CAD/CAM/PDM - системы в учебном процессе и научных  исследованиях

Т.С. Москалёва,

зав. каф., к.т.н., доц.,

И.В. Емельянова,

к.т.н., доц.,

Н.В. Емельянов,

аспир., ask@samgtu.ru,

СамГТУ, г. Самара

Приведена методика применения CAD/CAE-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-system in teaching process and scientific investigation. On example turning tools with program-driven shown efficaciousness computer technology

 

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.

В процессе конструкторской и технологической подготовки производства используют системы автоматизированного проектирования (САПР), известные как CAD/САМ/САЕ – 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). Самыми распространенными из них в ВУЗе (на начальных курсах обучения) являются AutoCAD и его приложения; КОМПАС – 3D и другие.

Обучение компьютерным технологиям, с целью подготовки квалифицированных специалистов, требует применения принципа непрерывной подготовки в ВУЗе, начиная с первого курса на кафедре «Инженерная графика» и заканчивая дипломным проектом на специализированных кафедрах. Их более глубокое изучение проводится на инженерных и профилирующих кафедрах, а также при обучении 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].

 

рис.1  Модель 3D опоры шарикового винта в  КОМПАС 3D

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.

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].

АСУЭП в векторах пространства состояний, система матричных уравнений 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 подачи может быть приведена к трехмассовой 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 приведенное 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) для получения оптимального (рационального) варианта конструкции.

На рис.3 а), б) приведены сравнительные данные компьютерного анализа, проведенные авторами, и их удовлетворительное совпадение с результатами экспериментальных исследований ЭНИМС.

 

рис. 3  а) – расчёт передачи винт-гайка в САЕ системе;

б) - зависимость осевого перемещения передачи винт-гайка качения d от нагрузки Q при

различной величине предварительного натяга  РН

Подобный анализ позволяет получить с удовлетворительной точностью величину суммарной жесткости и зоны нечувствительности, и в результате дифференцированного учета сил трения, деформаций отдельных элементов привода наметить основные пути совершенствования приводов подач станков с ЧПУ за счет: исключения в передачах зазоров; уменьшения упругих деформаций в элементах кинематической цепи; исключения или максимального упрощения конструкции зубчатого редуктора или применение вместо редуктора передачи зубчатым ремнем; уменьшения сил трения и обеспечения плавности перемещений на низких скоростях; обеспечения наибольшего отношения  Mдв / Iпривед; исключения резонансов механической системы и следящего привода с частотами возмущающих воздействий; уменьшения нагрева элементов привода; применения ДОС высокой точности; переноса ДОС от двигателя к исполнительному органу.

Экспериментальное и аналитическое определение суммарной жесткости привода, величины перекоса суппорта, динамических характеристик станка с ЧПУ и их влияние на точности обработки (рис.4), показало их удовлетворительное совпадение и адекватность разработанных математических моделей, на основе которых разработаны и практически реализованы технологические и конструктивные мероприятия повышения точности обработки деталей на станках с ЧПУ.

По данной методике, в частности, были проведены расчеты и экспериментальные исследования деталей и узлов привода главного движения и подачи токарного станка с ЧПУ, с целью выявления степени влияния пространственных деформаций на положение оси шпинделя (рис.5) и величину зоны нечувствительности при реверсе, являющейся одной из важнейших эксплуатационных характеристик при обработке деталей сложного контура.

 

рис. 4  Влияние уровня относительных колебаний системы «инструмент-

- деталь» станка с ЧПУ модели 1716ПФ4 на точность обработки

Сравнение результатов расчета величин упругих деформаций и жесткости приводов на ЭВМ показало удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными [5].

 

 

рис. 5  Деформация оси шпинделя станка модели 1716ПФ4  при  различных условиях нагружения

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

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. конф. 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.