры различной природы, определить оптимальную по виду замыкания координат и сил технологию формообразования на автоматизированных профилегибочных машинах, слабо зависящую от влияния доминирующих факторов.

2. Определить расчетную схему и модернизировать способ автоматического обучения по силам растяжения автоматизированной профилегибочной машины и последующей корректировки управляющей программы.

3. Разработать программный комплекс моделирования напряженно-деформированного состояния формообразуемого профиля.

4. Определить технологические ограничения для автоматизированного процесса гибки с растяжением, обеспечивающие возможность достижения требуемой точности формообразования с учетом минимизации затрат на доводочные операции.

5. Дать сравнительную оценку эффективности автоматизации процесса гибки с растяжением и перехода от профилегибочных машин с ручным управлением к автоматизированным.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, основные положения, выносимые на защиту, дан краткий обзор содержания диссертации по главам, приведены необходимые сведения о публикациях и об апробации.

В первой главе представлено состояние вопроса и определены задачи исследований. Рассмотрены особенности управления процессом формообразования на автоматизированных профилегибочных машинах. Приведена классификация факторов и причин возникновения погрешностей формообразования сложнопрофильных деталей при гибке с растяжением.

Рассмотрены результаты исследований в области управления процессом формообразования сложнопрофильных деталей методами гибки с растяжением, проведенных научными коллективами НИАТ, НИИАСПК (г. Москва), ЦНИИ технологии судостроения (г. Санкт-Петербург), МАИ, МАТИ, МГАТУ, МГТУ, СПбГТУ, Казанского ГТУ, Воронежского ГТУ.

Гибка с растяжением представлена как основной элемент сквозной технологии проектирования и изготовления авиационной техники Саратовского авиационного завода. Показаны особенности процесса формообразования на автоматизированных профилегибочных машинах и трубогибочной машине с УЧПУ. Рассмотрены аналоги силовых операций в технологии машиностроения.

Во второй главе рассматривается ориентированная на САПР уточненная математическая модель процесса гибки с растяжением, позволяющая повысить эффективность управления формообразованием сложнопрофильных деталей на автоматизированных профилегибочных машинах за счет анализа влияния непрямолинейности свободного участка профиля, который начинается от зоны пластического шарнира и до точки фиксации в зажимном патроне.

Приведены результаты теоретических исследований, в ходе которых проведены модернизация аналитического решения и моделирование гибки с растяжением на основе нового представления о выборе расчетной схемы нагружения, связанной с линией между точкой схода заготовки с пуансона и концом заготовки. При этом растягивающий гидроцилиндр задает величину суммарной силы, приложенной к концу заготовки, а гибочный — направление действия этой силы.

За счет использования модели нерастяжимой нити показана принципиальная возможность качественного анализа новых пространственных задач гибки с растяжением в естественных уравнениях равновесия нити на поверхности, в частности, для задачи изготовления сопрягающих профилей между крылом и фюзеляжем самолета.

Предложена новая модель процесса гибки с растяжением, более полно отражающая особенности данной технологической операции. Процесс гибки с растяжением представляется в виде волны деформирования, которая перемещается по длине заготовки вместе с точкой схода с пуансона.

Проведен вычислительный эксперимент по моделированию процесса гибки с растяжением с использованием современной автоматизированной системы автоматизации научных исследований Maple. Отработана методика использования программного комплекса при расчете напряженно-деформированного состояния формообразуемого профиля.

Уточнен способ формирования сетки опорных траекторий при подготовке управляющей программы для автоматизированной профилегибочной машины в режиме «Обучение» и калибровки и последующей корректировки управляющей программы.

В третьей главе с учетом проведенных теоретических исследований по уточнению математической модели приведен способ формообразования сложнопрофильных деталей с использованием оперативной коррекции управляющих программ. Проведена модернизация способа формирования координатной сетки контурного управления в режиме «Обучение» по силе растяжения на первой детали. При этом проводится дополнительный учет различных влияющих факторов вида: деформация контура обтяжного пуансона, перераспределение его положения из-за несимметричных нагрузок и др.

Автором подробно Исследовано влияние на остаточные деформации деталей изменения механических свойств свежезакаленных деталей с течением времени, особенно для случая неудовлетворительной технологической пластичности.

Отработан метод коррекции управляющей программы по критерию точности соответствия контура детали и контура шаблона способом управления по обратной связи (знаковая подналадка).

Отработаны методы определения параметров первоначальной настройки автоматизированной профилегибочной машины с учетом положений фиксации каретки на гибочном крыле, длины заготовки, формы пуансона, диапазона перемещения штока растяжного гидроцилиндра.

Проведено аналитическое и экспериментальное исследование условий закрепления концов профиля в зажимных патронах. Исследовалось влияние ряда возмущений на точность и надежность фиксации заготовки в зажимном патроне. Определены виды нарушений нормального процесса, разработаны рекомендации по их предупреждению. Показана технологическая возможность реализации пространственного изгиба.

Исследованы аналитически и экспериментально особенности системы «гибочный гидроцилиндр — крыло», определены условия возникновения скоростного замыкания для этой системы, влияющие на качество гибки.

Исследовано влияние износа контура обтяжного пуансона на погрешность формообразования. Дополнительно отработаны режимы интенсивного износа контура пуансона для малых радиусов кривизны. Выявлены условия возникновения эффекта неустойчивости для кинематической схемы замыкания, приводящего к возникновению дополнительного изгибающего момента.

В четвертой главе показаны практические решения по повышению эффективности управления процессом формообразования сложнопрофильных деталей на автоматизированных профилегибочных машинах в условиях многономенклатурного мелкосерийного производства на основе оперативной коррекции управляющих программ с учетом проведенных теоретических исследований по уточнению математической модели гибки с растяжением. При участии автора осуществлено внедрение полученных результатов теоретических исследований, вычислительных и натурных экспериментов в технологию процесса формообразования на автоматизированной профилегибочной машине ПГР-6АД с УЧПУ 2Р32М на ЗАО «Саратовский авиационный завод». Осуществлено серийное изготовление силовых элементов для авиационной техники, самолетов Як-42, Як-54.

Обоснована возможность существенного (до 3 раз) повышения производительности труда при изготовлении профилей параболической формы за счет использования более эффективного способа управления и совмещения формы профилей с контуром шаблона.

Предложен способ правки растяжением трехметровых разборных дорожных реек КП-531 на автоматизированных профилегибочных машинах.

Разработан и практически применен способ «Обучение-калибровка» системы управления малогабаритного пресса для силовых операций окончательной правки, рекомендуемых для введения в технологию формообразования сложнопрофильных деталей.

В приложениях даны основные сведения о методах управления, технологиях и оборудовании формообразования, применяемых в ЗАО «Саратовский авиационный завод», приведена формализация типовой методики сравнения способов формообразования по силам и перемещениям для основных влияющих факторов (изменения размерно-механических параметров). Представлены акты внедрения результатов диссертационной работы в ЗАО «Саратовский авиационный завод» и ФГУП СНПЦ «Росдортех».

Публикации.

По результатам проведенных исследований опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 217 машинописных стр.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ.

1. На основе выполненных исследований обосновано управление формообразованием сложнопрофильных деталей на автоматизированных профилегибочных машинах, впервые позволяющее компенсировать влияние криволинейности свободного участка профиля и деформаций обтяжного пуансона при автоматической подготовке и последующей коррекции управляющей программы.

2. С учетом установленной криволинейности свободного участка профиля проведены модернизация аналитического решения и моделирование гибки с растяжением на основе нового представления о выборе расчетной схемы нагружения, связанной с линией между точкой схода заготовки с пуансона и концом заготовки.

3. Разработаны методика и программный комплекс расчета напряженно-деформированного состояния формообразуемого профиля для САПР, позволяющие давать обоснованные рекомендации о выборе технологических схем формообразования на автоматизированных профилегибочных машинах.

4. Проведен вычислительный эксперимент процесса гибки с растяжением с использованием современной системы автоматизации научных исследований Maple. Отработана методика использования программного комплекса при расчете напряженно-деформированного состояния формообразуемого профиля.

5. Повышена эффективность управления формообразованием на автоматизированных профилегибочных машинах на основе уточнения математической модели процесса гибки с растяжением, оперативного программирования в режиме «Обучение» и своевременной коррекции управляющих программ на основе подналадки. При этом время подготовки управляющей программы сократилось с двух до одного цикла, отклонения размеров деталей относительно шаблона уменьшены до 2−4 раз, время на окончательную правку уменьшено в полтора раза (например, с 15 до 10 мин. для деталей до 1,5 м).

6. Отработаны методы определения параметров первоначальной настройки автоматизированной профилегибочной машины. Определены виды нарушений нормального процесса, разработаны рекомендации по их предупреждению.

7. Обоснована возможность существенного (до 3 раз) повышения производительности труда при изготовлении профилей параболической формы за счет использования более эффективного способа управления процессом формообразования.

8. Осуществлено внедрение результатов теоретических исследований, вычислительных и натурных экспериментов в технологию процесса гибки с растяжением на автоматизированных профилегибочных машинах ПГР-6АД с УЧПУ 2Р32М на ЗАО «Саратовский авиационный завод».