Komputerowe wspomaganie projektowania technologii w obrabiarkach automatycznych

Transkrypt

1 Komputerowe wspomaganie projektowania technologii w obrabiarkach automatycznych HENRYK MIGDACZ JAN WENCELIS ARKADIUSZ KRZEMPEK Opracowanie procesu technologicznego na konwencjonalne obrabiarki automatyczne (obrabiarki zespo owe, linie obrabiarkowe, automaty tokarskie) wymaga du ych umiej tnoêci technologa i jest bardzo Dr in. Henryk Migdacz, dr in. Jan Wencelis, mgr in. Arkadiusz Krzempek sà pracownikami Katedry Technologii Maszyn i Automatyzacji Akademii Techniczno-Humanistycznej w Bielsku-Bia ej. czasoch onne. Koƒcowy rezultat, tzw. takt konstrukcyjny, czyli teoretyczny czas wykonania przedmiotu, ma zasadniczy wp yw na wydajnoêç produkcji. Nieznaczne skrócenie tego czasu, przy du ych liczbach cz Êci wyprodukowanych w ciàgu roku (co ma miejsce w przemyêle motoryzacyjnym) mo e daç du e efekty. Jednak na rzeczywistà wydajnoêç produkcji istotny wp yw majà przestoje w pracy obrabiarek, spowodowane koniecznoêcià zamiany zu ytych na- 24 ROK WYD. LXIV ZESZYT 9/2005

2 rz dzi, które pracujà w bardzo niekorzystnych warunkach (równoczesna obróbka wieloma narz dziami, zmieniajàca si skrawalnoêç oraz skrawnoêç). Tak e liczne wypadki zniszczenia narz dzi powodujà powstawanie bardzo kosztownych braków (wa korbowy, g owica, obudowa skrzyni biegów), które razem ze wzrastajàcymi kosztami narz dziowymi obni ajà efektywnoêç produkcji. Czasy ycia narz dzi majà charakter doêç przypadkowy i to jest najwi kszym problemem w obróbce wielonarz dziowej na obrabiarkach automatycznych. Najlepszym rozwiàzaniem by oby rejestrowanie zu ycia narz dzi w czasie pracy za pomocà odpowiednich czujników. Jest to mo liwe, lecz rzadko stosowane ze wzgl du na du e koszty. W literaturze [1] przedstawiono problem automatycznego nadzoru stanu narz dzia skrawajàcego, z uwzgl dnieniem przede wszystkim metod identyfikacji stanu ostrza narz dzia z wykorzystaniem ró nego rodzaju czujników, a wi c bardzo drogiego oprzyrzàdowania dla obrabiarek automatycznych wielonarz dziowych. Z analizy literatury dotyczàcej zagadnieƒ odnowy systemów z o onych z wielu elementów wynika, e nie zosta w niej rozwa ony problem konstrukcji zbioru dopuszczalnych harmonogramów wymiany elementów. Zagadnienie to nabiera szczególnego znaczenia przy wymianie narz dzi w obrabiarkach automatycznych, gdy jest to system, w którym potrzeba wymiany narz dzi wyst puje cz sto, a wp yw budowy harmonogramu na wyniki ekonomiczne jest znaczny. W Katedrze Technologii Maszyn i Automatyzacji Akademii Techniczno-Humanistycznej w Bielsku-Bia ej na zlecenie Fiat Auto Poland powsta o wiele prac w zakresie eksploatacji narz dzi skrawajàcych. Propozycja poszukiwania rozwiàzania tego problemu jest obszernie przedstawiona w pracy [2]. Opracowane oprogramowanie, przedstawione na przyk adzie automatów tokarskich wielowrzecionowych, wspomaga technologa na etapie wykonywania cz Êci rysunkowej technologii, a przede wszystkim w zakresie doboru optymalnych parametrów obróbki z uwzgl dnieniem zamian narz dzi. Program daje mo liwoêç przeprowadzenia optymalizacji parametrów obróbki przy indywidualnej zamianie narz dzi wg kryterium ekonomicznego (koszt wykonywania obróbki) oraz wydajnoêciowego (czas wykonania przedmiotu). Istnieje równie mo liwoêç optymalizacji w razie zamiany grupowej narz dzi wg harmonogramu. Poza tym w sytuacji, gdy nastàpi istotna zmiana warunków pracy (materia obrabiany, narz dzie, obrabiarka), mo na przeprowadziç szybkà aktualizacj parametrów obróbki, wprowadzajàc do programu nowe, zmienione czasy ycia narz dzi. Schemat blokowy oprogramowania Program sk ada si z trzech cz Êci (rys. 1): cz Êci obliczeniowej (dobór parametrów obróbki oraz ich optymalizacja przy indywidualnej i grupowej zmianie narz dzi), cz Êci graficznej (edycja karty instrukcyjnej do projektowania technologii), menu (programy obs ugujàce menu). Wykonane oprogramowanie jest aplikacjà bazujàcà na Êrodowisku AutoCAD-a. Algorytm obliczeƒ parametrów obróbki oraz obliczeƒ optymalizacyjnych Rys. 1. Schemat blokowy oprogramowania ROK WYD. LXIV ZESZYT 9/

3 napisano w j zyku C ++. Aplikacja wykorzystuje równie zaawansowane techniki udost pnione przez Autodesk w celu stworzenia atwego w obs udze interfejsu u ytkownika okna dialogowe, menu rozwijalne, menu ekranowe. Program ca kowicie zast puje menu AutoCAD-a, wprowadzajàc swój w asny interfejs u ytkownika, umo liwiajàcy jednak dost p do wi kszoêci standardowych poleceƒ AutoCAD-a. Aplikacja wspomaga dobór parametrów obróbki, ich optymalizacj oraz edycj kart instrukcyjnych dla 6- i 8-wrzecionowych automatów tokarskich firmy Gildemeister. System projektowania operacji technologicznych stworzono przy u yciu oprogramowania [3, 4, 5]: Auto CAD R14 PL i zintegrowanymi z nim j zykami programowania Auto LISP, DCL, Kompilatora Borland C++. W j zyku C++ napisano program ATW.exe, który s u y do: obliczeƒ wst pnych parametrów obróbki, obliczeƒ optymalizacyjnych przy zamianie narz dzi indywidualnej i grupowej, zapisania danych wynikowych do plików dane.dat oraz dane_opt.dat (rys. 1). J zyk AutoLISP wykorzystany jest: przez system konfigurowalnego menu AutoCAD-a w plikach menu Menu_6.mnu i Menu_8.mnu, do obs ugi okien dialogowych napisanych w DCL oraz zapisywania danych wejêciowych do plików dane_mat.dat, dane_tech.dat, kart_narz.dat (odpowiednio: dane materia owe, dane technologiczne, kartoteka kosztów narz dziowych), do napisania programu DRUK. LSP, który powoduje czytanie danych z pliku dane.dat, wyêwietlanie danych w oknie dialogowym AutoCAD-a oraz wysy anie danych do drukarki. W j zyku DCL zdefiniowano okna dialogowe, plik dcl1.dcl (rys. 1) u atwiajàce u ytkownikowi wprowadzanie danych. Przebieg obliczeƒ technologicznych i optymalizacyjnych Wprowadzenie danych materia owych, technologicznych oraz narz dziowych Aby rozpoczàç wprowadzanie danych do obliczania podstawowych parametrów automatu oraz ich optymalizacji, nale y wybraç typ obrabiarki, np. AS 25, co wywo uje okno ATW, które umo liwia u ytkownikowi wprowadzenie danych (rys. 2). W danych materia owych nale y wprowadziç: rodzaj stali, kszta t i stan materia u, obróbk cieplnà, wartoêç R m, liczb narz dzi, ciecz ch odzàcà itp. W formie dialogu z komputerem mo liwe jest wprowadzenie wszystkich danych technologicznych dla ka dego wrzeciona i zabiegu, po wczeêniejszym wybraniu konkretnego wariantu procesu (rys. 3). Rys. 3. Okno dialogowe dane technologiczne Rys. 2. G ówne okno aplikacji (okno dialogowe ATW) W zakresie danych technologicznych konieczne jest wprowadzenie mi dzy innymi rodzaju obróbki i narz dzia, dobiegu i wybiegu, drogi skrawania, g bokoêci skrawania, posuwów granicznych itp. Nale y równie wprowadziç dane do obliczenia kosztów narz dziowych, takie jak: cena narz dzia, liczba ostrzeƒ, czas ostrzenia itp. Dobór podstawowych parametrów obróbki Wprowadzenie danych umo liwia w nast pnym kroku automatyczny dobór parametrów pracy automatu (pr dkoêci skrawania i posuwów). Algorytm wst pnego doboru parametrów obróbki przeprowadzono na podstawie normatywów IOS Instytutu Obróbki Skrawaniem [6], z wykorzystaniem metody narz dzia limitujàcego. Obliczenie okresowej pr dkoêci skrawania pozwala na wybranie obrotów granicznych (jako najmniejszych z wszystkich wrzecion). Daje to mo liwoêç obliczenia najwi kszych pr dkoêci skrawania, czasu g ównego oraz okresu trwa oêci dla poszczególnych narz dzi. Dzia anie programu koƒczy wydruk wyliczonych norm zamiany narz dzi (tzn. po wykonaniu ilu przedmiotów nale y 26 ROK WYD. LXIV ZESZYT 9/2005

4 wymieniç narz dzie) oraz pr dkoêci obrotowych wrzecion i czasów maszynowych. Algorytm i przebieg obliczeƒ przedstawiono w pracy [2]. Optymalizacja parametrów przy indywidualnej zamianie narz dzi Po wywo aniu okna dialogowego optymalizacji mo na przeprowadziç optymalizacj parametrów obróbki przy indywidualnej zamianie narz dzi wg kryterium ekonomicznego i wydajnoêciowego [3]. Wykorzystuje si tutaj zale noêç Tiemczina oraz statystyczne dane o wartoêci Êredniego czasu pomi dzy zamianami narz dzi, uzyskane w czasie krótkiej eksploatacji automatu z wczeêniej wyliczonymi wst pnymi parametrami obróbki. Dla przypadków spe niajàcych warunki ograniczajàce: liczba obrotów wrzeciona niezb dna do wykonania zabiegu wi ksza od granicznej liczby obrotów, posuw wi kszy od minimalnego i mniejszy od maksymalnego, moc skrawania nie przekracza mocy silnika, oblicza si czas wykonania przedmiotu oraz koszt jednostkowy. Procedur koƒczy wybór rozwiàzaƒ optymalnych w sensie Pareto. Optymalizacja parametrów obróbki przy grupowej zamianie narz dzi Zamiana grupowa wg harmonogramu stwarza mo liwoêç osiàgni cia wi kszej wydajnoêci automatu w wyniku lepiej zorganizowanej obs ugi, czyli skrócenia czasu traconego na pojedynczà zmian narz dzi. Harmonogramem zamiany grup narz dzi b dzie nazywana regu a przyporzàdkowania ka dej grupie narz dzi jej terminu wymiany. Liczba, sk ad i kolejnoêç pojawiania si poszczególnych faz harmonogramu sà okreêlone przez cykl. Terminy wymian (czas mi dzy wymianami kolejnych faz) zale à do modu u harmonogramu. Budow harmonogramu realizuje si przy nast pujàcych za o eniach: stosunek cz Êci zamian narz dzi najcz Êciej wymienianych do narz dzi najrzadziej wymienianych nie mo e przekroczyç 120, jest to liczba b dàca dzielnikiem liczby 100. Liczb 120 ustalono doêwiadczalnie ze wzgl du na maks. rozpi toêç trwa oêci narz dzi ogranicza okres powtarzalnoêci harmonogramu. WartoÊç modu u jest liczbà podzielnà przez 10 i nie mniejszà ni Min/10 (Min minimalny okres trwa oêci wyra ony liczbà obrobionych przedmiotów). Algorytmy i program generowania optymalnych harmonogramów przedstawiono w pracy [8]. Dla tak dobranych modu ów liczone sà: liczba zamian, liczba faz (bloków) zamian, koszt wykonania jednego przedmiotu (K 1 kryterium kosztów), czas wykonania jednego przedmiotu (K 2 kryterium wydajnoêci). Powstaje w ten sposób zbiór mo liwych rozwiàzaƒ dla ró nych wartoêci modu u. Z tego zbioru zostaje wybrane rozwiàzanie optymalne w sensie Pareto. W matematycznym modelu polioptymalizacji powinna dominowaç tendencja do uzyskania takich zbiorów rozwiàzaƒ, które mog yby byç wykorzystane w odpowiednio elastyczny sposób przez kierownictwo przedsi biorstwa. Autorzy sàdzà, e warunki takie spe nia znalezienie w uk adzie obu kryteriów (K 1, K 2 ) zbioru rozwiàzaƒ optymalnych w sensie Pareto. Do wyjaênienia tego poj cia pos u y rys. 4, na którym w uk adzie K (koszt) oraz W (wydajnoêç) pokazano przyk adowe wyniki obliczeƒ dla ró nych wariantów rozwiàzania zadania wymiany grup narz dzi. Ka demu rozwiàzaniu odpowiada punkt o okreêlonych wspó rz dnych (K, W). Punkt (K, W ) z tego zbioru jest àcznie dominowany przez inny punkt (K, W ), je eli spe nione sà warunki: K K i W W. Stàd wszystkie wyniki àcznie niedominowane tworzà zbiór rozwiàzaƒ optymalnych w sensie Pareto. W rozpatrywanym wypadku jest to zbiór punktów, które na p aszczyênie (K, W) zosta y wyró nione (zaznaczone kó kami). Rys. 4. Przyk adowy zbiór rozwiàzaƒ w sensie Pareto Je eli przedsi biorstwo musi utrzymywaç okreêlony poziom wydajnoêci obrabiarek, który jest ustalony na poziomie 1, to nale y wybraç jako rozwiàzanie wariant A, poniewa zapewnia najni sze koszty. Je eli wydajnoêç wzroênie do poziomu 2, to logiczne b dzie wybranie wariantu B jako najlepszego. W razie spadku wydajnoêci do poziomu 3 wybierzemy wariant C. Cz Êç graficzna programu Cz Êç graficzna programu s u y u atwieniu i przy- Êpieszeniu prac kreêlarskich, które musi wykonaç technolog w celu sporzàdzenia karty instrukcyjnej projektowanej technologii. Karta zawiera niezb dne informacje do ustawienia automatu oraz szkice zabiegów wykonywanych na poszczególnych wrzecionach wraz z opisem u ytych narz dzi, uchwytów, sprawdzianów itp. Podstawowà zaletà tej cz Êci programu, przyczyniajàcà si w znacznym stopniu do przyspieszenia pracy technologa, jest mo liwoêç wykorzystania szkiców zabiegów i rysunku wykonanego elementu osobno, bez uwzgl dnienia wielkoêci rubryki przewidywanej w karcie instrukcyjnej na dany rysunek. Program sam dokonuje przeskalowania rysunku i umieszcza go automatycznie w odpowiednim miejscu karty. Fragment karty instrukcyjnej z dyspozycjà zabiegów i narz dzi przedstawia rys. 5. Przyk ad Nowà wersj oprogramowania [2] zweryfikowano na przyk adzie automatu tokarskiego AS-25 wykonujàcego zamek spr yny zaworu w WSW ANDORIA S.A. (rys. 5). W wyniku uruchomienia procedury doboru podstawowych parametrów obróbki uzyskano: obroty wrzeciona 624 obr/min (w zak adzie 549 obr/min), ROK WYD. LXIV ZESZYT 9/

5 Rys. 5. Fragment karty instrukcyjnej TABELA I. Rozwiàzania optymalne dla indywidualnej zmiany narz dzi Obroty wrzeciona Czas maszynowy K 1 K ,10 0,402 1, ,60 0,420 0,969 K 1 czas wykonania przedmiotu w minutach; K 2 koszt obróbki przedmiotu w z otych. TABELA II. Wyniki optymalizacji zamiany grupowej Obroty Czas Modu wrzeciona maszynowy optymalny K 1 K , ,412 1, , ,426 0,990 czas maszynowy 26 sekund (w zak adzie 32 sekundy). Po wprowadzeniu Êrednich czasów pomi dzy wymianami narz dzi oraz Êrednich czasów wymiany narz dzi (dane statystyczne) i uruchomieniu programu optymalizacji w przypadku indywidualnej zamiany narz dzi uzyskano rozwiàzania optymalne (tab. I). Dla obu rozwiàzaƒ przeprowadzono procedur optymalizacyjnà zamiany narz dzi blokami. Wyniki zestawiono w tab. II. Dla drugiego rozwiàzania z tab. II ze wzgl du na najmniejszy koszt K 2 = 0,990 z wygenerowano harmonogram zamiany narz dzi (rys. 6), który stanowi dok adnà instrukcj eksploatacji narz dzi dla obs ugujàcego automat tokarski. Harmonogram pokazuje, które z poszczególnych narz dzi (danego wrzeciona i zabiegu) powinny byç wymienione po zrealizowaniu n-tego modu u oraz w jakich fazach harmonogramu nast puje wymiana grupowa narz dzi. WartoÊç modu u m = 580 odpowiada liczbie 580 wykonanych przedmiotów (tab. III). Otrzymane w przyk adzie wyniki wskazujà na znaczne skrócenie czasu maszynowego przez zwi kszenie obrotów wrzeciona n = 713 obr/min w stosunku do obrotów stosowanych w zak adzie n = 549 obr/min, zarówno w wypadku indywidualnej, jak i grupowej zamiany narz dzi. Nieznaczny wzrost kosztów obróbki przy wymianie grupowej K 2 = 0,990 z w porównaniu z wymianà indywidualnà K 2 = 0,969 z dla wybranego wariantu obs ugi wynika z niewykorzystania zdolnoêci skrawnych narz dzi w niektórych wypadkach (zamiana 28 ROK WYD. LXIV ZESZYT 9/2005

6 Rys. 6. Harmonogram zmiany narz dzi uprzedzajàca narz dzi zu ycie nie osiàga dopuszczalnego kryterium st pienia). Zastosowanie uprzedzajàcej zamiany grupowej narz dzi wg harmonogramu pozwoli na lepszà organizacj eksploatacji narz dzi skrawajàcych, ograniczajàc liczb braków i zwi kszajàc wydajnoêç. LITERATURA 1. Kosmol J.: Automatyzacja obrabiarek i obróbki skrawaniem. WNT Warszawa Migdacz H.: Komputerowe wspomaganie technologii. Akademia Techniczno-Humanistyczna, Katedra Technologii Maszyn i Automatyzacji, Bielsko-Bia a G.O. Head AutoLISP. Wydawnictwo MIKOM, Warszawa Horczyk M., Skierski J.: AutoLISP dla u ytkownków Auto- CAD-a. Wyd. PLJ, Warszawa Gr bosz J.: Symfonia C++. Oficyna Kallimach, Kraków Wytyczne doboru warunków skrawania w obróbce wielonarz dziowej. Wyd. IOS, Kraków Migdacz H., Starczak M.: System komputerowego wspomagania optymalizacji parametrycznej operacji wykonywanych na automatach tokarskich wielowrzecionowych. Post py Technologii Maszyn i Urzàdzeƒ, Rzeszów, vol. 19, nr 3/1995. TABELA III. Parametry zmiany narz dzi blokami Wrzeciono/ Co ile modu ów Liczba zabieg W/Z wymiana sztuk Narz dzie narz dzia 1/ Nawiertak 1/ Nó tokarski 2/ Nó kszta towy 2/ Wiert o 2/ Nó do fazowania 3/ Nó tokarski 3/ Wiert o 3/ Nó do fazowania 4/ Wiert o 4/ Nó kszta towy 4/ Dogniatanie 5/ Rozwiertak 5/ Nó przecinak 6/ Nó przecinak 8. Migdacz H., Starczak M., Wencelis J.: Komputerowe projektowanie technologii na wielowrzecionowe automaty tokarskie. Materia y Konferencyjne Podstawy Projektowania Procesów i Systemów Produkcyjnych. Kraków 1993, ss ROK WYD. LXIV ZESZYT 9/