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. Вопервых, 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. Вовторых, станок в процессе работы подвергается воздействию различных видов энергии: механической, тепловой, электромагнитной, химической, биологической и т.д. Втретьих, 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 упругодиссипативными характеристиками. 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.
Шпиндельные узлы рассматривают как балку с сосредоточенной или распределенной по участкам массой, расположенную на двух или более упруговязких опорах. Смешение переднего конца шпинделя находят, применяя классический метод сил в матричной формулировке.
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.
Второй тип моделей предназначен для приняти окончательного решения на стадии эскизного проекта. Из двухтрех 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 упругодиссипативные 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. 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. 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. 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 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.
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 МонтеКарло); 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. Автором предложена модель параметрического отказа шпиндельного узла при тепловых процессах.
В МГТУ «Станкин» имеет практически полный программнометодический научный комплекс для расчетов механизмов, узлов, систем и станков, в том числе: комплекс по расчету шпиндельных узлов на опорах различных типов, начиная от экспрессрасчета 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.
