книги / Надежность и диагностика технологических систем
..pdf7.3. Поиск оптимальных структур и параметров объекта |
271 |
2. В станкостроении — это компоновочные варианты станков (например, станки токарной группы могут быть с горизонтальной, наклонной или вертикальной станиной).
3. В конструкциях машин и строительных конструкциях — это вид заделки стержневых элементов (например, консоль, балка на двух опорах).
Проанализируем, как зависит надежность конструкции, на пример, от вида заделки стержня (т.е. от выбранной схемы, или структуры). Задача — выбрать структуру (вид заделки), при ко торой прогиб стержня f будет минимальным (рис. 7.5).
Рис. 7.5. Зависимость надежности стержневых конструкций от вида заделок:
а — консоль; б — консоль с дополнительным рычагом; в — балка на двух опорах; г — балка с жесткой заделкой
При консольной заделке (рис. 7.5, а) прогиб конца стержня
Р1\ 3EJ’
где Р — сила; I — плечо; Е - 2,1 •105 МПа — модуль упругости; J — момент инерции.
Очень серьезный недостаток при консольной заделке заклю чается в том, что при увеличении вылета плеча I его значение в формуле возводится в куб, тем самым автоматически резко увеличивается прогиб конца балки f.
272 |
7. Принципы создания надежных и конкурентоспособных машин |
Уменьшить прогиб (с целью повышения надежности конст рукции) можно, уменьшая плечо 1\за счет дополнительной на клонной опоры (рис, 7.5, б). Получим результат: Z2< h; fz « fi.
У варианта заделки стержня как балки на двух опорах (рис. 7.5, в) прогиб будет в 16 раз меньше, чем в первом варианте:
рр
6 48EJ
ИЛИ
Однако самый минимальный прогиб будет у конструкции с жесткой заделкой концов стержня (рис. 7.5, г):
Р13
h192J5J*
Вэтом случае прогиб уменьшается в 64 раза по сравнению
спервым (консольным) вариантом заделки (см. рис. 7.5, а). Задачи оптимизации реальных механизмов и машин не только
многопараметрические, но и многокритериальные. Оптимизация также может быть однокритериальной или многокритериальной.
Пример однокритериальной оптимизации: функция суммар ных потерь энергии Р£= + PQ (где Рц— потери на вязкое трение в рабочем зазоре, PQ — мощность, затрачиваемая на прокачива ние жидкости через опору) для всех типов гидростатических опор и направляющих имеет экстремальный характер в зависимости от рабочего зазора А (рис. 7.6, а) и от вязкости ц смазочной жид кости (рис 7.6, б). Следовательно, по условию минимизации энер готехнических потерь можно выбрать оптимальный рабочий за зор Дот, (приравняв к нулю отношение dfy/dA) и оптимальную вязкость цопх, приравняв к нулю отношение dPL/d\L= 0.
Процесс проектирования ГПС может быть автоматизирован почти полностью, поскольку в их состав входят унифицирован ные элементы (станки, СУ, инструментальные и транспортные системы, оснастка). Сведения об унифицированных элементах ГПС, типовых технологиях, инструментальном обеспечении хра нятся в БД.
Качество и скорость подготовки УП для оборудования ГПС — два основных критерия при построении предназначенных для этого интегрированных CAD/CAM-систем, позволяющих готовить
7.3. Поиск оптимальных структур и параметров объекта |
273 |
Рис. 7.6. Зависимость суммарных потерь энергии гидростатических опор:
а — от величины рабочего зазора А; б — вязкости ц смазочной жидкости
высококачественные УП в реальном масштабе времени: CAD — «Computer Aided Design» (проектирование с помощью компью тера); САМ — «Computer Aided Manufacturing» (изготовление с помощью компьютера).
Несмотря на то что CAD/CAM-системы выступают в качестве единого целого, их части (CAD и САМ) четко разделены (рис. 7.7). Для их стыковки разработан модуль конвертирования «в фор мат — из формата» VDA FS. Этот модуль не замкнут и может быть расширен для применения других графико-технологиче ских форматов. Предусмотрена возможность добавления фор мата STEP.
Возможны два режима ввода информации на уровень PC-NC. Если пользователь использует режим только ручного ввода ин формации, то последовательность шагов следующая:
1)создание чертежа вручную;
2)разработка вручную УП для изготовляемой детали, пред ставленной на чертеже (программа разрабатывается в соответст вии с DIN 66025);
3)ввод вручную УП программы NC-Editor;
4)конвертирование УП в машинных кодах;
5)отработка программы.
При режиме ручного ввода с частичным использованием авто матического цепочка передачи информации состоит из следую щих шагов:
1)создание чертежа вручную;
2)сканирование чертежа;
274 |
7. Принципы создания надежных и конкурентоспособных -машин |
Рис. 7.7. Автоматизация технологической подготовки производства с использованием CAD/CAM-систем при программировании обработки на станках с ЧПУ
3)передача данных после сканирования в модуль векторных преобразований;
4)передача данных на уровень CAD-системы;
5)конвертирование данных в формат IGES;
6)конвертирование данных в формат VDA FS;
7)передача данных в формате VDA FS в резидентную систе му САМ (PC-NC-уровень);
8)конвертирование данных в системе САМ из формата VDA FS в графическое изображение;
9)разработка ТП обработки на поступившую деталь в систе
ме САМ;
10)передача данных в модуль генерации в соответствии с DlN
66025;
11)передача УП в NC-Editor.
2767. Принципы создания надежных и конкурентоспособных машин
5.Моделирование и прогнозирование работы ТС или их от дельных элементов (расчет погрешностей, усилий зажима заго товок в приспособлениях и схватах роботов).
6.Оснащение специальными автоматизированными системами (системами контроля и диагностики состояния режущего инст румента и элементов ТС; адаптивными — для оптимизации ре жимов резания).
7.Повышение износостойкости (рациональный выбор мате
риала трущихся пар, условий работы, параметров качества по верхностей).
8.Повышение технологичности конструкций (высокий уро вень конструкторско-технологической проработки).
9.Использование статистических данных и опыта создания аналогичных конструкций (готовых наработок, задела, резуль татов исследований).
При разработке ТП важно заранее (априори) сделать прогноз потери точности по всей цепи ♦чертеж — заготовка — деталь». Важно определить долю и степень влияния каждого элемента ТС на потерю точности (выявить доминирующие элементы, по грешности и «слабые», с точки зрения надежности, звенья).
Этап изготовления. Перечислим факторы, повышающие уро вень надежности на этапе изготовления машины:
•выбор рациональных способов получения заготовок и мето дов обработки (приближение формы заготовки к форме детали, минимальные припуски);
•строгая технологическая дисциплина при изготовлении де тали (исключение наследственности, концентраторов напряже ний, внутренней потенциальной энергии);
• выбор эффективных методов термообработки. Применение эффективных упрочняющих технологий для повышения прочно сти и износостойкости (ионное азотирование, цементация, карбонитрация, плазменное напыление, поверхностное упрочнение), высокое качество сборки и наладки, проведение испытаний.
Этап эксплуатации. При эксплуатации на надежность функцио нирования ТО и стабильность ТП влияют следующие факторы:
•оптимизация режимов резания (применение моделирования);
•применение высокопроизводительного прогрессивного режу щего инструмента;
•правильный подбор смазки для узлов и деталей оборудова
ния;
7.4. Принципы и методы создания надежных технологических систем |
277 |
•правильный выбор СОТС при обработке резанием;
•условия эксплуатации оборудования ТС и строгое соблюде ние регламентных работ при обслуживании;
•создание базы данных по обеспечению надежности ТС. Опыт создания сложных технологических систем позволяет
сформулировать основные принципы, которых надо придержи ваться на различных этапах создания и эксплуатации изделий для обеспечения высокого уровня надежности:
•максимально возможное число элементов, проверенных на практике, и построение по «блочно-модульному» принципу. Мо дуль — отдельный, обособленный конструктивный блок, выпол няющий заданную ему функцию (это уже унифицированный, или отработанный, узел). При этом широко используются стан дартные, унифицированные детали и узлы;
•специальные защитные устройства, повышающие безопас ность, сигнализирующие о нарушении нормальной работы сис темы и исключающие возникновение катастрофических отказов;
•высокая контролеспособность системы (оснащенность специ альной аппаратурой для контроля основных параметров и воз можность визуального контроля);
•элементы системы должны быть рассчитаны исходя из ста тической и динамической прочности, установленных норм;
•система должна быть удобной для ремонта, допускать про стую замену изнашивающихся деталей, отдельных элементов
иузлов без разборки и переналадки всего изделия.
Этап «Производство опытного образца и испытания». Опыт ные экземпляры изделий подвергаются исследованиям и испыта ниям в лабораторных, стендовых и эксплуатационных условиях. Исследуются параметры рабочего процесса системы. Целесооб разно проводить опережающие исследования и испытания от дельных элементов (узлов) системы для скорейшего выявления и устранения дефектов.
Опытные экземпляры испытывают на надежность в условиях, имитирующих эксплуатационные. Для более быстрого выявления «слабых звеньев» и потенциальных возможностей изделия про водят ускоренные эквивалентные и форсированные испытания.
Должны проводиться исследования конструкционной проч ности и износостойкости, коррозионной и эрозионной прочно сти отдельных элементов системы. Исследования осуществляют на образцах-имитаторах и натурных деталях. При необходимости .
278 |
7. Принципы создания надежных и конкурентоспособных машин |
создаются специальные испытательные стенды для исследова ния надежности элементов и узлов.
На этапе создания и отработки опытного образца в его конст рукцию и технологию изготовления должны вноситься изме нения с учетом данных о наработке, отказах, неисправностях. Стадия опытного производства завершается официальными ис пытаниями и утверждением эталона-изделия для серийного производства.
Этап «Серийное производство». Технологическое обеспечение и технологическая дисциплина при изготовлении изделий в се рийном производстве должны быть не ниже уровня производст ва опытных образцов. Применяемые ТП не должны создавать значительные остаточные напряжения, снижающие прочность и надежность конструкции (из-за наследственности, концентра торов напряжений, не оптимальных методов и режимов обра ботки), а также вызывать повреждения материала (перегрев, усталость металла, трещины, прижоги при шлифовании).
Для повышения прочности и износостойкости наиболее от ветственных деталей следует применять упрочняющую техно логию (поверхностный наклеп, обдувку дробью, виброгалтовку, накатку роликами), а также использовать защитные покрытия деталей от коррозии и других вредных воздействий (анодную защиту, плазменное напыление, лазерную обработку, специаль ные покрытия).
Особое внимание следует уделять современным, эффективным методам упрочнения деталей, штампов и режущего инструмента (азотирование, карбонитрация, цементация, электронно-импульс ное легирование, безабразивная ультразвуковая финишная обра ботка (БУФО).
Следует установить систему входного контроля (для материа лов, комплектующих деталей, узлов, агрегатов). Для ответствен ных деталей следует применять контроль геометрических пара метров, механических свойств, твердости, структуры металла, химического состава. Для выявления дефектов (трещин, засоре ний, рыхлот), особенно в литых деталях, поковках и сварных швах, необходимо применять дефектоскопию (цветную, люми несцентную), рентгеноскопический анализ, ультразвуковой кон троль. Рекомендуется применять разрезку одной детали из партии для проведения более полного исследования; использовать микро
280 |
7. Принципы создания надежных и конкурентоспособных машин |
Целенаправленное использование возможностей электрон но-вычислительной техники, применение высокоэффективных, автоматизированных систем (САПР, АСТПП, АСНИ) и методов проектирования позволяет:
•рассмотреть и оценить множество возможных проектных вариантов и выбрать оптимальный;
•повысить уровень и качество проектных работ;
•сократить сроки на разработку и изготовление;
•повысить уровень надежности создаваемых конструкций. На этапе проектирования делается выбор варианта структуры
ирасчет схемной надежности системы. Принятие решений о схем ной надежности делается в самом начале процесса проектирова ния. Это начало, т.е. «вход» в проблему поиска оптимальной (надежной) конструкции, — первый, принципиально важный шаг. На большое число выходных параметров проектируемых ТС устанавливаются нормативы, обусловливающие его надежность.
Виды параметров и их особенности. Параметр (от греч. рагаmetron — отмеривающий, соразмеряющий) — величина, харак теризующая какое-либо свойство процесса, явления, системы, технического устройства. Параметры используются для коли чественного выражения (оценки) свойств системы. Параметры делятся на три группы: выходные, внутренние, внешние.
Выходные параметры объективно характеризуют ТС и отра жают ее главные, специфические, неотъемлемые свойства. Напри мер, у станков — это точность, производительность, надежность. Выходные параметры характеризуют и работоспособность ма шины. Их выбор связан и обусловлен ее целевым назначением.
Внутренние параметры характеризуют свойства только отдель
ных элементов ТС. Например, для станков с ЧПУ — это специфи ческие параметры, характеризующие их точность: погрешности позиционирования, геометрические, от тепловых и упругих де формаций. Например, параметр «точность позиционирования» (точность выхода рабочих органов в запрограммированную коор динату) является важнейшим показателем технического уровня и технологических возможностей станков с ЧПУ.
Внешние параметры характеризуют свойства внешней среды, воздействующей на ТС (например, вибрации, температура и влаж ность воздуха в цехе, запыленность).
Особенностью параметров является широкий диапазон: от ха рактеристик отдельных, частных свойств детали, узла или эле