Геометрическое моделирование и CAD/CAЕ – технологии в учебном процессе и научных исследованиях

Геометрическое моделирование и CAD/CAЕ – технологии в учебном процессе и научных исследованиях

Т.С. Москалева,

зав. каф. «Инж. графика», к.т.н., проф., eg@samgtu.ru,

И.В. Емельянова,

к.т.н., доц.,

Н.В. Емельянов,

ст., преп.,

В.Л. Зубенко,

к.т.н., доц.,

СамГТУ, г. Самара

Приведена методика применения CAD/CAE-систем в учебном процессе и научных исследованиях. На примере теоретических и экспериментальных исследований металлорежущих станков с ЧПУ показана эффективность использования инновационных технологий.

Bringing metchod CAD/CAE-system in teaching process and scientific investigation. On example theoretical and experimental studies tool with CHPU is shown efficiency of the use efficaciousness computer technology

Повышение качества подготовки специалистов в ВУЗ-е неразрывно связано с вопросами научно – инновационной деятельности в образовании, базирующимися на международных стандартах серии ISO и CAD/CAM/CAE-технологий.

Геометрическое моделирование способствует формированию компетенций, необходимых для реализации проектно-конструкторской, производственно-технологической и научно-исследовательской деятельности студентов, а также приобретению знаний по теоретическим основам геометрического моделирования технических объектов и компьютерной графике, используемых в САПР при оформлении проектной и конструкторской документации в электронной форме в соответствии с требованиями ЕСКД.

В соответствии с новыми учебными планами 2-х уровневой системы обучения на кафедре «Инженерная графика» разработаны новые учебно - методические комплексы УМК на основе которых, ведутся разработки и внедрение в учебный процесс и научные исследования компьютерных технологий с применением принципа непрерывной подготовки в ВУЗе, начиная с первого курса на кафедре «Инженерная графика» и заканчивая выпускной квалификационной работой по данной специальности на специализированных кафедрах факультетов.

В рамках УНИРС, бакалаврами, магистрами и аспирантами используются программные продукты: SolidWorks, АРМ WinMachine, MathCAD, MatLAB и системы конечно-элементного анализа МКЭ - Nastran, Cosmos, ANSYS ADAMS и др.

Станочная система является совокупностью ее функциональных элементов (рис. 1,2), которые могут быть представлены алгебраическими, топологическими, математическими и 2D, 3D графическими моделями.

рис. 1. Структурная блок-схема станка с ЧПУ

рис. 2. Общий вид токарного робото - технического комплекса РТК

Для решения задач анализа и синтеза системы необходима разработка математических моделей, исходя из того, что производственная погрешность при механической обработке является функцией ряда составляющих погрешностей, обусловленных технологической системой и системой ЧПУ (рис.3).

рис. 3. Задача анализа и синтеза системы

Для токарного станка с ЧПУ типа 1716ПФ4 динамическая система, состоящая из несущей системы, привода главного движения и подач может быть представлена обобщенным сигнальным графом, состоящим из трех нелинейных элементов, описываемых функционалами к₁, к₂, к₃ и матрицей связей [В].

Определитель графа такой системы имеет вид:

где [E]-единичная матрица размером n;

[K]-диагональная матрица управляемых коэффициентов.

Веса w дуг(i,j) сигнальных графов могут быть представлены в виде системы дифференциальных уравнений, дифференциального уравнения n-го порядка, передаточной функцией, нормальной формой, временными и частотными характеристиками (см табл.1)

Таблица 1

Веса w дуг(i,j) сигнальных графов

Для решения конкретных задач динамики систем оказывается наиболее рациональной та или иная форма задания системы.

Практическое применение разработанных математических моделей привода главного движения ПГД, приводов подачи ПП, несущей системы НС, автоматизированной системы управления электроприводом АСУ ЭП и др. с использованием CAD/САЕ технологий и программного обеспечения типа MatLAB, ANSYS [1,2,6.7] является основой современного проектирования технологического оборудования.

В процессе решения задачи синтеза нового изделия отдельные детали, узлы и механизмы объединяются в сборочный узел [7,8] в САД системе типа КОМПАС 3D (рис. 4).

рис. 4. Модель 3D шпиндельного узла станка с ЧПУ в CAD системе Компас

Расчетной моделью является геометрическое представление объекта 3D, разбитого сеткой конечных элементов (КЭ), максимально приближенное по форме к реальной конструкции (рис. 5).

рис. 5. Конечно-элементная сетка

Улучшение динамических характеристик технологического оборудования, повышение точности обработки связано, в частности, с решением задач повышения жесткости элементов упругой системы и созданием оптимальной величины предварительного натяга в ее соединениях [2,3,5].

Методика теоретических и экспериментальных исследований (в рамках УНИРС) включает многовариантный анализ, выполняемый путем многократного моделирования на ЭВМ исследуемой системы при различных значениях варьируемых параметров и применении CAD/САЕ технологий. По данной методике проведены расчеты деталей привода главного движения и подачи станков с ЧПУ, с целью выявления степени влияния пространственных деформаций на важнейшие эксплуатационные характеристики при обработке деталей сложного контура.

Разработанная методика построения САД/CAE моделей исследуемой системы, позволяет получить результаты расчета ее прочностных и динамических характеристик (на основе программных продуктов NX8 и ANSYS) с последующим сопоставлением со статистически обработанными экспериментальными данными (в MathCAD) и анализом регистрируемых сигналов (в MatLAB).

Одним из методов анализа обработанных поверхностей деталей является их гармоническое разложение с помощью тригонометрических рядов Фурье.

Гармонический анализ позволяет получить спектр (разложение на гармонические составляющие) профиля обрабатываемой детали (рис. 6)

рис. 6. Профиль обрабатываемой детали (Некруглость. Образец №6 (поясок 2); увеличение 20.000)

(и относительных колебаний) и определить наличие в нем тех или иных гармоник (рис. 7), влияющих на точность обработки.

рис. 7 Частотный спектр относительных колебаний станка при резании

Проведенные исследования позволили 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,

Использование подобной методики на практике и в учебном процессе позволяет значительно сократить время на освоение компьютерной техники и информационных технологий, способствует совершенствованию форм и методов обучения, интенсификации учебного процесса и научного поиска.

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.

Использование подобной методики инновационных технологий в учебном процессе и научной деятельности студентов и аспирантов позволяют успешно готовить высококвалифицированных специалистов и молодых ученых.

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. Зубенко В.Л. САD/САЕ технологии станков с ЧПУ. Учеб пособие/ В.Л. Зубенко. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2014. – 246с.: ил.

6. Зубенко В.Л. Емельянов Н.В. Приводы станков с ЧПУ. Монография. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2011. – 274 с.

7. CAD система КОМПАС – 3D: учеб.пособ. / В.Л. Зубенко, Емельянов Н.В. – Самара. Самар. гос. техн. ун-т, 2010. – 155 с.

8. Геометрическое моделирование деталей сложного контура в КОМПАС-3D: учеб.пособие / В.Л. Зубенко, Т.С. Москалева, И.В. Емельянова, Н.В. Емельянов. – Самара: Самар.гос.техн.ун-т, 2014. – 221 с.