Программные продукты и системы

Введение. Металлообработка методом реза- ния занимает ключевое место в системе современного высокоточного машиностроения, где предъявляются повышенные требования к качеству, точности и сложности изготавливаемых деталей. Особенно актуальной становится задача обработки изделий со сложной пространственной геометрией, в том числе с винтовыми поверхностями, которые широко применяются в различных отраслях промышленности.

Формообразование таких поверхностей требует использования специализированных режущих инструментов, геометрия которых зачастую превосходит по сложности форму самой обрабатываемой детали. Это обусловливает необходимость комплексного подхода к проектированию инструмента, включающего учет физико-механических свойств обрабатывае- мого материала, параметров резания, условий охлаждения, износостойкости и других факторов. Несмотря на накопленный опыт, задачи, связанные с разработкой инструмента, оснащенного винтовыми стружечными канавками, сохраняют свою научную и прикладную значимость.

Развитие численных методов, реализованных в инженерных программных средах, таких как MATLAB, позволило проводить расчеты профиля режущего инструмента без необходимости определения нормалей и касательных, тем самым повысив точность и эффективность проектирования [1]. В работе [2] автор предлагает алгоритмическую реализацию параметризированной математической модели профиля сверла, позволяющую формировать трехмерную модель инструмента на основе торцевого сечения. Аналогично разработана модель стру- жечной канавки в [3], обеспечивающая управляемую форму главной режущей кромки с целью повышения стабильности условий резания и стойкости инструмента.

Использование CAD-систем при решении задач профилирования представлено в рабо- те [4], где применяется метод протягивания элементарных объемов вдоль направляющих линий. В работе [5] предложены математические модели для оценки профиля, а также методы его коррекции после переточки, что позволяет сохранять точность обработки в условиях многократного использования инструмента.

Роль CAD/CAE-систем также подчеркивается в работе [6], описано формообразование режущих кромок, возникающих на пересечении винтовых профилей и стружечных канавок. Компьютерное моделирование позволяет визуализировать структуру инструмента, оперативно анализировать ее характеристики  и вносить коррективы до изготовления.

Современные тенденции в области цифровизации проектирования инструментов предпо- лагают использование методов интеллектуального анализа данных. В работе [7] предложено применение алгоритмов K-средних и случайного леса для предсказания оптимальных условий резания при использовании бочкообразных фрез на основе интеграции данных из каталогов. В работе [8] рассмотрены возможности применения ИИ в задачах оптимизации геометрии режущего инструмента, выбора материала и параметров резания.

Приведенный анализ публикаций в открытом доступе показывает тенденцию к интеграции информационных технологий и методов машинного обучения в процесс проектирования режущего инструмента. Становится очевидной необходимость разработки специализированной системы проектирования инструмента с винтовыми стружечными канавками, базирующейся на синтезе математического моделирования, CAD-технологий и интеллектуальных алгоритмов.

Научная новизна заключается в комплексном подходе к автоматизации проектирования инструмента, который объединяет аналитическое математическое моделирование, современные CAD-технологии и алгоритмы ИИ. Это обеспечивает более высокую точность и адаптивность проектных решений, а также расширяет возможности интеллектуализации процессов проектирования режущего инструмента  с винтовыми элементами.

Разработка системы проектирования  инструмента

Современное проектирование должно опираться на языки программирования, обладающие развитой экосистемой для научных вычислений, моделирования и внедрения ИИ. Среди всех языков программирования в этой области выделяется Python, который благодаря своей открытости, широкому выбору специализи- рованных библиотек (pandas, NumPy, SciPy, Matplotlib, Seaborn, statsmodels, Plotly, scikit-learn) и активному сообществу завоевал ведущие позиции.

Гибкость языка Python позволяет эффективно сочетать классические методы инженерного моделирования с передовыми алгоритмами машинного обучения и анализа данных. Такой сдвиг обусловлен необходимостью быстрой адаптации проектных решений к изменяющимся производственным условиям, обработкой больших массивов данных и стремлением к более высокой степени автоматизации  и интеллектуализации инженерных процессов.

Для математического описания винтовой поверхности необходимы данные, которые име- ются на чертеже или рассчитываются. Исходные данные: D – диаметр сферической фрезы, Z – количество зубьев, γ – передний угол, α – задний угол.

Винтовая поверхность представляет собой траекторию перемещения плоской (или пространственной) фигуры, называемой образующей, вдоль винтовой линии, которая служит направляющей. Такая поверхность считается полностью определенной, если заданы параметры образующей и направляющей. Для нахождения образующей винтовой поверхности рассмотрим осевое и торцевое сечения сферической фрезы (рис. 1).

Окружной шаг зубьев вычисляется по формуле

и используется для определения угла профиля стружечной канавки:

Диаметр сферической фрезы в i-м поперечном сечении вычисляется в зависимости от координаты сечения вдоль оси OZ:

где zi – смещение сечения вдоль оси OZ.

Глубина винтовой стружечной канавки в каж- дом i-м сечении определяется на основе уравнения

Максимальная высота зуба

На основе теоремы косинусов и с учетом преобразований, выполненных с использованием представленных уравнений, был получен расчетный радиус дна винтовой стружечной канавки сферической фрезы:

Диаметр торцевого сечения выражается урав- нением

Величина смещения центра радиуса дна l определяется как

Сам радиус дна винтовой стружечной канавки и его смещение в сферических фрезах обеспечивают сведение канавок к оси фрезы  в ее торцевой части.

Высота зуба в любом торцевом сечении выражается уравнением

Образующая винтовой поверхности сферической фрезы представляет собой сложную кривую, сформированную из двух прямолинейных участков и одной дуги окружности, плавно сопряженных между собой (рис. 2).

Координаты точек рассчитываются по формулам

Приведенные формулы являются основой для построения алгоритмов и программного кода, предназначенных для разработки системы проектирования инструмента с винтовыми стружечными канавками [9]. Система написана на языке Python.

Для реализации процедуры экспорта результатов вычислений во внешний файл в разработанном ПО была использована библиотека openpyxl, предназначенная для автоматизи- рованной работы с электронными таблицамиформата Microsoft Excel в среде Python. Она обеспечивает создание, запись и форматирование табличных данных без необходимости использования сторонних офисных приложений, что делает ее удобным инструментом при выполнении инженерных расчетов, научных иссле- дований и при разработке прикладных программных средств. В предложенном ПО имеется возможность выгрузить рассчитанные данные в файл data.xlsx, содержащий значения конструктивных параметров винтовой стружечной канавки, а также координаты характерных точек профиля винтовой поверхности. Этот файл представляет собой структурированный набор данных (датасет), предназначенный для дальнейшего анализа. Он служит базой для углубленного изучения информации, выявления скрытых закономерностей, анализа тенденций и проведения комплексной статистической обработки, что существенно расширяет возможности для оптимизации конструкции и повышения эффективности проектных решений.

Автоматизация процесса  моделирования

В работе [10] представлено эффективное решение задачи, связанной с созданием трехмерных объектов в системе автоматизированного проектирования КОМПАС-3D, с целью минимизации временных и трудовых затрат. Предложен подход, основанный на программной  автоматизации процесса моделирования с использованием языка программирования Python, что позволяет существенно упростить и ускорить работу пользователя. Разработанное программное решение представляет собой инструмент, в котором предусмотрен интуитивно  понятный выбор нужного типа 3D-объекта  с возможностью задания необходимых параметров, таких как размеры, геометрические особенности и конфигурация.

Принцип функционирования разработанной программы основан на предварительном выборе пользователем типа проектируемого объекта и задании его параметров во внешнем конфигурационном файле. Программа автоматически считывает указанные данные и использует их для генерации 3D-модели детали в среде автоматизированного проектирования КОМПАС-3D. Дополнительно реализована интеграция с макросами библиотек КОМПАС API, обеспечивающая автоматизированное построение чертежей на основе сформированной модели.

Благодаря такому подходу, пользователь избавляется от необходимости вручную выполнять повторяющиеся действия в интерфейсе КОМПАС-3D, что особенно актуально при серийном проектировании или частом изменении типовых моделей. Предложенное решение может быть эффективно внедрено в производственную или проектную деятельность самых разных организаций, от машиностроительных предприятий до образовательных учреждений в целях оптимизации работы конструкторов и инженеров, повышения производительности и снижения риска ошибок на этапах создания 3D-моделей.

Разработанная программа обеспечивает экспорт рассчитанных параметров и геометрических данных в формат, совместимый с системой КОМПАС-3D, что позволяет автомати- чески передавать результаты моделирования непосредственно в графическую среду. Это дает возможность КОМПАС-3D на основе полученных данных сформировать полноценные трехмерные модели без участия пользователя на этапе построения (рис. 3).

Таким образом, реализуется полный цикл от ввода параметров и расчетов до получения визуализированных 3D-объектов в CAD-среде. Подобная интеграция значительно ускоряет проектирование, повышает его точность и делает процесс более удобным и технологически гибким.

Заключение

В ходе проведенного исследования был  реализован эффективный метод автоматиза- ции проектирования 3D-объектов в системе КОМПАС-3D с применением языка программирования Python. Разработанная система позволяет выполнять точное математическое моделирование винтовых стружечных канавок сферических фрез, рассчитывая их конструктивные параметры с высокой степенью точности. Алгоритмы, основанные на аналитических зависимостях и геометрических уравнениях, обеспечивают корректное формирование профилей и автоматическую генерацию координат, необходимых для построения модели.

Интеграция с библиотекой openpyxl позволила организовать удобный формат хранения результатов расчетов в виде структурированного выходного файла, пригодного для последующего анализа и статистической обработки. Использование Python обусловлено его гибкостью, широким набором научных библиотек  и возможностью объединения инженерных расчетов с инструментами визуализации и автоматизации. Полученные данные автоматически экспортируются в КОМПАС-3D, где на их основе строятся полнофункциональные 3D-модели.

Следует отметить, что разработанный подход может быть расширен за счет внедрения методов ИИ и машинного обучения. В частности, возможно создание интеллектуальных систем, способных адаптивно подбирать параметры инструмента под заданные условия обработки, предсказывать поведение материала, оптимизировать геометрию режущей кромки  и автоматически выявлять неэффективные решения. Таким образом, перспективы дальнейших исследований и разработок в данном направлении связаны с переходом к интеллектуализированным системам проектирования, способным к самообучению и адаптации на основе накопленного опыта и данных.

Список литературы

1. Трошин А.А., Захаров О.В. Разработка САПР дискового инструмента для обработки винтовой поверхности // Современные материалы, техника и технологии. 2020. № 1. С. 55–60.
2. Домнин П.В. Математическое моделирование винтовых поверхностей сверла в среде Mathcad // Вестн. МГТУ «СТАНКИН». 2021. № 1. С. 106–110.
3. Ершов А.В. Расчёт профиля стружечной канавки для назначения заданной формы режущей кромки спирального сверла с тремя зубьями // Моделирование нелинейных процессов и систем: сб. матер. Междунар. конф. 2024. С. 94–99.
4. Щуров И.А. Расчет дисковой модульной фрезы для нарезания косозубого колеса классическим (в SolidWorks) и дискретным твердотельным типами моделирования // Вестн. ЮУрГУ. Сер.: Машиностроение. 2022. Т. 22. № 4. С. 52–62.
5. Huang C.-L., Wei Y.-C. Profile analysis of spur gear shaping cutters based on sharpened cutting edges. Machines, 2022, vol. 10, no. 6, art. 484. doi: 10.3390/machines1006048.
6. Matuszak J., Barszcz M. Computer aided design of cutting tools. Adv. Sci. Tech. Res. J., 2015, vol. 9, no. 28, pp. 107–111. doi: 10.12913/22998624/60796.
7. Uchida S., Oyaizu N., Nakagawa M. et al. Investigation of machining condition for barrel end mill based on Data-Mining method for tool catalog database. Key Engineering Materials, 2025, vol. 1008, pp. 49–55.
8. Heydarov A. Cutting tools and their design features: from the point of view of artificial intelligence. Global Sustainable Development, 2024, vol. 2, no. 2, pp. 63–70. doi: 10.69471/gsd-15.
9. Сунгатов И.З. Расчет параметров инструмента с винтовыми стружечными канавками: Свид. о регистр. ПрЭВМ № 2024616111. Рос. Федерация, 2024.
10. Крапивин Р.Р., Сунгатов И.З. Автоматическое размещение объектов в КОМПАС-3D с помощью языка программирования Python // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2021. № 7. С. 8–11.

References

1. Troshin, A.A., Zakharov, O.V. (2020) Development of cad disc tools for processing a screw surface’, Sovremennye Materialy, Tekhnika i Tekhnologii, (1), pp. 55–60 (in Russ.).
2. Domnin, P.V. (2021) ‘Mathematical modeling of the helical surfaces of the drill in the mathcad environment’, Vestn. MSUT «Stankin», (1), pp. 106–110 (in Russ.).
3. Ershov, A.V. (2024) ‘Flute profile design for a predefined cutting edge geometry in three-flute twist drills’, Proc. Conf. The Modeling of Nonlinear Processes and Sys., pp. 94–99 (in Russ.).
4. Shchurov, I.A. (2022) ‘Calculation of a disc milling cutter for cutting a helical gear with classical (in solidwork) and discrete solid modeling’, Bull. of SUSU. Ser.: Mechanical Engineering Industry, 22(4), pp. 52–62 (in Russ.).
5. Huang, C.-L., Wei, Y.-C. (2022) ‘Profile analysis of spur gear shaping cutters based on sharpened cutting edges’, Machines, 10(2), art. 484. doi: 10.3390/machines1006048.
6. Matuszak, J., Barszcz, M. (2015) ‘Computer aided design of cutting tools’, Adv. Sci. Tech. Res. J., 9(28), pp. 107–111. doi: 10.12913/22998624/60796.
7. Uchida, S., Oyaizu, N., Nakagawa, M. et al. (2025) ‘Investigation of machining condition for barrel end mill based on Data-mining method for tool catalog database’, Key Engineering Materials, 1008, pp. 49–55.
8. Heydarov, A. (2024) ‘Cutting tools and their design features: from the point of view of artificial intelligence’, Global Sustainable Development, 2(2), pp. 63–70. doi: 10.69471/gsd-15.
9. Sungatov, I.Z. (2024) Calculation of Tool Parameters for Helical Flute Profiles, Pat. RF, № 2024616111.
10. Krapivin, R.R., Sungatov, I.Z. (2021) ‘Automatic placement of objects in kompas-3d using the Python programming language’, Forging and Stamping Production. Material Working by Pressure, (7), pp. 8–11 (in Russ.)