Система моделей для CAD/CAE станков

CИСТЕМА МОДЕЛЕЙ ДЛЯ CAD CAE СТАНКОВ Активноеприменение компьютерной техники позволяет прогнозировать выходныехарактеристики машин, их отдельных систем и узлов, начиная уже с самых раннихстадий проектирования с уровня принятия концепции.Это особенно актуальнодля дорогостоящих прецизионных машин, так как при их проектировании зачастуюстановится возможным существенно уменьшить или вообще исключить натурныеисследования и испытания, требующие разработки и создания экспериментальныхстендов и образов. В результате снижаются затраты на доработку конструкции итехнологии, на корректировку технической документации, сокращаются сроки внедренияпроектируемых машин.

Прогнозирование качества и надежности станковявляется весьма сложной проблемой в силу ряда специфических особенностейстанков.Во-первых, современный станок представляет собой совокупность систем сразными физическими принципами действия механическая система, электрическая иэлектронная системы управления, гидравлическая, пневматическая и другие.Соответственно эти системы описываются совершенно различными моделями.Во-вторых, станок в процессе работы подвергается воздействию различных видовэнергии механической, тепловой, электромагнитной, химической, биологической ит.д. В-третьих, в системах станка под воздействием различных видов энергиивозникают процессы станка под воздействием различных видов энергии возникаютпроцессы различной природы и различной скорости колебательные, тепловые, износ, старение, коробление и другие, описываемые совершенно различнымиматематическими моделями.

Опыт решения многочисленных модельных задачприменительно к процессу проектирования различных металлорежущих станков базирующиеся на применении современной компьютерной техники и идеологииCAD CAM, показал, что целесообразно применение моделей трех основных типов.

Первый тип моделей предназначен для отборавариантов разрабатываемой конструкции на концептуальном уровне. Модели должныбыть одновременно просты и достаточно адекватны, давая возможность тем самымпросмотреть большое число вариантов за ограниченное время.

В первую очередь на стадии концептуальногопроектирования необходимо принять решения по компоновке станка, шпиндельномуузлу и приводам.Для оценки качества несущей системы в динамике применяютстержневую модель со многими степенями свободы, состоящую из сосредоточенныхмасс твердых тел и упругих стержней, перемежающихся стыками супруго-диссипативными характеристиками 1 . Для определения перемещений втребуемых точках применяют метод конечных элементов в классической постановке.Нелинейные характеристики стыков приводят к линейным.

Давления на направляющих при различныхкомпоновках определяют по известным уравнениям статики, раскрывая статическуюнеопределимость с использованием принципа совместности деформаций.Выбравсочетание наименьших средних и максимальных давлений, прогнозируют формуизношенной поверхности и ресурс 2 . Шпиндельные узлы рассматривают как балку ссосредоточенной или распределенной по участкам массой, расположенную на двухили 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 дляопор качения еще и способ создания предварительного натяга. Приводы главного движения, подач и вспомогательныхперемещений принято рассматривать в виде колебательных систем ссосредоточенными параметрами, причем такое представление характерно дляприводов как вращательного , так и поступательного движения 4,5 . Второй тип моделей предназначен для принятиокончательного решения на стадии эскизного проекта.

Из двух-трех вариантов,отобранных на стадии концептуального проектирования, выбирают тот, который внаилучшей мере отвечает регламентированным характеристикам работоспособности. Модели несущих систем и их элементовпредставляются как системы с распределенными параметрами для их численногоанализа применяют метод конечных элементов, позволяющий получать весьма точныерезультаты.

Модели существенно более подробны, разбиение на конечные элементы болееподробное, учитывающее конструкционные подробности элементов несущей системы инаправляющих станка.Для расчетов шпиндельных узлов применяткомплексную 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 дополнительновключают модель усталостного разрушения подшипников для расчета ресурса . Присоставлении расчетной схемы узла применяют метод конечных элементов, в качествекоторых используют линейные двухузловые стержневые и кольцевые радиальныеэлементы, а также нелинейные элементы, имитирующие упруго-диссипативныесвойства подшипников. комплексная модель реализована в виде автоматизированнойсистемы.

Важнейшей задачей при прогнозированиихарактеристик станков является оценка точности обработки.

Для этого необходимопрогнозировать выходные параметры точности узлов станка и станка в целом 2,3 .Применение современных вычислительных средств и вышеперечисленных моделейпозволяет оценить влияние действующих силовых, тепловых и других факторов наформирование точности размера, точности взаимного расположение поверхностей,точности формы, волнистости и шероховатости, предназначенных к обработкедеталей 3 . Например, становится возможным прогнозировать пространственнуютраекторию движения точки переднего конца шпинделя или траекторию движениясуппорта и т.д. Новым и перспективным направлением вматематическом моделировании механической системы станка является использованиев качестве базовой модель формообразующей системы, определяющую назначениестанка как технологической машины и математически представляемую в виде функцииформообразования 6 . В этом случае модель механики станка представляется ввиде математических моделей объектов типа цепей, простых циклов и сети, длякоторых разработаны эффективные модели анализа.

В работе 6 в значительноймере решена задача перехода от описания формообразующей системы к описаниюдинамической системы станка.

Третий тип представляет собой модели,предназначенные для оценки надежности станков, в первую очередь параметрическуюнадежность. Модели учитывают вероятностную природу процесса обработки настанках.Наиболее полным и достоверным подходом к оценке качества и надежностимеханизмов и машин является вероятностный подход.

Вероятностный подход кмоделированию определяется тем, что на станок в процессе эксплуатации действуетбольшое число внешних и внутренних факторов. Не всегда факторы действуютодновременно и не все следует или можно учитывать при проектировании.Но каждыйиз них является случайной величиной или функцией 2,3 . Реализовать вероятностный подход припроектировании можно несколькими путями созданием вероятностных моделей узлови станков этот путь сложен и далеко не всегда удается получить вероятностнуюмодель объекта достаточно достоверной или получить ее вообще используядетерминированные модели в сочетании со статистическим моделированием этотпуть проще и, как правило, дает весьма достоверные результаты статистическиеиспытания обычно проводятся по методу Монте-Карло применяя моделипараметрических отказав, дающие компактные решения при прогнозированиипараметрической надежности.

Модели параметрических отказов при изнашиваниидля различных узлов, пар трения, направляющих станков широко представлены в 2 . Автором предложена модель параметрического отказа шпиндельного узла притепловых процессах.

В МГТУ Станкин имеет практическиполный программно-методический научный комплекс для расчетов механизмов, узлов,систем и станков, в том числе комплекс по расчету шпиндельных узлов на опорахразличных типов, начиная от экспресс-расчета основных характеристик узла науровне принятия концепции, включающий подробные расчеты узла методом конечныхэлементов и кончая прогнозированием параметрических отказов узла комплексрасчетов несущей системы станка в статике и динамике, учет тепловых деформацийстанины, прогноз износа направляющих и потери точности при износе комплексрасчетов характеристик главного привода, приводов подачи и вспомогательныхперемещений расчеты других узлов и механизмов станков различного целевогоназначения. ЛИТЕРАТУРА 1. Каминская В.В Кушнир Э.Ф. Автоматизированный расчет несущих системметаллорежущих 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 проектированиистанков М. Машиностроение, 1978 184 с.6. Кушнир Э.Ф Портман В.Т. Структурный синтез расчетных моделей механикистанков Станки и инструмент 1991 NN 9, 10.