Компьютерная графика и CAЕ–технологии в учебном процессе и научных исследованиях

Т.С. Москалева,

зав. каф. «Инж. граф.», проф., eg@samgtu.ru,

И.В. Емельянова,

каф. «Инж. граф.», к.т.н., доц.,

Н.В. Емельянов,

каф. «Инж. граф.», ст. преп.,

В.Л. Зубенко

каф. «Автом. и станоч. компл.», к.т.н., доц.

СамГТУ, ask@samgtu.ru, 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 неразрывно связано с вопросами инновационной деятельности в образовании, внедрением современных технологий в образовательный процесс и научные исследования. В соответствии с учебными планами 2-х уровневой системы образования на кафедре «Инженерная графика» и «Автоматизированные станочные комплексы» ведутся разработки и внедрение в учебный процесс компьютерных технологий на принципе непрерывной подготовки, начиная с первого курса на кафедре «Инженерная графика» и заканчивая выпускной квалификационной работой по данной специальности.

Их более глубокое изучение проводится на профилирующих кафедрах, а также при обучении в магистратуре и аспирантуре. В рамках УНИРС, бакалаврами, магистрами и аспирантами используются программные продукты: SolidWorks, АРМ WinMachine, MathCAD, MatLAB и системы конечно-элементного анализа МКЭ - Nastran, Cosmos, ANSYS и др.

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.1).

рис. 1. Граф металлорежущего станка с ЧПУ

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.

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 САЕ технологий и программного обеспечения типа MatLAB, ANSYS [1,2,6] является основой современного проектирования технологического оборудования.

В процессе решения задачи синтеза нового изделия отдельные детали, узлы и механизмы объединяются в сборочный узел [7] (см. рис.2 в САД системе).

рис. 2. 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. 3).

рис 3. Токарный обрабатывающий центр 1716ПФ4РМ2

Улучшение динамических характеристик технологического оборудования, повышение точности обработки связано, в частности, с решением задач повышения жёсткости элементов упругой системы и созданием оптимальной величины предварительного натяга в ее соединениях (рис. 4).

рис. 4. Расчётная модель несущей системы станка

Методика теоретических и экспериментальных исследований включают многовариантный анализ, выполняемый путем многократного моделирования исследуемой системы при различных значениях варьируемых параметров [4,5,6]. Что позволяет выявить влияние значимых факторов на получаемый расчетный результат и дать практические рекомендации (с учетом экспериментальных исследований (рис. 5,6,7) для получения оптимального (рационального) варианта конструкции.

                                                                                                а)                                                                                   б)

рис. 5. Пространственная деформация корпуса опоры шарикового винта привода продольной подачи токарного станка с ЧПУ: а) аналитическое решение методом МКЭ,  б) экспериментальные данные

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. 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. 6).

рис. 6 Частотный спектр относительных колебаний станка при резании

рис. 7 Влияние уровня относительных колебаний системы «инструмент- деталь» станка  с ЧПУ модели  1716ПФ4 на точность обработки

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 (рис.7),

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.

Применение в ВУЗе инновационных технологий в учебном процессе и научной деятельности студентов и аспирантов позволяют подготовить 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.  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.

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.