Живов_Кузнечно-штамповочное оборудование

Раздел VI. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН

Глава 23. ПРИНЦИПЫ И СОДЕРЖАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН

23.1. Место автоматизации в общей системе проектирования

Изначально проектирование КШМ было основано на интуиции проекти­ ровщика, имевшемся опыте и традициях проектирования и представляло собой больше искусство, чем науку. Применение компьютерной техники для реше­ ния инженерных задач началось сразу же после ее появления и дало толчок к развитию автоматизации проектирования. Формализация проектных процедур привела к выявлению ранее неизвестных общих закономерностей процесса проектирования, инвариантных к различным предметным областям. Это спо­ собствовало созданию общей теории инженерного проектирования, отличаю­ щейся собственной системой основных понятий, терминов, классификаций, оценок проектируемых объектов, содержанием и последовательностью реше­ ния проектных задач. Однако развитие общей теории и автоматизации проек­ тирования еще не завершено. Создание систем сквозного проектирования с полным его охватом формализованными процедурами возможно в будущем. В существующем виде общая теория инженерного проектирования сохраняет преемственность «по отношению к традиционным методам проектирования и не отрицает их. Оптимальное сочетание имеющегося опыта проектирования в конкретной предметной области и достижений общей теории инженерного проектирования позволяет получать проектные решения высокого качества при приемлемых затратах труда и времени.

481

Раздел VL АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КШМ

23.2. Общие закономерности проектирования

Общественная потребность - движущая сила материального производства. В условиях рыночного хозяйства качество продукции - основное требование потребителя. Качество изделия закладывается при проектировании, обеспечива­ ется технологией и реализуется в эксплуатации. Потери качества вследствие ошибок проектирования невозможно компенсировать высоким качеством изго­ товления и хорошими условиями эксплуатации. Отсюда следует исключитель­ ная важность обеспечения качества изделия на стадии проектирования, т. е. качество самого проектирования.

Общественная потребность отражается в техническом задании (ТЗ) на проектирование, которое является первичным описанием объекта проектиро­ вания. Оно включает в себя наименование объекта проектирования, техничес­ кие требования, условия его эксплуатации. Технические требования пред­ ставляют в виде

где Y- показатель качества; j - его количественная характеристика. Окончательным описанием объекта проектирования является проектная до­

кументация. Описание должно быть достаточным для изготовления объекта про­ ектирования и использования его по своему назначению. Проектирование - процесс преобразования исходного описания в окончательное.

Значительная часть принимаемых проектных решений КШМ осуществ­ ляется путем их количественного обоснования. Следовательно, проектиро­ вание КШМ носит ярко выраженный расчетный характер. Различают выходные, внутренние и внешние параметры объекта проектирования. Вы­ ходные параметры представляют собой показатели качества, указанные в ТЗ; внутренние - параметры элементов (сборочных единиц, деталей), а внеш­ ние - количественное выражение условий эксплуатации объекта проектиро­ вания, например температура и влажность среды, энергетическое обеспече­ ние и т. п.

Параметры каждой группы образуют вектор. Если ввести обозначения: Y = (yb Уъ •••, Уп) - вектор выходных параметров, X = (xi, Х2, ..., Ху) - вектор внутренних параметров, Q=:(^i, q2, ..., qk) - вектор внешних параметров, то они оказываются связанными функциональной зависимостью:

Тогда задачу проектирования в математической постановке можно сфор­ мулировать как отыскание такого вектора X при заданном векторе Q, который обеспечивал бы выполнение условий (23.1).

482

г л ава 23, Принципы и содерлсание автоматизированного проектирования КШМ

Вреальных задачах проектирования кривошипных прессов размерность вектора X значительно больше размерности Y. Это означает, что задача проектирования в математической постановке имеет определенное число степеней свободы, как, например, задача решения системы алгебраических уравнений, в которых число неизвестных больше числа уравнений. Поэтому одной из особенностей проектирования является многовариантность про­ ектных решений. Проектные решения, полученные разными проектировщи­ ками по одному и тому же ТЗ, будут различными как по содержанию, так и по качеству. Число степеней свободы задачи проектирования может быть уменьшено до нуля при ее постановке как задачи оптимизации. В этом слу­ чае проектное решение получается единственным и наилучшим. Однако это требует наличия зависимости (23.2) в доступном для практического исполь­ зования виде.

Вотдельных случаях внутренние и внешние параметры связаны просты­ ми отношениями. Например, радиус кривошипа R кривошипного пресса (внутренний параметр) связан с ходом ползуна S (внешний параметр) соот­ ношением S = 2R. Однако такие случаи представляют собой крайне редкое исключение. Как объекты проектирования КШМ представляют собой слож­ ные многоуровневые системы. Они содержат большое количество подсистем (привод, исполнительный механизм, система включения, передаточные уст­ ройства, станина, фундамент и т. п.) различной физической природы (элек­ трической, механической, пневматической и т. д.). Поэтому зависимость (23.2) применительно к КШМ в целом крайне сложна, как правило, не представле­ на в явном виде и чаще всего неизвестна проектировщику. Для преодоления связанных с этим трудностей при проектировании КШМ используют блочноиерархический подход, согласно которому объект проектирования расчленя­ ют на иерархические уровни. Высший (первый) уровень соответствует само­ му объекту проектирования, низшие - его элементам, так что элементы (А:+1)-го уровня входят в состав элементов к-то уровня. Элементы выделяют таким образом, чтобы они образовывали функционально законченные под­ системы, которые можно рассматривать как самостоятельные объекты проек­ тирования. Задача проектирования кривошипного пресса при этом распада­ ется на задачи проектирования большего количества элементов меньшей сложности. Кроме того, проектирование объектов одного уровня можно осу­ ществлять параллельно.

Взависимости от очередности решения задач проектирования на различ­ ных иерархических уровнях различают нисходящее и восходящее проектиро­ вание. При нисходящем проектировании вначале решают задачу проекти­ рования на верхних иерархических уровнях. Результатом решения является ТЗ на проектирование подсистем нижнего уровня. При этом существует опасность разработки таких ТЗ, которые на одном из нижних уровней иерар­ хии могут оказаться нереализуемыми по технологическим, экономическим

483

Раздел VLАВТОМАТИЗЛЦИЯПРОЕКТИРОВАНИЯКШМ

или каким-либо другим соображениям. В этом случае приходится переема ривать проектные решения, принятые на одном из верхних уровней иера хии, с учетом возможности реализации заново разрабатываемых ТЗ i проектирование подсистем нижнего уровня и проектирование приобретав итерационный характер, т. е. осуществляется методом последовательных пр] ближений.

При восходящем проектировании решение задач проектирования i нижних иерархических уровнях предшествует их решению на верхних уро нях. При этом разработка ТЗ для объектов нижнего уровня отличается и вестной неопределенностью, так как может оказаться, что объект, собра] ный из спроектированных элементов, не будет удовлетворять требования ТЗ на его проектирование. В этом случае приходится пересматривать ТЗ i

СИНТЕЗ

Синтез структуры

Выбор исходных значений параметров

( ВЫХОДЕ

Рис. 23.1. Типовая последовательность проектных процедур при нисходящем проекта ровании

484

г л ава 23. Принципы и содерэюание автоматизированного проектирования КШМ

проектирование объектов нижних уровней с учетом возможности получить работоспособный вариант объекта проектирования. Поэтому при восходя­ щем проектировании, как и при нисходящем, процесс носит итерационный характер.

При проектировании КШМ преимущественно используют нисходящее проектирование. Восходящее проектирование применяют эпизодически, на­ пример при проектировании систем включения кривошипных прессов, когда муфту выбирают из нормализованного ряда.

Кроме исходного и окончательного описаний объекта проектирования существуют промежуточные описания. Они порождаются процессом проек­ тирования и используются для оценок качества принятых проектных реше­ ний на его различных стадиях. Формализованная совокупность действий, результатом которых является получение проектного решения, называется проектной процедурой. Проектная процедура называется типовой, если она предназначена для неоднократного применения при проектировании объек­ тов различного типа. К типовым проектным процедурам относятся анализ и синтез проектируемых объектов. Синтез заключается в создании описания объекта, анализ - в определении свойств объекта по его описанию. Одновариантный анализ позволяет установить соответствие принятого проектного решения техническим требованиям, многовариантный - улучшить проектное решение путем его целенаправленного изменения. Такое улучшение можно выполнять до получения работоспособного варианта проектного, или наи­ лучшего (оптимального), с точки зрения проектировщика, решения либо до тех пор, пока не появится убежденность в невозможности получения проект­ ного решения при имеющемся ТЗ.

Как видно на рис. 23.1, взаимосвязь процедур анализа, оптимизации и син­ теза имеет характер «вложенности», причем анализ в отличие от других проце­ дур присутствует всегда, и поэтому как проектная процедура является основой процесса проектирования.

23.3. Особенности кузнечно-штамповочных машин как объектов проектирования

Согласно современным представлениям, КШМ является динамически воз­ буждаемой системой, для которой характерны следующие главные компоненты (рис. 23.2):

конструкция К, определенная в количественном отношении массами М, уп­ ругостью связей У между ними и уровнями диссипации Д;

движение Д с источником в виде двигателя Дв через передачу П к исполни­ тельному механизму И с рабочим органом и инструментом;

485

Раздел VL АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КШМ

силы С, возникающие в результате физико-механических процессов преоб­ разования энергии их источников в кинетическую и потенциальную энергию частей машины: движущие нагрузки Н как результат преобразования кинетичес­ кой и потенциальной энергии в полезную энергию пластического деформирова­ ния при технологическом сопротивлении Т или в тепловую энергию в связи с преодолением сил вредного сопротивления Сп, а также внешние возмущаю­ щие силы В.

Силы, возникающие при работе КШМ, характеризуются значительной ско­ ростью изменения как при их нарастании, так и при уменьшении, и потому яв­ ляются источником сильного динамического возбуждения. Динамическая составляющая процессов, протекающих в КШМ, как правило, значительна, а часто и преобладает над статической. Рабочие нагрузки, возникающие при работе машины, в значительной мере определяют ее надежность и долговеч­ ность. Поэтому возможность достоверного предсказания процессов в проекти­ руемых КШМ дает возможность выявить влияние тех или иных факторов на уровень нагрузок, существенно снизить их и повысить на этой основе надеж­ ность и долговечность машин.

Динамическая система КШМ отличается большим количеством отдельных масс, каждая из которых благодаря упругости связей с другими массами при ра­ боте машины имеет самостоятельное движение. Поэтому динамическая система КШМ отличается большим числом степеней свободы, т. е. многомассовостью. Число степеней свободы КШМ может достигать десятков и сотен единиц и быть

486

Глава 23. Принципы и содерэюание автоматизированного проектирования КШМ

переменной величиной. Поведение масс и упругих элементов подчиняется прос­ тым физическим законам (Ньютона, Гука, Кулона и др.). Однако в конкретной КШМ, характеризующейся своей индивидуальной структурой, многократное проявление этих законов и их взаимодействие приводят к высокой сложности, неочевидности и плохой предсказуемости протекающих в машине процессов и ее свойств. Ситуация усугубляется наличием в составе динамической системы КШМ элементов с существенной нелинейностью характеристик. Это, например, зазоры в кинематических парах, силы Кулонова трения и др. Эти элементы, яв­ ляясь дополнительными источниками динамических возбуждений, делают сис­ тему нелинейной, что вместе с большим числом степеней свободы создает значительные трудности математического (вычислительного) характера для ана­ лиза процессов, протекающих в КШМ.

Это приводит к необходимости проведения исследовательских работ, кото­ рые, как правило, носят характер предпроектных исследований. В данном случае исследование и проектирование разделены во времени и являются самостоя­ тельными мало связанными между собой процессами. Получаемые в предпро­ ектных исследованиях результаты имеют отношение к определенному, доста­ точно широкому классу объектов, например кривошипным прессам. Они отражают общие свойства объектов этого класса, но не отражают специфику конкретного его представителя, которая часто оказывается существенной.

Ситуация меняется, если исследования сделать составной частью процесса проектирования конкретного образца КШМ. Такие возможности предоставляет математическое моделирование работы КШМ. Получаемые при этом результаты исследования будут относиться к данному объекту проектирования, отражать его специфику и являться надежной основой для повышения качества проек­ тирования.

При проектировании КШМ в отдельных случаях возникает необходимость решения задач кинематического и статического анализа. Их можно рассматривать как частные случаи решения задач динамического анализа. Это позволяет не вы­ делять эти задачи в отдельные классы, а решать их в рамках общего подхода.

23.4. Математическое обеспечение автоматизированного проектирования кузнечно-штамповочных машин

По степени использования технических средств при проектировании КШМ методы проектирования можно разделить на неавтоматизированные, или ручные, и автоматизированные. Ручные методы основаны на расчетных методиках, осо­ бенностью которых является использование аналитических, чаще всего алгебраи­ ческих зависимостей, представленных в явном виде относительно рассчиты­ ваемой величины, расчетных таблиц и графиков. Такие зависимости получены на основе значительных допущений и упрощающих предположений и не могут

487

Раздел VL АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КШМ

отразить всей сложности взаимосвязей выходных и внутренних параметров (см. (23.2)). Расчеты, выполненные по этим зависимостям, в общем случае имеют низкую точность и достоверность, а проектные решения, принятые на их основе, не будут надежными. Поэтому после изготовления возможно несоответствие КШМ требованиям ТЗ. В случае серийного производства выходом из положения является изготовление опытного образца и его испытание, по результатам которо­ го в проект вносят изменения, улучшающие показатели качества до требуемых в ТЗ. Это - путь физического моделирования, экспериментальной доводки, при котором неизбежен экономический ущерб, связанный с изготовлением опытного образца, притом тем больший, чем меньше серийность производства. В случае проектирования уникальных КШМ этот путь неприемлем в связи со значитель­ ным риском потери больших финансовых ресурсов.

Автоматизированное проектирование появилось как результат стремления заменить дорогостоящее и длительное физическое моделирование математичес­ ким, т. е. получением информации о проектируемом объекте с помощью мате­ матической модели (ММ). Под моделью понимается объект, который способен замещать реальный объект или объект проектирования таким образом, чтобы оперирование этой моделью позволяло получать полезную информацию о за­ мещаемом объекте. С этой точки зрения соотношение (23.2) представляет собой ММ объекта проектирования. Математическое моделирование - это получение информации о проектируемом или ином объекте, т. е. реализация ММ. Послед­ няя представляет собой один из видов промежуточного описания объекта проек­ тирования.

Большинство выходных параметров - функционалы. Под функционалом по­ нимается такое отношение, в соответствии с которым каждой функции из опре­ деленного класса соответствует значение некоторого числового параметра. Так, КПД кривошипного пресса, который является выходным параметром, будет (применительно к случаю асинхронного двигателя главного привода) опреде­ ляться очевидной зависимостью:

Ц

488

Глава 23. Принципы и содерэюание автоматизированного проектирования КШМ

ток; г,, Г2, Х|, ^2 - параметры схемы замещения фазы асинхронного двигателя; S - скольжение двигателя.

В приведенной зависимости Ро, v, f/ф, /ф, s являются фазовыми перемен­ ными, т. е. переменными, изменение которых во времени определяет рабочие процессы, протекающие в прессе. Величины г^, Г2, х,, Х2 представляют собой внутренние параметры. Поэтому типичной является ситуация, когда выходные параметры, с одной стороны, и внутренние и внешние - с другой, оказываются связанными через фазовые, а также независимые (время и пространственные координаты) переменные. В этом случае внутренние и внешние параметры в ММ будут коэффициентами при фазовых переменных. Тогда ММ можно пред­ ставить в виде

9(Z)^LV(Z),

где 9(Z) - функция независимых переменных; L - некоторый оператор; V - век­ тор фазовых переменных; Z - вектор независимых переменных.

В выражениях (23.3) и (23.4) 9(Z) - искомый функционал (КПД пресса), являющийся функцией независимой переменной /ц, оператор L содержит ин­ тегрирование в числителе и знаменателе, а также деление. Вектор фазовых переменных V имеет своими компонентами упомянутые фазовые переменные Р^), V, [/ф, /ф, являющиеся функциями времени (независимой переменной). Та­ ким образом, интересующие проектировщика выходные параметры могут быть определены, если известны процессы, которые будут протекать в про­ ектируемом объекте (для случая, когда в число независимых переменных входит время) или известно состояние объекта (для случая, когда независи­ мыми переменными являются только пространственные координаты). Источ­ ником известности процессов может быть ММ объекта. Чтобы ММ можно было использовать для указанной цели, она должна удовлетворять опреде­ ленным требованиям.

Точность ММ - это степень соответствия результатов моделирования свой­ ствам реального объекта.

Универсальность ММ характеризуется степенью полноты отображения моделью свойств реального объекта. ММ отображает конечное число свойств объекта, в то время как число свойств самого объекта практически не огра­ ничено. Полнота отображения свойств объекта считается достаточной, если ММ отображает все существенные, с точки зрения проектировщика, свойства объекта.

Адекватность ММ - это способность отображать заданные свойства объек­ та с требуемой точностью.

Экономичность ММ характеризуется затратами труда проектировщика на ее разработку, модификацию и реализацию, а также вычислительных ресурсов - памяти и машинного времени.

489