автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Информационная модель оценки точности технологической оснастки в условиях автоматизированного проектирования

Введение.

Глава 1. Аналитический обзор и постановка задачи исследования.

1.1. Аналитическое исследование точностных моделей при помощи таблиц анализа.

1.2. Информационное моделирование.

1.3. Краткий обзор средств автоматизированного проектирования.

1.4. Цель и задачи исследования.

1.5. Выводы по главе

Глава 2. Выбор метода решения.

2.1. Структуризация связей при моделировании точности технологического оборудования.

2.2. Информационная модель обеспечения расчета точности.

2.3. Дискретная модель точности

2.4. Выводы по главе 2.

Глава 3. Разработка математической модели взаимодействия узлов технологического оборудования.

3.1. Обоснование выбора МКЭ для решения поставленных задач.

3.2. Классификация и выбор типов К.Э. для решения.

3.3. Основные соотношения и процедуры для выбранных конечных элементов.

3.4. Выводы по главе 3.

Глава 4. Контактная задача.

4.1. Постановка контактной задачи.

4.2. Определение матрицы податливости.

4.3. Моделирование контактных связей.

4.4. Кинематические условия контакта.

4.5. Методы решения контактных задач.

4.6. Выводы по главе 4.

Глава 5. Информационно-методическое обеспечение оценки точности технологической оснастки при автоматизированном проектировании.

5.1. Методические указания по расчету напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов.

5.2. Расчетная схема и принятые допущения.

5.3. Ввод исходных данных.

5.4. Особенности ввода информации.

5.5. Информационная модель расчета точности технологической оснастки.

5.6. Верификация разработанного программного комплекса

5.6.1. Решение плоской задачи Л.И.Штаермана.

5.6.2. Сравнение результатов расчета с использованием различных К.Э.

5.6.3. Решение задачи Буусинеска.

5.7. Примеры использования разработанного пакета программ.

5.7.1. Машинные эксперименты с моделью спутника

5.7.2. Расчет погрешности закрепления в призматических соединениях.

5.7.3.Оценка динамической погрешности при закреплении тела вращения на оправке.

5.8. Выводы по главе 5.

Одной из актуальных проблем современного машиностроения является сокращение сроков создания новых изделий высокого качества. Этой задаче отвечает разработка методов автоматизации проектирования технологического оборудования с заданной точностью. Проблема оценки точностных показателей технологического оборудования на этапе автоматизированного проектирования осложняется тем, что математические модели должны учитывать множество факторов, требований, ограничений, а также характер структуры технологического оборудования, в частности, учет влияния на точностные показатели погрешности формы, отклонений форм и положений стыкуемых поверхностей. В этом направлении проведено значительное количество работ по созданию точностных моделей такими учеными как Б.С. Балакшин, Н.А.Бородачев, Б.М.Базров, И,М.Колесов, С.Н.Корчак, М.Г.Косов, В.Г.Митрофанов, Ю.М.Соломенцев, Н.М.Султан-Заде, А.Г.Суслов, Л.В.Худобин и др. Тенденция приближения расчетных моделей к реальным схемам потребовала учета влияния на точность, помимо геометрических факторов, собственных и контактных деформаций. Для реализации разработанных моделей создан широкий спектр программ, автоматизирующих оценку погрешности базирования, закрепления и т.д. Несмотря на достигнутые успехи в этой области, традиционная стратегия их использования сводится к тому, что сосредоточивается внимание на малых подмножествах реальной проблемы. Это объясняется тем, что программное обеспечение носит в основном прикладное значение и строится на базе традиционной схемы программирования в виде отдельных не связанных между собой программ. В свете изложенного актуальным является обобщение различных методов и решение задачи расчета показателей точности на основе информационной модели, учитывающей всю совокупность гвующих факторов в особенности характера контактного лодействия, которое вследствие отклонений реального профиля этся определяющим. Такая схема позволила бы оценивать 1атели точности технологического оборудования с учетом эрных, силовых и физико-механических свойств связей риалов.

Дель работы: повышение эффективности проектирования элогической оснастки на основе автоматизированной системы ки точностных показателей при установке и обработке заготовки. Научная новизна заключается в исследовании физической юсти контактного взаимодействия деталей в узлах алогического оборудования и разработка на этой основе матической и информационной моделей, учитывающих влияние на эстные показатели детали геометрических связей и связей ств материалов, собственных и контактных деформаций. На защиту выносятся:

1. Структуризация объектов исследования и выявление физической сущности процесса взаимодействия деталей на основе схемы взаимодействия объемов и контактов между ними;

2. Разработка математической модели, позволяющей выявить связи и законы взаимодействия элементов технологической оснастки;

3. Подготовка всей исходной информации для получения компьютерной модели адекватной моделируемому объекту либо процессу;

4. Разработка базисных компонентов интегрированной системы автоматизированного проектирования;

5. Апробация разработанных моделей и методик расчетным обоснованием реальных конструкций элементов технологической оснастки.

Методы исследования проводились с учетом основных положений технологии машиностроения, теории размерных цепей, объектно-ориентированного анализа, теории упругости, дискретной модели точности, метода конечных элементов.

Практическая ценность работы заключается в создании методологического, программного, и информационного комплекса, направленного на повышение эффективности автоматизированного проектирования технологической оснастки, а именно:

• системы автоматизированного точностного расчета на основе информационного моделирования

• системы автоматизированного расчета напряженно-деформированного состояния элементов конструкции технологической оснастки.

Реализация работы. Результаты работы были использованы при проведении плановых научно-исследовательских работ в МГТУ «СТАНКИН» и в учебном процессе на кафедре ТТМ.

Апробация работы:

Основные положения и результаты работы докладывались на: НТК магистров, аспирантов и молодых ученых МГТУ «Станкин» и ИКТИ РАН, 2001, пятой Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении», Пенза, 2002г., семинарах кафедры «Теория технологических машин» МГТУ «Станкин».

Публикации:

По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объём работы:

Работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и приложений, изложенных на 212 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка, 42 таблицы, список литературы из 98 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

Представление узлов технологического оборудования в виде взаимодействия объемов через различные контактные связи, позволяет представить размерный анализ, как цепь звеньев с чередующимися между собой объемами.

Проведенный анализ показал, что в технологии машиностроения оценку точности закрепления и динамической погрешности целесообразно проводить на основе контактного взаимодействия узлов и деталей с учетом отклонения формы и положения стыкуемых поверхностей, их собственных и контактных деформаций.

Универсальное описание задачи стоится на основе информационной модели, включающей в себя следующие этапы: структуризацию объектов исследования, выявление связей и законов взаимодействия объектов, подготовка исходной информации.

Собственные и контактные деформации деталей, а также форма детали в полном объеме может быть учтена на основе МКЭ, который в полной мере позволяет раскрыть физическую сущность взаимодействия деталей в узлах, особенности рельефа поверхности описываются набором граничных элементов.

Для универсального описания задачи взаимодействия деталей в которой учитываются совокупность геометрических свойств объемов, их связей, физико-механические свойства, следует использовать дискретную модель точности, согласно которой конструкции узлов аппроксимируются набором объемных и поверхностных конечных элементов.

Оценку погрешности закрепления и динамическую погрешность следует производить на основе предложенной методики, алгоритмов и программ, охватывающих широкий спектр как плоских так и контактных задач, описываемых конечными элементами различной формы.

В качестве примеров расчетов с использованием разработанных программных средств, рассмотрено напряженно-деформированное состояние и оценка точности закрепления в деталях.

Верификация программ проводилась на основе сравнения известных задач, полученных аналитическими методами с результатами, найденными по МКЭ, с результатами экспериментов.

Разработаны базисные компоненты интегрированной системы, содержащей список идентификаторов и массивов программ на языке С++ 10. Разработана методика расчета для различных схем взаимодействия, алгоритм и программное обеспечение на языке С++, которое может быть использовано в качестве подсистемы АСТПП.

Л" 0

1. Косов М.Г. Моделирование точности при автоматизированном эоектировании и эксплуатации металлорежущего оборудования. -иссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. -.: Мосстанкин, 1985, с. 405.

2. Митрофанов В. Г. Связи между этапами проектирования технологи-эских процессов изготовления детали и их влияние на принятие тгимальных решений. Автореферат. М.: Мосстанкин, 1980. -48с.

3. Танаев B.C., Поварич М.П. Синтез граф-схем алгоритмов выбора ешений. Минск.: Наука и техника, 1974. - с. 112. . ГОСТ 21495-76. Базирование и базы в машиностроении. Термины и пределения. М.: Изд-во стандартов, 1976г.

4. Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения. М.: 1ашиностроение, 1969-553с.

5. Базров Б.М. Технологические основы проектирования само-однастраивающихся станков. М.: Машиностроение, 1978. -216с. 0. Базров Б.М. Расчет точности машин на ЭВМ. - М.: Машиностроение, 1984. -256с.

6. Лукьянец О.М. Исследование точности технологических баз и ее. чияние на точности обработки корпусных деталей на автоматических 1ниях. Автореферат. М.: МВТУ им. Н.Э.Баумана, 1980,-14с.

7. Проников А. С. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978.-32с.

8. Проников А. С. и др. Надежность в технике. Технологические ютемы. Испытания станков с числовым программным управлением а технологическую надежность (методические рекомендации) .-М.: НИИМАШ, 1979. -58с.

9. Тверской М.М. Автоматическое управление режимами обработки а станках. М.: Машиностроение, 1982. 208с.

10. Фрагин И.Е. Научные основы повышения точности и роизводительности при хонинговании. М.: Мосстанкин, 1975, -58с.

11. Шелофаст В. В. Исследование расчета точности под нагрузкой еталей машин с учетом погрешностей их изготовления, втореферат. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1974. - 14с.

12. Новиков О.А. Достижение заданной точности торцевого >резерования с максимальной производительностью. Автореферат. М.: Институт нефтехимической и газовой промышленности, 1982. -4с.

13. Шаев Е.Л. Исследование влияния отклонений формы оверхностей деталей на их положение в машине. Автореферат. М.: 1осстанкин, 1980. -26с.

14. Птуха Л.И. достижение точности сборочной единицы с учётом шичественной связи показателей точности деталей. Автореферат. -.: Мосстанкин, 1979. -26с.

15. Сорокин А.И. Повышение точности установки заготовок на станках, зтореферат. М.: Институт нефтехимической и газовой юмышленности им. И.М.Губкина, 1982, -25с.

16. Дьяконова Н.П. Вероятная оценка силовых характеристик эталлорежущих станков на стадии проектирования. Автореферат. .: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1983, 16с.

17. Корсаков B.C. Основы технологии машиностроения. М.: Высшаяф кола, 1974, 336с.

18. Пуш В.Э., Пигерт Р., Сосонкин B.J1. Автоматические станочные 1стемы. М.: Машиностроение, 1982.- 319с.

19. Иванов В.Н. Технологические основы достижения качественного эпряжения деталей оболочек цветных кинескопов в массовом про-зводстве. В сб.: Машинные методы проектирования пектровакуумных приборов. - Львов: Объединение "Кинескоп", 1972. -5-19.

20. Колесов И.М. Служебное назначение и основы создания машин.6. трудов Станкина, 1973г.

21. Фираго В.П. Основы проектирования технологических процессов и эиспособлений. Методы обработки поверхностей. -М.: ашиностроение, 1973. -486с.

22. Назарматов Р. Повышение точности и производительности ^норезцового растачивания на многошпиндельных агрегатных -анках. Автореферат. Ташкент: Кибернетика, 1983. - 18с.

23. Ильиных В.А. Расчет и выбор конструктивных параметров эофильных соединений с равноосным контуром (на примере юхгранного соединения). Автореферат. М.: МГТУ «СТАНКИН», Э87, - 16с.

24. Степанов А.В. Моделирование жесткости шероховатых эверхностей при оценке точности технологического оборудования, втореферат. М.: МГТУ «СТАНКИН», 1999, 22с.

25. Апридонидзе А.А. Моделирование точности обработки деталей с эмощью шпиндельных узлов на активных магнитных опорах, втореферат. М.: МГТУ «СТАНКИН», 1998, 26с.

26. Жуков В.А. Расчет допусков на составляющие звенья с учетом ;есткости деталей. Автореферат. М.: МГТУ «СТАНКИН», 1991, 24с.

27. Нгуен Хонг Ко. Моделирование точности позиционирования промышленного робота с целью повышения эффективности обслуживания технологического оборудования на ГПС. Автореферат. М.: МГТУ «СТАНКИН», 1995, 20с.

28. Червяков Л.М. Управление процессом обеспечения точности изделий машиностроения на основе когнитивных моделей принятия технологических решений. Автореферат. М.: МГТУ «СТАНКИН», 1999, 40с.

29. Толкачева И.М. Разработка информационной модели автоматизированной системы технологической подготовки производства (на примере подсистемы проектированияхнологической остнастки сборных токарных резцов). Автореферат. .: МГТУ «СТАНКИН», 1999, - 26с.

30. J. Луцюк С.В. Метод выявления требований к геометрической юности станочного оборудования, исходя из требований к точности !ГОТОвляемых изделий. Автореферат. М.: МГТУ «СТАНКИН», 1999, -с.

31. Коганов А.И., Каплан Д.С. Основы базирования. Тула, 1993, с. ). Левина З.М., Решетов Д.Н. Контактная 'жесткость машин. - М.: ашиностроение, 1971. -264с.

32. Рыжов Э.В. Контактная жесткость деталей машин. М.: ашиностроение, 1966. - 192с.

33. Суслов А. Г. Технологическое обеспечение эксплуатационных юйств контактирующих деталей машин. Автореферат. М.: осстанкин, 1982. - 35с.

34. Суслов А.Г. Технологическое обеспечение контактной жесткости )единений. М.: Наука, 1977, -100с.

35. Шевелева Г.И. Расчет упругих контактных перемещений на эверхностях деталей ограниченных размеров. М.: Машиностроение, звестия Вузов, №4, 1984, с.92-98.

36. Шевелева Г.И. Численный метод решения контактной задачи при катии упругих тел. -'М.: Машиноведение, 1981, № 5. с. 90-95. 3. Штаерман И.Л. Контактная задача теории упругости. - М.: эстехиздат, 1949. - 272с.

37. Крагельский И.В. Трение не смазываемых поверхностей, втореферат. М.: НИИМАШ, 1943. -31с.

38. В. Проников А. С. и др. Надежность в технике. Технологические лстемы. Расчет и оценка показателей параметрической надежности зхнологического оборудования с ЧПУ. МРЗЗ-81. М.: НИИмаш, 1981. 109с.

39. Мур Д. Основы и применение трибоники. М.: Мир, 1978. - 488с.

40. Уотерхауз Р.З. Фреттинг-коррозия. Л.: Машиностроение, 1976.-г2с.

41. Биргер И. А. и др. Термопрочность деталей машин. М.: ашиностроение, 1975. -455с.

42. Кузнецов А. П. Методы оценки тепловых деформаций эталлорежущих станков и пути их снижения. М.: НИИмаш, 1983. -5с.

43. Крагельский И.В., Мухин Н.М. Узлы трения машин. М.: ашиностроение, 1984. -280с.

44. Бобров В.Ф. и др. Развитие науки о резании металлов. М.: Ма-иностроение, 1967. -303 с.

45. Зенкевич 0. Метод конечных элементов в технике. -М.: Мир, 1975. -12с.

46. Остафьев В.А. Расчет динамической прочности режущего-ютрумента. -М.: Машиностроение, 1979. 168с.

47. Кудинов В.А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. -360

48. Хомяков B.C., Яцков А.И. Оптимизация несущей системы дностоечного токарко-карусельного станка. Станки и инструмент, Э84, №5.- с. 14-16.

49. Э. Хараджиев А. Комплексная автоматизация подготовки эоизводства на базе СПРУТ-Технологии «САПР и графика» №1 300г.

50. D. Техническое творчество: теория, методология, практика, нциклопедический словарь-справочник. М.: НПО «Информ-Система», Э95, 410с.

51. Ковалевский В., Романцов С. Автоматизированное проектирование среде СПРУТ: создание информационной модели изделия «САПР и >афика» №3 1998г.

52. ГОСТ Р 15.000-9 СИСТЕМА РАЗРАБОТКИ И ПОСТАНОВКИ эОДУКЦИИ НА ПРОИЗВОДСТВО.

53. Круглов М.Г. и др., Менеджмент систем качества, Москва, изд-во гандартов, 1997.

54. Норенков И.П. Разработка САПР. Издательство МГТУ им. Э.Баумана, 1994г.

55. Жуковский Н.Е. Теоретическая механика. М.ГКТТЛ. 1950г.

56. Рот К. Конструирование с помощью каталогов / Пер. с нем.

57. И.Борзенко и др.; М.:Машиностроение,1995. -420с.

58. Зибров П.Ф. Теория смазки микрошероховатых поверхностейюльжения в технологии машиностроения. -Тольятти: ТолПИ, 1999. 7с.

59. Решетов Д.Н. Расчет валов с учетом упругого взаимодействия их с юрами М.: Машгиз, 1939, -78с.

60. Проников А.С. Программный метод испытания металлорежущих анков. М.: Машиностроение, 1985, - 288с.

61. Соломенцев Ю.М., Митрофанов В.Г., Прохоров Н.Ф. и др. зтоматизированное проектирование в машиностроении./ Под общ. эд. Соломенцева Ю.М., Митрофанова В.Г. М.: Машиностроение, 386, -256с.: ил.

62. Пуш В.Э. Конструирование металлорежущих станков. М.: ашиностроение, 1977, -390с.

63. Секулович М. Метод конечных элементов. М.: Стройиздат, 1993, -30с.

64. Сигерлинд Л. Применение метода конечных элементов. М.: 1979. 392с.

65. Мяченков В.И., Петров В.Б., Заякин С.П. Учет особенностей формы эталей и узлов технологического оборудования. В сб. Численные етоды расчета конструкций станков. М.: Мосстанкин,1987.

66. Петров В.Б. Разработка методов и средств жесткостных иэочностных расчетов деталей несущих системеталлообрабатывающих станков в условиях автоматизированногоэоектирования. М.:Мосстанкин,1985.

67. Вентцель Е. С. Теория вероятности М.: Наука, 1964.

68. Нейлор Т. Машинные имитационные эксперименты с моделямиюномических систем. М.: Мир, 1975.