2334

Это датчики угла наклона (0°–1°...0°–360°) с аналоговым и RS485 интерфейсами компании Seika Mikrosystemtechnik. Компания разрабатывает и производит сенсоры для измерения физических величин, а также электронные и механические компоненты в области сенсорики. В стандартную программу продуктов компании «Seika Mikrosystemtechnik GmbH» входит серия датчиков угла наклона (инклинометров), предназначенных для решения практически любых задач измерения угла наклона.

Высокостабильные, прецизионные, допускающие работу в широком диапазоне температур, датчики угла наклона, разработанные и выпускаемые фирмой «Seika Mikrosystemtechnik GmbH», являются главным ядром одноили двухосевых инклинометров.

Датчики угла наклона поставляются также в виде готовой сборки с самыми разнообразными функциями и параметрами. Это могут быть одноили двухкоординатные инклинометры с цифровым (RS485) или аналоговым интерфейсом, с выходом по току и/или напряжению, с дополнительными функциями: реле наклона, возможностью предустановки заказчиком необходимых границ срабатывания при достижении определенных углов наклона и др.

Внешний вид и основные характеристики датчиков приведены в табл. 1.1. Проведенный анализ показывает, что на сегодняшний день рынок предоставляет огромный выбор датчиков, пригодных для использования в устройствах управления положением платформы строительной машины.

1.4. Анализ математических моделей гидропривода управления положением платформы строительной машины

Одной из важнейших составляющих сложной динамической системы управления положением платформы является электрогидравлический привод аутригеров платформы, осуществляющий ее перемещение относительно поверхности, на которую установлена платформа и соответственно изменяющий углы наклона платформы относительно горизонта. Статические и динамические характеристики гидропривода влияют на процесс управления положением платформы и должны быть учтены при проектировании устройства управления платформой строительной машины.

В настоящее время все серийно выпускаемые строительные машины оснащены гидроприводом управления аутригерами. Несмотря

21

на многообразие различных схем гидроприводов, количество гидроэлементов, входящих в них, не так велико: гидронасос, гидроцилиндр, гидродроссель, гидролиния, гидрораспределитель, гидроклапан и др. [1].

Можно выделить два направления математического описания гидроприводов [1, 6, 7, 22].

Первое направление заключается в представлении гидроэлементов в виде передаточных функций типовых динамических звеньев, известных из ТАУ. Представление элементов гидропривода в виде передаточных функций основывается на экспериментальных исследованиях, при этом реальный переходный процесс элементов гидропривода аппроксимируется с некоторой точностью передаточными функциями [20].

При описании электрогидропривода в качестве входного воздействия принята выходная координата порогового элемента, в качестве выходной величины – перемещение штока гидроцилиндра.

Например, в работе А.Ф. Бакалова отмечается, что для решения задач динамики гидрофицированной машины в целом, когда наибольший интерес представляет движение выходного звена исполнительного электрогидропривода при подаче на вход управляющего воздействия, то есть «макродинамика» гидропривода, его математическое описание может быть значительно упрощено.

В своей работе В.В. Беляев предложил общую передаточную функцию гидропривода. Так как объемный гидропривод обладает такими общими свойствами, как время запаздывания, постоянная скорость перемещения штоков исполнительных гидроцилиндров в установившемся режиме, переходные процессы разгона и торможения штока гидроцилиндра, то можно выделить следующие характерные стадии переходного процесса [7]:

–чистое запаздывание гп, в течение которого шток находится в покое после включения распределителя;

–стадия разгона р, в течение которой шток разгоняется до номинальной скорости;

–стадия установившегося движения.

Выделенным стадиям можно поставить в соответствие три последовательно соединенных звена: звено чистого запаздывания, апериодическое звено первого порядка и интегрирующее звено. Тогда передаточная функция всего гидропривода выглядит следующим образом [7]:

22

где − общее время запаздывания гидропривода; K – коэффициент, определяющий скорость перемещения штока гидроцилиндра в установившемся режиме; Tгп – постоянная времени гидропривода, обуславливающая стадию разгона штока.

Таким образом, точность моделирования гидропривода при этом способе определяется точностью аппроксимации переходных процессов и точностью замеров, проводимых в ходе эксперимента. При этом способе достаточно сложно учесть большое количество параметров, влияющих на работу гидропривода, что ведет к упрощению математической модели гидропривода в целом.

Второе направление заключается в том, что для каждого из элементов, входящих в гидропривод, составляется своя математическая модель, представляющая собой дифференциальные уравнения, а затем находится общее дифференциальное уравнение, описывающее гидропривод машины в целом [20, 22, 26].

В работе В.С. Щербакова предлагается методика составления математических моделей гидроприводов, базирующаяся на представлении гидроэлементов в виде многомерных динамических объектов и использующая векторно-матричную форму записи уравнений [26].

Динамические свойства многомерных объектов полностью характеризуются их уравнениями движения, связывающими выходные и входные величины объектов. Уравнения составляются на основе законов физики при рассмотрении процессов преобразования и передачи информации [26].

Рис. 1.7. Блок-схема гидропривода аутригера платформы

В работах Г.В. Птицына и Е.Ю. Малиновского математическое описание гидропривода представлено в виде дифференциальных

23

уравнений, описывающих внутренние динамические процессы в гидросистеме [20].

Второй способ обладает высокой точностью описания динамических процессов происходящих в гидроприводе, и при наличии мощных вычислительных систем легко реализуется на ПЭВМ.

На рис. 1.7 представлена блок-схема гидропривода одного из четырех аутригеров платформы, элементами которой являются: гидронасос, гидролинии, электрогидравлический распределитель и гидроцилиндр.

Таким образом, проведенный анализ математического описания гидропривода показал, что элементы гидропривода достаточно хорошо изучены и представлены с теми или иными допущениями в виде передаточных функций или дифференциальных уравнений. Имеющийся математический аппарат может быть использован для достижения поставленной в работе цели.

1.5. Обзор существующих САПР строительных машин

Термин «САПР для машиностроения» в нашей стране обычно используют в тех случаях, когда речь идет о пакетах программ, которые в англоязычной терминологии называются CAD/CAM/CAE. Другими словами, это программное обеспечение для автоматизированного проектирования (CAD), подготовки производства (CAM) и инженерного анализа (CAE). Существуют САПР и для других областей — разработки электронных приборов, строительного проектирования, но они имеют свою специфику [37].

Традиционно продукты САПР для машиностроения разделены на три класса: тяжелый, средний и легкий. Такая классификация сложилась исторически, и хотя уже давно идут разговоры о том, что грани между классами вот-вот сотрутся, они остаются, так как системы попрежнему различаются и по цене, и по функциональным возможностям.

В результате сейчас в этой области имеется несколько мощных систем, своего рода «олигархов» мира САПР, стабильно развивающиеся продукты среднего класса, и получившие массовое распространение недорогие «легкие» программы. Имеется и так называемая «внеклассовая прослойка общества», роль которой выполняют различные специализированные решения [37].

24

1.5.1. Тяжелый класс САПР

Компьютерная технология призвана не автоматизировать традиционно существующие технологические звенья (так как это обычно не дает какого-либо эффекта, за исключением некоторого измененияусловий труда), а принципиально изменить саму технологию проектирования и производства изделий. Только в этом случае можно ожидать существенного сокращения сроков создания изделий, снижения затрат на весь жизненный цикл изделия, повышения качества изделий[37].

Прежде всего, применительно к созданию сложных изделий машиностроения в основе организации компьютерной технологии лежит создание полного электронного макета изделия, так как именно создание трехмерных электронных моделей, адекватных реально проектируемому изделию, открывает колоссальные возможности для создания более качественной продукции (особенно сложной, наукоемкой продукции) в более сжатые сроки.

В идеале в процессе проектирования и производства сложных и многокомпонентных изделий все участвующие в проектировании субъекты должны, работая одновременно и наблюдая работу друг друга, создавать сразу на компьютерах электронные модели деталей, узлов, агрегатов, систем и всего изделия в целом. При этом необходимо одновременно решать задачи концептуального проектирования, всевозможных видов инженерного анализа, моделирования ситуаций, а также компоновки изделия и формирования внешних обводов. Не дожидаясь полного окончания разработки нового изделия, эту информацию следует использовать для технологической подготовки производства и производства как такового. Кроме того, необходимо автоматизированно управлять и всеми создаваемыми данными электронной модели (то есть структурой изделия), и самим процессом создания изделия, и к тому же иметь возможность управлять структурой процесса создания изделия [37].

Для реализации именно компьютерной технологии проектирования и производства должны применяться системы автоматизированного проектирования инженерного анализа и технологической подготовки производства (CAD/CAE/CAM) высшего уровня, а также сис-

темы управления проектом (PDM – Product Data Management). Систе-

ма CAD/CAE/CAM высшего уровня, во-первых, обеспечивает весь цикл создания изделия от концептуальной идеи до реализации, а вовторых, создает проектно-технологическую среду для одновременной

25

работы всех участников создания изделия с единой виртуальной электронной моделью этого изделия [37].

За рубежом эта организационная философия обозначается аббре-

виатурой CAPE (Concurrent Art-to-Product Environment), что можно перевести как «Единая среда создания изделия от идеи до реализации». По существу, именно то, в какой степени система реализует указанную философию, и определяет уровень системы. Руководствуясь такой концепцией, можно резко сократить цикл создания изделия, повысить технический уровень проектов, избежать нестыковок и ошибок в изготовлении оснастки и самого изделия благодаря тому, что в подобном случае все данные взаимосвязаны и контролируемы.

Внастоящее время на рынке осталось лишь три САПР верхнего класса – Unigraphics NX компании EDS, CATIA французской фирмы

Dassault Systemes (которая продвигает ее вместе с IBM) и Pro/Engineer от РТС (Parametric Technology Corp.). Ранее мощных системы было больше, но после череды слияний и поглощений компаний число пакетов сократилось [37].

Упомянутые компании – лидеры в области САПР, а их продукты занимают львиную долю рынка. Главная особенность «тяжелых» САПР – обширные функциональные возможности, высокая производительность и стабильность работы – все это результат длительного развития.

Все названные программы включают средства трехмерного твердотельного и поверхностного моделирования, а также модули структурного анализа и подготовки к производству, т. е. являются интегрированными пакетами CAD/CAM/CAE. Кроме того, все три поставщика предлагают для своих САПР системы управления инженерными данными (PDM), позволяющие управлять всей конструкторскотехнологической документацией и предоставлять дополнительные данные, экспортированные из других корпоративных систем, из справочников и нормативных источников.

Внастоящее время к наиболее популярным тяжелым САПР отно-

сятся:

1.CATIA, разработана Dassault Systemes. Страна разработки этой САПР – Франция. CATIA V5 – CAD/CAM/CAE-система для описания изделия и его моделирования на разных этапах жизненного цикла. Появилась эта система в 1998 г. на основе нового ядра CNEXT, содержащего средства как для описания геометрии изделия, так и для описания процессов его создания, с возможностью сохранять и накапливать используемые при этом приемы и методы в виде корпоратив-

26

ных знаний. Идеи PLM заложены в самой основе системы, что позволяет исключительно быстро развивать и наращивать ее функциональность в желаемом направлении. В этом ее основное отличие от программных продуктов других компаний-разработчиков.

2.Pro/Engineer. Это полнофункциональная САПР для разработки изделий любой сложности. Благодаря мощным возможностям автоматизации всех машиностроительных дисциплин, Pro/ENGINEER является общепризнанным 3D решением для моделирования и разработки конкурентоспособных коммерческих изделий. Интегрированные CAD/CAM/CAE решения Pro/ENGINEER позволяют проектировать быстрее, чем когда-либо, максимально способствуя появлению новых идей и повышению качества, что в конечном итоге приводит к созданию выдающихся изделий.

3.Unigraphics NX. CAD/CAE/CAM-система Unigraphics – это система высокого уровня, предназначенная для решения всего комплекса задач, стоящих перед инженерами на всех этапах создания сложных технических изделий (предварительное проектирование, этап инженерного анализа и оптимизации конструкции, изготовление).

1.5.2.Средний класс САПР

Вмире САПР средний класс возник позднее двух остальных – в начале 90-х. До этого средствами трехмерного твердотельного моделирования обладали лишь дорогие тяжелые системы, а легкие программы служили для двумерного черчения. Средние САПР заняли промежуточное положение между тяжелым и легким классами, унаследовав от первых трехмерные параметрические возможности, а от вторых – невысокую цену и ориентацию на платформу Windows. Они произвели революционный переворот в мире САПР, открыв небольшим конструкторским организациям путь для перехода от двумерного к трехмерному проектированию [37].

Пионером в области средних САПР стала компания SolidWorks.

В1993 г. она представила одноименный продукт, обладающий трехмерным геометрическим ядром, который, по утверждению создателей, по возможностям приближался к механизмам твердотельного моделирования тяжелых систем, но стоил гораздо дешевле. Вскоре примеру первопроходца последовала фирма Solid Edge, выпустившая одноименную САПР, а затем и Autodesk. Последняя сначала разрабо-

27

тала трехмерную программу Mechanical Desktop на базе двумерной AutoCAD, а затем создала новое программное обеспечение Inventor.

Solid Edge является признанным лидером на рынке 3-мерных CAD-систем среднего уровня. Являясь недорогой системой, Solid Edge основан на том же ядре твердотельного моделирования

Parasolid, что и система высшего уровня Unigraphics. Solid Edge при-

меняется во многих отраслях промышленности: машиностроении, судостроении, авиации, нефтепереработке и др.

Помимо этих систем на рынке есть немало других САПР среднего класса, например Think3, Cadkey, Alibre. Есть среди них и российские разработки. Так, компания АСКОН продвигает систему КОМПАС на базе собственного геометрического ядра, а фирма «ТопСистемы» – программу T-Flex на основе ядра Parasolid, принадлежащего UGS. Они также прошли длительный путь развития и обзавелись встроенными средствами поверхностного моделирования, управления документами (PDM), технологической подготовки производства (CAM) и т. д., но при этом стоят существенно дешевле зарубежных аналогов и изначально ориентированы на отечественные стандарты и приемы проектирования [37].

В настоящее время к наиболее популярным средним САПР относятся:

1)ADEM, разработанная группой компаний ADEM. ADEM – программное обеспечение для промышленности и образования. Отечественная интегрированная CAD/CAM/CAPP система ADEM предназначена для автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства;

2)T-Flex, разработанная компанией «Топ-Системы». Компания «Топ-Системы» предлагает полностью интегрированные программные решения CAD/CAM/CAE/CAPP/PDM для электронного документооборота (PDM), систем автоматизации проектирования (САПР), подготовки производства и управленческой деятельности на предприятии, подготовки программ для станков с ЧПУ;

3)Solid Works, разработанная SolidWorks Corp. SolidWorks – мощ-

ное средство проектирования, базирующееся на передовых технологиях гибридного параметрического моделирования, интегрированных средствах электронного документооборота SWR-PDM/Workflow и широком спектре специализированных модулей. Разработчиком SolidWorks является SolidWorks Corp. (США), независимое подразделение холдинга Dassault Systemes (Франция) – мирового лидера в области высокотехнологичного программного обеспечения.

28

1.5.3. Легкий класс САПР

Программы данной категории служат для двумерного черчения, поэтому их обычно называют электронной чертежной доской. К настоящему времени они пополнились некоторыми трехмерными возможностями, но не имеют средств параметрического моделирования, которыми обладают тяжелые и средние САПР [37].

Первая чертежная система Sketchpad была создана еще в начале 60-х годов, а затем появилось немало других продуктов такого рода, использующих достижения компьютерной графики. Однако подлинный расцвет в этой области наступил лишь в 80-е годы с появлением персональных компьютеров.

Пионером в этой области стала компания Autodesk, которая в 1983 г. выпустила САПР для ПК под названием AutoCAD. Autodesk удалось отхватить изрядную долю рынка САПР, вытеснив тяжеловесов из сегмента программ для двумерного черчения. Примеру первопроходца последовали и остальные игроки. В 1984 г. фирма Bently представила программу Microstation, которая стала основным конкурентом AutoCAD’а. Кроме них сейчас существует множество других «легких» САПР, включая DataCAD одноименной компании, TurboCAD фирмы IMSI, SurfCAM от Surfware и другие. Эти продукты проще и дешевле тяжелых и средних САПР, поэтому пользуются спросом. В результате «легкие» системы стали самым распространенным продуктом автоматизации проектирования, своего рода «рабочей лошадкой» мира САПР [37].

В настоящее время к наиболее популярным легким САПР относятся:

1.AutoCAD, разработанная Autodesk. Самая популярная в мире среда автоматизированного проектирования, избранная многими разработчиками в качестве базовой графической платформы для создания машиностроительных, архитектурных, строительных, геодезических программ и систем инженерного анализа.

2.ZVCAD, разработанная ZwCAD Software Inc. ZwCAD, – выбор для архитекторов, инженеров, строителей и других специалистов, работающих в CAD-системах, для которых важно соответствие стандартам, простота и привычность интерфейса AutoCAD, стандартный набор необходимых инструментов в рамках разумного бюджета.

3.Bricscad. Один из лидеров среди альтернативных DWG САПР платформ, предлагает полный набор функций для профессиональных пользователей. Bricscad использует формат DWG и обеспечивает пол-

29