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.
Система моделей для CAD) CAE станков
78
0
5 минут
Понравилась работу? Лайкни ее и оставь свой комментарий!
Для автора это очень важно, это стимулирует его на новое творчество!