«Підвищення ефективності механічної обробки великогабаритних корпусних деталей на верстатах з ЧПК»

Дем’яненко, Дмитро Володимирович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9310

Title:	«Підвищення ефективності механічної обробки великогабаритних корпусних деталей на верстатах з ЧПК»
Authors:	Канашевич, Георгій Вікторович Дем’яненко, Дмитро Володимирович
Keywords:	Обробка великогабаритних корпусних деталей
Issue Date:	2023
Abstract:	Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Підвищення ефективності механічної обробки великогабаритних корпусних деталей на верстатах з ЧПК» Виконавець: здобувач групи мТМ-82 Дем’яненко Дмитро Володимирович. Керівник: д.т.н., професор Канашевич Георгій Вікторович. Кваліфікаційна робота містить 93 сторінки формату А4, 61 рисунок, 7 таблиць, 51 літературне джерело. Актуальність теми обумовлена тим, що Успішний розвиток машинобудування неможливий без наукового підходу під час виготовлення деталей. Одним з основних завдань технології машинобудування є досягнення необхідної точності та високої продуктивності обробки на металорізальних верстатах. Найбільш трудомісткими та витратними у виготовленні є великогабаритні корпусні деталі літаків, ракет та ін. Всі ці деталі проходять складний процес виготовлення від одержання заготовки до механічної обробки та складання. Тому ціна помилки, особливо в дрібносерійному виробництві при розробці технологічного процесу, веде до великих витрат і в ряді випадків зриву термінів виконання замовлення. В даний час залишаються затребуваними дослідження в галузі удосконалення технологічних циклів виготовлення великогабаритних корпусних деталей для одиничного та дрібносерійного виробництва, які дозволять отримувати якісні деталі та в сукупності конкурентоспроможний виріб. Перший розділ присвячено: Дослідженню стан проблеми механічної обробки великогабаритних литих заготовок; Огляду та аналізу існуючих методів підвищення точності механічної обробки великогабаритних корпусних деталей. Другий розділ присвячено: Дослідженню алгоритму просторового суміщення трохмірних моделей і аналізу програмного забезпечення; Аналізу результатів тривимірного сканування Третій розділ присвячено: Методиці експериментів. Розглянуто приклади рішення технологічних завдань на основі алгоритму та програмного забезпечення. Четвертий розділ присвячено Охороні праці та безпеці в надзвичайних ситуаціях; досліджено спосіб утилізації і переробки стружки
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9310
Appears in Collections:	131 Прикладна механіка (Технології машинобудування)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Дем'яненко.pdf Restricted Access		3.9 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв

До захисту допущено:
Завідувач кафедри ТОМВ
____________Георгій КАНАШЕВИЧ
«_____»_____________2023р.

Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи магістра

на тему: «Підвищення ефективності механічної обробки великогабаритних
корпусних деталей на верстатах з ЧПК»

Виконав: здобувач 2 курсу, групи мТМ-82
Спеціальності 131 – «Прикладна механіка»
Освітня програма – «Технології машинобудування»
Дем’яненко Дмитро Володимирович
Керівник: д.т.н., професор Канашевич Георгій
Вікторович
Рецензент: головний конструктор ТОВ МНВК
«Станко-Груп» м.Черкаси
Лахно Ігор Олексійович

Черкаси 2023 р.
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
Освітній рівень магістерський.
Спеціальність 131 «Прикладна механіка».
Освітня програма «Технології машинобудування»

ЗАТВЕРДЖУЮ:
Завідувач кафедри ТОМВ
Георгій КАНАШЕВИЧ
« » ____________2023р.

ЗАВДАННЯ
на кваліфікаційну роботу магістра

_Дем’яненку Дмитру Володимировичу_
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема роботи «Підвищення ефективності механічної обробки
великогабаритних корпусних деталей на верстатах з ЧПК».
Керівник роботи д.т.н., професор Канашевич Георгій Вікторович
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
Затверджена наказом Черкаського державного технологічного університету від
«10» жовтня 2023р. №271/04
2. Термін подання здобувачем роботи 05. 12. 2023 р.
3. Вихідні дані до роботи: Великогабаритні корпусні деталі, Технологія
об’ємного сканування; Завдання з охорони праці
4. Зміст пояснювальної записки: Сучасний стан проблеми механічної обробки
великогабаритних литих заготовок; Особливості обробки великогабаритних
корпусних заготовок; Алгоритм просторового суміщення трьохмірних моделей і
аналіз програмного забезпечення; Методика експериментів. Приклади рішення
технологічних завдань на основі алгоритму та програмного забезпечення;
Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях.
5. Перелік графічного матеріал(з точним зазначенням обов’язкових
креслеників, плакатів, презентацій тощо) Тема, мета, задачі; Інформація про
об’єкт; Побудова примітивів; Апаратна частина; Полігональна модель;
Порівняльний аналіз; Встановлення заготовки на верстат; Загальний вигляд
бракованої деталі; CAD модель деталі; Загальний вигляд (модель); Переріз
деталі; Статистичні дані, Діаграма співвідношення; ОП та ЦЗ; Висновки.

6. Керівники з роботи із зазначенням розділів роботи, що їх стосується
Прізвище, ініціали та посада Підпис, дата
Розділ
консультанта завдання видав завдання прийняв
Розділ 1 Канашевич Георгій Вікторович
Розділ 2 Канашевич Георгій Вікторович
Розділ 3 Канашевич Георгій Вікторович
Розділ 4 Цікановський Володимир Леонідович

7. Дата видачі завдання 04.09.2023 р.
Календарний план
№ Назва етапів дипломного Строк
Примітка
з/п роботи виконання етапів роботи
1 Збір інформації для написання КРМ 04.09-01.10.2023
2 Написання І розділу КРМ 02.10.-15.10.2023
3 Написання ІІ розділу КРМ 16.10 – 24.10.2023
4 Написання ІІІ розділу КРМ 25.10 – 2.11.2023
5 Написання розділу з охорони праці 3.11 – 9.11.2023
6 Оформлення пояснювальної записки 10.11 – 30.11.2023
7 Оформлення графічної документації 30.11 – 04.12.2023
8 Захист роботи ___.12.2023р.

Здобувач ___________ Дмитро ДЕМ’ЯНЕНКО
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ

Керівник ___________ _Георгій КАНАШЕВИЧ_
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ

4
АНОТАЦІЯ
Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Підвищення ефективності механічної
обробки великогабаритних корпусних деталей на верстатах з ЧПК»
Виконавець: здобувач групи мТМ-82 Дем’яненко Дмитро Володимирович.
Керівник: д.т.н., професор Канашевич Георгій Вікторович.
Кваліфікаційна робота містить 93 сторінки формату А4, 61 рисунок, 7
таблиць, 51 літературне джерело.
Актуальність теми обумовлена тим, що Успішний розвиток
машинобудування неможливий без наукового підходу під час виготовлення
деталей. Одним з основних завдань технології машинобудування є досягнення
необхідної точності та високої продуктивності обробки на металорізальних
верстатах. Найбільш трудомісткими та витратними у виготовленні є
великогабаритні корпусні деталі літаків, ракет та ін. Всі ці деталі проходять
складний процес виготовлення від одержання заготовки до механічної обробки та
складання. Тому ціна помилки, особливо в дрібносерійному виробництві при
розробці технологічного процесу, веде до великих витрат і в ряді випадків зриву
термінів виконання замовлення.
В даний час залишаються затребуваними дослідження в галузі
удосконалення технологічних циклів виготовлення великогабаритних корпусних
деталей для одиничного та дрібносерійного виробництва, які дозволять отримувати
якісні деталі та в сукупності конкурентоспроможний виріб.
Перший розділ присвячено: Дослідженню стан проблеми механічної обробки
великогабаритних литих заготовок; Огляду та аналізу існуючих методів
підвищення точності механічної обробки великогабаритних корпусних деталей.
Другий розділ присвячено: Дослідженню алгоритму просторового
суміщення трохмірних моделей і аналізу програмного забезпечення; Аналізу
результатів тривимірного сканування
Третій розділ присвячено: Методиці експериментів. Розглянуто приклади
рішення технологічних завдань на основі алгоритму та програмного забезпечення.
Четвертий розділ присвячено Охороні праці та безпеці в надзвичайних
ситуаціях; досліджено спосіб утилізації і переробки стружки

5
ABSTRACT
The topic of the master's qualification work: " Increasing the efficiency of
mechanical processing of large body parts on CNC machines "
Performer: winner of the mTM-82 group Dmytro Demyanenko.
Supervisor: Doctor of Technical Sciences, Professor Georgy Kanashevich.
The qualification paper contains 93 pages of A4 format, 61 figures, 7 tables, and
51 literary sources.
The topicality of the topic is due to the fact that the successful development of
mechanical engineering is impossible without a scientific approach during the
manufacture of parts. One of the main tasks of mechanical engineering technology is to
achieve the necessary accuracy and high productivity of processing on metal cutting
machines. The most time-consuming and costly to manufacture are the large-sized body
parts of airplanes, missiles, etc. All these parts go through a complex manufacturing
process from receiving the workpiece to machining and assembly. Therefore, the price of
an error, especially in small-scale production during the development of a technological
process, leads to large costs and in some cases disruption of order fulfillment terms.
Currently, research in the field of improving technological cycles for the
production of large-sized body parts for single and small-scale production, which will
allow obtaining high-quality parts and a competitive product as a whole, is still in
demand.
The first chapter is devoted to: Researching the state of the problem of mechanical
processing of large-sized cast blanks; Review and analysis of existing methods of
increasing the accuracy of mechanical processing of large body parts.
The second section is devoted to: Research of the algorithm of spatial combination
of three-dimensional models and software analysis; Analysis of the results of three-
dimensional scanning
The third section is devoted to: Methodology of experiments. Examples of solving
technological problems based on algorithms and software are considered.
The fourth chapter is devoted to labor protection and safety in emergency
situations; the method of disposal and processing of shavings was investigated
6
Зміст
Вступ ................................................................................................................................. 8
Розділ 1. Сучасний стан проблеми механічної обробки великогабаритних литих
заготовок ........................................................................................................................ 11
1.1 Фактори, що впливають на точність при закріпленні великогабаритних
литих заготовок на верстат ........................................................................................... 11
1.1.1 Поняття точності у промисловості та її основні параметри ..................... 11
1.1.2 Фізико-хімічні та механічні властивості титану та його сплавів ............. 11
1.1.3 Особливості обробки великогабаритних корпусних заготовок ............... 14
1.1.4 Необхідність достатнього вхідного контролю великогабаритних
корпусних заготовок ..................................................................................................... 15
1.2 Застосування тривимірного сканування в процесі механічної обробки
великогабаритних корпусних деталей ........................................................................ 17
1.2.1 Принцип дії тривимірного сканера та його результат ............................... 19
1.3 Огляд та аналіз існуючих методів підвищення точності механічної обробки
великогабаритних корпусних деталей ........................................................................ 23
1.3.1 Адаптивна механічна обробка корпусних деталей .................................... 29
1.4 Огляд методик порівняння тривимірних моделей один з одним ................ 34
Висновок до розділу 1............................................................................................... 35
Розділ 2. Алгоритм просторового суміщення трьохмірних моделей і аналіз
програмного забезпечення ........................................................................................... 38
2.1 Аналіз результатів тривимірного сканування ............................................... 39
2.2 Попередня прив'язка двох хмар точок ............................................................ 40
2.3 Точна прив'язка двох об'єктів .......................................................................... 43
2.4 Програмне забезпечення для автоматизації виробничої системи ............... 45
Висновок до розділу 2............................................................................................... 51
Розділ 3. Методика експериментів. Приклади рішення технологічних завдань на
основі алгоритму та програмного забезпечення ........................................................ 53

7
3.1 Основні етапи застосування виробничої системи на основі результатів
тривимірного сканування ............................................................................................. 53
3.2 Аналіз та усунення проблем, що супроводжують механічну обробку
заготовок «Корпус 1» .................................................................................................... 60
3.3 Оцінка результатів вирішення поставленого завдання ................................ 74
Розділ 4. Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях ............................ 76
4.1 Спосіб утилізації і переробки стружки .......................................................... 81
Загальні висновки ...................................................................................................... 86
Список використаної літератури ................................................................................. 88

8
Вступ
Успішний розвиток машинобудування неможливий без наукового підходу
під час виготовлення деталей. Одним з основних завдань технології
машинобудування є досягнення необхідної точності та високої продуктивності
обробки на металорізальних верстатах. Найбільш трудомісткими та витратними у
виготовленні є великогабаритні корпусні деталі літаків, ракет та ін. Всі ці деталі
проходять складний процес виготовлення від одержання заготовки до механічної
обробки та складання. Тому ціна помилки, особливо в дрібносерійному
виробництві при розробці технологічного процесу, веде до великих витрат і в ряді
випадків зриву термінів виконання замовлення.
В даний час існує ряд проблем, що важко вирішувати при виборі варіанту
технологічного процесу виготовлення великогабаритних корпусних деталей
(габарити деталей ~ 0,5÷2 м). Одна з таких проблем - це заготовки, що надходять
на механічну обробку, мають значні геометричні похибки. При цьому базування та
обробка на перших операціях механічної обробки здійснюється без урахування
геометричних відхилень одержаних заготовок. Внаслідок чого знімання металу
відбувається нерівномірно, що призводить до втрати точності металорізальних
верстатів та швидкого зносу інструменту. Деталі виходять з нестабільною
геометрією, а в найгіршому випадку з'являється брак. Виходячи з цього, необхідно
підходити до кожної заготовки, що надходить із заготівельного виробництва,
індивідуально, щоб досягти рівномірності розподілу припуску і уникнути
одержання браку на виході.
Методи розподілу припуску, що застосовуються сьогодні в
машинобудуванні, з урахуванням спеціалізації складнопрофільних корпусних
заготовок не автоматизовані (все робиться вручну), тому не виключають появи
браку на кінцевих операціях механічної обробки. Щоб уникнути цього, необхідно
вдосконалити процес вибору варіанту технологічного процесу, а саме - проводити
оптимальну орієнтацію заготовки відносно до виконавчих поверхонь верстата, при
якому буде забезпечено отримання повної інформації про заготовку, встановлену
на верстаті, з усіма її розмірами та відхиленнями. Після цього проводиться

9
розміщення еталонної моделі готової деталі, з метою розрахунку рівномірного
розподілу припуску з видачею даних (параметрів) коригування керуючої програми.
Таке обладнання, яке дозволило б отримати повну інформацію про розміри
заготовки, на сьогоднішній день є – це тривимірні оптичні сканери, які є одним з
ефективних інструментів, які використовуються для процесу безконтактного
контролю об'єктів (деталей, заготовок).
Розробка алгоритмів суміщення тривимірних моделей заготовки та еталонної
моделі готової деталі на верстатах за допомогою інформації, одержаної
тривимірним сканером на основі ПК, дозволить повністю автоматизувати процес
розподілу припуску для конкретної заготовки та проводити видачу даних щодо
коригування керуючої програми (КП). Це дозволить забезпечити необхідну
точність та підвищити ефективність у кілька разів при механічній обробці на
верстатах з ЧПК.
Поставлені завдання вирішувалися на основі математичного моделювання з
використанням CAM-систем та тріангуляційного методу вимірювання, на основі
результатів тривимірного сканування та баз даних.
В даний час залишаються затребуваними дослідження в галузі
удосконалення технологічних циклів виготовлення великогабаритних корпусних
деталей для одиничного та дрібносерійного виробництва, які дозволять отримувати
якісні деталі та в сукупності конкурентоспроможний виріб.
Мета роботи полягає у підвищенні ефективності та забезпеченні необхідної
точності виготовлення великогабаритних корпусних деталей на верстатах з ЧПУ
шляхом забезпечення рівномірного припуску на оброблюваних поверхнях на
основі оптимальної орієнтації заготовки відносно виконавчих поверхонь верстата.
Для досягнення мети вирішувалися такі завдання:
– проаналізувати існуючі методи досягнення точності виготовлення
великогабаритних корпусних деталей на верстатах з ЧПК;
– розглянути різні методи визначення геометричних параметрів
великогабаритних заготовок, що надходять до механообробного цеху;

10
– проаналізувати метод тривимірного сканування поверхонь
великогабаритних корпусних заготовок, встановлених на верстатах з ЧПУ;
– проаналізувати алгоритм та програмне забезпечення просторового
поєднання відсканованих моделей великогабаритних корпусних заготовок,
встановлених на верстатах з ЧПУ, з еталонною моделлю деталі для раціонального
розподілу припуску при подальшій механічній обробці;
– проаналізувати метод корекції програми ЧПУ-верстата з урахуванням
результатів суміщення тривимірних моделей положення заготовки на верстаті та
готової деталі у просторі;
Об'єктом дослідження є великогабаритні корпусні заготовки, що
виготовляються методом лиття в кокіль з піщаними стрижнями з магнієвого сплаву
МЛ5., предметом - технологія механічної обробки великогабаритних корпусних
деталей на верстатах з ЧПУ та процес визначення геометричних параметрів
заготовок перед обробкою.

11
Розділ 1. Сучасний стан проблеми механічної обробки великогабаритних
литих заготовок
1.1 Фактори, що впливають на точність при закріпленні
великогабаритних литих заготовок на верстат
1.1.1 Поняття точності у промисловості та її основні параметри
Під точністю у промисловості розуміється наскільки вироблені вироби
відповідають параметрам, які встановлюються, задаються кресленням, технічними
умовами, стандартами. Це визначення в основному включає точно виготовлені
деталі і складальні одиниці.
Поняття точності у промисловості є комплексним. У ньому міститься
характеристика геометричних параметрів машин та їх елементів, а також різні
властивості виробів, що виготовляються, в їх одноманітності (пружні, динамічні,
магнітні, електричні та ін.) [1].
Параметри поняття точності деталей такі:
- точні розміри;
- точна форма поверхні;
- точне відносне розташування поверхонь;
- ступінь шорсткості поверхні;
- рівень хвилястості;
- фізико-механічні властивості поверхневого шару.
Будь-який технологічний процес, у складі якого містяться засоби
технологічного оснащення та заготовка, реалізується у певній технологічній
системі (верстати, пристрої, інструменти, деталі).
1.1.2 Фізико-хімічні та механічні властивості титану та його сплавів
З моменту, коли заготовка піддається механічній обробці, технологічна
система виступає у формі замкнутої багатофакторної системи, структурна схема
якої представлена на рисунку 1.1.

12

Рисунок 1.1 - Структурна модель багатофакторної системи
Для даної системи характерні вхідні фактори:
– основні властивості металорізального верстата за типом, моделлю,
потужністю, діапазонами частот обертання та подач, точності, жорсткості,
вібростійкості;
– якими характеристиками володіє технологічне оснащення: пристосування,
механізовані та автоматизовані пристрої, промислові роботи;
– основні властивості заготовки – якість матеріалу, за хімічним складом, за
механічними властивостями, розмірна неточність, форма, взаємне розташування,
поверхневий шар за якістю;
- за якою технологічною схемою оброблена поверхня;
- характеристика експлуатаційних властивостей ріжучого інструменту -
міцності, стійкості, розмірної амортизації;
– режими різання – V, S, t.
До факторів процесу, які порушують умови обробки на початковому етапі,
мають відношення:
- пружність деформування елементів технологічної системи:
- розмірна амортизація ріжучого інструменту;
– деформування елементів технологічної системи під впливом тепла;
- неточність установки заготовок;
– неточність вимірів;
– неточність рекомбінації всередині залишкових напружень;

13
- коливання складових частин технологічної системи.
Вихідні параметри:
– наскільки якісно зроблена механічна обробка – точні розміри, форма,
взаємне розташування та якісно оброблена поверхня;
– економічні виміри послідовності обробки.
Схема показує можливості управлінських шляхів технологічних процесів:
- керування з урахуванням вхідних параметрів (зворотний зв'язок 1);
- керування з урахуванням зовнішніх факторів.
У процесі досягнення точності при обробці об'єкта містяться три основні
етапи: 1) встановлення, координування та закріплення об'єкта виробництва, який
оброблений, з урахуванням необхідної точності; 2) підведення та встановлення в
необхідному положенні та фіксування цього положення без застосування робочого
навантаження; 3) безпосередня обробка.
Похибки, що виникають під час встановлення заготовок на верстатах.
Аналіз літератури [1—3] показав, що часто при обробці деталей мають місце
істотні похибки, що з'являються на етапі встановлення заготовок. Деталь
(заготовка) має бути правильно встановлена на верстаті, у пристосуванні або на
робочому місці; її положення має бути зафіксовано та збережено протягом усього
часу виконання операції. Для цього деталь чи заготовка закріплюється будь-яким
способом.
В результаті встановлення та фіксації деталь (заготовка) буде координована
відносно баз верстата з тією чи іншою величиною похибки, яку називатимемо
похибкою установки. Похибка установки складається з процесів базування та
закріплення:
Ey=Eb+Ez,
де Eb – похибка базування; Ez – похибка закріплення.
Крім того, виділяють похибки схеми установки, що виникає при розбіжності
опорної та базової системи координат. Вона являє собою розкид значень
призначеного розміру та (або) кута, на що вплинуло максимальне зміщення

14
положення елементів комплексу технологічних баз, причиною якої стала похибка
обробки заготовки на попередніх операціях[4].
Похибка базування. Неточності в базуванні виникають, якщо має місце
похибка форми і розташування базових поверхонь, а також, якщо установчі та
вимірювальні бази не збігаються. Визначення цієї похибки полягає в різниці між
граничними відстанями вимірювальної бази та ріжучою кромкою інструменту,
який був встановлений на розмір. Щоб обчислити похибку базування, необхідно
підсумовувати похибки розмірів, які поєднують конструкторську та технологічну
бази.
Похибка закріплення. Похибка закріплення виникає через зміщення
заготовки, на яку діють сили затиску, що прикладаються для фіксування положення
заготовки. Різниця граничного зміщення вимірювальної бази у напрямку
необхідного розміру під впливом сили затискача заготовки дозволяє отримати
значення неточності закріплення.
Похибка положення заготовки, що викликається неточністю
пристосування. Виникнення похибки відбувається, якщо неточно виготовлені та
зібрані деталі пристосування, якщо відзначено зношування та помилки, допущені
при встановленні пристосування на верстаті. Похибка обчислюється різницею
граничного стану вимірювальної бази, що виникає в результаті названих причин,
та встановленого на розмір інструменту. Таким чином, похибка положення
заготовки викликана неточністю пристосування.
1.1.3 Особливості обробки великогабаритних корпусних заготовок
Особливістю литих великогабаритних заготовок є низькі значення можливих
класів точності для литих заготовок. Коли литі поверхні використовуються як
базові, значний час потрібен для правильної установки литої заготовки, особливо
на першій операції, помилки при встановленні деталі на верстат можуть
призводити до псування та відбракування готового виробу. Від виливки до виливки
різниця в геометричних розмірах може бути дуже великою. На геометрію литої
деталі впливає велика кількість факторів: умови охолодження, непостійна якість

15
установки піщаних стрижнів, деформація стрижнів при заливці, навіть незначна
зміна температури заливки може спричинити зміну габаритних розмірів.
Великогабаритні заготовки вимагають тривалого процесу вирівнювання при
встановленні на механообробний верстат, навіть якщо сама заготовка має ідеальну
геометрію, тому найчастіше для обробки дорогих деталей на виробництвах
використовують контрольно-вимірювальні машини. Їхнє обслуговування потребує
наявності у персоналу солідного досвіду, а процес вимірювання геометричних
параметрів дуже трудомісткий. У статті [5] перераховані різні способи
встановлення великогабаритних заготовок на верстат, але як найбільш
продуктивний і найменш ресурсозатратний виділений спосіб, заснований на
тривимірному скануванні та порівнянні результату сканування з CAD-моделлю.
Таким чином, іншою проблемою є надходження до цеху литих заготовок, що
мають різні значення за розмірами в межах поля допуску. Навіть якщо виставити
деталь з максимальною акуратністю, не вдаючись до подробиць її геометрії, на
виході можуть вийти деталі з порушеною геометрією, а в гіршому випадку
виявляється брак. У роботі [6] зазначено доцільність застосування тривимірного
сканування для рівномірного розподілу припуску на механічну обробку.
1.1.4 Необхідність достатнього вхідного контролю
великогабаритних корпусних заготовок
Однак, незважаючи на таку велику кількість факторів і параметрів, найбільшу
похибку вносять параметри заготовки, оскільки йдеться про великогабаритні литі
заготовки. Пов'язано це з відсутністю достатнього вхідного контролю, найчастіше
він проводиться вручну, а може взагалі не проводитися. Заготовки вирушають у
механічний цех, де відбувається цикл механічної обробки, на яку йде велика
кількість часу (тиждень, місяць), проводиться обробка отворів, площин та інших
поверхонь. Виникає непорозуміння: обробка деталей проводиться на сучасному
верстаті з ЧПУ у відповідність до тривимірної моделі, а вхідний контроль - без
використання сучасних технологій. Цілком очевидно, що в епоху «наскрізного
проектування» такий підхід до роботи на підприємствах є неприпустимим.
Для контролю геометрії існують такі методи:

16
1. Традиційні інструменти метрологічного контролю звичні у використанні та
мають низьку вартість, однак вони мають і недоліки: вони
характеризуються суб'єктивністю показань і не підходять для складних
вимірювань;
2. Контрольно-вимірювальні машини мають кращу точність, але й вартість їх
досить висока. Крім того, пред'являються особливі вимоги як до
приміщення, що вимірюється, так і до кваліфікації фахівця;
3. Оптичні системи контролю, до яких належать 3D-сканери, привабливі
оптимальним співвідношенням ціни та точності, високою швидкістю
вимірювань деталей виробів та об'єктів та можливістю автономної роботи.
Величина похибки вимірювання не повинна бути вищою за допустиму, яка
становить 20-35% допуску [7]. Вимоги до якості машинобудівних виробів
зростають разом із можливостями обробного обладнання. Точність виготовлення
виробів збільшилася майже в 2000 разів. Це вимагає прийняття складних та
ефективних рішень у найкоротші терміни, що можливе лише із застосуванням
інформаційних систем. Такими є CALS-технології, що забезпечують інформаційну
підтримку життєвого циклу виробів. До них відноситься застосування САПР
(систем CAD/CAM/CAE). При використанні наскрізного проектування контроль
параметрів предмета виробництва є першорядним завданням переходу між етапами
виробництва [8].
Роль та значення першої операції. Однією з основних причин, що
породжують похибки установки, є неправильно підібрані технологічні та
вимірювальні бази, особливо на перших операціях [9]. На перших операціях
виготовлення із напівфабрикату до одержання на виході готової деталі
вирішуються два основні завдання:
1. Вводяться зв'язки, що визначають відстань та повороти поверхонь, що
виділяються після механічної обробки, відносно необроблених поверхонь;
2. Здійснюється розподіл на практиці припусків для здійснення механічної
обробки між поверхнями, що підлягають подальшій механічній обробці.

17
Правильне вирішення обох завдань має вирішальний вплив побудови
технологічної обробки на досягненні необхідної точності, кількості переходів,
операцій та собівартість обробки.
Виконуючи перше завдання, зазвичай намагаються досягти результату, при
якому деталь виконуватиме своє безпосереднє службове призначення у роботі
машин. У багатьох деталях є ряд поверхонь, які через складність їхньої геометрії
не обробляються. Якщо говорити про поверхні основних та допоміжних баз, то
вони піддаються обробці. Обробка таких деталей без необхідної точності відстані
та забезпеченості відносних поворотів поверхонь по відношенню одна до одної
призводить до неправильного виконання свого службового призначення.
Розв'язання другого завдання, на першому етапі засноване на двох основних
положеннях:
1. Необхідно рівномірно розподілити припуск на обробку на кожній окремій
поверхні. Спочатку це треба зробити на охоплюючій та внутрішній поверхні (пази,
литі отвори тощо);
2. Необхідно зменшити трудомісткість обробки шляхом зменшення обсягу
матеріалу, який буде видалено під час обробки.
Тому при базуванні деталі на верстаті необхідно, по можливості, враховувати
і той фактор, що нерівномірний припуск завжди породжує коливання сили різання,
що викликають вібрації та пружні переміщення в технологічній системі, що
породжують збільшення похибки динамічного налаштування розмірних
кінематичних ланцюгів.
Результатом є наявність випадкових похибок обробки, отримання
неправильної геометричної форми оброблених поверхонь, збільшення поля
розсіювання розмірів, збільшення шорсткості поверхні тощо. [10]
Необхідність скорочення цих похибок змушує шукати сучасний підхід до
вдосконалення виробництва, щоб унеможливити втрати продуктивності та
додаткові витрати.
1.2 Застосування тривимірного сканування в процесі механічної обробки

18
великогабаритних корпусних деталей
У зв'язку з переходом до використання технологій тривимірного моделювання
при розробці нових виробів стає доцільним використання програмно-апаратного
комплексу тривимірного сканування для контролю геометрії деталі, результати
якого дозволяють побачити повноцінну картину об'єкта, що сканується, з усіма
потрібними розмірами. У цьому випадку перевірка здійснюється в тому ж
комп'ютерному (тривимірному) середовищі [11]. З цією метою використовують
тривимірні сканери.
Тривимірний сканер - це пристрій для тривимірного вимірювання, що
дозволяє отримати дані про існуючі в реальності об'єкти для того, щоб їх у
подальшому обробити та проаналізувати із застосуванням цифрових технологій.
Тривимірним сканерам не потрібен контакт із об'єктом, який підлягає скануванню.
Вони мають можливість повно або частково виміряти будь-який матеріал у
тривимірних параметрах. Дані пристрої у своїй більшості, на відміну від
традиційних контактних вимірювальних пристроїв, створюють точки, що мають
найвищу щільність, що дозволяє отримати більшу інформацію про об'єкт, що
вимірювається [12; 13].
Існують такі методи сканування [14]:
1. Лазерне 3D-сканування, основою якого виступає проекція лазерного
променя на об'єкт, що піддається 3D-скануванню. Видимі похибки
відстежуються за положенням лазера в просторі за допомогою
вимірювальної камери. Перевагою такого методу є існування портативних
скануючих пристроїв, які не вимагають освітлення в приміщенні, вони
можуть використовуватися навіть для сканування об'єктів поза
приміщенням у сонячний день.
2. 3D-сканування з фотограмметричним типом об'ємного сканування, коли
об'єкт, що піддається скануванню, фотографується з різних ракурсів.
Отримані фотокадри становлять 3D-модель. Даний спосіб є одним із
найстаріших і найповільніших.

19
3. 3D-сканування на основі структурованого білого світла за рахунок
проектування ліній, що утворюють своєрідний візерунок, на об'єкт. Кожна
зміна геометрії візерунка фіксується приймальною камерою. Даний спосіб
має найбільшу швидкість 3D-сканування, високу точність і деталювання,
сканування найчастіше здійснюється за один прохід.
За допомогою лазерного тривимірного сканування можна здійснювати
контроль геометричних параметрів у великогабаритних виробах, що мають
складну форму, їх лінійні та кутові розміри.
Однією з найбільш передових моделей метрологічного обладнання HandyScan
700 на сьогоднішній день є лазерний тривимірний сканер, який призначений для
сканування на високих швидкостях і прецизійного вимірювання об'єктів з
великими габаритами і складною формою.
1.2.1 Принцип дії тривимірного сканера та його результат
Основою роботи лазерного сканера [15] є тріангуляційний метод, що
передбачає вимірювання відстані до об'єкта. Сутність даного методу полягає в
наступному: лазерний промінь, що виходить із джерела і відрізняється від звичного
світла високою паралельністю пучка, потрапляє на поверхню (рисунок 1.2). Потім
відбувається відображення частини падаючого пучка від даної поверхні, і частина
падаючого пучка проникає в приймач.

Рисунок 1.2 - Схема відображення лазерного променя від матеріального
об'єкта
На приймачі відбувається фокусування лінзою відбитого променя на ПЗЗ-
матриці, де яскрава пляма на матриці вказує, куди спрямований промінь, тобто
вказує кут між променем лазера і повернутим світлом (Рисунок 1.3).

20

Рисунок 1.3 — Схема оцінювання відстані до об'єкта із застосуванням
геометричної пари камера-лазер
Зміна кута відображення лазера залежить від віддаленості від об'єкта, що
впливає на зміну положення точки лазера на приймачі. Зважаючи на те, що джерело
променя лазера та приймач зафіксовано та знаходяться на певній віддаленості,
можна виміряти кут відображення нескладним геометричним рішенням 1.4.
При цьому вимірюється три компоненти: величина відстані між приймачем і
джерелом (AB), вимірювання кута між лазерним променем та лінією приймача-
лазера (∠CAB), вимірювання кута, який утворюють відбитий промінь і лінія
приймача-лазера (CBA). Дані параметри дають можливість відновлення всіх сторін
та кутів трикутника та відстані до об'єкта.
Тривимірне сканування сканером HandyScan 700 (рисунок 1.5) ґрунтується на
підсвічуванні поверхні об'єкта, що сканується, малопотужним лазерним променем,
який потрапляє в зону видимості двох цифрових відеокамер.

21

Рисунок 1.4 — Основна схема методу тріангуляції лазерного сканування
Після цього програмне забезпечення, знаючи оптичні характеристики
системи, розраховує просторові координати точок проекції лазерного променя на
об'єкті із заданою точністю. Для виміру всієї поверхні користувач плавно пересуває
портативний пристрій сканування вздовж об'єкта. Для визначення чергового
положення проекції лазерного променя використовуються світловідбивні круглі
маркери, які попередньо наклеюються на поверхню у довільному порядку.
Розміщені навколо камер світлодіоди підсвічують ці маркери, а камери їх
записують. Далі програмне забезпечення визначає положення центрів маркерів і,
вирішуючи завдання тріангуляції (побудова трикутників), визначає, де на поверхні
перебуває проекція лазерного променя. Отримане безліч просторових координат
поверхні потім тріангулюється для створення тривимірної полігональної моделі
об'єкта. Відстань від портативного скануючого пристрою до поверхні об'єкта
варіюється від 5 до 40 см (визначена фокусною відстанню відеокамер).
Широке застосування має сканування за допомогою оптичних систем, в основі
яких використання модульованого або структурованого підсвічування.
Модульоване підсвічування здійснює освітлення об'єкта шляхом світлових
імпульсів, які змінюються у певній послідовності. Камерою зчитуються
відображення та отримані спотворення вибудовують образ об'єкта, що піддається
скануванню. Структуроване підсвічування об'єкта робить освітлення у вигляді
особливого «візерунка» (сітки), спотворення якого дозволяють камері сформувати

22
тривимірну модель. Отримані дані або фіксуються пам'яттю сканера, а потім
проектуються на комп'ютер, або відразу зберігаються в комп'ютері, для подальшої
обробки та побудови тривимірної моделі.

Рисунок 1.5 - Сканування деталі сканером HandyScan 700
Тривимірним сканером відбувається одномоментне бачення лише частини
об'єкта, тому в ході сканування є необхідність переміщення об'єкта сканування, або
самого сканера. Отже, в результаті з'єднання отриманих елементів об'єкта
будується модель. Найчастіше елемент об'єкта, сканований, можна побачити
відразу на дисплеї комп'ютера. Це дає можливість здійснити контроль обраного
кута сканування та з'ясувати, якою кількістю етапів можна зробити сканування
об'єкта.
Вибір правильних кутів сканування дозволяє скоротити процес сканування
шляхом скорочення кількості сканованих елементів об'єкта.
Результатом сканування є хмара точок, яка є великим набором вершин у
тривимірній системі координат. У подальшому хмара точок піддається обробці
спеціалізованому ПЗ, результатом є поверхнева полігональна сітка (див. рисунок
1.6). Багато робіт було проведено для підвищення якості виділення образу і контуру
об'єкта [16; 17]: результат сканування має бути оптимізований, повинні бути

23
видалені "артефакти", що виникли при скануванні, розкид точок повинен бути
зменшений від середнього значення.

Рисунок 1.6 - Блок-схема роботи тривимірного сканера

1.3 Огляд та аналіз існуючих методів підвищення точності механічної
обробки великогабаритних корпусних деталей
Величезна кількість робіт присвячена підвищенню точності механічної
обробки заготовок за рахунок зміни різних параметрів верстатів, врахування зносу
інструменту. Для підвищення якості механічної обробки використовують такі
прийоми як багатопрохідне оброблення, стабілізація властивостей заготовок,
підбір оптимальних режимів різання. При цьому здебільшого опускається той факт,
що заготовка не є ідеальною. Тому для поліпшення якості деталей, одержуваних в
умовах реального виробництва, необхідно виходити з наявного обладнання та
брати до уваги геометрію заготовок як причину утворення дефектів [18].
Наприклад, автори [19] пропонують спосіб адаптивного вибору параметрів
обробки в залежності від виміряної величини шорсткості поверхні деталі.
Базуванню великогабаритних корпусних виробів присвячено роботу [20], в
якій підвищення точності механічної обробки великогабаритних корпусних
деталей відбувається базуванням, яке ґрунтується на апріорному математичному

24
моделюванні їх технологічних баз. Було доведено, що найменші відхилення від
ідеальної геометрії досягаються, якщо домагатися при базуванні рівномірного
розподілу припуску по чорнових поверхнях заготовки, крім того, була проведена
розробка математичних моделей технологічних баз для виробів, які найбільш
поширені, забезпечують логарифмічно рівномірно розподіляти припуск.
Розмітка великогабаритних заготовок. Розмічувальні операції, враховуючи
одиничне та дрібносерійне виробництво, досить специфічні та трудомісткі. Суть
розмічувальних операцій - це базові настановні ризики, які необхідно нанести з
метою подальшої механічної обробки об'єкта. Нанесення установочних рисок
включає нанесення кордонів зняття припуску, меж необхідної обробки,
правильний розподіл припуску на обробку, контроль геометричних форм і розмірів
заготовок і деталей.
У ході розмічувальних операцій на поверхнях заготовок викреслюються різні
геометричні елементи, які задають робоче креслення. Площинну або просторову
розмітку застосовують відповідно до характеру поверхні, що розмічується.
Побудова того чи іншого геометричного елемента пов'язана з необхідністю
наявності інструмента, що викреслює строго певну траєкторію руху, визначення
якої відбувається в залежності від характеру кінематичних взаємин застосовуваних
для розмітки інструментів, які зумовлюють їх взаємопереміщення.
Використовуючи просторові кінематичні зв'язки, що реалізуються із
застосуванням необхідних розмічальних інструментів та пристроїв, здійснюють
просторову розмітку.
Розмітці піддаються деталі, що мають найрізноманітнішу конфігурацію та
розміри. Для цього застосовуються різноманітні універсальні та спеціальні
розмічувальні інструменти. Широке застосування знайшли розмічувальні операції
з використанням універсальних кернерів, рейсмусів, центрошукачів,
штангенциркулів тощо.
Проектування операції розмітки передбачає вибір баз, що дуже важливо.
Потрібно знати, які поверхні заготовки відповідають за встановлення на
розмічальній плиті, які будуть базовими при розмітці. Призначені базові поверхні

25
зазначаються у операційних розмічальних картах, порядок розмічувальних
операцій показаний як схеми рисунку 1.7.

Рисунок 1.7 - Порядок розмічальних операцій
Внаслідок послідовних графічних побудов накопичується похибка розмітки.
У такому разі, при розмітці дорогих складноконтурних деталей, необхідно
дотримуватися високої точності при виконанні кожної елементарної побудови.
Також необхідно мати фахівця високого класу, щоб виконувати подібні завдання.
У цілому, нині, метод розмітки досить трудомісткий і недостатньо точний, так як
тут впливає людський чинник.
Врахування результатів моделювання процесів. Великогабаритні корпусні
деталі схильні до деформацій, починаючи від короблення в процесі затвердіння
виливки та подальшого охолодження, а також термообробки та закінчуючи
деформаціями при безпосередньо механічній обробці. У роботі [21] запропоновано
використання концепції адаптивної технології механообробки, що ґрунтується на
чергуванні операцій різання та вимірювань. Автори вважають за необхідне
проводити вимірювання на початковому етапі, після проведення першої операції,
після чорнової та напівчистової обробки, а також після закінчення механічної
обробки (рисунок 1.8): до та після зняття деталі з верстата (у першому випадку - за
допомогою портативного пристрою, у другому - на контрольно-вимірювальній
машині), але це все збільшує трудомісткість технологічного процесу.

Рисунок 1.8 - Комплексна автоматизація [21]

26
В роботі [22] автори пропонують порівняти результат механічної обробки не з
еталонною деталлю, а з результатом моделювання механічної обробки з метою
врахування відхилень, пов'язаних з особливостями процесу. Ті ж уявлення
відображені у роботі [23] (рисунок 1.9). Однак цей метод вимагає великої кількості
часу та застосування спеціалізованого програмного забезпечення, доступного не на
всіх підприємствах. Даний метод є способом поліпшення якості написання
керуючих програм [24].
У роботі [25] було вивчено застосування моделювання нагріву в процесі
обробки для визначення змін геометричних розмірів, пов'язаних з коефіцієнтом
термічного розширення оброблюваного матеріалу.

Рисунок 1.8 - Функціональні взаємозв'язки технологічних понять та процесів
при складанні керуючих програм [22,23]
Використання результатів тривимірного сканування у промисловості.
Автори [26] успішно застосовують для оптимізації припуску на механічну обробку
литих деталей порівняння з результатами тривимірного сканування виливків,
отриманих методом лиття в металеві форми. В результаті аналізу всього
виробничого процесу з використанням тривимірного сканування на всіх етапах
виготовлення продукції, починаючи від лиття та закінчуючи механічною

27
обробкою, авторам вдалося отримати стабільний результат шляхом обліку всіх
факторів, що впливають на розміри кінцевого виробу, що дозволило мінімізувати
припуск на механічну обробку та виключити брак через нестабільність геометрії
одержуваних заготовок. Метод використовується для заготовок, отриманих
іншими способами, наприклад, штампуванням [27; 28].
У роботі [29] результати тривимірного сканування використовуються для
оптимізації шліфувальної обробки литих соплових лопаток за рахунок знань про
похибку лиття проточної частини соплових лопаток. Авторами розроблено
програмне забезпечення, що розраховує відхилення від CAD-моделі, суміщення
результату сканування та моделі деталі проводиться трьома способами: за
базовими точками без урахування геометрії заготовки, на суміщенні за профілем
пера лопатки без урахування базових точок та комбінованим, при якому додатково
необхідна перевірка.
Крім оптимального розташування деталі всередині заготовки, автори [30]
пропонують використовувати результат тривимірного сканування як основу для
програми механічної обробки для оптимізації часу механічної обробки та зниження
зносу різального інструменту. Даний підхід у роботі [31] було розглянуто з
прикладу технологічного процесу обробки гребного гвинта, рисунок 1.9.
Оцифрування поверхонь при цьому здійснювалося з використанням контактної
координатно-вимірювальної машини. У роботі [32] наголошується на
непридатності контактних способів вимірювання для складних геометричних
об'єктів, був використаний стереофотограмметричний метод.
Для особливо відповідальних і дорогих деталей, таких як лопатки турбін,
роблять обов'язкове сканування кожної деталі. У роботі [33] вважали за необхідне
створити вузькоспеціалізований пристрій для тривимірного сканування лопаток та
одночасного вимірювання шорсткості лазерним методом.

28

Рисунок 1.9 - Схема технологічного процесу отримання деталі "гвинт"
Удосконалення технології базування та закріплення. Одним із способів, що
підвищують якість механічної обробки, є автоматизована інформаційна підтримка
розв'язання задач базування та закріплення заготовок деталей корпусу, що робить
неминучим використання сучасного обладнання, що забезпечує взаємозв'язок
верстат-заготовка-деталь, у тому числі сучасних пристроїв для закріплення
заготовок. У роботах [34; 35] розглядається автоматизація вибору технологічних
баз корпусних деталей на основі тривимірних моделей, вивчено корпусні деталі
різних конструкцій для виявлення оптимальних способів позбавлення заготовки
ступенів свободи при орієнтації в системі координат пристроїв. Пропонується

29
автоматизований вибір єдиних технологічних баз. Застосування подібних
технологій дозволяє покращити якість механічної обробки за рахунок правильного
вибору комплекту технологічних баз [36].
1.3.1 Адаптивна механічна обробка корпусних деталей
Адаптивне базування. Сутність адаптивного базування полягає у пошуку
необхідного положення оброблюваної заготовки відносно виконавчих поверхонь
верстата, що забезпечує необхідну точність при механічній обробці [17].
Адаптивна механічна обробка. Традиційні технології механічної обробки, які
вже застаріли, і контроль точності не пов'язані один з одним технологіями. До того
ж вони застосовують різне обладнання і виконуються в різних цехах. Проте,
складнооброблювані деталі та необхідна точність обробки з кожним разом дедалі
актуальніше, що вказує на малу ефективність традиційних технологій.
Одним з методів є врахування силового впливу на заготовку [37], при цьому
використовується керований процес обробки з прогнозуванням подачі і глибини
різання, тобто відбувається адаптація по поточній глибині різання або
використовуються системи захисту адаптивного модуля. Інформація про величину
припуска, що знімається, визначається за допомогою датчиків індуктивного типу
(рисунок 1.10), а також за допомогою ПЗЗ матриць [38]. Цей спосіб широко
застосовується у роботизованих комплексах [39].
У минулому, використання математичної CAD-моделі застосовувалося для
того, щоб підготувати керуючі ЧПК програми і в подальшому порівняти з
обробленою деталлю. Сьогодні відзначається продуктивне використання
прогресивних методів за участю CAD моделей. Прогресивні методи за участю
CAD-моделей дозволяють підвищити продуктивність праці та скоротити витрати.
Групі таких методів дано назву "адаптивна механічна обробка".

30

Рисунок 1.10 — Отримання інформації про об'єкт, що обробляється.
Віртуальне базування. Для того, щоб обробити виріб з великими габаритами
та великою вагою, а також встановити його на верстаті, визначити точну базу
необхідні силові та часові витрати. Допомагають у цьому спеціальні пристрої, що
також виконують базування заготовки. Виготовлення допоміжного технологічного
оснащення часом потребує більше виробничих витрат, ніж сам виріб. Тоді виникає
питання про кращі дії із заготовкою, яка не має виражених технологічних баз.
Створення програм для верстатів з ЧПУ відбувається за допомогою точних
математичних моделей деталей і заготовок. При цьому програміст-технолог сам
обирає положення початку системи координат, що далі поєднуватиметься з
«нулями» верстата. В результаті з'являється прив'язка створеної ЧПК програми до
певної системи координат, яка визначає необхідну позицію на верстаті заготовки
та деталі, в подальшому отримана після обробки. При математичному міркуванні,
отримана ЧПК програма практично без втрати точності перераховується в будь-яку
іншу систему координат, яка стане довільно розташованою відносно початкової.
Варто відзначити, що при таких перетвореннях не потрібне застосування
CAM-системи та перерахунок усієї ЧПУ програми спочатку. Отже, точність
вимірювання положення та орієнтації заготовки (деталі) на верстаті з
використанням описаної OMV технології дозволяє точно обчислити відмінність її
реального положення від положення теоретично заданої CAD-моделі. Знаючи, як
точно розташована заготовка (деталь) при даному встановленні, за допомогою
математичних обчислень адаптувати програму ЧПК під певне встановлення. Такою
є технологія віртуального базування (рисунок 1.11). Тобто необхідно не закріпити

31
заготовку (деталь) у теоретично заданому положенні, а перерахувати ЧПК
програму під реальне положення заготовки (деталі). Число OMV вимірів перед
початковою стадією фрезерування, що потребують витрат часу, набагато менше,
ніж при базуванні ручним способом. До того ж, при віртуальному базуванні
вважається достатнім використання у цьому процесі універсальних кріпильних
пристосувань.

Рисунок 1.11 — Віртуальне базування
Сьогодні технологія віртуального базування заслужила високих рекомендацій
для виготовлення металевих деталей із покувальних матеріалів та литих заготовок
складної форми. Ця ж технологія успішно застосовується при виробництві
композитних виробів, наприклад, коли є необхідність п'ятиосьової координатної
обрізки або свердління формованих елементів, у яких великі габарити.
Застосування технології OMV для виробництва виробів. Дуже багато
матеріалів, наприклад, скло та вуглепластики (карбон), мають яскраво виражену
анізотропність механічних властивостей, яка пояснюється особливостями
укладання (намотки) армуючого матеріалу. Так, при порівнянні міцності на розрив
вуглецевого волокна, і на зсув - вона набагато вище. З цієї причини в аваріях
карбонові деталі перетворюються на велику кількість дрібних гострих уламків, які

32
є небезпечними для людини. Іншими словами, механічна обробка карбону виступає
не як пластична деформація, а як грубе механічне розмелювання. Матриця з
полімерних смол, яка є з'єднанням армуючих волокон, має низьку власну міцність.
В результаті, при механічній обробці відбувається продавлювання в області
обробки міцнішими волокнами більш м'якої матриці, а після розриву відновлення
своєї початкової орієнтації. Таким чином, всі розміри виходять із недостатньою
обробкою різного ступеня. У різних частин однієї й тієї деталі різна реакція на
навантаження, яку дає ріжучий інструмент, що пояснює локальна орієнтація
волокон. До того ж деталі з однієї партії можуть незначно відрізнятися в напрямку
укладання волокон. Отже, потрібна індивідуалізація підходів у обробці певної
анізотропної деталі.
Найчастіше у формованих композитних деталей відзначено низьку жорсткість
і, як наслідок, велике глобальне пружинення, крім мікрорівневого пружинення
волокон композиту, описаного вище. Щоб надійно зафіксувати деталь під час
обробки (обрізання, вирізання та свердління) необхідне спеціалізоване
технологічне оснащення, виготовити яке можна на верстаті з модельного пластику.
З метою компенсації описаного вище пружинення композитного матеріалу
необхідно в першу чергу виконати попередню чорнову обробку. Далі,
застосовуючи OMV технологію, зробити виміри елементів, підданих обробці, і з
опорою на отримані результати внести корекцію на чистий варіант обробки
(рисунок 1.12). Для правильного прогнозу необхідної корекції потрібен певний
практичний досвід, який повинен мати оператор верстата з ЧПУ. Ефективність
даного методу корекції під час проведення п'ятиосьового свердління отворів у
формованих листових панелях різноманітних обшивок доведено практикою.

33
Рисунок 1.12 — Технологія OMV
Найкраща економічна ефективність при обробці композитів можлива, якщо
застосовувати спеціальний дорогий інструмент, який має спіральну канавку і
високостійке полікристалічне алмазне покриття (Veined PCD). Вартість фрез, у
яких пряма стружкова канавка із звичайним PCD покриттям у 2,5 рази менша.
Однак, стійкість їх теж менша, практично в 7 разів, що позначається на економічній
ефективності. Вона в такому разі буде приблизно у 23 рази меншою. Класичні
спіральні твердосплавні фрези за своєю стійкістю майже в 100 разів менше
стійкості покриття Veined PCD. Звідси, незважаючи на дешевизну, їхня
ефективність, з економічного погляду, майже в 10 разів менша.
Таким чином можна зробити висновок: тісна інтеграція сучасних методів, за
допомогою яких здійснюється контроль точності, з обробкою п'ятиосьовими
верстатами з ЧПУ має важливі переваги. Описані технології підвищують
продуктивність праці, скорочують час виконання замовлення та виробничі витрати.
Незважаючи на це, складно впроваджувати та освоювати розглянуті технології. У
описаних технологій спостерігається прихильність до можливостей обладнання,
особливостей оброблюваного матеріалу та параметрів виробу. У підприємств, які
вирішили використовувати такі технології, має бути не лише чітке уявлення всіх
переваг від їхнього освоєння, а й розуміння, що, крім закупівлі обладнання, виникає
потреба в консалтингових послугах постачальника програмних рішень.
Найчастіше, щоб задовольнити потреби конкретного замовника, необхідна різною
мірою адаптація стандартних програмних рішень, яку здійснює безпосередньо сам
розробник ПЗ. Тобто придбання підприємства полягає не в наборі із незалежного
обладнання і програмних продуктів, а комплексне рішення.
Варто зазначити, що OMV та адаптивну механообробку складно освоїти, якщо
порівнювати з навчанням традиційним технологіям. Натомість дані технології
мають широкий потенціал у підвищенні конкурентоспроможності підприємства за
рахунок підвищення якості продукції та високої продуктивності праці. У цій
дослідницькій роботі акцентовано обробку композиційних матеріалів, проте
можливе застосування розглянутих технологій в інших галузях. Немає сумнівів, що

34
OMV технології та адаптивна механообробка мають дуже великі можливості і в
майбутньому будуть широко поширені в багатьох промислових областях.
1.4 Огляд методик порівняння тривимірних моделей один з одним
Автори [40] детально описали метод використання результатів тривимірного
сканування для підвищення якості механічної обробки великогабаритних литих
заготовок шляхом оцінки відповідності геометрії кожного виливка перед
установкою на механообробний верстат, а також для створення прогнозованих
індивідуальних коригувань для кожної виливки з метою правильної обробки всіх
необхідних поверхонь. Обробка результатів сканування проводиться у три етапи:
1. Попереднє суміщення хмари точок, отриманого в результаті тривимірного
сканування з CAD-деталлю, виділення базових поверхонь, що беруть
участь у процесі встановлення литої деталі на механообробний верстат.
Поєднання проводиться за площинами та отворами, враховуються як
базові, необхідні для встановлення, так і оброблювані поверхні з
припуском;
2. Точне розташування моделі деталі в моделі заготовки з метою
вирівнювання припуску на механічну обробку;
3. Переведення результатів обробки тривимірної моделі в чисельні значення
поправок для пристроїв для закріплення заготовок.
Автори [41] виділили основні алгоритми суміщення моделей:
1. Варіаційні алгоритми, такі як ітеративний алгоритм близької точки [42];
2. Дотичний алгоритм;
3. Алгоритм Хонг-Тану.
Ітеративний алгоритм близької точки - найбільш широко використовується в
даний час алгоритм. Зокрема, його застосування розглянуто у роботі [43].
Поєднання результатів вимірювання тривимірної моделі з CAD-моделлю
ґрунтується на мінімізації суми квадратів відстаней між фактично виміряними
точками на номінальній поверхні та точками на CAD-моделі. Ця робота була
проведена до поширення тривимірних сканерів, вимірювання проводилося за

35
допомогою безконтактної координатно-вимірювальної машини в автоматичному
режимі, а кількість точок було дуже обмежено обчислювальними можливостями
комп'ютерної техніки. У більш ранній роботі [44] іншими авторами було
розглянуто той самий спосіб поєднання, стосовно повністю роботизованого
виробництва. У разі обробки на роботизованому комплексі заготовка залишається
нерухомою, а нульова система координат замінюється на зміщену. Подібними
методами користуються і визначення помилки позиціонування деталей на верстаті
[45; 46]. У тому числі метод використовується для виготовлення індивідуальних
слухових апаратів з уніфікованих заготовок [47].
У роботі [48] ітеративний алгоритм близької точки був доопрацьований
шляхом урахування кривизни поверхонь та використання додаткових алгоритмів:
пошуку кута розвороту виміряної поверхні відносно CAD-моделі та алгоритму
компенсації відхилення форми. Крім того, у роботі для підвищення точності
механічної обробки у важкодоступних для сканування місцях використовується
апроксимуючий сплайн. Для підвищення точності відсканованих моделей у роботі
[49] алгоритм згладжування хмари точок, що покращує якість суміщення моделей.
Автори [50] вивчили обмеження застосування алгоритму, пов'язані з
особливостями геометрії відсканованих деталей та запропонували способи їх
нівелювання.
Автори [51] у своїй роботі представили геометричну теорію порівняння
тривимірних моделей залежно від їхньої морфології. Детально описані варіанти
геометричних об'єктів, які порівнюються в тривимірних об'єктах, і представлені
алгоритми суміщення: які операції з векторами, що характеризують ці об'єкти,
можуть бути проведені з їх поєднання. Усі операції проводяться у відповідність до
принципів Евклідової геометрії [52], що спрощує їх розуміння та застосування. У
роботі [53] розглядається метод вирівнювання припуску на механічну обробку
виробів зі складними поверхнями
Висновок до розділу 1
Проведено огляд та аналіз існуючих методів підвищення точності та
ефективності механічної обробки корпусних деталей. Особливу увагу було

36
приділено базуванню (установки) великогабаритних корпусних заготовок на
верстат, такі як: розмітка, яка є специфічним та дуже трудомістким процесом; облік
результатів моделювання процесів, що ґрунтується на принципах адаптивної
механічної обробки, суть якого складається з чергувань операцій різання та
вимірювань; використання тривимірного сканування, що застосовується для
оптимізації припуску на механічну обробку великогабаритних корпусних деталей.
За результатами вивчення та аналізу існуючих методів досягнення необхідної
точності механічної обробки можна зробити такі висновки:
1. Існуючі технології досягнення необхідної точності механічної обробки
великогабаритних корпусних деталей багато в чому не стабільні, що
спричиняють можливість отримання браку на виході, це призводить до
великих виробничих витрат.
2. Пропоновані методи оцінки припуску на механічну обробку
великогабаритних корпусних деталей не автоматизовані, що спричиняє
помилки пов'язані з людським фактором.
3. З проблемами пов'язаними з неможливістю визначення точної геометрії
великогабаритних корпусних (литих) заготовок, що надходять, стикаються
багато промислових підприємств, в якості вирішення цієї проблеми були
розглянуті різні методи оцінки геометричних параметрів. Найбільш
оптимальним та швидким способом є тривимірне сканування.
4. Було вивчено безліч моделей тривимірних сканерів, за результатами
аналізу, було визначено оптимальний інструмент – портативний лазерний
сканер марки HandyScan 700, переваги якого є швидкість сканування та
його компактність (що дозволяє проводити сканування у важкодоступних
місцях).
5. Існуючі технології порівняння тривимірних моделей один з одним, через
роботу з великими даними мають велику трудомісткість і дорогі програмні
модулі. Крім цього, обробка даних має похибки, які найчастіше виходять за
межі допустимих параметрів, що є неприпустимим за конструкторською
документацією.

37
Таким чином, мета роботи полягає у підвищенні ефективності та забезпеченні
необхідної точності виготовлення великогабаритних корпусних деталей на
верстатах з числовим програмним управлінням шляхом забезпечення рівномірного
припуску на поверхнях, що обробляються, на основі оптимальної орієнтації
заготовки по відношенню до виконавчих поверхонь верстата.

38
Розділ 2. Алгоритм просторового суміщення трьохмірних моделей і
аналіз програмного забезпечення
У цьому розділі наводиться опис алгоритму просторового поєднання
відсканованих моделей великогабаритних корпусних заготовок з еталонною
моделлю деталі з метою оцінки розподілу припуску на механічну обробку.
Розглянуто дві функції – функцію найменших квадратів та функцію
логарифмічного формулювання, для забезпечення достатнього припуску для всіх
точок. Ці методи, засновані на оптимізації, можуть визначити положення
великогабаритної корпусної заготовки та теоретичної CAD-моделі, але при роботі
з хмарами точок з великою кількістю точок вони вимагають надто багато
перерахунків, що займає багато часу.
Пропонується метод оцінки припуску на механічну обробку (Рисунок 2.1), що
ґрунтується на площинах у вигляді примітивів, а не на підставі всіх хмар точок.
Примітиви будуються як у хмарі оцифрованих з CAD-моделі, так і в досліджуваній
хмарі точок. Потім виділені площини зіставляються до розрахунку відносної
різниці між двома хмарами точок. Далі дві хмари точок можна поєднати з високою
точністю, використовуючи інформацію відносної різниці. Припуск на механічну
обробку може бути розрахований шляхом визначення відстаней між відповідними
тривимірними точками двох хмар точок.

39

Рисунок 2.1 — Оцінка припуску на механічну обробку
2.1 Аналіз результатів тривимірного сканування
Аналіз даних хмари точок зводиться до фільтрації всіх цих точок. Це
необхідно, тому що це дозволяє видалити шум і згладити точки, що належать до
локальної поверхні. У цій роботі використовується фільтрація нижніх частот на
основі точкової щільності через її хорошу ефективність та простоту.

Рисунок 2.2 - Фільтрування точок (видалення шумів, згладжування точок)

40
У той же час, CAD-модель оцифровується для отримання хмари точок за
допомогою програмного забезпечення для створення 3D-моделювання
(SolidWorks). Оцифрована хмара точок має точковий інтервал 0,1 мм, що збігається
із вимірюваною хмарою точок.
На Рисунку 2.3 представлена CAD-модель деталі (a), її оброблена хмара точок
(б) та хмара точок досліджуваної заготовки (в), отримана системою захоплення
тривимірного сканування. Досліджувана заготовка має розміри 700 х 350 х 150 мм,
а припуск на обробку коливається від декількох міліметрів до десятків міліметрів.

Рисунок 2.3 - Тривимірні моделі: а - CAD-модель, б - хмара точок
оцифрована з CAD-моделі, - хмара точок досліджуваної заготовки
2.2 Попередня прив'язка двох хмар точок
Попередня прив'язка полягає в тому, щоб зафіксувати хмару точок CAD-
моделі і хмару точок досліджуваної корпусної заготовки. Зазвичай дві хмари точок
розділені, оскільки вони отримані з різних точок зору. Для виконання попередньої
прив'язки необхідна побудова примітивів на досліджуваній заготовці і оцифрованої
CAD-моделі у вигляді площин, циліндрів, конусів та інших геометричних фігур,
залежно від форми досліджуваної заготовки.
Для кожного виду деталей потрібен індивідуальний підхід побудови
примітивів з метою попередньої прив'язки (накладення один на одного). Спочатку
потрібно ретельно вивчити конструкторську документацію на деталь та визначити
базові поверхні, які не піддаються подальшій механічній обробці. Для цього

41
потрібно побудувати не менше трьох примітивів, це дозволить здійснити
попередню прив'язку.
Для початку необхідно побудувати на базових поверхнях досліджуваної
заготовки три примітиви у вигляді площин і назвемо їх: А: Площина 1; Площина 2;
C: Площина 3, як показано на рисунку 2.4.

Рисунок 2.4 - Побудова примітивів у вигляді площин на досліджуваній
заготовці
Потім, щоб здійснити попередню прив'язку, потрібно на оцифрованій CAD-
моделі побудувати такі ж три примітиви у вигляді площин (Рисунок 2.5). Надамо
їм інші імена: D: Площина 4; E: Площина 5; F: Площина 6.

42

Рисунок 2.5 - Побудова примітивів у вигляді площин на оцифрованій CAD-
моделі
Попередня прив'язка виконується шляхом з'єднання побудованих примітивів
виміряної хмари точок та оцифрованої CAD-моделі (Рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 — Попередня прив'язка за примітивами (трьома площинами)

43
Після попередньої прив'язки визначається більшість цільової хмари точок.
Тим не менш, деякі точки оцифрованої CAD-моделі залишаються за межами або
всередині хмари точок досліджуваної заготовки, як показано на рисунку 2.7, що
означає необхідність точної прив'язки.

Рисунок 2.7 - Попередньо зафіксований результат
2.3 Точна прив'язка двох об'єктів
На основі зіставлених площин може бути зроблена точна прив'язка, яка дає
достатню допустиму похибку накладання між хмарами точок для оцінки припусків
на механічну обробку.
(1) Прив'язка основних площин
Основна площина в даному випадку означає площину, що містить більше
точок і, отже, має великі розміри. Порівнюючи площини за кількістю точок
площини та розміром площини, можна отримати основну площину.
(2) Прив'язка відносного положення
Після прив'язки основної площини прив'язка положення може бути виконана
без зміни нормельного вектора основних площин. Тому це названо у роботі
прив'язкою відносного положення.

44

Рисунок 2.8 - Поєднані площини двох хмар точок: а - виміряна хмара точок; б
- хмара точок CAD-моделі
(3) Коригування положення
Після точної прив'язки положення основні напрямки хмари точок CAD
збігаються з віссю координат. Дві хмари точок можуть бути поміщені в оптимальне
положення з рівною відстанню (припуск на механічну обробку) за трьома
основними напрямками, що можна зробити або шляхом рівномірного розподілу
відхилень по трьох осях; або вручну із зазначенням необхідного припуску на
обробку. Результат показаний на рисунку 2.9 (праворуч).

Рисунок 2.9 - Поєднані площини двох хмар точок: зліва - результат до
застосування алгоритму; справа - результат після

45
2.4 Програмне забезпечення для автоматизації виробничої системи
Грунтуючись на описаному алгоритмі було розроблено програмне
забезпечення (ПЗ), що дозволяє в автоматичному режимі здійснювати точну
прив'язку і розрахунок припуску на механічну обробку відсканованого об'єкта на
еталонну модель. Для повної автоматизації роботи алгоритму було поставлено
завдання автоматизувати процес за рахунок розробки програмного забезпечення.
Воно дозволить прискорити процес роботи алгоритму та виключити частково
людський фактор.
Залежно від виду, масштабів та потреб поставленого завдання визначається
порядок розробки програмного забезпечення. 1. Ставиться завдання (технічне
завдання). 2. Підготовка до написання програми, план, терміни. 3. Процес
створення ПЗ (кодування, інтерфейс, тестування, документування) 4. Робота ПЗ на
практиці. 5. Впровадження у виробництво. Було складено технічне завдання для
здійснення цієї мети.

Рисунок 2.10 - Оцінка припуску
Для того, щоб програма працювала в нормальному режимі, вона повинна
складатися з двох частин: апаратна частина та програмна частина.
Апаратна частина програмного забезпечення. Апаратна частина
програмного забезпечення включає (Рисунок 2.11):
- Персональний комп'ютер (ПК), використовується потужний комп'ютер;
- Вимірювальний пристрій, в даному випадку це тривимірний сканер;
- Система САПР.

46

Рисунок 2.11 - Апаратна частина програмного забезпечення
Програмна частина роботи програми. Програмна частина програмного
забезпечення (рисунок 2.12) складається з набору програмних кодів, модулів, які
керують діями програмного забезпечення для автоматичного процесу вирішення
певної задачі.

Рисунок 2.12 - Програмна частина програмного забезпечення
Для того, щоб програма розпочала свою роботу, достатньо мати CAD-модель
готової деталі та полігональну модель досліджуваної заготовки, отриманої за
допомогою вимірювального пристрою (тривимірного сканера), представленого на
рисунку 2.13.

47

Рисунок 2.13 — Полігональна модель досліджуваної заготовки, отриманої
результатом тривимірного сканування
Основні етапи роботи програми:
1. Вибираємо два файли CAD-моделі готової деталі та полігональну модель
заготовки, потім імпортуємо їх у програму. Програма автоматично здійснює
оцифрування цих моделей у хмару точок.
2. Виконується точна прив'язка та детальне порівняння двох моделей згідно з
розробленим алгоритмом, як показано на рисунку 2.14.

Рисунок 2.14 — Полігональна модель досліджуваної заготовки, отриманої
результатом тривимірного сканування

48
Якщо досліджувана модель заготовки не потрапила до поля допуску, то
програма автоматично висвічує діалогове вікно, де вказано виявлену
невідповідність досліджуваної моделі заготовки. Це говорить про те, що з нею
працювати не можна і її необхідно відправити назад заводу-виробнику з
конкретними виявленими дефектами або браком. Якщо ж досліджувана модель
заготовки потрапила до поля допуску, то програма працює у штатному режимі
відповідно до алгоритму.
3. Здійснюється автоматична розбивка на перерізи (рисунок 2.15) у
поперечному та поздовжньому напрямку з кроком N (N – залежить від габаритів
досліджуваної моделі заготовки та необхідної точності, див. графік, представлений
на рисунку 2.16).

Рисунок 2.15 — Автоматична розбивка на перерізи (у поперечному та
поздовжньому напрямку)
4. Виходить безліч перерізів у форматі 2D (Рисунок 2.17), на яких
проводиться обчислення припуску на механічну обробку в автоматичному режимі.

49

Рисунок 2.16 - Графік залежності кількості перерізів від необхідної точності і
габаритів

5. В результаті розрахунків ми отримуємо звіт з числовими даними на
припуск, де показано, яке знімання металу потрібно знімати і яке коригування
потрібно провести програмісту в програмі на обробку.

Рисунок 2.17 - Отримані перерізи

50

Рисунок 2.18 - К-мірне дерево
Припуск на механічну обробку в кожній точці виходить шляхом обчислення
відстані між відповідними тривимірними точками двох хмар точок, де алгоритм К-
мірне дерево (Рисунок 2.18) використовується для пошуку відповідних точок. Все
це здійснюється автоматично, згідно з розробленим алгоритмом.
Порівняльний аналіз двох способів за точністю просторового поєднання
відсканованих моделей великогабаритних виробів з еталонною моделлю виробу
розробленого алгоритму зі стандартним методом, для цього було зроблено 5
поєднань моделей різних видів корпусних деталей та визначено точність
поєднання, отримані дані наведені у таблиці 2.1.
Таблиця 2.1 - Порівняльний аналіз по точності просторового поєднання
моделей двох способів.
Розкид за точністю суміщення моделей
(мм)
№ Назва деталі
Стандартний ме-
Розроблений алгоритм
тод
1 Корпус 1 ±0,045 ±0,061

51
2 Корпус 2 ±0,036 ±0,080
3 Кронштейн ±0,049 ±0,12
4 Кришка ±0,050 ±0,19
5 Корпус 3 ±0,041 ±0,34
Максимальний розкид просторового поєднання моделей за точністю
розробленого алгоритму становить близько ±0,05 мм.
Програма для аналізу інформації, отриманої з тривимірного сканера.
Програма дозволяє проводити редагування, обробку та збереження отриманих з
тривимірного сканера моделей та їх порівняння з CAD-моделлю. Програма
дозволяє визначати відхилення форми від реальної поверхні або профілю від
форми нормованої поверхні або профілю.
Програма для автоматизації обробки даних із тривимірного сканера.
Програма дозволяє автоматизувати отриману інформацію (знімки моделі, ескізи) з
можливістю редагування, обробки та збереження отриманої інформації та масиву
даних. Програма дозволяє автоматизувати такі показники як: відхилення форми від
реальної поверхні або профілю від форми нормованої поверхні або профілю.
Висновок до розділу 2
Алгоритм автоматичної оцінки припуску на механічну обробку
великогабаритних заготовок та програмне забезпечення ґрунтуються на
прив'язці хмари точок з використанням примітивів, виділених у хмарах точок
та розбивці на перерізи у всіх напрямках.
Порівняно з традиційними методами оцінки припуску на механічну
обробку великогабаритних корпусних заготовок запропонований у роботі
метод є швидше, точніше та автономніше. Використовуючи цей метод, можна
автоматично фіксувати хмари точок та обчислювати норму механічної обробки,
що стандартно займає тривалий час і є основною причиною недоцільності
застосування при розрахунках припуску на механічну обробку. Прив'язка може
бути завершена за кілька хвилин, тоді як виконання цієї процедури за
допомогою інших методів буде потрібно кілька годин. Крім того, традиційна

52
ручна розмітка і ручне налаштування, що використовується на машинобудівних
підприємствах, може тривати кілька годин, а то й днів.
Точність оцінки припуску на обробку перебуває у тому порядку, як і
точність хмари точок, що зазвичай становить сотні мікрон для деталі
звичайного розміру.
Прив'язка, розбивка на перерізи та розрахунок припуску на механічну
обробку можуть бути виконані за кілька хвилин з точністю до того ж порядку,
що і точність хмари точок.

53
Розділ 3. Методика експериментів. Приклади рішення технологічних
завдань на основі алгоритму та програмного забезпечення
Об'єкти дослідження у роботі. Об'єктами дослідження у роботі були
великогабаритні корпусні заготовки складної геометрії, що надходять у цех
механічної обробки «Корпус 1», «Корпус 2» і «Корпус 3», представлені на рисунку
3.1. Корпусні заготовки мають клас точності 3, виготовляються методом лиття в
кокіль з піщаними стрижнями магнієвого сплаву МЛ5. Це має на увазі можливу
різницю в межах допуску від 0,1 до 2 мм, що позначається на процесі механічної
обробки.

Рисунок 3.1 - CAD-моделі деталей: а) "Корпус 1", б) "Корпус 2", в) "Корпус 3"
3.1 Основні етапи застосування виробничої системи на основі
результатів тривимірного сканування
Вхідний контроль великогабаритних корпусних заготовок.
Великогабаритні корпусні заготовки, що надходять в цех механообробки, (рисунок
3.2) мають складні поверхні, у зв'язку з чим не завжди вдається отримати повну
інформацію про розміри досліджуваної заготовки, це призводить до браку на
остаточних операціях. Щоб цього не допустити, було ухвалено рішення
використати виробничу систему на основі алгоритму. Спочатку, згідно зі
стандартами підприємства, перевіряється супровідна документація (сертифікат
якості, паспорт, номер партії, номер плавки тощо), після чого здійснюється
тривимірне сканування заготовки для визначення геометричних параметрів.

54

Рисунок 3.2 — Великогабаритні корпусні заготовки, що надходять до цеху.
Установка та закріплення великогабаритної корпусної заготовки на верстат з
ЧПУ. Установка та закріплення заготовки на верстат (рисунок 3.3) проводиться у
відповідності до прийнятого технологічного процесу. В результаті базування та
закріплення заготовка координується відносно баз верстата.
Нанесення реперних точок на досліджувану заготовку для тривимірного
сканування. Реперні точки дозволяють системі тривимірного сканера
позиціонуватись у просторі, їх необхідно розташовувати на поверхні з певним
інтервалом. До кожного виду досліджуваної заготовки розробляється своя схема
розташування реперних точок, для цього повністю вивчається КД на готовий виріб;
визначаються базові; найважливіші поверхні. Після чого відбувається розрахунок
розташування реперних точок (з урахуванням мінімальної та максимальної відстані
один від одного).

55

Рисунок 3.3 - Встановлення заготовки на верстат
Для кращої дискретизації сканованого об'єкта поверхню деталі необхідно
покрити Проявником U89. Перед застосуванням Проявника необхідно
переконатися, що поверхня чиста та суха, потім розпорошити Проявник тонким,
рівномірним шаром. Висихання проявника відбувається за 10 хвилин.
Після підготовки поверхні відбувається розміщення на сканованому об'єкті
реперних точок.
Для отримання оптимальних результатів сканування для кожного виду
деталей було розроблено свою схему розташування реперних точок. Реперні точки
повинні бути рівномірно розподілені по поверхні сканованої деталі на відстані 20-
100 мм один від одного, залежно від ступеня викривленості поверхні. При цьому
точки не повинні вишиковуватися в лінію і бути згруповані.

56
Схема розміщення реперних точок представлена рисунку 3.4.

Рисунок 3.4 - Схема розміщення реперних точок
Зовнішній вигляд заготовки, встановленої на верстат з нанесеними реперними
точками, представлено на рисунку 3.5.
Тривимірне сканування корпусної заготовки та отримання полігональної
моделі. Отримання полігональної моделі корпусних заготовок здійснювали за
допомогою сканування з використанням тривимірного сканера HandyScan 700,
зовнішній вигляд якого представлений на рисунку 3.6.
З метою виключення величини похибки установки (базування) заготовки
проводиться сканування закріпленої на верстаті заготовки (рисунок 3.7).
Результатом сканування є її хмара точок у тривимірній проекції, як показано на
рисунку 3.8.

57

Рисунок 3.5 - Нанесення реперних точок на поверхні досліджуваної
заготовки

58
Рисунок 3.6 - Портативний тривимірний сканер HandyScan 700
Потім вона перетворюється на полігональну тривимірну модель (сітку).
Отримана полігональна модель є неідеальною, в ній присутні різні «шуми», тому
після сканування виконується постобробка в програмі Geomagic. Оброблена
полігональна сітка експортується у форматі *.stl.

Рисунок 3.7 - Тривимірне сканування великогабаритної заготовки на верстаті

59
Рисунок 3.8 - Отримана хмара точок досліджуваної заготовки
Імпорт моделей у програму для аналізу та їх первинна обробка. Для
порівняння отриманої в процесі сканування полігональної та стандартної CAD-
моделі файли завантажуються в програму. Після чого проводиться оцифрування
двох моделей у хмару точок. Потім проводиться поєднання двох моделей по
поверхнях, які не піддаються механічній обробці з метою приведення їх до однієї
системи координат.
Поєднання моделей здійснюється користувачем по центрах та осях отворів, по
точках, гранях або поверхнях. Для суміщення використовуються поверхні, що не
піддаються механічній обробці.
Після первинного суміщення в автоматичному режимі здійснюється
доведення суміщення моделей по поверхням симетрії, заданими заздалегідь для
кожної CAD-моделі.
Після завершення процесу суміщення програма демонструє результат
порівняння розмірів моделей, забарвлюючи відхилення між моделями відповідно
до шкали.
Розбивка полігональної моделі на перерізи та детальне порівняння
моделей. Для детальнішого вивчення відхилень моделі відсканованої деталі від
еталонної CAD-моделі проводиться розбиття отриманої в результаті суміщення
моделі на перерізи, що проходять через елементи, розміри яких необхідно
перевірити.
Програмне оброблення. Для аналізу здійснюється імпорт отриманої
полігональної моделі досліджуваної заготовки та CAD-моделі еталон в програму,
яка в автоматичному режимі здійснює такі операції:
- оцифрування CAD-моделі в хмару точок;
– попередня прив'язка хмари точок досліджуваної заготовки та CAD-моделі
деталі;
- точна прив'язка;
– детальне порівняння хмари точок досліджуваної заготовки та CAD-моделі;

60
– визначення, чи потрапила заготовка у допуск чи ні (якщо ж ні, то заготовка
бракується);
– проводиться безліч перерізів у поздовжньому та поперечному напрямку з
кроком n;
- обчислення припуску на механічну обробку.
Передача результатів обчислень програмісту верстатів з ЧПУ для
коригування керуючої програми. Проводиться передача результатів обчислень
у вигляді звіту, в якому представлено безліч перерізів, як показано на рисунку 3.9
з числовими даними та рекомендаціями щодо коригування програми керування на
заготовку.
Програміст після отриманого звіту здійснює корекцію програми, виходячи з
отриманих даних, яка забезпечить необхідну точність відповідності вихідної
математичної моделі.

Рисунок 3.9 — Результати у вигляді перерізів із числовими даними
3.2 Аналіз та усунення проблем, що супроводжують механічну обробку

61
заготовок «Корпус 1»
На певному підприємстві виникла така проблема, що після механічної обробки
великогабаритної деталі «Корпус 1» відбувається зміщення кишень (розмір 12±0,2
мм) відносно отворів, які розташовані на торці деталі (рисунок 3.11). Для усунення
цієї проблеми цеху доводиться постійно проводити доопрацювання цих кишень
вручну, що призводить до невиправного браку (рисунок 3.10). Зрештою завод
зазнає великих виробничих втрат.
Великогабаритна корпусна деталь «Корпус 1» (рисунок 3.12) є
найважливішою складовою кінцевого виробу, тому точність та якість виготовлення
деталі має особливо важливу роль. Заготовка виконується з матеріалу МЛ5
методом лиття в кокіль, після чого проходить складний технологічний ланцюжок
від механічної обробки до лакофарбового покриття та кінцевого складання.

Рисунок 3.10 - Загальний вигляд бракованої деталі "Корпус 1"

62

а) б)
Рисунок 3.11 — Загальний вигляд деталі «Корпус 1»: а) перевірка
розташування отвору відносно кишені контрольним пристроєм; б) 2D-креслення
розміру 7
Було поставлене завдання визначити та усунути причину зміщення кишень
відносно 12 отворів на торці деталі «Корпус 1». Тим самим виключити додаткову
обробку цих кишень, що призводить до зниження якості та можливої появи браку.
Для цього було прийнято рішення використовувати тривимірне сканування після
кожної операції механічної обробки за діючим технологічним процесом, щоб
побачити повну картину геометрії деталі (заготовки).

63

Рисунок 3.12 - CAD-модель деталі "Корпус 1" (еталонна модель)
Так як при свердлінні 12-ти отворів деталі «Корпус 1» на Агрегатному верстаті
(рисунок 3.13) деталь встановлюється на верстат по базовому отвору ∅ 7,8 мм, а
базовий отвір на деталі свердлиться за кондуктором (рисунок 3.14), який
встановлюється на внутрішній посадковий діаметр - (440+0,155) мм і при обробці
кишень на верстаті також встановлюється на внутрішній посадковий діаметр -
(440+ 0,155) мм (рис. 3.14б), було прийнято рішення проконтролювати фактичне
значення внутрішнього посадкового діаметра, наявність еліпса та фактичну
відстань від центру до базового отвору.

64
Рисунок 3.13 - Свердління 12-ти отворів на Агрегатному верстаті (опер. 020,
по ТП)

а) б)
Рисунок 3.14 - Загальний вигляд: а) кондуктор для свердління базового
отвору; б) пристосування для закріплення заготовки за посадковим діаметром
Аналіз процесу механічного оброблення заготовки «Корпус 1». Після
кожної операції механічної обробки було визначено фактичне значення
внутрішнього посадкового діаметра на наявність еліпса і фактична відстань від
центру до базового отвору. Для цього після кожної операції механічної обробки
заготовки "Корпус 1" було проведено тривимірне сканування (рисунок 3.15).
Основні етапи тривимірного сканування відображені на рисунку 3.16:
– Етап 1. Тривимірне сканування заготовки «Корпус 1» та отримання його
полігональної моделі (Рисунок 3.16 (а)).
- Етап 2. Завантаження отриманої полігональної моделі заготовки та еталонної
CAD-моделі у розроблене програмне забезпечення. З метою оцифрування у хмару
точок та проведення порівняльного аналізу один з одним (Рисунок 3.16 (б)).

65

Рисунок 3.15 - Тривимірне сканування заготовки "Корпус 1"
– Етап 3. Отримана хмара точок заготовки приводиться до єдиної системи
координат відносно хмари точок CAD-моделі деталі, для цього використовується
точна прив'язка згідно з алгоритмом (Рисунок 3.16 (в)). В даному випадку
поєднання відбувалося за внутрішнім посадковим діаметром, по базовому отвору і
по торцю деталі.
– Етап 4. Порівняльний аналіз хмари точок досліджуваної заготовки з хмарою
точок еталонної моделі CAD, як показано на рисунку 3.16 (г).
– Етап 5. Розбивка на перерізи у поперечному напрямку з кроком 3 мм.
– Етап 6. Визначення відхилень у вибраному перерізі для більш точного
результату вимірювання (Рисунок 3.17).
Результати тривимірного сканування після операцій механічної обробки
наведено у таблиці 3.1 (пояснювальний рисунок до таблиці 4.1 – 3.18).

66
Таблиця 3.1 - Результати тривимірного сканування після операцій механічної
обробки

а) б)

67

в) г)
Рисунок 3.16 - Загальний вигляд: а) отримана полігональна модель заготовки
"Корпус 1"; б) завантаження полігональної моделі заготовки та CAD-моделі
деталі у ПЗ; в) приведення до єдиної системи координат досліджуваної заготовки
відносно CAD-моделі (точна прив'язка згідно з алгоритмом); г) порівняльний
аналіз
Розробка пристосування для закріплення заготовки. Якщо посадковий
діаметр має відхилення за розміром і формою (еліпс), то при встановленні
кондуктора для свердління базового отвору і при встановленні на верстат для
обробки кишень відбувається зміщення, яке впливає на подальшу точність
розташування кишень.
Для перевірки цього припущення було прийнято рішення відсканувати ще три
деталі цього типу після механічної обробки. Результати отриманих даних наведено
у Таблиці (дані деталі мають відхилення по глибині кишень).

68

Рисунок 3.17 - Переріз деталі «Корпус 1»
Отримані результати знову ж таки не виявили однозначної причини зміщення
кишень, тому необхідно набирати статистику. Додатково було проконтрольовано
розташування отворів на задньому торці деталі шляхом порівняння з еталонною
3D-моделлю.
Отримані результати наведені у таблиці та представлені на рисунку 3.19 (dX –
провал кишені).
Аналіз отриманих даних після сканування 5-ти деталей показав:
1. Отвори розташовані зі зміщенням відносно осьового діаметра ∅ 470,0 мм;
2. Мінімальні значення зсуву (dX) отвору, розташовані біля базового отвору
(№ 1; 11; 12), максимальні значення зміщення (dX).

69

Рисунок 3.18 — Переріз деталі «Корпус 1»: а) переріз у зоні 12 отворів; б)
переріз у зоні 12-ти кишень

Рисунок 3.19 — Розташування отворів на задньому торці деталі отвору,
розташовані на протилежному боці базового отвору (№ 5; 6; 7).
Аналіз отриманих результатів не виявив зв'язку між відхиленням форми
(еліпс) та значенням внутрішнього посадкового діаметра ∅ (440+0,155) мм з
величиною зміщення кишень відносно осей 12 отворів.

70
При цьому вдалося виявити стабільність усунення відстані від центру деталі
до центру базового отвору (в середньому 0,5 мм) і саме ця величина веде до
зміщення центрів 12 отворів.
Базовий отвір свердлиться кондуктором і стабільність його зміщення говорить
про похибки в конструкції кондуктора, тому необхідно перевірити існуючий
кондуктор і в разі необхідності спроектувати новий кондуктор. Це дозволить
виключити зміщення базового отвору від осі деталі за розміром - 235,0 мм, а також
відмовитися від свердління стикувальних 12 отворів на агрегатному верстаті, на
якому в свою чергу теж можливе зміщення отворів від осі деталі.
Для усунення дефектів зміщення кишень відносно осей отворів, а також
виключення причини їх виникнення було складено наступний план заходів:
1. Перевірити існуючий кондуктор згідно з КД;
2. Спроектувати новий кондуктор для свердління стикувальних 12 отворів;
3. Виготовити кондуктор-стійку для свердління 12 відп. Ø10Н8 та свердління
базового отвору Ø8Н9;
4. Виготовити дослідну партію деталей "Корпус" (не менше 3х) з
використанням нових кондукторів;
5. Зробити тривимірне сканування дослідної партії деталей "Корпус 1" після
механічної обробки згідно з ТП.
Для перевірки існуючого кондуктора було проведено тривимірне сканування
стійки, плити та корпусу кондуктора (таблиця 3.2). Результати тривимірного
сканування стійки та плити кондуктора наведено на рисунку 3.20. Результати
тривимірного сканування корпусу кондуктора наведено рисунку 3.21.
Після аналізу отриманих результатів кожного з 2-х етапів сканування
кондуктора було виявлено, що:
1. Фактичне значення відстані від центральної осі стійки до осі посадкового
пальця 171,0051 мм – виходить за поле допуску (170,03 мм) на 0,9751 мм.
Таблиця 4.2 — Результати тривимірного сканування стійки, плити та корпусу
кондуктора

71
Значення розміру Відхилення
Назва розміру
Номінальний Виміряний розміру
Стійка и 1 219 218.9617 -0.0383
плита кондуктора 2 170 171.0051 +1.005
Корпус кондуктора 1 440 439.6001 -0.3999

Рисунок 3.20 - Полігональна модель стійки та плити кондуктора
2. Фактичне значення посадкового діаметра 439,6001 мм – виходить за поле
допуску (439,7 мм) на 0,1769 мм.
3. Фактичне значення відстані від осі посадкового діаметра до осі отвору
234,9203 мм виходить за поле допуску (234,97 мм) на 0,0497 мм.
На підставі отриманих даних було зроблено висновок про те, що кондуктор не
відповідає КД і не підлягає ремонту та будь-якому доопрацюванню. Цей кондуктор
був відправлений на утилізацію.

72

Рисунок 3.21 – Полігональна модель корпусу кондуктора.
Результати сканування виявили похибки у конструкції кондуктора, що
застосовується для базування литої заготовки на верстаті, що застосовується для
свердління отворів на агрегатному верстаті.
Було спроектовано новий кондуктор для свердління отворів (рисунок 3.22),
виготовлено дослідну партію деталей з використанням нового кондуктора.
Оцінка результатів технологічного розв'язання поставленого завдання.
Для перевірки розташування отворів на задньому торці деталей знову проводився
порівняльний аналіз із еталонною 3D-моделлю. Отримані результати наведено у
таблиці 3.3. Використання нового кондуктора дозволило покращити ситуацію з
розташуванням отворів.
Аналіз отриманих даних показав, що отвори розташовані зі зміщенням (dX)
від 0,09 до 0,24 мм відносно осьового діаметра ∅470,0 мм, до застосування нових
кондукторів отвори були зміщені (dX) від 0,31 до 0,82 мм .

73

Рисунок 3.22 — Кондуктор для свердління стикувальних 12 отворів
Це говорить про те, що використання нових кондукторів дозволило покращити
розташування отворів, а також дозволило частково відмовитися від свердління
стикувальних 12 отворів на агрегатному верстаті, який, у свою чергу, має не
стабільну роботу і періодично виходить з ладу.
Таблиця 3.3 — Результати порівняння моделей щодо зміщення отворів
Зміщення отворів (dX), мм
№ деталі
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 0,24 0,18 0,11 0,19 0,19 0,24 0,23 0,22 - - 0,21 0,19
2 0,19 0,01 0,15 0,14 0,14 0,01 0,07 0,12 - - 0,20 0,12
3 0,18 0,09 0,11 0,12 0,16 0,08 0,11 0,13 - - 0,19 0,14
c 0,49 0,58 0,65 0,78 0,81 0,79 0,63 0,60 - - 0,45 0,46

74
Результати показали, що використовуючи виробничу систему при механічній
обробці великогабаритних корпусних деталей забезпечується необхідна точність та
найголовніше стабільність. При обробці використовуючи стару технологію, кожна
3-4 деталь виходила за межі поля допуску, доводилося здійснювати
доопрацювання, у крайньому разі, деталь бракували.
3.3 Оцінка результатів вирішення поставленого завдання
Застосування виробничої системи з урахуванням алгоритму дозволило
виключити різнотовщинність отриманої деталі. Також при механічній обробці
деталі "Корпус 1" відбулося значне зниження браку. Це відображено у таблиці 3.4.
Таблиця 3.4 - Статистичні дані для розрахунку економічної ефективності
застосування алгоритму та ПЗ.

На рисунку 3.23 зображена діаграма співвідношення до та після впровадження
виробничої системи

75

Рисунок 3.23 — Діаграма співвідношення до та після впровадження
виробничої системи

76
Розділ 4. Охорона праці та безпека в надзвичайних ситуаціях
На підприємствах при обробці різанням металева стружка може складати біля
10% від маси оброблюваної деталі. При цьому за зміну біля кожного верстата
збирається велика кількість стружки. Для нормального функціонування
виробництва потрібно своєчасно прибирати стружку біля верстатів і вивозити її з
цеху.
Ручне прибирання стружки і транспортування стружки являється найбільш
тяжкою і трудомісткою роботою над якою працює найбільша кількість робочих.
Найбільш високий рівень механізації в основному на великих підприємствах, де
механічним шляхом видаляють і переробляють до 30 – 35% стружки.
Для кожного виду металевої стружки і конкретних умов підприємства можна
рекомендувати типові схеми по механізації її збору і переробки в залежності від
кількості стружки, яка збирається з 1 м2 площі цеха в рік. Використання типових
схем розміщення транспортних засобів для комплексної механізації збору і
переробки металевої стружки дає можливість забезпечити підприємства
однотипними одиницями механізації. Широке введення типових конструкцій
дозволить значно зменшити затрати на проектування і введення цього обладнання
в виробництво. Комплексна механізація збору, транспортування і переробки
стружки забезпечує економію робочої сили, а також зниження травм серед
робочих.
Характеристика стружки має дуже багато різних показників, які залежать від
типу верстата, обробляючого інструменту, кваліфікації робітника, хімічного
складу оброблюємого металу. При обробці матеріалів різанням частина матеріалу
заготовки перетворюється в стружку: ця частина складає в середньому 15-25%
загальної ваги металу. Стружку, яка накопичується у верстатів, в звичайних умовах
прибирають вручну за допомогою лопати і тачки. Такий метод прибирання
стружки неприпустимий в автоматичних лініях, де повинні бути передбачені
пристрої як для стружки закручування або дроблення стружки, так і автоматично
діючі конвеєри для її прибирання.

77
Залишаючись в отворах після свердління, при нарізанні різьби стружка
викликає поломку мітчиків і т. д. Для запобігання поломки інструментів стружку
видувають з отворів стисненим повітрям або висипають за допомогою спеціальних
струшуючих пристроїв. Для полегшення відводу стружки з робочої зони супортам
надають вертикальне чи похиле положення, а в станинах роблять вікна і канали для
зручного відведення її.
Застосовуються такі способи збирання стружки з робочої зони верстатів:
- механічний за допомогою транспортерів, скребків, щіток;

Рисунок 4.1 – Транспортер.
- гравітаційний, при якому стружка падає на похилі поверхні пристосувань і
верстатів і потім звалюється на транспортер під верстатами;
- змивання стружки струменем емульсії;
- відсмоктування стружки стисненим повітрям;

78

Рисунок 4.3 – Пилосос для металевої стружки.
- видалення стружки електромагнітом;

79

Рисунок 4.4 – Електромагніт для стружки.

Рисунок 4.5 – Магнітна швабра.

- комбінований спосіб.

80
Для полегшення видалення стружки із зони різання та подальшого її
транспортування необхідно, щоб довжина стружки була не більше 200 мм, а
діаметр її спірального витка становив не більше 25-30 мм. Існує три системи
прибирання стружки від верстатів:
- автоматизована із застосуванням засобів безперервного транспорту -
лінійних і магістральних конвеєрів;

Рисунок 4.6 – Конвеєр пластинчасто - ігловий.
- механізована з використанням ручної праці, засобів малої механізації та
колісного транспорту, що доставляє стружку в конвеєрах у відділення переробки;
- комбінована, коли лінійні конвеєри доставляють стружку в тару, а потім
колісний транспорт - у відділення збору і переробки.
Велику небезпеку являє собою зливна (стрічкова) стружка при точінні
в'язких металів. Всі відомі засоби управління стружкою діляться на дві групи:
пристрої, що відводять зливну стружку без зміни її форми, і пристрої, що змінюють
форму стружки в процесі різання на більш безпечну і транспортабельну.
Організований відвід зливної стружки без зміни її форми досягається
головним чином відповідної компонуванням вузлів верстата, що забезпечує схід
стружки на задню сторону верстата в спеціальні стружкозбирачі. У зв'язку з
великою пружністю, зливна стружка часто знаходить вихід в сторону робочого

81
місця, і потрібне додаткове управління її допомогою ручних інструментів. Крім
того, у зв'язку з великим обсягом, займаним зливною стружкою, доводиться часто
звільняти від неї стружкозбирачі. Не вирішує задачу і вбудовані в нижню частину
верстата шнекові транспортери.
Найкращий вихід в управлінні зливний стружкою - зміна форми стружки в
процесі точіння: завивання і дроблення стружки. Для безперервного видалення
стружки і пилу із зони різання при обробці крихких матеріалів застосовують різні
стружковідводчики.
Час організаційного обслуговування верстатів можна зменшити при
створенні в пристосуваннях вікон і лотків для відведення стружки, пристроїв для
автоматичного очищення від стружки і її транспортування.
Проведені раніше дослідження показали, що неорганізоване надходження
матеріалу приводить до істотного розкиду траєкторій його польоту, навіть за межі
зони, в яку необхідно остаточно привести стружку. Якість розподілу в основному
залежить від параметрів подавальних пристроїв, величини подачі і кількості
стружки.
Якість стружковідведеня залежить від багатьох факторів, один з основних -
ступінь рівномірності розподілу елементів по ширині скатних лотка. У зв'язку з цим
було запропоновано такий напрямок вдосконалення стужковідводів, при якому
рівні елементарні площі подачі відповідають рівним площам поперечного перерізу.
Ця умова виконується, якщо кожен сектор подачі розподільника подає стружку за
напрямками безлічі променів, що поділяють ширину на рівні ділянки. За рівняння
безлічі променів була описана ортогональна крива, що визначає форму контуру
горизонтального перерізу розподільника, що забезпечує рівномірний розподіл
стружки.
4.1 Спосіб утилізації і переробки стружки
Найбільш поширеним (45% від загальної маси відходів) і найважче
переробляється видом відходів є стружка. Складнощі, що виникають при її

82
підготовці до застосування, обумовлені тим, що вона займає великий обсяг, міцна,
забруднена маслами і емульсіями.

Рисунок 4.7 – Стружкодробилка
Відомі способи утилізації відходів металів шляхом подрібнення в дробилках і
переробки їх у брикети на спеціальних станках, наприклад брикети для
модифікування чавуну, брикети для виробництва металів.

83

Рисунок 4.8 – Прес брикетировочний.
Найбільш близьким до нового є спосіб утилізації тютюнових відходів за
допомогою холодного брикетування фігурним пуансоном при питомій зусиллі
пресування 450-600 МПа. Отримані брикети потім можна використовувати у
вигляді електрода при виплавці злитків. Цей спосіб дозволяє вводити в електрод до
70% стружки. Отримувані брикети мають вигин ізг. 4МПа, щільність 0,6-0,7 від
теоретичної.
Істотним недоліком аналогів і прототипу є обмеження за обсягом вводяться
відходів (до 70%), мала щільність електрода (0,6-0,7), що помітно знижує міцнісні
властивості брикету і продуктивність процесу при плавці; викликає необхідність
проведення окремої операції вакуумного відпалу стружки, без якого плавку
практично вести неможливо через сильний газовиділення.
Метою винаходу є створення способу утилізації металевих відходів, що
забезпечує здобуття продукту з 100% вмістом відходів, підвищення міцності
властивостей і щільності.
Мета досягається тим, що шихту, що складається виключно з металевих
відходів, пресують при температурі, складовою 0,6-0,8 Тпл металу відходів,
питомій зусиллі пресування, складовим 1-3 від межі текучості металу при
температурі пресування, при залишковому тиску в камері 1,33 (10-1-10-3) Па

84
протягом 30-60 хв, одночасно в процесі нагрівання під пресування проводиться
вакуумний відпал стружки для видалення газів.
Спосіб здійснюють наступним чином.
Металеву стружку, наприклад дроблять в молотковій дробарці типу 188 ДР
до розмірів окремих частинок (5-10) х (5-15) мм. Розмолоту стружку піддають
магнітної сепарації на установці типу ПБСУ-40 для видалення залізних часток,
потім промивають у знежирюємо розчині, наприклад, що містить 20 г/л
кальцинованої соди і 30 г/л тринатрій фосфату, після чого промивають у воді і
сушать. Підготовлену таким чином стружку брикетують на пресі зусиллям 6300 кН
з вакуумированием зони пресування до тиску 1,33 (10-1-10-3) Па, протягом 30-60
хв. Температуру брикетування для сплавів вибирають в інтервалі 1000-1150 С, при
цьому питоме зусилля пресування складає від 10 до 30 МПа. У процесі пресування
до щільності брикету 0,8-0,9 від теоретичної відбувається дифузійна зварювання
частинок.
При дотриманні заявлених параметрів по мінімуму, середньому значенню,
максимуму в брикеті забезпечується, в порівнянні з прототипом, підвищення
щільності на 30-50% і міцності на вигин в 5-6 разів. У разі, коли параметри
техпроцесу виходять за нижню межу, брикет за властивостями в порівнянні з
прототипом переваг не має. При виході параметрів за верхню межу властивості
брикету відбиваються на рівні матеріалу, одержуваного по заявляється параметрам.
Забезпечення ж цих параметрів пов'язано з ускладненням техпроцесу (зокрема,
вакуумного обладнання) і помітним підвищенням енерговитрат, які не
компенсуються одержуваним ефектом.
Пропонований спосіб дозволяє використовувати металеві відходи на 100% в
порівнянні з прототипом.
Отримані брикети придатні для виплавки вторинних зливків, при цьому
виплавка злитків проводиться в стандартних вакуумно-дугових печах, в яких
виплавляються практично всі сплави.

85
При реалізації запропонованого способу немає необхідності в створенні
нових дорогих металургійних печей з електронно-променевим або плазмовим
джерелом тепла.
Вторинні сплави, виплавлені на базі стружки, мають підвищений в
порівнянні з серійним сплавом на 0,05-0,1% вміст домішок впровадження, таких як
кисень, азот і вуглець, що знижує їх пластичні характеристики. Однак
застосовувати такі матеріали для потреб народного господарства доцільно і
економічно виправдано.
Зазначені брикети з успіхом можуть використовуватися в чорній металургії
для легування і розкислення сталей.

86
Загальні висновки
Розроблені у кваліфікаційній роботі алгоритм та програмне забезпечення
роботи автоматизованої, виробничої системи розподілу припусків на перших
операціях механічної обробки великогабаритних корпусних заготовок дозволяють
підвищити ефективність у кілька разів та забезпечити необхідну точність
механічної обробки. Порівняно з традиційними підходами оцінки припуску на
механічну обробку пропонований підхід є швидким, точним і автономнішим.
Використовуючи даний підхід, можна автоматично фіксувати хмари точок і
обчислювати величину механічної обробки, що займає тривалий час і є основною
причиною недоцільності застосування при розрахунках припуску на механічну
обробку.
Отримані результати дозволяють зробити висновок про ефективність
запропонованого підходу до вирішення задачі оцінки припуску на механічну
обробку великогабаритних корпусних заготовок. Алгоритм та програмне
забезпечення мають ряд переваг, однією з яких є зменшення браку (~ у 3 рази).
Основні висновки та результати роботи:
1. В роботі вирішено сукупність науково-технічних завдань, що
забезпечують підвищення ефективності механічної обробки в 1,7 разів та
забезпечують необхідну точність виготовлення великогабаритних корпусів на
верстатах з ЧПУ шляхом забезпечення рівномірного припуску на оброблюваних
поверхнях на основі методу тривимірного сканування.
2. На основі наведеного в роботі аналізу існуючих методів досягнення
точності виготовлення великогабаритних корпусних деталей виявлено, що
найбільш перспективним є метод тривимірного сканування поверхонь, який
дозволяє контролювати геометрію виробу на верстаті.
3. Метод тривимірного сканування сканером, заснований на визначенні
виконавчих поверхонь корпусних заготовок та порядку переходів процесу
сканування, що дозволяє за найкоротший термін отримати повну інформацію про
геометрію (з усіма розмірами) досліджуваної заготовки.

87
4. Алгоритм просторового поєднання відсканованих моделей
великогабаритних деталей з еталонною моделлю виробу - дозволяє здійснити
коригування керуючої програми ЧПУ-верстата перед обробкою.
5. Аналіз показав, що застосування алгоритму і програми для ЕОМ
дозволяє забезпечити рівномірний припуск в межах 0,1÷1 мм (залежно від
заготовок, що надходять, і необхідної точності).
6. В результаті тестування виробничої системи вдалося досягти
зменшення браку деталі Корпус 1 з 12,6% до 0,51% на рік і, що дозволило досягти
значного економічного ефекту.

88
Список використаної літератури
1. Богуслаєв В. О., Ципак В. І., Яценко В. К. Основи технології
машинобудування : навч. посіб. Запоріжжя : ВАТ «Мотор Січ», 2003. 335 с.
2. Юрчишин І. І. та ін. Технологія машинобудування : посібник-довідник
для виконання кваліфікаційних робіт : навч. посіб. / за ред. І. І. Юрчишина.
Львів : Вид-во Львівської політехніки, 2009. 528 с.
3. Гевко Б. М. та ін. Технологія обробки на верстатах з ЧПК : навч. посіб.
Тернопіль : Крок, 2014. 131 с.
4. Чесноков О. В. Технологічні процеси для обладнання з ЧПУ : навч.
посіб. Луганськ : Вид-во СНУ ім. В. Даля, 2013. 139 с.
5. Сєдінкін Л. М. Програмування обробки деталей на верстатах з ЧПК :
навч. посіб. Київ, 1994. 106 с.
6. Кузнєцов Ю. М. Технологічне обладнання з ЧПК: механізми і
оснащення : навч. посіб. Київ : Вища школа, 2011. 503 с.
7. Каіров О. С. САПР технологічних процесів : навч. посіб. Миколаїв :
НУК, 2008. 196 с.
8. Богуслаєв В. О., Качан О. Я., Долматов А. І. та ін. Технологія
виробництва авіаційних двигунів. Ч. 2. Основи проектування технологічних
процесів виготовлення деталей авіаційних двигунів і технологічна підготовка
виробництва : посіб. 2-ге вид. Запоріжжя : ВАТ «Мотор Січ», 2005. 556 с.
9. Василюк Г. Д. та ін. Раціональна експлуатація технологічного
обладнання : навч. посіб. Житомир : ЖІТІ, 1999. 328 с.
10. Дерібо О. В. Основи технології машинобудування. Ч. 2. Вінниця :
ВНТУ, 2015. 112 с.
11. Іванов В. О., Карпусь В. Є., Дегтярьов І. М. Конструкторсько-
технологічний аналіз сучасних свердлильно-фрезерно-розточувальних
верстатів. Вісник НТУ «ХПІ». Серія: Технології в машинобудуванні. 2016. №
33(1205). С. 95–105.

89
12. Дерібо О. В., Дусанюк Ж. П., Репінський С. В., Боровський Д. А.
Вплив схеми базування на першій операції на величину припуску для
розточування отворів в заготовках корпусних деталей на настроєних
верстатах. Вісник Вінницького політехнічного інституту. 2018. № 6. С. 95–
103.
13. Іванов В. О., Залога В. О., Басова Є. В. Обґрунтування вибору схем
базування заготовок у верстатних пристроях для обробки на багатоцільових
верстатах свердлильно-фрезерно-розточувальної групи. Вісник Вінницького
політехнічного інституту. 2018. № 6. С. 111–118.
14. Петраков Ю. В., Данильченко М. А. Призначення режиму різання
при розточуванні отворів на верстаті з ЧПК. Mechanics and Advanced
Technologies. 2023. Т. 7, № 2. С. 228–235.
15. Петраков Ю. В. Аналіз методів управління процесами оброблення на
верстатах із ЧПК на базі апріорної, поточної та апостеріорної інформації.
Вісник Сумського державного університету. Серія: Технічні науки. 2015. №
2. С. 29–37.
16. Степчин Я. А., Отаманський В. В. Модульний принцип
компонування металорізальних верстатів для обробки корпусних деталей.
Технічна інженерія. 2020. № 1. С. 52–60.
17. Іванов В. О. Науково-прикладні основи підвищення ефективності
обробки складнопрофільних деталей на свердлильно-фрезерно-
розточувальних верстатах : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.02.08. Одеса,
2019. 43 с.
18. Фесенко А. В. Базування заготівок у пристроях : метод. вказівки до
практичних занять. Харків : НТУ «ХПІ», 2008. 30 с.
19. Іванов В. О., Карпусь В. Є. Швидкопереналагоджувані базуючі
модулі для встановлення корпусних деталей на багатоцільових верстатах.
Машинобудування. 2019. № 24. С. 56–64.

90
20. Шелковий О. М., Фадєєв В. А., Галаган Ю. Г. Автоматизація
підготовки керуючих програм для верстатів з ЧПК із використанням
SolidCAM. Авіаційно-космічна техніка і технологія. 2008. № 7. С. 214–219.
21. Mendikute A., Zatarain M. Automated Raw Part Alignment by a Novel
Machine Vision Approach. Procedia Engineering. 2013. Vol. 63. P. 812–820.
22. Li X. et al. Automatic evaluation of machining allowance of precision
castings based on plane features from 3D point cloud. Computers in Industry. 2013.
Vol. 64, no. 9. P. 1129–1137.
23. Vignat F., Villeneuve F., Kamali Nejad M. Analysis of the deviations of
a casting and machining process using a Model of Manufactured Parts. CIRP
Journal of Manufacturing Science and Technology. 2010. Vol. 2, no. 3. P. 198–
207.
24. Wąsik M., Kolka A. Machining Accuracy Improvement by Compensation
of Machine and Workpiece Deformation. Procedia Manufacturing. 2017. Vol. 11.
P. 2187–2194.
25. Chen J., Wang F., Yang X. et al. Analysis on metal allowance of the auto
panel die casting blank in the rough machining. IEEE. 2011. P. 1071–1074.
26. Gu J., Agapiou S., Kurgin S. Global Offset Compensation for CNC
Machine Tools Based on Workpiece Errors. Procedia Manufacturing. 2016. Vol.
5. P. 442–454.
27. Vukelic D. et al. Intelligent design and optimization of machining fixtures.
Technical Gazette. 2016. Vol. 23, no. 5. P. 1325–1333.
28. Haghighi P., Ramnath S. et al. Method for automating digital fixture-
setups that are optimal for machining castings to minimize scrap. Journal of
Manufacturing Systems. 2016. Vol. 40. P. 15–24.
29. Chu Y., Gou J., Li Z. Workpiece localization algorithms: performance
evaluation and reliability analysis. Journal of Manufacturing Systems. 1999. Vol.
18, no. 2. P. 113–126.

91
30. Besl P., McKay N. Method for Registration of 3-D Shapes. IEEE
Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. 1992. Vol. 14, no. 2.
P. 239–256.
31. Menq C., Yau H., Lai G. Automated precision measurement of surface
profile in CAD-directed inspection. IEEE Transactions on Robotics and
Automation. 1992. Vol. 8, no. 2. P. 268–278.
32. Gunnarsson K., Prinz F. B. CAD Model-Based Localization of Parts in
Manufacturing. Computer. 1987. Vol. 20, no. 8. P. 66–74.
33. He G. et al. Evaluation of composite positional error based on
superposition and containment model and geometrical approximation algorithm.
Measurement. 2016. Vol. 94. P. 441–450.
34. Chaiprapat S. Resultant geometric variation of a fixtured workpiece. Part
I: A simulation. Songklanakarin Journal of Science and Technology. 2006. Vol. 28,
no. 1. P. 141–152.
35. Konrad S., Vojtech B. Iterative Closest Point Algorithm for Rigid
Registration of Ear Impressions. Russian-Bavarian Conference on Biomedical
Engineering. 2010. P. 142–145.
36. Ezra E. On the ICP Algorithm. 2007. P. 77–93.
37. Gou J., Chu Y., Li Z. On the Symmetric Localization Problem. IEEE
Transactions on Robotics and Automation. 1998. Vol. 14, no. 4. P. 8–15.
38. Gruber B., Henneberger W. Representations of the Euclidean group in the
plane. Il Nuovo Cimento B. 1983. Vol. 77, no. 2. P. 203–233.
39. Sun Y.-W. et al. A unified localization approach for machining allowance
optimization of complex curved surfaces. Precision Engineering. 2009. Vol. 33, no.
4. P. 516–523.
40. Pomerleau F., Colas F., Siegwart R. A Review of Point Cloud Registration
Algorithms for Mobile Robotics. Foundations and Trends in Robotics. 2015. Vol.
4, no. 1. P. 1–104.

92
41. Shakarji C. Least-squares fitting algorithms of the NIST algorithm testing
system. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology.
1998. Vol. 103, no. 6. P. 633–641.
42. Weingarten J., Gruener G., Siegwart R. A Fast and Robust 3D Feature
Extraction Algorithm for Structured Environment Reconstruction. Proceedings of
the 11th International Conference on Advanced Robotics. 2003. P. 1–7.
43. Bentley J. L. Multidimensional Binary Search Trees Used for Associative
Searching. Communications of the ACM. 1975. Vol. 18, no. 9. P. 509–517.
44. Hähnel D., Burgard W., Thrun S. Learning compact 3D models of indoor
and outdoor environments with a mobile robot. Robotics and Autonomous
Systems. 2003. Vol. 44, no. 1. P. 15–27.
45. Kaushik R. et al. Fast planar clustering and polygon extraction from noisy
range images acquired in indoor environments. Proceedings of the IEEE
International Conference on Mechatronics and Automation. 2010. P. 483–488.
46. Elseberg J., Borrmann D., Lingemann K. The 3D Hough Transform for
plane detection in point clouds: a review and a new accumulator design. 3D
Research. 2011. Vol. 2, no. 2. P. 1–13.
47. Lakaemper R., Latecki L. J. Extended EM for planar approximation of 3D
data. Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and
Automation. 2006. P. 1173–1179.
48. Triebel R., Burgard W., Dellaert F. Using hierarchical EM to extract
planes from 3D range scans. Proceedings of the IEEE International Conference on
Robotics and Automation. 2005. P. 4437–4442.
49. ДСТУ 8302:2015. Інформація та документація. Бібліографічне
посилання. Загальні положення та правила складання. Київ : ДП
«УкрНДНЦ», 2016.
50. ДСТУ 3008:2015. Інформація та документація. Звіти у сфері науки і
техніки. Структура та правила оформлювання. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2016.
51. Методичні рекомендації до підготовки, написання та захисту

93
кваліфікаційної роботи для здобувачів освітнього рівня «магістр» за
спеціальністю 131 «Прикладна механіка», освітні програми «Технології
машинобудування» та «Обробка металів за спецтехнологіями» усіх форм
навчання / уклад. Г. В. Канашевич, О. О. Коваленко, Є. В. Хижняк. Черкаси :
ЧДТУ, 2023.

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets