CAD/CAE/PDM - технологии в
процессе двухуровнего обучения и научных исследованиях
Т.С. Москалева,
зав. каф. «Инж.
графика», к.т.н., доц., eg@samgtu.ru,
И.В. Емельянова,
каф. «Инж. графика»,
к.т.н., доц.,
В.Л. Зубенко,
каф. «Автомоб. и
станоч. комплексы», к.т.н., доц.,
Н.В. Емельянов,
аспир. каф. «Автомоб.
и станоч. комплексы»,
СамГТУ,
г. Самара
Приведена методика применения CAD/CAE/PDM-систем
в учебном процессе и научных исследованиях. На примере теоретических и
экспериментальных исследований токарного станка с ЧПУ показана эффективность
использования инновационных технологий
Bringing metchod CAD/CAE/PDM-system in teaching process
and scientific investigation. On example turning etools with program-driven
shown efficaciousness computer technology
Повышение качества
подготовки специалистов в ВУЗ-е неразрывно связано с вопросами научно – инновационной
деятельности в образовании, внедрением современных технологий в образовательный
процесс и решением проблем автоматизации образования, базирующимися на международных стандартах серии ISO 9000 и CAD/CAM/CAE-технологий. Их дополняют стандарты серии ISO
14000. Хотя эти стандарты непосредственно не связаны с CALS-стандартами, их
цели - усовершенствование процесса (образовательного, промышленного
производства и др.), повышение его эффективности - совпадают.
Очевидно,
что управление качеством тесно связано с его контролем. Подход к управлению
качеством, основанный на контроле качественных показателей проектных процедур и
технологических процессов, используемых при создании продукта во многих случаях
более эффективен.
Именно этот подход положен
в основу стандартов ISO 9000, принятых ISO в
Таким
образом, методической основой для управления качеством образовательного
процесса являются международные стандарты серии ISO 9000.
В
соответствии с новыми учебными планами 2-х уровневой системы образования для
ряда специальностей факультетов СамГТУ дневной и заочной формы обучения на кафедре
«Инженерная графика» и «Автоматизированные станочные комплексы» ведутся
разработки и внедрение в учебный процесс компьютерных технологий обучения.
При
решении практических и научных задач, связанных с обеспечением надежности
станков с ЧПУ и повышением точности обработки, на этапах анализа и синтеза
конструкции, технологической подготовки производства и научных исследованиях
используют CAD/САМ/САЕ/CAPP/PDM–технологии [1,2].
Как известно,
комплексы CAD делятся на легкие (CADAM, VersaCAD), средние (Solid Designer,
Inventor, Mechanical Desktop) и тяжелые (интегрированные системы Pro/ENGINEER,
Unigraphics, CATIA, I-DEAS, I/EMS, EUCLID). Так, например, Velocity
Series(Siemens PLM Software) – это интегрированный набор программных решений
(Solid Edge, Femap, САМ Express, Teamcenter Express), охватывающий этапы: 2D
и 3D - проектирование; Дизайн; Компьютерные технологии
расчета деталей и узлов методом МКЭ; Управление данными; Подготовка управляющих
программ для станков с ЧПУ (САМ - технологии), поддерживает новейшие технологии,
в том числе, механической обработки, повышая эффективность использования современных
станков с ЧПУ и отдачу от инвестиций в технологическое оборудование.
Самыми
распространенными CAD системами в ВУЗе (на начальных курсах
обучения) являются AutoCAD и его приложения; КОМПАС – 3D, ArchiCAD, Solid Edge,
CADdy и другие.
Обучение компьютерным
технологиям, с целью подготовки квалифицированных специалистов (бакалавров и магистров)
для работы с системами автоматизированного проектирования САПР, требует применения
принципа непрерывной подготовки в ВУЗе, начиная с первого курса на кафедре
«Инженерная графика» и заканчивая выпускной квалификационной работой по данной
специальности на специализированных кафедрах.
Их более
глубокое изучение проводится на инженерных и профилирующих кафедрах, а также
при обучении в магистратуре или в аспирантуре. В рамках УНИРС студентами,
бакалаврами, а также магистрами и аспирантами используются программные
продукты: SolidWorks, DesignWorks, WinMachine, ADAMS и системы конечно-элементного
анализа МКЭ - Nastran, Cosmos, ANSYS и т.д.
Применение
в ВУЗе инновационных технологий в учебном процессе и научной деятельности
студентов и аспирантов позволяют подготовить высококвалифицированных специалистов
и молодых ученых.
При создании и в процессе эксплуатации различных видов
технологического оборудования решение задач, связанных с обеспечением
надежности и повышением точности обработки осуществляется по трем основным
направлениям [3]. Первое - обеспечивается конструктивными методами. Второе
направления связано с изготовлением и сборкой изделия (технологическое). Третье
- с обеспечением эксплуатационной надежности, которая зависит от стабилизации
условий эксплуатации и технического обслуживания (ремонт, профилактика,
диагностика и т.д.).
В процессе решения
задачи синтеза нового изделия отдельные детали, механизмы, объединяются в
сборочный узел (см. рис.1 в САД системе) через соединения того или иного вида [4].
Элементами станочной системы являются
ее функциональные элементы: электромеханической системы станка; системы ЧПУ и
АСУ электроприводов, проектирование которых можно условно разбить на взаимосвязанные
части: проектирование цепей (электрических, механических и т.д. или их
совокупности) и проектирование конструкций, которые могут быть представлены
алгебраическими, топологическими, теоретико-множественными математическими и 2D,
3D графическими моделями.
рис. 1
Модель 3D шпиндельного узла
станка с ЧПУ в КОМПАС 3D
Создание модели 3D при ее последующем расчете
средствами САЕ технологий (ANSYS; WinMachine и др.) является более трудоемкой
операцией, чем создание данной модели средствами CAD (КОМПАС, ACAD) с
последующей передачей в расчетную программу [1].
Математическая
модель АСУЭП в векторах пространства состояний имеет вид:
[A]
{x} = [B] {u} + [H1] {f},
[R]
{u} = [Kрег] {x} + [H2] {f};
где [A],
[B], [R], [Kрег], [H1], [H2] - соответственно
взвешенные вершины - матрицы коэффициентов системы привода с координатами
переменных - {x}, вектора управления -
{u}, собственных операторов регуляторов, законов регулирования и коэффициентов
вектора внешних воздействий - {f} на исполнительный орган - [H1] и
регуляторы - [H2].
Структура
механической части привода, включающая ротор электродвигателя, автоматическую
коробку скоростей (редуктор) и шпиндельный узел, может быть приведена к 3-х массовой
расчетной модели (рис.2), параметрами которой являются приведенные моменты
инерции - i , движущие и нагрузочные моменты - Mi,
углы поворота упругих звеньев - i - (или угловые
скорости - i) , приведенные податливости - 1/ Cij и демпфирование - bij .
рис. 2
Структурная блок-схема механической части привода
Методика
теоретических и экспериментальных исследований включают многовариантный анализ,
выполняемый путем многократного моделирования исследуемой системы при различных
значениях варьируемых параметров [4]. Что позволяет выявить влияние значимых
факторов на получаемый расчетный результат и дать практические рекомендации (с
учетом экспериментальных исследований (рис.3,4,5,6)) для получения оптимального
(рационального) варианта конструкции.
рис.3 График
относительных колебаний станка модели 1716ПФ3 с оправкой, закрепленной в
патроне: 1 - при
размыкании кинематической цепи между редуктором и шпинделем; 2 - при размыкании цепи между
электродвигателем и редуктором
рис.4 График относительных колебаний станка модели
1716ПФЗ: 1 - АЧХ с оправкой, закрепленной в конусе шпинделя; 2 - АЧХ с
оправкой, закрепленной в патроне
Комплексной
динамической характеристикой привода станка является траектория геометрической
оси шпинделя в поперечном направлении.
Знание (аналитическое или экспериментальное)
характерной траектории перемещения оси вращения шпинделя (токарно-винторезного
станка модели 1716ПФ3, 1716ПФ4) и круглограммы и спектрограммы обработанной на
нем поверхности детали позволяет установить связь параметров траектории оси шпинделя с показателями качества детали.
Одним из методов
анализа профилей обработанных поверхностей является их гармоническое разложение
с помощью тригонометрических рядов Фурье. Аналитическое выражение отклонений
текущего размера профиля поперечного сечения реальной цилиндрической
поверхности может быть представлено в виде ряда Фурье как совокупность
гармоник, образующих спектр фазовых углов и спектр амплитуд:
,
где k —
порядковый номер гармоники; С0/2 - нулевой член
разложения; Сk— амплитуда k-й гармоники;
φ— текущая координата; 
—
начальная фаза k-й гармоники.
Гармонический
анализ позволяет получить спектр (разложение на гармонические составляющие) профиля
(и относительных колебаний) и определить наличие в нем тех или иных гармоник
(рис. 5), влияющих на точность обработки.
рис. 5
Частотный спектр относительных колебаний станка при резании
Проведенные
исследования влияния динамических явлений системы «инструмент-заготовка» при устойчивом
резании на показатели качества детали позволили разработать и внедрить ряд практических рекомендаций,
направленных на повышение динамического качества токарных и токарно-револьверных
модулей средних типоразмеров, заключающихся, в частности, в повышении жесткости
стыка "станина-шпиндельная бабка", в конструктивном изменении и
доработке зубчатого редуктора, а также в повышении требований к вращающимся
узлам и деталям по статической и динамической балансировке.
рис. 6 Влияние уровня относительных колебаний
системы «инструмент- деталь» станка с ЧПУ модели 1716ПФ4 на точность обработки
Это позволило существенно снизить
уровень амплитуд относительных колебаний, исключить ряд резонансных зон в
диапазоне частот вращения шпинделя 0...6000 мин-1 и повысить виброустойчивость
системы и точность обработки (рис.6),
Использование подобной методики
позволяет значительно сократить время на освоение компьютерной техники и
информационных технологий, способствует совершенствованию форм и методов
обучения, интенсификации учебного процесса.
В
конечном итоге это является основой лучшего усвоения учебного материала,
приобретения практических навыков применения вычислительной техники в решении инженерных
задач и выполнения проектных работ, выработке и принятию обоснованных решений,
мотивации и активизации самостоятельной работы студентов (УНИРС) и выполнения
научных исследований.
Литература
1.
Басов К.А. ANSYS и Virtual Lab. Геометрическое
моделирование. – М.:ДМК Пресс, 2006. – 240 с.
2.
Ли
К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). – СПб.: Питер, 2004. -560 с.
3.
Емельянов
Н.В. Повышение параметрической надежности станков с ЧПУ //Сб. трудов второй
Всерос. конфер. молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России».
Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009.- С. 6-7.
4.
Емельянов
Н.В., Зубенко В.Л. Информационные технологии при анализе и синтезе приводов
станков с ЧПУ/ Научные труды Межд н-пр конф «Фундаментальные проблемы и
современные технологии в машиностроении». М.: МАШИНОСТРОЕНИЕ, ИМАШ РАН, МГПУИ,
2010. – 571 с. (С. 164-169).
5.
Москалёва
Т.С., Емельянова И.В., ЗубенкоВ.Л., Емельянов Н.В. Геометрическое моделирование
в CAD/CAE системах автоматизированного проектирования /Сб-к научных трудов
«Информационные технологии и технический дизайн в профессиональном образовании
и промышленности». Новосибирск, НГТУ. – 2010. С. 9 – 14с.