CИСТЕМА МОДЕЛЕЙ ДЛЯ CAD / CAE ВЕРСТАТІВ
Активне застосування комп'ютерної техніки дозволяє прогнозувати вихідні характеристики машин, їх окремих систем і вузлів, починаючи вже з самих ранніх стадій проектування, - з рівня прийняття концепції. Це особливо актуально для дорогих прецизійних машин, тому що при їх проектуванні часто стає можливим істотно зменшити або взагалі виключити натурні дослідження і випробування, які потребують розробки та створення експериментальних стендів і образів. У результаті знижуються витрати на доопрацювання конструкції і технології, на коригування технічної документації, скорочуються терміни впровадження проектованих машин.
Прогнозування якості та надійності верстатів є досить складною проблемою в силу ряду специфічних особливостей верстатів. По-перше, сучасний верстат являє собою сукупність систем з різними фізичними принципами дії: механічна система, електрична та електронна системи управління, гідравлічна, пневматична та інші. Відповідно ці системи описуються зовсім різними моделями. По-друге, верстат в процесі роботи піддається впливу різних видів енергії: механічної, теплової, електромагнітної, хімічної, біологічної і т.д. По-третє, в системах верстата під впливом різних видів енергії виникають процеси верстата під впливом різних видів енергії виникають процеси різної природи і різної швидкості: коливальні, теплові, знос, старіння, викривлення і інші, описувані абсолютно різними математичними моделями.
Досвід вирішення численних модельних завдань стосовно до процесу проектування різних металорізальних верстатів; базуються на застосуванні сучасної комп'ютерної техніки та ідеології CAD / CAM, показав, що доцільно застосування моделей трьох основних типів.
Перший тип моделей призначений для відбору варіантів розроблювальної конструкції на концептуальному рівні. Моделі повинні бути одночасно прості і досить адекватні, даючи можливість тим самим переглянути велику кількість варіантів за обмежений час.
У першу чергу на стадії концептуального проектування необхідно прийняти рішення щодо компонування верстата, шпінделя вузлу і приводам. Для оцінки якості несучої системи в динаміці застосовують стрижневу модель з багатьма ступенями свободи, що складається з зосереджених мас твердих тіл і пружних стрижнів, що перемежовуються стиками з пружно-дисипативних характеристиками [1]. Для визначення переміщень в необхідних точках застосовують метод кінцевих елементів у класичній постановці. Нелінійні характеристики стиків призводять до лінійним.
Тиску на напрямних при різних компонуваннях визначають за відомим рівнянням статики, розкриваючи статичної невизначеності з використанням принципу спільності деформацій. Вибравши поєднання найменших середніх і максимальних тисків, прогнозують форму зношеної поверхні і ресурс [2].
Шпиндельні вузли розглядають як балку з зосередженою або розподіленої по ділянках масою, розташовану на двох або більш пружно-в'язких опорах. Змішання переднього кінця шпинделя знаходять, застосовуючи класичний метод сил в матричній формулюванні [3].
При прийнятті концепції вузла визначають тип, конструкцію і схему розташування опор, габарити, межопорное відстань, а для опор кочення ще й спосіб створення попереднього натягу.
Приводи головного руху, подач і допоміжних переміщень прийнято розглядати у вигляді коливальних систем з зосередженими параметрами, причому таке уявлення характерне для приводів як обертального, так і поступального руху [4,5].
Другий тип моделей призначений для приняти остаточного рішення на стадії ескізного проекту. З двох-трьох варіантів, відібраних на стадії концептуального проектування, вибирають той, який в найкращій мірі відповідає регламентованим характеристикам працездатності.
Моделі несучих систем і їх елементів представляються як системи з розподіленими параметрами, - для їх чисельного аналізу застосовують метод кінцевих елементів, що дозволяє отримувати досить точні результати. Моделі істотно більш докладні, розбиття на кінцеві елементи більш докладний, що враховує конструкційні подробиці елементів несучої системи і напрямних верстата.
Для розрахунків шпиндельних вузлів застосують комплексну модель, що складається з декількох частин: упругодеформаціонной (визначають квазистатическим жорсткість обертового шпинделя), точностной (визначають похибки обертання переднього кінця шпинделя), теплової (визначають теплові деформації шпинделя), а для опор кочення додатково включають модель втомного руйнування підшипників (для розрахунку ресурсу). При складанні розрахункової схеми вузла застосовують метод кінцевих елементів, в якості яких використовують лінійні двовузлового стрижневі й кільцеві радіальні елементи, а також нелінійні елементи, що імітують пружно-дисипативні властивості підшипників. комплексна модель реалізована у вигляді автоматизованої системи.
Найважливішим завданням при прогнозуванні характеристик верстатів є оцінка точності обробки. Для цього необхідно прогнозувати вихідні параметри точності вузлів верстата і верстата в цілому [2,3]. Застосування сучасних обчислювальних засобів і перерахованих вище моделей дозволяє оцінити вплив діючих силових, теплових та інших факторів на формування точності розміру, точності взаємного розташування поверхонь, точності форми, хвилястості і шорсткості, призначених до обробки деталей [3]. Наприклад, стає можливим прогнозувати просторову траєкторію руху точки переднього кінця шпинделя або траєкторію руху супорта і т.д.
Новим і перспективним напрямком у математичному моделюванні механічної системи верстата є використання в якості базової модель формотворної системи, що визначає призначення верстата як технологічної машини і математично подається у вигляді функції формоутворення [6]. У цьому випадку модель механіки верстата представляється у вигляді математичних моделей об'єктів типу ланцюгів, простих циклів і мережі, для яких розроблені ефективні моделі аналізу. У роботі [6] значною мірою вирішено завдання переходу від опису формотворної системи до опису динамічної системи верстата.
Третій тип являє собою моделі, призначені для оцінки надійності верстатів, в першу чергу параметричну надійність. Моделі враховують імовірнісну природу процесу обробки на верстатах. Найбільш повним і достовірним підходом до оцінки якості і надійності механізмів і машин є імовірнісний підхід. Імовірнісний підхід до моделювання визначається тим, що на верстат в процесі експлуатації діє велика кількість зовнішніх і внутрішніх факторів. Не завжди фактори діють одночасно і не всі слід або можна враховувати при проектуванні. Але кожен з них є випадковою величиною або функцією [2,3].
Реалізувати імовірнісний підхід при проектуванні можна кількома шляхами: створенням імовірнісних моделей вузлів і верстатів (цей шлях складний і далеко не завжди вдається отримати вірогідну модель об'єкта досить достовірною або отримати її взагалі); використовуючи детерміновані моделі у поєднанні зі статистичним моделюванням (цей шлях простіше і, як правило, дає досить достовірні результати; статистичні випробування зазвичай проводяться за методом Монте-Карло); застосовуючи моделі параметричних відмовивши, що дають компактні рішення при прогнозуванні параметричної надійності.
Моделі параметричних відмов при зношуванні для різних вузлів, пар тертя, що направляють верстатів широко представлені в [2]. Автором запропонована модель параметричного відмови шпиндельного вузла при теплових процесах.
У МГТУ "Станкин" має практично повний програмно-методичний науковий комплекс для розрахунків механізмів, вузлів, систем і верстатів, у тому числі: комплекс з розрахунку шпиндельних вузлів на опорах різних типів, починаючи від експрес-розрахунку основних характеристик вузла на рівні прийняття концепції, включає докладні розрахунки вузла методом кінцевих елементів і закінчуючи прогнозуванням параметричних відмов вузла; комплекс розрахунків несучої системи верстата в статиці і динаміці, облік теплових деформацій станини, прогноз зношування напрямних і втрати точності при зносі; комплекс розрахунків характеристик головного приводу, приводів подачі і допоміжних переміщень; розрахунки інших вузлів і механізмів верстатів різного цільового призначення.
ЛІТЕРАТУРА:
1. Камінська В.В., Кушнір Е.Ф. Автоматизований розрахунок несучих систем металорізальних верстатів. - М.: ЕНІМС, 1990. - 58С.
2. Пронікова А.С. Надійність машин. - М.: Машинобудування, 1978. - 592 с.
3. Пуш А.В. Шпиндельні вузли. Якість і надійність. - М.: Машинобудування, 1992. - 288 с.
4. Вейц В.Л., Кочура А.Є., Мартиненко А.М. Динамічні розрахунки приводів машин. - Л.: Машинобудування, 1971. - 352 с.
5. Левін А.І. Математичне моделювання в дослідженні і проектуванні верстатів. - М.: Машинобудування, 1978. - 184 с.
6. Кушнір Е.Ф., Портман В.Т. Структурний синтез розрахункових моделей механіки верстатів / / Верстати та інструмент. - 1991. - NN 9, 10.