CИСТЕМА МОДЕЛЕЙ ДЛЯ CAD/CAE СТАНКОВ
Активное
применение компьютерной техники
позволяет прогнозировать выходные
характеристики машин, их отдельных
систем и узлов, начиная уже с самых
ранних стадий проектирования, - с уровня
принятия концепции. Это особенно
актуально для дорогостоящих прецизионных
машин, так как при их проектировании
зачастую становится возможным существенно
уменьшить или вообще исключить натурные
исследования и испытания, требующие
разработки и создания экспериментальных
стендов и образов. В результате снижаются
затраты на доработку конструкции и
технологии, на корректировку технической
документации, сокращаются сроки внедрения
проектируемых машин.
Прогнозирование
качества и надежности станков является
весьма сложной проблемой в силу ряда
специфических особенностей станков.
Во-первых, современный станок представляет
собой совокупность систем с разными
физическими принципами действия:
механическая система, электрическая и
электронная системы управления,
гидравлическая, пневматическая и другие.
Соответственно эти системы описываются
совершенно различными моделями.
Во-вторых, станок в процессе работы
подвергается воздействию различных
видов энергии: механической, тепловой,
электромагнитной, химической, биологической
и т.д. В-третьих, в системах станка под
воздействием различных видов энергии
возникают процессы станка под воздействием
различных видов энергии возникают
процессы различной природы и различной
скорости: колебательные, тепловые,
износ, старение, коробление и другие,
описываемые совершенно различными
математическими моделями.
Опыт
решения многочисленных модельных задач
применительно к процессу проектирования
различных металлорежущих станков;
базирующиеся на применении современной
компьютерной техники и идеологии
CAD/CAM, показал, что целесообразно применение
моделей трех основных типов.
Первый
тип моделей предназначен для отбора
вариантов разрабатываемой конструкции
на концептуальном уровне. Модели должны
быть одновременно просты и достаточно
адекватны, давая возможность тем самым
просмотреть большое число вариантов
за ограниченное время.
В
первую очередь на стадии концептуального
проектирования необходимо принять
решения по компоновке станка, шпиндельному
узлу и приводам. Для оценки качества
несущей системы в динамике применяют
стержневую модель со многими степенями
свободы, состоящую из сосредоточенных
масс твердых тел и упругих стержней,
перемежающихся стыками с упруго-диссипативными
характеристиками [1]. Для определения
перемещений в требуемых точках применяют
метод конечных элементов в классической
постановке. Нелинейные характеристики
стыков приводят к линейным.
Давления
на направляющих при различных компоновках
определяют по известным уравнениям
статики, раскрывая статическую
неопределимость с использованием
принципа совместности деформаций.
Выбрав сочетание наименьших средних и
максимальных давлений, прогнозируют
форму изношенной поверхности и ресурс
[2].
Шпиндельные
узлы рассматривают как балку с
сосредоточенной или распределенной по
участкам массой, расположенную на двух
или более упруго-вязких опорах. Смешение
переднего конца шпинделя находят,
применяя классический метод сил в
матричной формулировке [3].
При
принятии концепции узла определяют
тип, конструкцию и схему расположения
опор, габариты, межопорное расстояние,
а для опор качения еще и способ создания
предварительного натяга.
Приводы
главного движения, подач и вспомогательных
перемещений принято рассматривать в
виде колебательных систем с сосредоточенными
параметрами, причем такое представление
характерно для приводов как вращательного
, так и поступательного движения
[4,5].
Второй
тип моделей предназначен для приняти
окончательного решения на стадии
эскизного проекта. Из двух-трех вариантов,
отобранных на стадии концептуального
проектирования, выбирают тот, который
в наилучшей мере отвечает регламентированным
характеристикам работоспособности.
Модели
несущих систем и их элементов представляются
как системы с распределенными параметрами,
- для их численного анализа применяют
метод конечных элементов, позволяющий
получать весьма точные результаты.
Модели существенно более подробны,
разбиение на конечные элементы более
подробное, учитывающее конструкционные
подробности элементов несущей системы
и направляющих станка.
Для
расчетов шпиндельных узлов применят
комплексную модель, состоящую из
нескольких частей: упругодеформационной
(определяют квазистатическую жесткость
вращающегося шпинделя), точностной
(определяют погрешности вращения
переднего конца шпинделя), тепловой
(определяют тепловые деформации
шпинделя), а для опор качения дополнительно
включают модель усталостного разрушения
подшипников (для расчета ресурса). При
составлении расчетной схемы узла
применяют метод конечных элементов, в
качестве которых используют линейные
двухузловые стержневые и кольцевые
радиальные элементы, а также нелинейные
элементы, имитирующие упруго-диссипативные
свойства подшипников. комплексная
модель реализована в виде автоматизированной
системы.
Важнейшей
задачей при прогнозировании характеристик
станков является оценка точности
обработки. Для этого необходимо
прогнозировать выходные параметры
точности узлов станка и станка в целом
[2,3]. Применение современных вычислительных
средств и вышеперечисленных моделей
позволяет оценить влияние действующих
силовых, тепловых и других факторов на
формирование точности размера, точности
взаимного расположение поверхностей,
точности формы, волнистости и шероховатости,
предназначенных к обработке деталей
[3]. Например, становится возможным
прогнозировать пространственную
траекторию движения точки переднего
конца шпинделя или траекторию движения
суппорта и т.д.
Новым
и перспективным направлением в
математическом моделировании механической
системы станка является использование
в качестве базовой модель формообразующей
системы, определяющую назначение станка
как технологической машины и математически
представляемую в виде функции
формообразования [6]. В этом случае модель
механики станка представляется в виде
математических моделей объектов типа
цепей, простых циклов и сети, для которых
разработаны эффективные модели анализа.
В работе [6] в значительной мере решена
задача перехода от описания формообразующей
системы к описанию динамической системы
станка.
Третий
тип представляет собой модели,
предназначенные для оценки надежности
станков, в первую очередь параметрическую
надежность. Модели учитывают вероятностную
природу процесса обработки на станках.
Наиболее полным и достоверным подходом
к оценке качества и надежности механизмов
и машин является вероятностный подход.
Вероятностный подход к моделированию
определяется тем, что на станок в процессе
эксплуатации действует большое число
внешних и внутренних факторов. Не всегда
факторы действуют одновременно и не
все следует или можно учитывать при
проектировании. Но каждый из них является
случайной величиной или функцией
[2,3].
Реализовать
вероятностный подход при проектировании
можно несколькими путями: созданием
вероятностных моделей узлов и станков
(этот путь сложен и далеко не всегда
удается получить вероятностную модель
объекта достаточно достоверной или
получить ее вообще); используя
детерминированные модели в сочетании
со статистическим моделированием (этот
путь проще и, как правило, дает весьма
достоверные результаты; статистические
испытания обычно проводятся по методу
Монте-Карло); применяя модели параметрических
отказав, дающие компактные решения при
прогнозировании параметрической
надежности.
Модели
параметрических отказов при изнашивании
для различных узлов, пар трения,
направляющих станков широко представлены
в [2]. Автором предложена модель
параметрического отказа шпиндельного
узла при тепловых процессах.
В
МГТУ "Станкин" имеет практически
полный программно-методический научный
комплекс для расчетов механизмов, узлов,
систем и станков, в том числе: комплекс
по расчету шпиндельных узлов на опорах
различных типов, начиная от экспресс-расчета
основных характеристик узла на уровне
принятия концепции, включающий подробные
расчеты узла методом конечных элементов
и кончая прогнозированием параметрических
отказов узла; комплекс расчетов несущей
системы станка в статике и динамике,
учет тепловых деформаций станины,
прогноз износа направляющих и потери
точности при износе; комплекс расчетов
характеристик главного привода, приводов
подачи и вспомогательных перемещений;
расчеты других узлов и механизмов
станков различного целевого назначения.
ЛИТЕРАТУРА:
1.
Каминская В.В., Кушнир Э.Ф. Автоматизированный
расчет несущих систем металлорежущих
станков. - М.: ЭНИМС, 1990. - 58с.
2.
Проникова А.С. Надежность машин. - М.:
Машиностроение, 1978. - 592 с.
3.
Пуш А.В. Шпиндельные узлы. Качество и
надежность. - М.: Машиностроение, 1992. -
288 с.
4.
Вейц В.Л., Кочура А.Е., Мартыненко А.М.
Динамические расчеты приводов машин.
- Л.: Машиностроение, 1971. - 352 с.
5.
Левин А.И. Математическое моделирование
в исследовании и проектировании станков.
- М.: Машиностроение, 1978. - 184 с.
6.
Кушнир Э.Ф., Портман В.Т. Структурный
синтез расчетных моделей механики
станков // Станки и инструмент. - 1991. - NN
9, 10.