Анализ сфер использования средств интеллектуальных измерений позволяет сделать вывод о том, что их применение в ряде предметных областей, в частности, в области механической обработки, в значительной степени ограничено отсутствием математических моделей, которые могут использоваться для получения адекватной задачам измерений априорной информации о процессах, являющихся объектами измерения или управления. В приложении к решению задач механической обработки, информационно-измерительные системы различного уровня сложности применяются, главным образом, в составе систем адаптивного управления металлорежущими станками токарной или фрезерной группы (см., например, [2, 39, 46, 105, 115, 125, 148]), что, в первую очередь, объясняется относительной простотой геометрических, кинематических и динамических моделей этих видов обработки. Относительная простота геометрической модели процесса обработки и его близость к случаю свободного резания позволяет использовать в алгоритмах измерения априорную информацию, полученную на основе аналитических моделей физических процессов и явлений, сопровождающих процесс обработки резанием [21, 22, 47, 48, 100, 143, 149].
Таким образом, одной из задач, решение которых должно способствовать более активному использованию интеллектуальных средств измерений в практике управления процессами механической обработки, является задача построения математических моделей наиболее ответственных процессов механической обработки и реализующих их технологических операций. К числу наиболее ответственных операций механической обработки, во многом определяющих эксплуатационные качества изделий машиностроения, относится операция нарезания зубчатых колес червячными зуборезными фрезами [44, 54, 114, 144].
Целью данной диссертационной работы является разработка имитационной математической модели процесса червячного зубофрезерования, предназначенной для использования в интеллектуальных информационно–измерительных системах в качестве источника априорной и текущей информации о процессе обработки.
Актуальность работы определяется необходимостью разработки алгоритмического обеспечения интеллектуальных измерительных процедур, что должно способствовать применению современных средств интеллектуальных измерений при исследовании процессов обработки с использованием сложнорежущего инструмента. Кроме того, актуальность разработки алгоритмического обеспечения имитационного моделирования процесса зубофрезерования определяется необходимостью разработки эффективного математического аппарата оптимизации конструкции сложнорежущего инструмента на этапе проектирования и формального аппарата оценки качества технологических операций зубофрезерования.
Достижение сформулированной цели исследования предполагает решение следующих задач:
1. Проведение анализа метрологических аспектов имитационного моделирования процесса червячного зубофрезерования.
2. Разработка теоретических методов и реализующих их алгоритмов представления червячной зуборезной фрезы математической моделью.
3. Выбор моделируемых параметров и разработка алгоритмического обеспечения имитационной математической модели процесса червячного зубофрезерования для типовых случаев обработки.
4. Разработка программного комплекса, реализующего предложенные алгоритмы имитационного моделирования. Проверка корректности предложенных алгоритмов моделирования.
5. Исследование возможных предметных областей и методов практического применения разработанной имитационной математической модели процесса червячного зубофрезерования.
Цель и задачи диссертационной работы однозначно определяют объект и предмет исследования. Объектом исследования является, в наиболее общем виде, процесс обработки косозубого цилиндрического зубчатого колеса червячной зуборезной фрезой с осевыми или винтовыми стружечными канавками с диагональной или радиальной подачей. Предметом исследования являются геометрические и кинематические закономерности процесса зубофрезерования, определяемые условиями обработки методом центроидного огибания, и определяющие характер основных физических процессов, сопровождающих процесс обработки.
В результате проведенного диссертационного исследования были получены следующие результаты, которые выносятся на защиту:
1. Метрологическое обоснование использования имитационной математической модели процесса червячного зубофрезерования как источника априорной и текущей информации о процессе обработки, адекватной задачам измерений в рамках интеллектуальных информационно-измерительной систем.
2. Методы представления червячной зуборезной фрезы геометрической моделью (совокупностью фиксированных положений плоских примитивов, представляющих зубья червячной зуборезной фрезы), и реализующие их алгоритмы.
3. Алгоритм имитационного математического моделирования перемещений червячной зуборезной фрезы и обрабатываемого зубчатого колеса в процессе обработки (алгоритм прямой трассировки зубьев фрезы).
4. Методы представления обрабатываемой поверхности впадины зуба заготовки фиксированными положениями примитивов, представляющих зубья червячной зуборезной фрезы, и реализующий их алгоритм обратной трассировки зубьев червячной зуборезной фрезы.
5. Метод определения мгновенных площадей слоев, срезаемых каждым из зубьев червячной зуборезной фрезы в каждый из моментов времени обработки.
6. Алгоритм определения областей пересечения и объединения плоских фигур, использованный для определения мгновенных площадей слоев, срезаемых каждым из зубьев червячной зуборезной фрезы.
7. Разработанное на основе алгоритма обратной трассировки зубьев и метода определения площадей плоских фигур алгоритмическое обеспечение имитационной модели процесса обработки зубчатого колеса червячной зуборезной фрезой.
8. Программный комплекс "ФРЕЗА", предназначенный для автоматизированного проектирования и моделирования эвольвентных зубчатых передач, червячных зуборезных фрез и зубофрезерных операций, в котором реализованы основные алгоритмы имитационного моделирования процесса червячного зубофрезерования.
Научная новизна данной работы состоит в том, что впервые создана универсальная имитационная математическая модель, позволяющая исследовать процесс обработки зубчатого колеса червячной зуборезной фрезой практически при любых комбинациях конструктивных параметров конволютных, архимедовых и эвольвентных фрез и технологических параметров обработки, и допускающая моделирование как процесса врезания фрезы в заготовку и выхода фрезы из заготовки, так и процесса полного резания. Новый метод определения параметров срезаемого слоя основан на разработанных автором алгоритмах (алгоритме построения математической модели фрезы, алгоритмах прямой и обратной трассировки зубьев фрезы), которые позволяют определять параметры слоя, срезаемого любым зубом фрезы в любой момент времени обработки. Метод может применяться как для моделирования обработки фрезами со стандартной схемой резания, так и фрезами с любыми другими схемами резания в случае, если изменение схемы резания заключается в изменении профиля зубьев по витку фрезы. Программный комплекс "ФРЕЗА" является первой реализацией имитационной математической модели процесса червячного зубофрезерования, основанной на принципах объектного программирования.
Диссертационная работа выполнена с использованием преимущественно теоретических методов исследования. При выполнении исследования был использован формальный аппарат алгоритмического описания измерительных процедур, предложенный в работах [62, 81, 110, 113], а также методы аналитической геометрии и методы численной оптимизации. Программный комплекс "ФРЕЗА" был разработан на основе объектного подхода к созданию сложных программных и технических систем.
Работа была выполнена на кафедрах "Вычислитель¬ная техника" и "Металлорежущие станки и инструменты" Волгоградского государственного технического университета (ВолгГТУ) в 1992-1998 гг. Значительная часть работы была выполнена в рамках цикла научно-исследовательских работ по созданию, исследованию и внедрению в производство прогрессивных зуборезных инструментов, проводимого в ВолгГТУ.
Специфика диссертационной работы заключается в том, что построение имитационной модели процесса червячного зубофрезерования, которая может являться элементом алгоритмического обеспечения интеллектуальных средств измерений, требует проведения исследования в двух предметных областях - в области метрологии интеллектуальных измерений и в области обработки резанием. Особенности процедуры исследования наложили отпечаток на структуру диссертационной работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.
В первой главе работы анализируются основные направления теоретических исследований в области интеллектуальных измерений и метрологические аспекты имитационного моделирования поведения объекта измерений. На основе проведенного анализа проводится выделение основных информативных параметров процесса червячного зубофрезерования, оценки которых могут быть получены путем имитационного математического моделирования.
Вторая глава посвящена разработке общих методов и алгоритмов имитационного моделирования процесса червячного зубофрезерования, при этом основное внимание уделяется рассмотрению геометрических и кинематических параметров обработки. К числу общих алгоритмов отнесены алгоритм построения математической модели фрезы и алгоритм прямой трассировки зубьев.
В третьей главе изложены общие методы и реализующие их алгоритмы оценки мгновенного состояния процесса резания. К числу алгоритмов оценки мгновенного состояния процесса резания отнесены алгоритм обратной трассировки зубьев фрезы и алгоритмы определения мгновенной площади срезаемого слоя.
Четвертая глава посвящена анализу и обобщению результатов проведенного исследования. Кроме того, в четвертой главе приводится описание программного комплекса "ФРЕЗА", который является реализацией основных алгоритмов имитационного моделирования процесса червячного зубофрезерования.
Автор выражает искреннюю благодарность доктору технических наук, профессору Мухе Ю.П.; доктору технических наук, профессору Смольникову Н.Я.; кандидату технических наук, доценту Скребневу Г.Г.; кандидату философских наук, доценту Дулиной Н.В.; Мещерякову О.В., а также всем сотрудникам кафедры "Металло¬режущие станки и инструменты" ВолгГТУ, без помощи и поддержки которых выполнение данного исследования было бы невозможным.
