Обработка торцов деталей трубопроводов

Сергей Димитрюк
Системный аналитик ЗАО «Топ Системы»
Сергей Павлов
Ведущий специалист отдела внедрения
ЗАО «Топ Системы»
Виталий Потесин
Инженер-технолог ОАО «Трубодеталь»
Виктор Летушов
Начальник ОПО ПСФ МЗОР

Трубопроводы и их элементы (тройники, отводы, переходники, заглушки), несмотря на свою конструктивную простоту, имеют ряд технологических особенностей, без учета которых невозможна автоматизация их изготовления и получение качественной продукции. Именно умение работать с такими технологиями является ноу­хау успешных предприятий трубопроводной продукции. Одна из таких технологически сложных задач была решена на челябинском заводе АО «Трубодеталь». Прежде всего, это обработка торцов деталей, имеющих большие диаметры при относительно малой толщине стенки. Сложность заключается в том, что заготовки элементов трубопроводов допускают значительные отклонения от номинальных параметров (то есть погрешность формы, разнотолщинность и др.).

АО «Трубодеталь» — предприятие по производству соединительных деталей для трубопроводов из низколегированной стали диаметром 57­1420 мм (рис. 1). Предприятие выступает поставщиком для строительства нефтяных и газовых коммуникаций, а также магистральных сетей.

Рис. 1. Обработанная фаска на торце элемента трубопровода

Номенклатура изделий АО «Трубодеталь» включает гамму типоразмеров деталей трубопроводов, на которые по техническому заданию должен быть разработан модуль подготовки управляющих программ для обработки фасок торцов элементов трубопроводов на станке с ЧПУ. Техническое задание разрабатывалось совместно с ОАО «МЗОР» белорусским производителем металлообрабатывающего оборудования.

Целью разработки являлось обеспечение качества продукции при обработке деталей партиями.

Погрешность складывается из погрешности установки и погрешности обработки. Если рассматривать обработку партии заготовок, то погрешность обработки складывается из систематических и случайных погрешностей. При обработке небольших партий систематической погрешностью можно пренебречь. Для тонкостенных конструкций случайная погрешность зависит в основном от исходной поверхности заготовки, так как отклонение ее формы и размеров от номинальной поверхности (заданной чертежом) является случайной величиной. Идея заключалась в том, что если в партии две заготовки с максимальными противоположными отклонениями могут быть обработаны по одной параметрической программе и при этом не выйдут за 2/3 допускаемых отклонений, то остальные детали могут быть обработаны по этой программе с надежным обеспечением качества. То есть 1/3 допускаемого отклонения относим на погрешность установки, а 2/3 — на отклонения, зависимые от отклонений формы заготовки. Поскольку отклонения формы заготовки измеряются перед обработкой, то возможно математическое моделирование геометрии обработанной поверхности (прогноз достаточной точности).

Таким образом, математически спрогнозировав перед обработкой погрешность деталей после обработки двух заготовок с предельными противоположными отклонениями, можно заключить, что обработка остальной партии заготовок будет возможна по одной параметрической программе, если возможна обработка данных двух заготовок (имея в виду, что отклонение в остальной партии находится в интервале между отклонениями двух заготовок с предельно противоположными отклонениями). Параметрическая управляющая программа обработки выполняется на основе входных параметров, которые задаются как результат измерений геометрии исходной поверхности заготовки.

Необходимо было написать постпроцессор, генерирующий параметрическую управляющую программу обработки для станка с ЧПУ. Данный постпроцессор должен был учитывать не только цифровую модель изделия, но и измеренные на станке параметры заготовки (случайные величины).

Второй особенностью задачи являлось то, что для ряда типов фасок обработку кромки нужно вести по сплайну, построенному по измеренному облаку точек, а для других типов — как теоретическая окружность. Когда диаметр изделий равен диаметру присоединяемой трубы, а размер толщины разделки кромки под сварку задается от наружного диаметра изделия с учетом овальности, применяют обработку торца по сплайну. Для других типов, когда диаметр изделий больше, чем диаметр присоединяемой трубы, и размер толщины разделки кромки под сварку задается от наружного диаметра присоединяемой трубы, применяют обработку торца по окружности. То есть обработка по сплайну и соответствующий тип фаски выбираются для тонких стенок, где обработка по теоретической окружности затруднительна ввиду больших отклонений поверхности заготовки от формы окружности. Но и в том, и в другом случае необходимо было найти теоретический центр торца трубы, в первом случае — для прогнозирования перекосов и строительных размеров детали, а во втором — для построения траектории обработки фаски по окружности.

Поставленные задачи на каждом этапе требовали работы с измеренными параметрами (случайные величины) и номинальной геометрией элементов трубопроводов (цифровая модель элемента трубопровода). Эта задача для T­FLEX CAD является штатной.

Для прогнозирования параметров качества обрабатываемых деталей и составления управляющих программ была разработана (без программирования) библиотека тройников и отводов, которые позволили решить цепочку поставленных задач наиболее рациональным образом. Библиотека представляет собой набор параметрических файлов T­FLEX CAD/ЧПУ, в которых содержатся математические модели деталей трубопроводов и геометрии их погрешностей. А пользовательские диалоги, управляющие геометрией, которые содержат файлы библиотеки, позволяют комфортно использовать систему в виде мини­САПР (то есть система имеет интерфейс, настроенный под прикладную задачу).

Рис. 2. Задача оптимизации по определению радиуса и центра окружности по облаку точек (измеренных значений), где ddsum — квадратичное отклонение на текущем шаге оптимизации

Для решения задачи нахождения теоретического центра по облаку точек в T­FLEX CAD был создан фрагмент кромки, в котором использовали механизм оптимизации для нахождения центра окружности, найденной по наименьшим квадратичным отклонениям от измеренных 36 точек по окружности торца (рис. 2). Необходимо отметить, что стандартный цикл нахождения центра по четырем точкам не обеспечивал надежного результата, потому что на поверхности труб могут находиться местные искажения поверхности, такие как сварной шов, забоина и т.п. Коррекция центра по методу наименьших квадратичных отклонений могла дать результат смещения до 1 мм относительно центра, определенного по стандартному циклу стойки станка (по четырем точкам).

Кроме того, созданный фрагмент определяет качественные параметры торца по овальности и допустимому диаметру, а также визуализирует искривление плоскости торца (отклонение от плоскостности необработанной поверхности) — рис. 3.

Рис. 3. Нахождение центра и радиуса окружности по облаку точек,
определение геометрических отклонений

Рис. 4. Уточнение параметров обрабатываемой детали

Рис. 5. Фрагмент сгенерированной программы обмера

Рис. 6. Диагностика возможности обработки (либо брак заготовки, либо некорректно введенные данные)

Рис. 7. Прогнозные значения геометрических отклонений тройника,
полученные по измеренным значениям в T-FLEX CAD

Общая последовательность подготовки к обработке выглядела в этом случае следующей:

1. Открыть файл «Обработка­Отвод.grb». Выбрать типоразмер отвода (рис. 4) и сгенерировать программу обмера (рис. 5).
2. Произвести на станке измерения торцов первой заготовки с помощью программы обмера. Результаты обмера программа автоматически сохранит в базу данных.
3. Открыть повторно файл «Обработка­Отвод.grb», в котором автоматически обновятся данные измерений. Выбрать необходимые типы фасок на кромках (торцах).
4. Если какие­то данные некорректны, то геометрический расчет укажет на невозможность обработки с данными параметрами (рис. 6).
5. При успешном введении всех параметров в таблице «Рассчитанные параметры» выводятся прогнозные значения геометрии детали. Прогнозные значения выводятся как в виде диалога, так и непосредственно в 3D­сцене (рис. 7).
6. Перейти к расчету программы ЧПУ и получению файла параметрической управляющей программы (в R­параметрах). Поскольку траектории обработки уже заложены в мини­САПР, то получение управляющей программы происходит автоматически (рис. 8).
7. Произвести обработку первой детали партии (с гарантированным обеспечением качества). После обработки первой детали устанавливается вторая деталь партии (с противоположными максимальными отклонениями геометрии), делаются измерения и в TFLEX CAD по данным измерениям прогнозируются отклонения (при зафиксированных параметрах коррекции относительно первой детали). В случае если отклонения не выходят за 2/3 установленных параметров качества, то по данной параметрической программе можно обработать эту (вторую) деталь и всю партию.

Рис. 8. Элементы интерфейса T-FLEX ЧПУ для генерации параметрической управляющей программы

Выводы:

1. Использование ПО T­FLEX ЧПУ, которое включает все возможности параметрического моделирования T­FLEX CAD, позволяет решать сложные технологические задачи, требующие привлечения математических методов (в частности, аппроксимации) на разных этапах подготовки управляющих программ.
2. Возможности составления специализированных постпроцессоров для генерации параметрических управляющих программ позволяют использовать единую управляющую программу для партии изделий, отличающихся большими геометрическими отклонениями формы при относительно малой толщине стенки (характерными для процессов обработки давлением). При этом обеспечивается геометрическая точность конечного изделия.
3. Уменьшение этапности подготовки и рутинных действий технолога существенно снижает простой оборудования из­за времени подготовки управляющих программ для каждой детали.
4. Использование геометрического прогнозирования отклонений обеспечивает надежность получения качественных характеристик партии изделий после обработки по одной параметрической программе. 

Литература

1. Носач В.В. Решение задач аппроксимации с помощью персональных компьютеров. — М.: Микап, 1994. 382 с.
2. Киреев В.И., Пантелеев А.В. Численные методы в примерах и задачах. — М.: Высш. шк., 2008. — 480 с.: и

САПР и графика 7`2016