автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизированная технология формообразования анизотропных конструкций из волокнистых композиционных материалов

На правах рукописи

- (. I¡1 I. - -1

Г^ г • г Л ' I

ПРОКОФЬЕВ Геннадий Иванович

автоматизированная технология формообразования анизотропных конструкций из волокнистых композиционных материалов

Специальность: 05.13.07 -Автоматизация технологических процессов и производств (в машиностроении).

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург - 1998

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор доктор технических наук, профессор

Ведущее предприятие - ЦКБ МТ «РУВИН».

Защита состоится « /О » ¿¿¿£¿¿1$ 1998 года в /Ш часов на заседании диссертационного Совета Д063.36.04 Санкт-Петерйурх'счого электротехнического университета по адресу: 197376, г. Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д.5.

Фомин В.Ф. Туккель И.Л. Лохин В.М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « & » ¿¿¿(Хс(_ 1Э98 года.

Ученый секретарь диссертационного Совета 'С-—Аветов Ю.ЕЗ.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Возможности изменения состава компонентов композита, выбора наилучшей геометрической формы и структуры армирования позволяют улучшать характеристики конструкции из волокнистых композиционных материалов (ВКМ). Высокая эффективность использования ВКМ достигается при одновременном создании собственно конструкционного материала и конструкции. Оптимальные конструкции из ВКМ стали рассматриваться как основные несущие нагрузки компоненты машин ближайшего будущего. Проблему проектирования оптимальных конструкций решает новое развивающееся направление механики деформируемого тела.

Уже сегодня в промышленности нельзя обойтись без конструкций из ВКМ. Их применение позволяет получить новое качество изделий и экономический эффект. Наибольшие успехи в производстве анизотропных конструкций высокого качества достигнуты с использованием технологии намотки на стадии формообразования. Класс изготавливаемых намоткой слоистых конструкций ограничен конструкциями; геометрическая форма и схема армирования которых определяется семействами непрерывных геодезических траекторий. ' Эти ограг чения не позволяют применять технологию намотки для изготовления конструкций с произвольными формами и схемами армирования. При их производстве применяются универсальные технологии формообразования слоистых конструкций, характерные использованием человека в качестве исполнительной системы (ИС) в операциях укладки армирующего материала (АМ) на формообразующую поверхность (ФП) и его пропитки. Технологическое проектирование процессов послойного формообразования проводится в подсистемах, интегрированных в конструкторские САПР. Стабильность характеристик, качество композита и производительность формообразования таких конструкций не высоки даже при использовании формовщиков высокой квалификации. Послойное формование конструкций с поверхностями ненулевой гауссовой кривизны сопровождается высоким процентом отходов исходных материалов.

Начатые в 60-х годах исследования в направлении автоматизации технологических процессов, используемых при ручном контактном формовании, привели к созданию автоматизированной технологии формования слоистых конструкций, характеризуемых близкими к нулю значениями гауссовой кривизны поверхностей и семействами прерывистых (коротких) траекторий армирования с близкими к нулю значениями геодезической кривизны.

Автоматизировать процессы формообразования для конструкций с поверхностями произвольной формы и произвольными траекториями армирования, а также подготовку сопутствующей им технологической информации еще не удавалось-. Теоретическое обобщение решенных задач и поиск путей решения задач ближайшего будущего в области создания перспективных технологий формообразования конструкций из ВКМ с произ сльныыи геометрическими формами и схемами армирования является актуальной проблемой.

Целью диссертации является создание автоматизированной технологии безотходного качественного высокопроизводительного формообразования конструкций из ВКМ с гладкими поверхностями и траекториями армирования.

Задачи исследования:

• Предложить научно-техническую идею качественного формования лент из жесткого волокна АМ, доказать ее правомерность .

• Разработать научные основы анализа процессов армирования конструкций.

• Предложить научно обоснованные методы автоматического качественного формования композита и автоматизированного высокопроизводительного безотходного формообразования конструкций с гладкими поверхностями и траекториями армирования.

• Предложить научно обоснованные принципы и базовые схемы построения автоматической исполнительном системы.

• Создать технологию моделирования процессов формообразования и представления образа конструкции рассматриваемого класса, включающую методы: универсального описания схемы армирования, позволяющего реализовать результаты конструкторского проектирования; синтеза тра-

екторий армирования, удовлетворяющих ограничениям ИС; симуляции процесса формообразования конструкции с целью определения параметров «деталей», положения «деталей» в конструкции и очередности их укладки. Разработать организационно-технологическую базу подготовки производства на основе автоматизированной технологии формообразования анизотропных конструкций из ВКМ.

Методы исследования. Дифференциальная и инженерная геометрия, моделирование в среде конструкторских САПР, теория управления, числовое программное управление.

На защиту выносится совокупность научных результатов в области автоматизации технологических процессов и производств, позволивших создать перспективную автоматизированную технологию формообразования конструкции из ВКМ:

1.Классификации технологий формообразования и конструкций из ВКМ, отражающие их методологические платформы, аппаратурное оформление и ограничения, требуемую функциональную организованность технологий формообразования для конструкций заданного класса сложности.

2.Методы формования композита и безотходного высокопроизводительного формообразования конструкций, обеспечивающие изготовление конструкций путем укладки формируемых из жесткого АМ лент, требуемые деформационные свойства и геометрические параметры которых вычисляются исходя из заданных поверхностей и траекторий укладки.

3.Принципы построения ИС автоматического формования, определяющие необходимые и достаточные системные свойства и схемы базовых компоновок ИС.

4. Технология моделирования процесса формообразования конструкции, включающая методологическую платформу автоматизированного синтеза траекторий армирования, последовательности укладки полос АМ и геометрической модели собранной из «деталей» конструкции.

5.Организационно-технологическая база подготовки дискретного производства, вкпючающая технологический образ конструкции, планово-учетные понятия, сущности и отношения модели данных процесса формообразования.

Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней предложена, развита и реализована новая концепция и разработаны теоретические основы синтеза автоматизированной технологии формообразования анизотропных конструкций из БКМ:

• установлены возможности технологий формообразования анизотропных конструкций из ВКМ и границы применимости этих технологий для Формообразования конструкций определенных классов технологической сложности;

• доказана правомерность предложенной научно-технической идеи качественного высокопроизводительного формования композита конструкций с произвольными гладкими поверхностями и траекториями армирования;

• получены дифференциальные и интегральные оценки требуемых деформационных свойств армирующих лент, формируемых из жестких АН. Доказана необходимость использования несвязанных лент из жесткого однонаправленного волокнистого АМ в конструкциях высокого качества;

• сформулированы принципы построения автоматических ИС, положенные в основу реализации контурного и технологического управления процессом формообразования конструкций;

• решена задача представления результата конструкторского проектирования в виде исходной схемы армирования (ПСА) - задания технологической системе;

• решена задача определения технологического образа конструкции (траекторий армирования, полос АМ, «деталей» конструкции и очередности их выкладки) при установленных ограничениях;

• обоснована структура системы управления ИС, организационно-технологическая база подготовки производства стадии формообразования.

Достоверность сформулированных научных положений и выводов подтверждена: аналитическим выводом дифференциальных и интегральных оценок условий формования; применением надежного математического аппарата; использованием проверенных взаимодействий инструментов и материалов; изготовлением конструкций ручным способом с применением предложенных метода формообразования и методики

моделирования; изготовлением образцов материала п конструкций с поверхностями ненулевой гауссовой кривизны и различными схемами армирования в автоматизированной системе.

Практическая значимость. Полеченные в диссертации выводы и рекомендации являются научной базой конструкторского и технологического проектирования САО/САЕ/СЛР/ САМ-СИС/СДО систем формообразования изделий из ВКМ:

• классификация анизотропных конструкции из ВКМ - основа формирования производственных заказов, определения требуемых функциональных возможностей ГПМ формообразования, проектирования ГПМ.

• технология моделирования процессов формообразования, способ задания ИСЛ, оценки требуемых деформационных свойств армирующих лент, алгоритмы синтеза траекторий армирования и внутренней структуры конструкции, алгоритмы расчета «деталей», алгоритмы построения очередности выкладки «деталей», требования к среде проектирования, этапы и процедуры процесса формообразования -теоретическая, методическая, вычислительная и инструментальная база построения автоматизированной системы проектирования процессов формообразования;

• принципы построения ИС, базовые схемы их компоновок, изобретения, примеры реализации - основа проектирования рабочих органов (РО), трактов, накопителей материалов, манипуляционпых, технологических и вспомогательных подсистем ИС формообразования и их элементов;

• структура системы управления ИС, методы, средства измерений и идентификации поверхностей, схемы функционирования подсистем технологического проектирования основа решения вопросов проектирования ИС, УЧПУ и системы управления ГПМ;

• структура системы управления ПС, организационно-технологическая база подготовки производства - основа для проектирования системы планирования и оперативного управления изготовлением конструкций.

Достоверность и значимость практических^ результатов подтверждена их использованием при проектировании: процесса безотходного формообразования конструкций типа

незамкнутого эллипсоида, изготавливаемого ручной выкладкой ткани; автоматизированной технологии, системы управления, устройств и подсистем ГПМ для производства конструкций из армированных композитов типа тел вращения с ненулевой гауссовой кривизной поверхностей; перспективных изделий из армированных композитов и несущего кузова вагона для высокоскоростной магистрали в ЦКБ МТ «РУБИН»; измерительной машины и системы идентификации оболочек в ЦНИИ им. Крылова; приложений системы технологического проектирования.

Апробация. Результаты диссертации докладывались на научно-технических советах ЦНИИ технологии судостроения, ЦНИИ им Крылова, ЦКБ МТ «Рубин»; Международных, научно-технических и вузовских конференциях и семинарах 1975-1997 гг., в том числе: на научно-техническом семинаре «75 лет отечественной школе электропривода» (24-26 марта 1997 г., Санкт-Петербург); 8-й научно-технической международной конференции «Экстремальная робототехника» (16-18 апреля 1997 г., Санкт-Петербург) в ЦНИИ робототехники и технической кибернетики; в «Школе по моделированию автоматизированных технологических процессов» на базе Международной конференции «Математические методы в химической технологии» (4-6 июня 1997г., г. Новомосковск Тульской обл.); Второй конференции российских пользователей программного обеспечения фирмы Ре1саш ГшиС 97 (29-30 сентября 1997г., Санкт-Петербург); на семинаре «Перспективные САО/САМ/САЕ технологии в высшей школе (17 ноября 1997г., Санкт-Петербург); на семинаре «Новые материалы и технологии по переработке пластмасс» НПО МАШПРОМ (12-17 декабря 1997г., Санкт-Петербург).

Публикации. Результаты исследований отражены в 51 опубликованной работе, в том числе в 30 научных статьях, 4 тезисах научных докладов, 3 учебных пособиях и 14 авторских свидетельствах.

Структура__и объем_работы. Диссертация состоит из

введения, пяти глав с выводами, заключения, одного приложения и списка литературы, включающего 120 наименований. Основная часть диссертации изложена на 244 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 55 ри-

сунков и 9 таблиц.

Содержание работы

Во введении_обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели, задачи и методы исследования, научная новизна, практическая значимость, достоверность и апробация диссертации. Дана характеристика 'публикаций, структуры и объема работы.

В первой главе на основе аналитического обзора сформулирована проблема создания перспективных технологий формообразования анизотропных конструкций из ВКМ.

Показано, что и результате проектирования конструкции формируются векторы управления для всех этапов ее создания. Сформированное для каждой технологии управление отражает структурный и количественный аспекты управления качеством конечного продукта. Стадии и соответствующие им технологии изготовления конструкций с заданным управлением (в том числе и оптимальным) разнесены во времени. Каждая технология выделена из общего процесса создания конструкции как самостоятельная подсистема, имеющая предварительно сформированное, некорректируемое на время выполнения технологии управление. Поэтому проблема создания автоматизированной технологии формообразования, реализующей заданное управление в условиях возмущений, является независимой и самостоятельной .

Установлено, что все технологии формообразования анизотропных конструкций из ВКМ на ФП в соответствии с заданной схемой армирования (намотка, ручное контактное формование и др.) объединяет использование в них общих операций, сопутствующих укладке и пропитке АМ связующим материалом (СМ). Существенные ограничения этих технологий не позволяют реализовать управления, необходимые для формообразования даже простых перспективных изделий. При использовании конструкций из ВКМ как средства объединения деталей и снижения стоимости возрастает сложность их форм и схем армирования. К имеющимся задачам технологий стадии формообразования добавляются задачи реализации управления, задающего внешние и внут-

ренние геометрические формы, схемы пространственного армирования и технологические параметры процессов формообразования .

Показано, что существующие технологии стадии формообразования (формирующие характеристики конструкций) не обеспечивают технологическое проектирование и изготовление оптимальных и перспективных конструкций. Они не могут использоваться ни в процессах исследования при решении проблемы создания оптимальных конструкций, ни в удовлетворении сегодняшних и будущих потребностей промышленности в перспективных технологиях и конструкциях.

Выявлено, что неудачи в создании машин для автоматизированного формообразования слоистых конструкций с произвольно заданными гладкими формами поверхности и схемами армирования слоев обусловлены автоматизацией существующих ручных технологий. В таких машинах реализованы методологические основы и способы формирования лент АМ, применяемые в ручных технологиях, не обеспечивающие требуемые свойства «обтекания» поверхности, соответствующие качественному высокопроизводительному безотходному формованию. Для перспективной технологии нужно параллельно создавать новые методы и технологически сопрягающиеся с ними автоматические или автоматизированные средства, т.е. параллельно синтезировать все компоненты автоматизированной технологии формообразования (автоматического формования, подготовки управляющей информации для формообразования, построения ИС и системы управления) с применением современных технологий автоматизации .

Проведен содержательный анализ существующих технологий и выявлены их методические и методологические ограничения. В результате анализа возникла классификация технологий по методическим и прагматическим признакам, указавшая направления исследования. Второй результат -идея дивергенции поставленной цели как неформальной сущности. В итоге сформирован структурный образ содержательных, научных и технических проблем достижения цели .

Во_ в_т_орой__главе исследован процесс деформации лен-

точного материала при его укладке на ФП. Дан анализ послойной выкладки лент на ФП вращения с ненулевой гауссовой кривизной. Предложен новый метод безотходного автоматизированного формообразования.

Предложена научно-техническая идея высокопроизводительной качественной укладки АМ и формования композита вдоль произвольной траектории на произвольной поверхности. Она исключает деформации (потери устойчивости) жестких волокон выкладываемого АМ, вызванных силами их продольного сжатия и растяжения (допускаются лишь деформации изгиба). В соответствии с препложенной идеей проведен анализ причин неудач в автоматизации существующих технологий и реализации технологий формообразования с широкими возможностями (автоматических выкла-дочных машин), поиск новых базовых методов и средств технологии автоматизированного формообразования. В их основу положена качественная и количественный оценка деформации связанных (например, тканых) лент АМ конечной ширины, используемых при формообразовании.

Дифференциальная оценка требуемой локальной «посадки» лент АМ, уложенных вдоль произвольной гладкой траектории на произвольной гладкой (имеющей непрерывные производные) поверхности получена в инвариантах:

где К- гауссова кривизна поверхности в данной точке, Кд-геодезическая кривизна траектории укладки, 1- ширина ленты АМ. Она характеризует требуемые деформационные свойства лент АМ и позволяет оценить возможность применения лент с известными деформационными свойствами в конкретных проектах конструкций или сформулировать требования к ним. Качество формования лент АМ тем выше, чем меньше относительная посадка АМ. На базе дифференциальной оценки сделан вывод о том, что единственной возможностью качественного формования широких лент АМ на поверхности с ненулевой гауссовой кривизной по негеодезическим траекториям является формование несвязанных лент АМ или набора узких связанных лент. Уже на

этапе технологического проектирования использование дифференциальной оценки позволяет определить требуемые свойства «посадки» связанных лент из жесткого ДМ и рассчитать их ширину, исходя из схемы армирования конкретного технологического проекта. Показано, что использование широких связанных лент в выкладочных машинах с целью получения необходимой производительности ограничивает сферу применения машин изготовлением конструкций с малой гауссовой кривизной поверхностей и траекториями армирования, близкими к геодезическим.

Установлено, что для вычисления дифференциальных и интегральных оценок требуемых деформационных свойств лент АМ при формообразовании конструкций с произвольными поверхностями и схемами армирования следует, применять математический аппарат дифференциальной геометрии, реализованный в откргтых конструкторских САПР, имеющих средства моделирования поверхностей. Он обладает высокой надежностью и обеспечивает измерительные функции математической модели.

Полученные интегральные оценки деформации связанных лент в процессе формообразования конструкций с поверхностями вращеш я ненулевой гауссовой кривизны позволили рассчитать параметры «деталей» конструкции из жесткого АМ и координаты начала их выкладки. Показано, что даже предварительно раскроенный плоский АМ конечной ширины деформируется при укладке вдоль любых траекторий (включая геодезические). Требуемая абсолютная «посадка» ленты АМ тем больше, чем больше ее длина и ширина.

Выявлено, что в процессе укладки связанной ленты нарушается взаимная ориентация ее связей (арматуры), а полное управление их ориентацией невозможно. Для высококачественных, перспективных и оптимальных конструкций необходимо использовать несвязанные однонаправленные ленты АМ, обеспечивающие требуемые значения «посадки» и полное управление ориентацией АМ.

Показано, что применяемая послойная выкладка сопровождается большим процентом отходов исходных материалов, вызванным раскроем и стыковкой краев лент при выкладке слоя АМ. Она не позволяет независимо управлять

траекториями выкладки лент АМ слоя, что снижает возможности управления характеристиками конструкции.

Предложен новый метод автоматизированного формообразования, основу которого составляет применение выкладки внахлест несвязанных лент АМ. Он предоставляв'/ возможности формообразования конструкций с пространственным армированием по системе двух нитей и образования внутренних аномалий конструкции при неплотной упаковке ее «деталей». В нем не требуется продольный раскрой лент АМ, чем обусловлено увеличение производительности и сокращение отходов исходных материалов. Для реализации предложенного метода формообразования необходимо создать построенную на новых принципах ИС и систему технологического проектирования, использующую новые алгоритмы технологической подготовки процессов формообразования .

В третьей главе проведен анализ способов формования конструкций из ВКМ, сформулированы принципы построения автоматической ИС, реализующей предложенный метод формообразования. Определены схемы базовых компоновок ИС.

Выделена основная проблема построения автоматической ИС - создания ~Р0, обеспечивающих заданные значения технологических параметров (температурный режшЛ, соотношение компонентов, сила натяжения АМ и др.) и показатели качества формования (отсутствие в композите воздушных включений, морщин и гофр АМ) при укладке АМ вдоль гладкой траектории на гладкую поверхность.

В основу построения ИС положены Принципы, определяющие методологию построения всех ее элементов и подсистем: формгфовать и использовать несвязанную однонаправленную ленту АМ, обеспечивающую требуемые значения «посадки» и производительности; иметь минимальное или программно управляемое натяжение АМ в зоне укладки ленты; программно управлять технологическими параметрами процесса формования; программно управлять процессом укладки «детали» вдоль заданной траектории армиропания.

Определены два вида взаимодействия инструментов и материалов, обеспечивающих в совокупности высокое качество формования конструкции: формование кгг/позита кон.-

струкции с помощью элемента типа «шпатель», пропитанной несвязанной однонаправленной «мокрой» ленты и поверхности выкладки (ПВ); формирование несвязанной ленты АМ с помощью пропиточно-натяжного тракта, оборудованного активными или невращающимися проводниками, обеспечивающего соответственно программируемые или минимальные силы натяжения компонентов ленты в зоне укладки. Эти взаимодействия и отмеченные принципы положены е основу синтеза способов и устройств ИС автоматического формования.

Показано, что для формирования несвязанной ленты недостаточно выбрать несвязанный исходный АМ. Необходимо еще построить проппточно-натяжной тракт в виде совокупности технологически сопряженных элементов так, чтобы обеспечить независимое поступление компонентов ленты АМ з зону укладки. Для этого разработаны и использованы специальные элементы и подсистемы тракта: накопители АМ и СМ, подсистемы пропитки АМ, подсистемы управления натяжением компонентов ленты в зоне укладки, датчики натяжения. Автоматическое формирование начал и концов «деталей»'^обеспечено применением резака и прижима ленты. Прижим использован также при выкладке АМ вдоль траекторий с большой геодезической и отрицательной нормальной кривизной. Установлено, что в реальных ИС не удается полностью исключить силы натяжения АМ в зоне укладки (для укладки лент на ФП по негеодезической или короткой геодезической траектории при отсутствии сил сцепления лены с ФП). Поэтому в них существуют ограничения на максимум модуля геодезической кривизны траекторий выкладки, реализуемой с высокой производительность» без использования прижима. Они учтены при моделировании процесса формообразования.

Определены две базовые структу-ры построения ИС автоматического формования, отличающиеся средствами формирования несвязанной ленты и компоновкой !рис.1 и 2). Первая структура используется при компоновках манипуля-ционной системы с подвижной ФП. Она обеспечивает формообразование укладкой АМ с программируемой силой натяжения, т.е. поддерживает технологии намотки и ныкладки. Вторая применяется при компоновках манипуляпионной с.ис-

темы с неподвижней ФГ1. В ней тракт конструктивно объединен в сменный блок (СБ), который автоматически заменяется в РО при выработке материалов.

—|Система управления 0601 ревом;

Числопое программное управление Г...УИ

Функциональное] Дискретное ! Ко|пурное 1-----4 Манипуляционная система]

I ;Тракт___

I ¡Активные! ¡смоточные

¡устройства|

' ' ' • • '

-г-1 .11 !

Активные [ р Устройство обогрева! проводникиУстройство тракга ! | пропитки ]

'Система дотирования]

ФП

■ 1 I

и П _______!___РО___1 ) ] Оскала

¡_|| Устройство обогрева' ; ¡Шпатель, прижим,резак _ ^ ! Датчики на пжешш ¡1

Система управления | | натяжением АМ |

Рис.1. Структура ИС формования с управляемыми силами натяжения АМ и подвижными трактом, РО и оснасткой.

Числовое программное управление УН

Функциональное [Дискретное [Контурное |—[Манипуляционная система]

РО

.. ■ - : ~ Система обогрева} {Система дозирования п 1------------------------1

СБ

[Бсзнперпиоииый! | | [Устройство обогрева' I накопитель и^ Устройство пропитки ■ЛМ I !. и Накопитель СМ и насос!

Н Система замены СБ

--] ¡Устройствообогрева) I

;|Шпагель, прижим,¡_ [ резак !

ПН ФП

I

I

Снаряженные СБ ^ | Магазин СБ р Использопаш!ые СБ

Рис.2. Структура ИС с неуправляемыми силами натяжения АМ и неподвижной оснасткой.

В_четвертой главе предложена автоматизированная

технология моделирования и технологического проектирования процесса формообразования в среде открытых конструкторских САПР.

,Формообразование конструкции представлено процессом

14 •

сборки. Его особенности заключаются в изготовлении «деталей» конструкции во время ее сборки а также, в независимости формы поверхности конструкции от порядка сборки (при плотной упаковке «деталей»). Установлено, что ИС формообразования следует строить на базе манипу-ляционной системы с программным управлением движением РО и технологическими параметрами процесса формования. Функциональные возможности современных УЧПУ достаточны для их использования в качестве устройств управления манипуляционной системой формообразования.

Показана необходимость построения модели процесса формообразования для определения внутренней структуры конструкции, геометрической формы ее «деталей» и их расположения внутри конструкции, очередности сборки и синтеза УП. Геометрическая модель конструкции представлена телом, ограниченным наружной и внутренними поверхностями и заполненным .прилегающими друг к другу «деталями». Установлено, что необходимой и достаточной информацией, описывающей «деталь», является информация о ПВ и принадлежащей ПВ средней линии, вдоль которой ориентирована арматура и относительно которой сформированы края «детали». В описании модели «детали» использована характерная линия (траектория выкладки) , что обусловлено необходимостью задания перемещения РО ИС в пространстве вдоль расчетной траектории.

Показано, что существующие методы представления результатов конструкторского проектирования непригодны для задания ИСА. Необходим общий метод задания ИСА, который должен позволять конструктору полностью описать свои требования в виде необходимой и достаточной информации для моделирования процесса формообразования в технологической системе. В то же время он должен оставлять технологической системе некоторую свободу моделирования процесса формообразования, что позволяет строить разные модели и проекты процесса формообразования для одной и той же ИСА. Предложен удовлетворяющий сформулированным требованиям метод задания ИСА, который позволил синтезировать и оптимизировать процессы формообразования, адаптироваться к ограничениям ИС. Содержа-

щаяся в ИСА информация представлена требованиями, описывающими фиксированные значения переменных схемы армирования, относящейся к наиболее ответственным местам конструкции, и параметры, имеющие заданный диапазон изменения :

1.Задана формообразующая поверхность.

2.На ФП определено конечное множество М1 точек. В каждой точке множества М1 заданы направления ориентации (армирования) АМ и количество арматуры (толщина) для каждого направления (рис.3).

3.На ФП' определено конечное множество М2 точек. В каждой точке множества М2 заданы диапазоны и.чм ейения направления армирования и толщины.

4. На ФП с помощью замкнутых линий заданы границы областей, внутри которых определены ограничения по толщине и/или направлению армирования.

5.Определена внешняя поверхность конструкции.

В конкретном варианте задания ИСА могут присутствовать все указанные требования или их часть. Они выступают как независимые одно от другого или как дополняющие друг друга части задания на реализацию.

Показано, что при заданной ИСА на модель процесса формообразования и структуру пространственного армирования конструкции можно воздействовать двумя способами: изменять траектории или очередность выкладки «деталей» конструкции.

Задача моделирования процесса формообразования поставлена как задача последовательного синтеза траекторий армирования (на основе заданной ИСА) и синтеза «деталей» конструкции (в соответствии с полученными траекториями и заданной внешней поверхностью конструк-

-г V - „

^ Точки мноаепьа ч\; •'>' Пслч-ц

„Ч^ М1иотреии ильной

армировали» па " -л ширины На

ФП

Рис.3. Фрагменты ИСА и ДСА

ции) . В ней выделены две составляющие: синтез траекторий армирования (детализированной схемы армирования -ДСА) и синтез «деталей». Задача синтеза ДСА для вариантов задания ИСА с нежесткими ограничениями сведена к задаче с жесткими ограничениями. Последняя решена как задача поиска на ФП гладких траекторий и уложенных на них тонких полос постоянной ширины, проходящих через точки из множества М1 и имеющих в них заданные каса-тельныа. Дополнительно требуется ввести ограничение на максимальное значение модуля геодезической кривизны траекторий, определяемое возможностями ИС. Общее количество полос, проходящих через точку, определяется суммой количеств полос, заданных для каждого из направлений армирования в ней (см. рис.З). Поведение траекторий в окрестности точек множества М1 определяется заданными векторами армирования ИСА. Нормальные проекции их концов на ФП являются базовыми точками, принадлежащими траектории армирования. Синтез траектории заключается в выборе точек из множества М1, соответствующих им базовых точек и проведении через них гладкой линии, принадлежащей ФП, имеющих максимум модуля геодезической кривизны не больше заданного.

Предложен метод поиска точек траектории ДСА на ФП в секторе-фильтре (рис.4) вблизи геодезической линии, зыпущенной гладко из начального участка

предполагаемой траектории. Границы сектора, (стороны криволинейного равнобедренного треугольника с вершиной в конечной точке текущей траектории) заданы предварительно или изменяются в процессе поиска как функции, зависящие от допустимой геодезической кривизны синтезируемой траектс-

/ Ир--шя конца ! Границы сектора \ , картельной / \

Точки из \

1 множествам1./ -\| \

г ;

\ " „ -»-Х-х Геодезическая,1

I > /

\ '■ ' . Пре1е»денты на /

' - . включение в /'

фрагмент ФП

■ Траекторию

Рис.4. Синтез траектории ДСА на ФП.

рии. Применение: метода уменьшило количество наборов точек, претендующих на включение в траекторию, ускорило построение, анализ и отбор траекторий-претендентов.

Показано, что искомые траектории ДСА проходят через все точки множества М1. В качестве стартовой точки траектории можно выбирать любую точку из М1 ДСА. В зависимости от того, какая точка ИСА и направление в ней выбраны в качестве стартовых, в траекторию включаются различные точки из М1, траектория имеет различную длину и кривизну. Результатом синтеза ДСА является совокупность траекторий армирования и полос, покрывающих ИСА. На него влияет не только набор самих стартовых точек, но и очередность их выбора в процессе синтеза ДСА. ДСА гарантирует в точках из М1 ИСА наличие заданного количества полос материала, уложенных в заданных направлениях. Из синтезированных вариантов для реализации выбирается ДСА, рбеспечивающая максимальную производительность .

Параметры «деталей» конструкции вычислены в результате обрезки геометрической модели внешней поверхностью конструкции. Последовательность выкладки полос обеспечивает положение подлежащих обрезке полос, ближайшее к наружной поверхности конструкции (рис.5).

Выявлены ограничения ИС, влияющие на последовательность выкладки «деталей». К ним относятся: "V; ■. ,

1 .Возможность формова- X., ■ ния. Нельзя начинать формо- "" ■»„ Л

вание «детали» на ПВ, если

форма ПВ, форма прижима и ' '

его ориентация не позволяют прижать к ПВ все компоненты АМ «детали». В этом случае часть волокон АМ «детали» скользит по ФП. Аналогичная

ситуация выяЕлона при выкладке полосы по траекториям с большой геодезической кривизной, где необходимо использовать прижим;

Рис.5.

«Детали» конструкции

2.Время «жизни» СМ, обусловленное возникновением и медленным протеканием неуправляемых на стадии формообразования процессов полимеризации. Сформированная очередность должна обеспечить выкладку «деталей» на ту поверхность уже выложенного композита конструкции, на которую далее должна производиться выкладка и за время, не превышающее время «жизни» СМ. В противном случае в полимерной матрице появляются границы раздела, что ведет к снижению качества композита.

Первое ограничение имеет больший приоритет, так как-его нарушение делает выкладку невозможной, а нарушение второго ведет к снижению качества композита.

Задача формирования очередности выкладки лент АМ решена динамически (при моделировании процесса формообразования конструкции). Количественной оценкой возможности начала формования ленты и участков с модулем геодезической кривизны больше допустимого (для высокопроизводительного формования) служит максимальная величина зазора между прижимным элементом и ПВ. Вариантов реализуемых очередностей может быть несколько. Критерием отбора варианта рабочей очереди является производительность .

Задача планирования очередности выкладки «деталей» решена с учетом времени формования: ПВ покрыта сетью точек контроля времени последней выкладки; если время, прошедшее с момента последней выкладки в точке контроля, приближается к предельному, то на нее выкладывается «деталь»; если претендующих на выкладку «деталей» несколько, то из них выбирается та, которая проходит через такие точки ПВ, где интервалы времени, прошедшие с момента последних выкладок, близки к критическим. Формирование очередности «деталей» выкладки производится в дна этапа: предварительно выбирается полоса по критерию времени «жизни», затем подтверждается правильность ее выбора проверкой возможности формования.

Показано, что ограничение по времени «жизни» можно соблюсти даже при большой площади поверхности конструкции, большой массе композита и низкой производительности ИС - при выкладке «детали» не на всю площадь ПВ, а

лишь на ее часть. Это имеет место, если из всех «деталей» проекта конструкции можно выделить , ту их часть, которая полностью образует конструкцию на достаточно малой площади ФП.

Установлено, что функции CAD/CAM/CAE систем, как сред моделирования процессов формообразования, должны быть расширены специальными макросредствами моделирования процесса формообразования. Для автоматизации работы технологической системы рассматриваемые среды должны иметь развитые языковые средства доступа ко всем элементам базы данных модели и их синтезу, вычислять дифференциальные и интегральные оценки. Предложенная методика геометрического моделирования процесса формообразования предполагает многократное использование автоматизированных процедур CAD систем (см. табл.).

В пятой главе сформулированы задачи и обоснована структура системы управления процессом автоматизированного формообразования, рассмотрены вопросы организации инновационного и серийного производства конструкций.

К крупным задачам процесса изготовления конструкций из ВКМ отнесены: измерение и идентификация поверхностей; ремонт оснастки, нанесение разделительного слоя; формообразование; полимеризация; нанесение герметизирующих и отделочных покрытий; механообработка; разметка и ремонт конструкции. Их реализация разнесена во времени и представлена стадиями изготовления. Задачи измерения и идентификации поверхностей, механообработки и разметки типичны для CAD/CAM/CAE систем механообработки. Остальные задачи свойственны рассматриваемой технологии .

Наличие автоматической манипуляционной системы с широкими функциональными возможностями позволило использовать на стадии формообразования анизотропных конструкций из ВКМ методы координатных измерений. Установлено, что в процедурах обработки данных измерений следует использовать экстремальные методы идентификации сложных поверхностей, а на всех стадиях изготовления конструкции в качестве систем идентификации поверхностей следует применять технологии идентификации, реали-

зованные в САО/САМ/САЕ системах и адаптированные к ма-

нипуляционной системе формообразования.

Э1апы, методы и средства технологии моделирования и проектирования про-

Этапы Методы Средства САП систем

Построение «ИСА Задание ИСА: информацией об ИСА в конечных множестве точек, направлениями армирования в них и количеством АМ; границами области, диапазоном направлений армирования и толщины; совмещенный. Построение поверхностей н касательных векторов к ним. Проецирование кривых на поверхность.

Сншез траекторий армирования ДСА Моделирование траектории армирования: выбор старнжой точки траектории; построение сектора фильтра; отбор точек ИСА, включаемых в траекторию; построение и оценка траекторий. Оценка ДСА. Оценка юлщины конструкции по ДСА. Построение геодезических линий. Поиск примитивов на фрагменте поверхности. Построение интерполирующих кривых на поверхности. Вычисление геодезической кривизны кривой.

Формирование очереди вы кладки «деталей», моделирование внутренней структуры и синтез «деталей» конструкции Определение возможности формования, критической точки на ПВ по условию времени «жизни» СМ. Получение качественного композита конструкции при низкой производительности ИС. Моделирование траектории выкладки. Моделирование полосы на ИВ. Формирование очередности выкладки полос. Расчет парамет ров . «деталей». Вычисление нормальной кривизны кривой, расстояния между поверхностями, длин кривых. Проецирование кривых по нормали к исходной поверхности. Построение офсетных кривых. на поверхности, поверхностей но направляющим и ограничивающим кривым. Обрезка поверхностью.

11одготовка данных для УП Аппроксимация траекторий вы кладки кривыми, используемыми УЧ11У. Определение информации об ориентации РО в опорных точках аппроксимирующих траекторий. Аппроксимация кривой кривыми заданного типа. Вычисление углов ориентации объектов в пространстве. Симуляция движения и обнаружение коллизий

Выявлено, что живучесть системы,, формообразования при ограниченном времени «жизни» СМ в условиях возможных отказов ИС может обеспечиваться двумя способами резервирования манипуляциснной системы: вводом резервного РО в работу вместо отказавшего; использованием всех исправных РО, суммарная производительность которых выше

требуемой минимальной производительности, а при отказе равна минимальной. Изготовление высококачественной конструкции при применении СМ с малым временем «жизни» в условиях возможных отказов связано с построением высокопроизводительной живучей ИС, обеспечивающей минимальную требуемую производительность при отказах части ИС. Использование всего ресурса ИС для получения максимальной производительности системы формообразования приводит к необходимости построения высокопроизводительной (участвующей в управлении) подсистемы технологического проектирования и передачи управляющей информации всем исполнительным подсистемам

Конструкции классифипированы по их технологической сложности. Класс сложности оценен длиной упорядоченного набора необходимых функций всей системы, из которых выделены функции CAD, САМ и ИС (рис.6). Такая классификация позволила определить требуемые функциональные возможности системы формообразования.

Показано, что последовательнее стадии изготовления конструкции могут быть реализованы в одном универсальном или в нескольких специализированных ГПМ. При единичном производстве, производстве крупногабаритные конструкций, целесообразно полностью использовать возможности системы формообразования для производства готовых конструкций. В этом случае система изготовления конструкций представляет собой ГПМ, реализующий несколько технологий. Производство серийных конструкций организуется в структуре производственного участка с использованием специализированных ГМП на каждой из стадий изготовления. Функциональные возможности специализированных ГПМ формообразования определяются классом технологической сложности серийных конструкций.

Выявлено, что технологические процессы всех стадий изготовления конструкции из О КМ с точки зрения управления не отличаются от таковых для стадии формообразования. Структурные и функциональные возможности системы формообразования обеспечивают все стадии изготовления конструкций. Конструктивное исполнение манипуляционнои системы ГПМ должно учитывать требуемые силовые, скоро-

стные и точностные характеристики реализуемых технологий .

Технологическая сложность

1. Плоская послойная оыоадка

2. Послойная выкладка на. ФГТ со знакопостоянной гауссовой кривизной

3. Послойная ныкладка на ФП со знакопеременной гауссовой кривизной

4. Послойная выкладка конструкций с внутренними аномалиями

5. Выкладка с прострап-ственным

армированием

Функциональные возможности

м с:

____САР

Каркасное моделирование. Измерение и идентификация. Средства анализа конструкций

Поверхностное моделирование

Обрезка поверхностей и каркасов

Поверхностное

и/или твердотельное моделирование

САМ___

Плоская

обработка.

Анализ

геодезической

кривизны

ЗГ> обработка. Анализ поверхностей Построение геодезических. Проверка коллизий

Анализ нормальной кривиз) I ы траектории

Моделирование внутренней структуры. Проектирование "деталей" н формирование очереди

Сечение конструкции

3 оси/1 РО. Тракты с минимальным натяжением.

Функциональное упра вление

6 осей/1РО. Тракты с минимальным или программно управляемым натяжением

Формирование кромок "детали"

6 и Ьолее осей/1 РО

Рис.6. Сложность анизотропных конструкций из ВКМ.

Показано, что система управления ГПМ должна строиться с использованием средств системной интеграции подсистем контурного и логического управления ИС (рис.7) с системой технологического проектирования. Совокупность задач системы управления сведена к задачам диспетчеризации, мониторинга процессов формообразования и обеспечения живучести при отказах в ИС, идентификации РО, СБ и инструментов, а также к терминальной задаче, иадаче ведения «портретов» технологических процессов и оборудования, системной задаче.

Установлено, что система планирования, учета и оперативного управления серийного производства, объединяющая подсистемы управления всеми стадиями, может строится аналогично системе для ГАУ механообработки. Выявлены аналогии стадий формообразования конструкций из ВКМ и

механообработки корпусных конструкций, сформулированы планово-учетные понятия стадии формообразования:, • производственный заказ - сборка конструкции из полной совокупности ее «деталей», для которой задан директивный срок; заказ стадии формообразования является внутренней планово-учетной единицей системы изготовления конструкций;

Рис.7. Структура системы управления ИС.

• работа - соответствует совокупности операций на полном технологическом маршруте СБ; в результате выполнения работы в конструкцию добавляется планируемая совокупность «деталей», а материал накопителей полностью расходуется (при безаварийном завершении);

• операция - соответствует элементарной фазе обработки материала па технологическом маршруте; все операции при формообразовании выполняются персоналом над АМ, СМ, СБ и накопителями на участках обслуживания и при движении по маршруту в процессе формообразования;

• «деталь» - результат процесса формования материала на ПВ вдоль полной траектории выкладки; «деталь» является плановой и учетной единицей.

Определены операции стадии формообразования на технологическом маршруте СБ и их ограничения. Введенные планово-учетные понятия, сущности и отношения между ними (рис.8) являются организационно-технологической базой подготовки дискретного производства.

Структура данных модели продукта на стадии формообразования

[ Описание поверхностей |

и схем армирования Параметры УП

зарядки накопителя АМ

г~(>1 11 заряд] тт/^А ___

Зака3 ,,

Модель ИСА Соста^шие^Ш

Л III Накопитель СМ

Модель вттугренней $ $ \

структуры конструкции „акоп^тсль АМ* 'м * \

# ф лп п v- чд

Запасы АМ и СМ 11 О^ Портрет конструкции \ \ I Модель "деталей" Очередь выкладки ----

_________ <У £ ' Ч

Т| Т1 \ // I

^ Программа УЧПУ План замены СБ ^ у / ^

Структура данных ---- ---------» О / /

"...............~...........4-?- //-/, п

Технологически режим и машинные константы

процесса ¡¡юрмообразования^..

i /'

/ План работы транспорта Операции —)—О (У / I I V"» / II ПГ1

/ О ¿' ?„ Портрет ресурса

,, , .. "Детали"' ,

■ Шанраоош персонала План состоит буферов---------1----^—^ ^

I Д> ¿> ^^ °ТКа3 РесУРса

I ' Т| Тп1 Незавершенные "детали" |

: План работы стендов Работа Незавершенная работа]

Рис.8. Отношения сущностей стадии формообразования.

Основные результаты

В диссертации предложены и развиты концептуальные, методические и математические положения, изложены практические результаты, в совокупности составляющие теоретические и практические основы автоматизированной технологии формообразования анизотропных конструкций из 15КМ,

1.Введенные классификации технологий формообразования и анизотропных конструкций из ВКМ позволили установить возможности технологий и границы их применимости для формообразования конструкций различных классов технологической сложности. Они позволяют определить класс технологической сложности конструкций производственного 'заказа, требуемые для его выполнения технологии и характеристики ГПМ формообразования.

2.Преждвженный новый метод формования композита и формообразования конструкций универсален, обеспечивает все возможности существующих методов, решает проблемы высококачественного формования композита, безотходного формообразования и пространственного армирования конструкций по системе двух нитей. Ограничения конкретных реализаций метода определяются применяемыми средствами - исходными материалами, инструментами и их взаимодействиями. Метод заключается в формировании лент из жесткого волокнистого АМ конечной длины с вычисленными для конкретного проекта конструкции требуемыми геометрическими параметрами и свойствами «обтекания» поверхности, а также их укладки на определенные в проекте поверхности и траектории.

3.Предложенные принципы построения всех элементов и подсистем ИС автоматического формования согласуют возможности нового метода и требуемые для его реализации возможности ИС. Они направлены на уменьшение вносимых ИС ограничений, обеспечение условий выполнения компонентов заданного вектора управления процессами формования и формообразования, определяют базовые компоновки ИС и их основные подсистемы. При реализации предложенных принципов для формирования укладываемой ленты нельзя использовать элементы ИС существующих технологий .

4.Предложенная технологии моделирования процессов формообразования в среде открытой конструкторской САПР является базой для построения системы технологического проектирования и генерации управляющих программ. Она использует новые методы:

• преобразования результата конструкторского проектирования в ИСА конструкции, обеспечивающую многовариантное проектирование траекторий армирования, «деталей» и геометрической модели конструкции;

• синтеза траекторий армирования конструкции по заданной ИСА с учетом совокупного действия ограничений ИС, выраженного в ограничении максимума модуля их геодезической кривизны;

• синтеза «деталей» конструкции и формирования очередности их укладки с учетом времени «жизни» СМ на ПВ и результата геометрической оценки возможности формования каждой очередной «детали».

5.Сопровождающие стадию формообразования вспомогательные технологии реализованы в системе формообразования как подсистемы. Живучесть системы обеспечена резервированием подсистем ИС, отказ (восстановление) ресурса которых приводит к остановке (возобновлению) процесса формообразования или снижению (восстановлению) ее производительности с включением в контур управления процессом формообразования системы технологического проектирования.

6.Основу организационно-технологической базы подготовки производства конструкций стадии формообразования составляют геометрические модели идентифицированных ФП и поверхностей конструкции, синтезированных ИСА, модели процессов формообразования, планово-учетные понятия, сущности и отношения модели данных процесса.формообразования .

7.В результате выполненных исследований решена крупная научно-техническая проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение, заключающаяся в создании перспективной высокоэффективной автоматизированной технологии формообразования анизотропных армированных конструкций из ВКМ.

8.Результаты работы следует использовать при: синтезе общей концепции создания оптимальных конструкций; аппаратной и программной реализации автоматизированных технологий формообразования конструкций, используемых

в авиации, космонавтике, судостроении, транспорте и машиностроении.

Основные публикации по теме диссертации:

1.Исупов А.И., Прокофьев Г.И. Компенсатор с невращающи-мися проводниками в системе регулирования натяжением //Изв. ЛЭТИ.-1976.-Вып. 210. -С. 23-30.

2.Динамика смоточного устройства в системе автоматического управления натяжением/ Новиков Б.М., Поль А.Ю., Прокофьев Г.И., Харченко В.П.//Изв. ЛЭТИ. -1976. -Вып. 189. -С. 93-100.

3.Новиков Б.М., Прокофьев Г.И. Исследование работы компенсатора в системе регулирования натяжения материала //Изв. ЛЭТИ. -1978. -Вып. 239. -С.86-92.

4.А.С. N617343 (СССР). МКИ В 65 Н 49/18 Устройство для размотки нитевидного материала со шпули. /Новиков Б.М., Поль А.Ю., Прокофьев Г.И., Харченко В.П. -»2433134/28-12; Заявлено 22.12.76. Опубл. 30.07.78, Бюл. №28.

5.А.С. N632630 (СССР). МКИ В 65 Н 23/22 Способ стабилизации натяжения волокнистого материала при его перемотке и устройство для его осуществления /Исупов А.И., Новиков Б.М., Прокофьев Г.И., Харченко В.П. -№2433134/28-12; Заявлено 22.12.76. Опубл. 35.11.78, Бюл. №42.

6.Прокофьев Г.И. Исследование работы компенсатора как регулятора натяжения материала. //Изв. вузов. Сер. Технология текстильной пром-сти. -1978. -N6. -С. 125129.

7.Система регулирования натяжения в крупногабаритных намоточных станках /Исупов А.И., Новиков Б.М., Прокофьев Г. И., Пшеницын В. К., Харченко В. П. //Изв'. вузов. Сер. Электромеханика. -1979. -№1. -С. 88.

5.A.C. N777500 (СССР). МКИ G OIL 5/10 Устройство для измерения натяжения ленты /Исупов А.И., Новиков Б.1-1., Прокофьев Г.И., Пшеницын В.К., Харченко В.П., Мартюко-ва A.A. -К'2710655/18-10; Заявлено ±1.01.79. Опубл. 07.11.80, Бюл. №41.

9.Исупов А.И., Новиков Б.М., Прокофьев Г.И. Некоторые особенности построения систем регулирования натяжения материала в станках с многоместным шпулярником //Изв. ЛЭТИ. -1980. -Вып. 268". -С. 77-81.

10.Система комплексной автоматизации процесса управления натяжением стекловолокнистых материалов для намоточных станков /Новиков Б.М., Мядзель В.Н., Прокофьев Г.И., Пшеницын В.К, Рассудов JI.H. //Автоматизация производства. Сб. ст. -Л.:-ЛГУ, 1981. -Вып. 5. -С. 26-37.

11.Метод определения требуемых динамических и энергетических характеристик САУ раскладочной головки намоточного станка /Новиков Б.М., Мамаев С.Г., Исупов А.И., Прокофьев Г.И. //Изв. ЛЭТИ. -1981. -Вып. 292. -С. 7883. '

12.Исупов А.И., Новиков Б.М., Прокофьев Г.И. Цифроана-логовая система управления намоточного станка. //Изв. ЛЭТИ. -1982. -Вып. 311. -С. 52-56.

13.А.С. N896694 (СССР). МКИ Н 01 F 41/02, В 65 М 17/00 Лентопротяжный тракт намоточного станка /Артамонова И.Е., Исупов А.И., Новиков Б.М., Прокофьев Г.И., Хар-ченко В.П. -№2596247/24-07; Заявлено 29.03.78. Опубл. 07.01.82, Бюл. №1.

14.Вопросы расширения диапазона регулирования натяжения перерабатываемого материала в намоточных станках/ Исупов А.И., Новиков Б.М., Прокофьев Г.И. Пшеницын В.К. //Изв. ЛЭТИ. -1983. -Вып. 331. -С. 84-89.

15.Прокофьев Г.И., Пшеницын В.К., Рассудов Л.Н. Анализ процессов изменения натяжения волокнистого материала в трактах протяжки с невращающимися Проводниками. //Изв. вузов. Сер. Технология текстильной пром-сти. -1984. -№6. -С. 103-107.

16.А.С. N1085918 (СССР). МКИ В 65 Н 25/22 Устройство для регулирования натяжения ленточного материала /Прокофьев Г.И., Исупов А.И., Новиков Б.М., Пшеницын В.К., Кадесников A.B. №3461249/28-12; Заявлено 02.07.82. Опубл. 05.04.84, Бюл. №14.

17.А.С. N1087788 (СССР). МКИ G 01 L 5/10 Устройство для измерения натяжения гибких движущихся материалов /Прокофьев Г.И., Исупов А.И., Кадесников A.B., Харчен-

I i

ко В.П. A.B. №3547395/18-10; Заявлено 28.U1.83. Опубл. 23.04.84, Бюл. №15.

18.Кадесников A.B., Прокофьев Г.И. Опыт построения систем натяжения перерабатываемого материала в крупногабаритных намоточных станках //Механика композитных материалов. -1985. -№4. -С. 741-743.

19.Кадесников A.B., Прокофьев Г.И., Соколов Г.А. Алгоритмы работы робота при изготовлении крупногабаритных оболочек. //Изв. ЛЭТИ. -1985. -Вып. 354. -С. 44-50.

20.Кадесников A.B., Мамаев С.Г., Прокофьев Г.И. Оценка возможности укладки ткани при изготовлении конструкций из композиционных материалов. //Механика композитных материалов. -1985. -№5. -С. 924-927

21.А.С. N1201211 (СССР). МКИ В 65 Н 81/04 Устройство для изготовления оболочек из композитного материала методом намотки /Прокофьев Г.И., Исупов А.И., Кадесников A.B., Поль В.П. A.B. №3716562/28-12; Заявлено 16.01.84. Опубл. 30.12.85, Бюл. №48.

22.Сборочный робот в ГПМ для формования незамкнутых оболочек/ Прокофьев Г.И., Кадесников A.B., Горчаков А.К., Исупов А.И. //Опыт автоматизации исследования и проектирования эл. мех. систем в условиях ГАП в свете реализации программы «Интенсификация 90». -JI.: ЛДНТП, 1985. -С. 59-63.

23.Прокофьев Г.И., Кадесников A.B., Горчаков А.К. Автоматизированная выкладка оболочек с поверхностью двойной кривизны //Авиационная пром-сть. -1986. -№12. -С. 3-5.

24.Кадесников A.B., Прокофьев Г.И. Предпроектная оптимизация траекторий движения рабочего органа манипулятора при производстве крупногабаритных незамкнутых оболочек //Системы автоматизации пром. комплексов: Межвуз. сб. -Л.: ЛГУ, 1986. -Вып. 6. -С. 78-83.

25.А.С. N1220252 СССР). МКИ В 29 С 63/40 // В 29 L 9:00 Устройство для выкладки ленточного материала/ Прокофьев Г.И., Кадесников A.B., Поль А.Ю. №3730285/23-05; Заявлено 11.04.84.

26.А.С. N1228949 (СССР). МКИ В 21 D 43/00, В 65 Н 17/34 Устройство для формирования передней кромки материала,

составленного из отдельных полос /Горчаков А.К., Ису-пов А.И., Кадесников A.B., Прокофьев Г.И. №3811461/2527; Заявлено 10.11.84. A.B. Опубл. 07.05.86, Бюл. №17.

27.Гибкий производственный модуль для формования незамкнутых крупногабаритных оболочек/ Прокофьев Г.И., Кадесников A.B., Горчаков А.К., Исупов А.И. //Многомерные зл. мех. системы. -JI.: СЗПИ, 1986. -С. 66-71.

28.А.С. N1288149 (СССР). МКИ В 65 Н 81/04 Устройство для изготовления оболочек из композитных материалов методом намотки /Прокофьев Г.И., Горчаков А.К., Исупов А.И., Кадесников A.B. №3895131/28-12? Заявлено 17.05.85. Опубл. 07.02.87, Бюл. №5.

29.А.С. N1299931 (СССР). МКИ В 65 Н 81/04 Устройство для изготовления оболочек из композитного материала методом намотки /Прокофьев Г.И., Горчаков А.К., Кадесников A.B., Исупов А.И. №3938683/31-12; Заявлено 29.07.85. Опубл. 30.03.85, Бюл. №12.

30.Кадесников A.B., Прокофьев Г.И., Горчаков А.К. Программная часть САПР оболочек вращения из композитных материалов: Инф. сб. П028. JI.: СОФАП, ЛНПО «Ритм», 1987.

31.Горчаков А.К., Кадесников A.B., Прокофьев Г.И. Соколов Г.А. Программно-информационное обеспечение гибкого производственного модуля для формования незамкнутых оболочек //Изв. ЛЭТИ. -1987. -Вып. 384. -С. 31-38.

32.А.С. N1322616 (СССР). МКИ В29 С 63/40 // В 29 L 9:00 Устройство для выкладки ленточного материала. /Прокофьев Г.И., Горчаков А.К., Исупов А.И., Кадесников A.B. №3920654/23-05; Заявлено 11.07.85.

33.Горчаков А.К., Кадесников A.B., Прокофьев Г.И. Автоматизированное формообразование крупногабаритных незамкнутых оболочек вращения двойной кривизны /Ленингр. электротехн. ин-т. -Л., 1988. -5с.-Деп. в ЦНИИИ ТЭИ. №2845/2040.

34.А.С. N1392751 (СССР). МКИ В29 С 41/32, 63/24// //В 29 К 3 05:08, В 29 L 9:00 Устройство для выкладки ленточного материала. /Прокофьев Г.И., Горчаков А.К.,

Исупов А.И., Кадесников A.B. 1988. №3958414/31-05; Заявлено 30.09.85.

35.Кадесников, Г.И. Прокофьев, А.К. Горчаков. Организация управления манипулятором сборочного робота с несколькими рабочими органами //Изв. ЛЭТИ. -1988. -Вып. 404. -С. 30-35.

36.Кадесников A.B., Прокофьев Г.И. Влияние ширины армирующего материала на структуру армирования оболочек. //Механика композиционных материалов. -1989. -№6. -С. 1119-1121.

37.Прокофьев Г.И. Адаптация микропроцессорных УЧПУ к объекту управления: Учеб. пособие. -Л.: ЛЭТИ, 1989. -79с.

38.Осипов В.О., Прокофьев Г.И. Требования к точности изготовления оправки при формовании оболочек. //Изв. ЛЭТИ, 1989. -Вып. 416. -С. 31-35.

39.Прокофьев Г.И., Горчаков А.К., Кадесников A.B., Осипов В.О. Идентификация исполнительной системы ГПМ, сборки незамкнутых оболочек //Изв. ЛЭТИ. -1990. -Вып. 431 -С. 73-77.

Ю.Траекторные особенности процесса управления роботом для контурного формообразования /Горчаков А.К., Кадесников A.B., Осипов В.О., Прокофьев Г.И. //Расчет и исследование динамических показателей элементов и систем автоматизированного электропривода: Сб. науч. тр. Хабаровск: Хабар, политехи, ин-т, 1990. -С. 85-90.

11.Системы программного управления промышленными установками и робототехническими комплексами: Учебное пособие для вузов/ Б.Г. Коровин, Г.И. Прокофьев, Л.В. Рассудов. -Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. -352 с.

12.А.С. N1726348 (СССР). МКИ В 65 H 81/04 Устройство для намотки оболочек из композиционного материала /Прокофьев Г.И., Горчаков А.К., Исупов А.И., Кадесников №4794294/12; Заявлено 20.02.90. Опубл. 15.04.92, Бюл. №14.

З.Прокофьев Г.И., Осипов В.О., Горчаков А.К. Применение методов нелинейного оценивания параметров для

идентификации геометрических несовершенств оболочек //Изв. СПбГЭТУ. -1992. -Вып. 453.-С. 3-6.

44.Прокофьев Г.И. Автоматизация изготовления оболочек методом выкладки //Алгоритмическое, программное и техническое обеспечение гибких производственных систем: Межвуз. сб. -СПб.; СПбГУ, 1992. -С. 50-71.

45.Прокофьев, А.Ю. Омельченко, В.О. Осипов. Автоматизированное проектирование изделий и управляющих программ: Учеб. пособие./ -СПб.: ГЭТУ, 1994. -79 с.

46.Прокофьев Г.И., Осипов В.О., Исупов А.И. и др. Автоматизированное формообразование армированных конструк ций из композитов: Тез. докл. 1-й. междунар. (12 всероссийской) конфер. по автоматизированному электропри воду, г. С.-Петербург, 26-28 сентября 1995. -СПб.: СПбГЭТУ, 1995. -С. 76-77.

47.Прокофьев Г.И. Выкладка поверхностей сложной формы //Изв. ГЭТУ. -1996. -Вып. 492; -С. 29-33.

48.Прокофьев Г.И. Формообразование армированных конструкций из композитов: Тез. докл. науч.-техн. семинара «75 лет отечественной школы электропривода», г. С.Петербург, 24-26 марта 1997. -СПб.: СПбГЭТУ, 1997. -С 63.

49.Прокофьев Г.И. Автоматизированная технология формообразования оптимальных анизотропных армированных кон струкций из композитов: Тез. докл. школы по моделированию автоматизированных технологических процессов, г Новомосковск, 4-6 июня 1997.-М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 1997. -Т.З. -С. 17-18.

50.Прокофьев Г.И. Какая САПР нужна ВУЗу?: Тез. докл. . науч.-техн. семинара «75 лет отечественной школы элек трспривода», г. С.-Петербург, 24-26 марта 1997. -СПб. СПбГЭТУ, 1997. -С. 14.

51.Прокофьев Г.И. Автоматизированная технология формообразования армированных конструкций из композитов

//Автоматизация и современные технологии. -1998. -№2. -С. 17-26

/

Санкт-Петербургский государственный

электротехническим университет

На правах рукописи

Прокофьев Геннадий Иванович

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ АНИЗОТРОПНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ВОЛОКНИСТЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.13.07 -Автоматизация технологических

процессов и производств (в машиностроении)

Диссертация на соискание ученой степени

доктора технических наук

с

Санкт-Петербург 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И НАПРАВЛЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ........8

1.1 Конструкции будущего из волокнистых композитов......8

1.2 Технологии изготовления конструкций из ВКМ......... 17

1.3 Недостатки способов и методов формообразования конструкций с управляемой схемой армирования...........2 8

1.4 Проблемы создания перспективной автоматизированной технологии.............................................36

1. 5 Выводы.............................................4 3

2. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ВЫКЛАДКИ ЛЕНТ......................4 5

2.1 Математический аппарат.............................4 5

2.2 Деформация материала при укладке его на поверхность 49

2.3 Послойная выкладка с раскроем......................55

2.4 Послойная выкладка полос постоянной ширины.........60

2.5 Выкладка внахлест ФП вращения несвязанными лентами постоянной ширины......................................66

2.6 Новый метод формообразования.......................72

2.7 Выводы.............................................75

3. СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО ФОРМОВАНИЯ..................77

3.1 Способы формования.................................7 7

3.2 Формующий элемент..................................87

3.3 Пропиточно-натяжной тракт..........................91

3.3.1 Проводники и системы натяжения АМ ....... 94

3.3.2 Накопители АМ...........................98

3.3.3 Пропитка...............................101

3.3.4 Прижим и резак.........................107

3.4 Компоновки манипуляционных систем.................113

3.5 Система управления................................121

3 . 6 Выводы............................................124

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ФОРМООБРАЗОВАНИЯ.'.....................................127

4.1 Геометрическая модель армированной конструкции.... 127

4.2 Схемы армирования.................................131

4.3 Синтез траекторий по множеству Ml точек ИСА....... 141

4.4 Синтез траекторий по множеству М2 точек и областей ИСА...................................................151

4.5 Планирование очередности выкладки «деталей».......153

4.6 CAD/CAM: инструментальная среда технологического проектирования, этапы и процедуры процесса

формообразования......................................162

4.7 Макрофункции среды................................177

4.7.1 Анализ нормальной и геодезической кривизны траекторий .............................. 178

4.7.2 Геодезическая линия на поверхности ..... 17 9

4 . 8 Выводы............................................180

5. СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ.......182

5.1 Технологические процессы стадий изготовления конструкций...........................................182

5.2 Основные подсистемы ГПМ........................... 194

5.3 Исполнительная система формообразования...........201

5.4 Производство конструкций..........................211

5 . 5 Выводы............................................222

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................224

ЛИТЕРАТУРА............................................227

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.....................................244

ПРИЛОЖЕНИЕ............................................245

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Возможности изменения состава компонентов композита, выбора наилучшей геометрической формы и структуры армирования позволяют улучшать характеристики конструкции из волокнистых композиционных материалов (ВКМ). Высокая эффективность использования ВКМ достигается при одновременном создании собственно конструкционного материала и конструкции. Оптимальные конструкции из ВКМ стали рассматриваться как основные несущие нагрузки компоненты машин ближайшего будущего. Проблему проектирования оптимальных конструкций решает новое развивающееся направление механики деформируемого тела.

Уже сегодня в промышленности нельзя обойтись без конструкций из ВКМ. Их применение позволяет получить новое качество изделий и экономический эффект. Наибольшие успехи в производстве анизотропных конструкций высокого качества достигнуты с использованием технологии намотки на стадии формообразования. Класс изготавливаемых намоткой слоистых конструкций ограничен конструкциями, геометрическая форма и схема армирования которых определяется семействами непрерывных геодезических траекторий. Эти ограничения не позволяют применять технологию намотки для изготовления конструкций с произвольными формами и схемами армирования. При их производстве применяются универсальные технологии формообразования слоистых конструкций, характерные использованием человека в качестве исполнительной системы (ИС) в операциях укладки армирующего материала (АМ) на формообразующую поверхность (ФП) и его пропитки. Технологическое проектирование процессов послойного

формообразования проводится в подсистемах, интегрированных в конструкторские САПР. Стабильность характеристик, качество композита и производительность формообразования таких конструкций не высоки даже при использовании формовщиков высокой квалификации. Послойное формование конструкций с поверхностями ненулевой гауссовой кривизны сопровождается высоким процентом отходов материалов.

Начатые в 60-х годах исследования в направлении автоматизации технологических процессов,- используемых при ручном контактном формовании, привели к созданию автоматизированной технологии формования слоистых конструкций, характеризуемых близкими к нулю значениями гауссовой кривизны поверхностей и семействами прерывистых (коротких) траекторий армирования с близкими к нулю значениями геодезической кривизны.

Автоматизировать процессы формообразования для конструкций с поверхностями произвольной формы и произвольными траекториями армирования, а также подготовку сопутствующей им технологической информации еще не удавалось. Теоретическое обобщение решенных задач и поиск путей решения задач ближайшего будущего в области создания перспективных технологий формообразования конструкций из ВКМ является актуальной проблемой.

Целью диссертации является создание автоматизированной технологии безотходного качественного высокопроизводительного формообразования конструкций из ВКМ с гладкими поверхностями и траекториями армирования.

Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней предложена, развита и реализована новая концепция и

разработаны теоретические основы синтеза автоматизированной технологии формообразования анизотропных конструкций из ВКМ.

На защиту выносится совокупность научных результатов в области автоматизации технологических процессов и производств, позволивших создать перспективную автоматизированную технологию формообразования конструкции из ВКМ:

1. Классификации технологий формообразования и конструкций из ВКМ, отражающие их методологические платформы, аппаратурное оформление и ограничения, требуемую функциональную организованность технологий формообразования для конструкций заданного класса сложности.

2.Методы формования композита и безотходного высокопроизводительного формообразования конструкций, обеспечивающие изготовление конструкций путем укладки формируемых из жесткого АМ лент, требуемые деформационные свойства и геометрические параметры которых вычисляются исходя из заданных поверхностей и траекторий укладки.

3.Принципы построения ИС автоматического формования, определяющие необходимые и достаточные системные свойства и схемы базовых компоновок ИС.

4.Технология моделирования процесса формообразования конструкции, включающая методологическую платформу автоматизированного синтеза траекторий армирования, последовательности укладки полос АМ и геометрической модели собранной из «деталей» конструкции.

5.Организационно-технологическая база подготовки дискретного производства, включающая технологический образ конструкции, планово-учетные понятия, сущности и отно-

шения модели данных процесса формообразования»

Практическую значимость диссертации определяют полученные в ней выводы и рекомендации, составляющие научную базу конструкторского и технологического проектирования САБ/САЕ/САР/САМ-СЫС/СА£> систем формообразования изделий.

Содержание работы раскрывается в пяти главах.

В главе 1 обоснована актуальность проведенных исследований, сформулирована проблема создания перспективных технологий формообразования анизотропных конструкций из ВКМ.

В главе 2 исследован процесс деформации ленточного материала при его укладке на ФП. Дан анализ послойной выкладки лент на ФП вращения с ненулевой гауссовой кривизной. Предложен новый метод безотходного автоматизированного формообразования.

В главе 3 проведен анализ способов формования конструкций из ВКМ, сформулированы принципы построения автоматической ИС, реализующей предложенный метод формообразования. Определены схемы базовых компоновок ИС.

В главе 4 предложена автоматизированная технология моделирования и технологического проектирования процесса формообразования в среде открытых конструкторских САПР.

В главе 5 сформулированы задачи и обоснована структура системы управления процессом автоматизированного формообразования, рассмотрены вопросы организации инновационного и серийного производства конструкций.

В заключении сформулированы общие выводы по результатам диссертации. Приложения включают примеры расчетов и копии документов о внедрении.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И НАПРАВЛЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Конструкции будущего из волокнистых композитов

Композиционные материалы [1-3] состоят из двух или более компонентов и обладают специфическими свойствами, отличными от суммарных свойств составляющих их компонентов. Свойства композиционных материалов нельзя определить без учета взаимодействия их компонентов.

Компоненты композитов не должны растворяться или каким-то иным способом поглощать друг друга, а должны быть хорошо совместимы. Они различны по геометрическому признаку. Компонент, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей. Компонент прерывистый, разделенный в объеме композиции, считается усиливающим или армирующим. В зависимости от вида армирующего компонента композиты делятся на две основные группы: дисперсно-упорядоченные (армирующими компонентами являются тонкодисперсные порошкообразные частицы) и волокнистые. Они различаются структурой и механизмами образования высокой прочности. В нагруженных дисперсно-упорядоченных композитах всю нагрузку воспринимает матрица, в которой с помощью множества частиц порошка создается структура, эффективно сопротивляющаяся пластической деформации.

В ВКМ высокопрочные волокна воспринимают основные напряжения и обеспечивают жесткость и прочность композиции в направлении ориентации волокна. Податливая матрица, заполняющая межволоконное пространство, обеспечивает совместную работу отдельных волокон за счет собственной жесткости и взаимодействия, существующего на границе раздела

матрица - волокно. Механические свойства волокнистого композита определяются тремя основными параметрами: прочностью армирующих волокон, жесткостью матрицы и прочностью связи на границе матрица - волокно. Соотношение этих параметров характеризует весь комплекс механических свойств материала и механизмы его разрушения. Отличительной особенностью волокнистых композитов является возможность преимущественного расположения волокон в том или ином направлении и, как следствие, создание конструкций с анизотропными свойствами [3].

При изготовлении конструкций из ВКМ его компоненты загружаются в формы или наносятся на формообразующие поверхности, а затем отверждаются. В результате одновременно рождаются твердый материал и конструкция (изделие). Конструкция затем извлекается из формы или снимается с ФП.

Варьирование соотношений и состава связующего материала, наполнителя и армирующего материала, а также пространственной ориентации волокон 7\М, позволяет существенно изменять свойства получаемых ВКМ и конструкций, т.е. формировать и получать оптимальные свойства конструкции при наложенных ограничениях.

Во многих отраслях промышленности (аэрокосмической, ракетостроении, судостроении, двигателестроении, химическом приборостроении, транспортном машиностроении и др.) уже нельзя обойтись без применения конструкций из ВКМ. Композиты могут улучшить эксплуатационные свойства за счет обеспечения более высокой теплостойкости, большей жесткости и исключительной стойкости к усталостным напря-

жениям. Применение конструкций из ВКМ, заменяющих совокупность деталей из традиционных материалов, позволяет уменьшить массу, снизить стоимость изделий и стоимость их эксплуатации.

«Потенциальные возможности ВКМ превышают возможности традиционных материалов главным образом благодаря их принципиально новым качествам, среди которых в первую очередь следует отметить возможность широкого варьирования свойств материала за счет различной структуры армирования... Эти вопросы решает новое направление механики деформируемого тела - оптимальное проектирование конструкций» [4, стр.11]. Выбирая рациональную схему армирования анизотропной конструкции, можно управлять ее деформацией под нагрузкой [5]. Так, например, в крыле самолета появляются деформации кручения, которые во время полета увеличивают эффективность управления [б].

Обзор применения ВКМ показывает, что экономически выгодно использовать их в несущих конструкциях, имеющих жесткие ограничения по массе. Поэтому «особого внимания заслуживает подход, при котором критерием качества конструкции является масса оболочки при ограничениях на комплекс предельных состояний - на устойчивость, прочность, частоту колебаний, критическое время; оптимизируемыми параметрами являются структура композиционного материала и геометрия оболочки» [4 стр.11].

Замена композитами отдельных деталей из традиционных материалов не дает ощутимого эффекта. Существенный эффект достигается при комплексной модификации группы соседних деталей (например, цельнопластиковый монококовый много-

слойный кузов автомобиля «Шевроле» модели ХР-8 98) [2] . Фирмы-изготовители японских автомобилей рассматривают армированные композиционные материалы как средство объединения деталей и снижения стоимости.

Наиболее полно возможности ВКМ могут быть использованы в том случае, если их применение осуществляется на начальном этапе разработки, так как конструкционный материал и конструкция при использовании композита создаются одновременно.

Масса летательного, плавающего или другим способом перемещающегося аппарата оказывает прямое влияние на его эксплутационные показатели (дальность, расход топлива, полезную нагрузку и др.). Ограничивающей величиной при экономии массы являются затраты на один килограмм сэкономленной массы. Они определяются на первых стадиях разработки конструкции.

В аэрокосмической технике для обычных малых гражданских самолетов, которые летают с полной нагрузкой или на предельные расстояния, эта величина едва превышает $55 за килограмм. Однако данный показатель увеличивается на порядок и более для сложных летательных аппаратов, таких, как сверхзвуковой транспортный самолет или самолет вертикального взлета, у которых отношение полезного груза к массе летательного аппарата является определяющим (табл.1.1).

Стоимость большинства современных летательных аппаратов возрастает вдвое и более через каждые 3-4 года. Широкое применение композитов представляет собой попытку снизить быстро возрастающую стоимость производства. Наиболь-

шая экономия наблюдается при использовании композитов в новых конструкционных решениях.

Доля композитов с улучшенными свойствами (КУС) продолжает возрастать и летательный аппарат будущего будет, по-видимому, наполовину состоять из композитов. Фирма "Гумман" показала, что на основе композитов можно осуществить специальную разработку летательного аппарата, существенно меньшего и более легкого, чем это возможно при использовании металлов. При этом можно уменьшить не только массу аппарата, но и его стоимость. Композиты в настоящее время пока еще дороже алюминия, их цены сравнимы с ценами на титан. Однако наблюдается тенденция снижения их стоимости по мере увеличения объема выпуска изделий из композитных материалов, а также тенденции роста цен на металл.

Таблица 1.1.

Экономия массы в аэрокосмической отрасли [ 2 ]

Тип аппарата Экономия массы, доллар/кг массы

Малые гражданские суда 50

Вертолеты 100

Транспортные самолеты 180

Гражданские коммерческие самолеты 250

Двигатели летательных аппаратов 450

Самолет «Боинг 747» 450

Самолет -истребитель 450

Самолет вертикального и короткого взлета 580

Сверхзвуковой транспортный самолет 1100

Спутник с околоземной орбитой 10000

Спутник со стационарной орбитой 10000

Косми