Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Технологическое обеспечение качества деталей 10
1.1. Способы технологического обеспечения заданных показателей качества 10
1.2. Моделирование и автоматизация проектирования технологических процессов 19
1.3. Выводы по главе 1 24
1.4. Цель и задачи исследования 25
Глава 2. Направленное формирование показателей качества 26
2.1. Общие принципы направленного формирования показателей качества 26
2.2. Разработка структурной модели процесса формирования показателей качества 35
2.3. Выводы по главе 2 49
Глава 3. Разработка математической модели процесса формирования показателей качества 50
3.1. Определение сил резания при чистовом точении фасонного профиля 50
3.2. Определение отклонений реального профиля рабочей поверхности валка от теоретического, вызванных упругими отжатиями элементов технологической системы 53
3.3. Определение отклонений от круглости поперечного сечения валка, вызванных перемещениями инструмента относительно заготовки 58
3.3.1. Отклонения от круглости, возникающие при точении 58
3.3.2. Отклонения от круглости, возникающие при алмазном выглаживании 62
3.4. Определение показателей шероховатости наружной поверхности валка 66
3.5. Определение показателей напряженно-деформированного состояния поверхностного слоя
3.6. Взаимное влияние шероховатости и микротвердости обрабатываемой заготовки 79
3.7. Выводы по главе 3 81
Глава 4. Экспериментальные исследования по определению влияния исходной микротвердости на шероховатость обработанной по верхности 83
4.1. Задачи и методика проведения экспериментов 83
4.2. Влияние исходной микротвердости на шероховатость, получаемую после точения 86
4.3. Влияние исходной микротвердости на шероховатость, получаемую после алмазного выглаживания 95
4.4. Измерение отклонений фасонного профиля в поперечном сечении 103
4.5. Выводы по главе 4 107
Глава 5. Моделирование технологического процесса с учетом взаимного влияния формируемых показателей качества 108'
5.1. Разработка компьютерной модели процесса формирования показателей качества 108
5.2. Методика разработки технологического процесса с учетом взаимного влияния формируемых показателей качества 127
5.3. Выводы по главе 5 131
Общие выводы 133
Список литературы 135
Приложение 145
- Моделирование и автоматизация проектирования технологических процессов
- Разработка структурной модели процесса формирования показателей качества
- Определение отклонений реального профиля рабочей поверхности валка от теоретического, вызванных упругими отжатиями элементов технологической системы
- Влияние исходной микротвердости на шероховатость, получаемую после точения
Введение к работе
Комплексный подход к технологическому обеспечению работоспособности деталей основан, с одной стороны, на оценке показателей качества деталей (характеризующих их геометрическую форму, качество поверхностного слоя и объемные свойства) в зависимости от технологических факторов и, с другой стороны, на прогнозировании эксплуатационных свойств (износостойкости, контактной жесткости, коррозионной стойкости и пр.) деталей в зависимости от их показателей качества.
Если рассматривать множества эксплуатационных свойств и показателей качества детали, очевидно, что отдельным элементам множества свойств соответствуют подмножества показателей, которые в общем случае пересекаются. Таким образом, определенные изолированные показатели качества не могут гарантировать необходимые эксплуатационные свойства детали в целом, необходимо обеспечить некоторую совокупность взаимосвязанных показателей.
Для обеспечения качества прецизионных деталей (имеющих допуски показателей в несколько микрометров или долей микрометров) необходимо учитывать две составляющие погрешностей показателей: первая характерна непосредственно для процесса обработки, вторая имеет наследственную природу, т.е. определяется предшествующими процессами. Вторая составляющая устойчива и с трудом поддается как ликвидации, так и уменьшению. Если при изготовлении деталей нормальной точности наследственная составляющая представляет собой весьма малую часть допуска показателя, то при изготовлении прецизионных деталей она составляет его основную часть, а в некоторых случаях и превосходит допуск.
Кроме того, следует учитывать взаимное влияние показателей качества, т.е. изменения одного показателя в зависимости от другого и изменения второго показателя в зависимости от первого, проявляющиеся в одном и том же переходе. В настоящее время этому явлению уделяется мало внимания, хотя признано, что такое влияние, может существенно сказаться на получаемых значениях показателей качества, особенно при изготовлении прецизионных деталей.
Особую сложность представляет изготовление различных деталей типа тел вращения, исполнительные поверхности которых ограничены сложным фасонным профилем (рис. 1), поскольку в данном случае составляющие силы резания, параметры режима обработки, а, следовательно, и величины показателей качества могут меняться вдоль профиля. К числу подобных деталей относятся формовочные валки трубоэлектросварочных и прокатных станов; подающие и калибровочные валки правильных станов; валки рольгангов и транспортеров для перемещения фасонных деталей; бегунки колесных, гусеничных, подъемно-транспортных машин; пуансоны, матрицы штампов и прессформ и др. Фасонные поверхности деталей типа тел вращения могут работать как в паре с ответными фасонными поверхностями, так и практически с любыми другими поверхностями, например плоскостями, цилиндрами, торами и пр.
В настоящей работе в качестве представителей рассматриваемой группы деталей выбраны формовочные валки трубоэлектросварочных станов (ТЭС) (рис. 1, а - в). Такой выбор оправдан тем, что формовочные валки, обладая всеми присущими данной группе деталей элементами, отличаются жесткими техническими требованиями [1], в частности: диаметральные размеры сопрягаемых поверхностей и линейные размеры валков выполняют по 7 квалитету точности ISO; отклонение реального профиля от теоретического не должно превышать 0,01 мм; шероховатость исполнительных поверхностей должна быть в пределах Ra 0,4...1,6 мкм.
При эксплуатации валок подвергается различным видам изнашивания и знакопеременным нагрузкам. Наиболее важными эксплуатационными свойствами валка ТЭС являются износостойкость, контактная жесткость, усталостная прочность, коррозионная стойкость. Основное внимание следует уделить качеству рабочей поверхности валка, от которого зависят Ш \/Ra 1,6 производительность ТЭС и качество продукции. Перечисленные выше эксплуатационные свойства существенно зависят от таких показателей качества поверхности, как шероховатость, микротвердость (твердость поверхностного слоя), остаточные напряжения, глубина и степень упрочнения.
Показатели качества рабочей поверхности валка формируются, в основном, на заключительной стадии процесса изготовления валка, включающей чистовое точение и алмазное выглаживание фасонного профиля. Это связано с тем, что в технологическом процессе предусмотрена объемная закалка, которая вызывает существенные деформации заготовки, что предопределяет весьма большие (до 2 мм) припуски на чистовую обработку профиля. Именно заключительная стадия изготовления валка детально исследована в данной работе.
Предусмотреть формирование необходимых значений показателей качества целесообразно уже на этапе технологической подготовки производства. Принципы направленного формирования показателей качества деталей нацелены на то, чтобы при заданных значениях показателей качества готовой детали, известном диапазоне значений показателей качества исходной заготовки с учетом информации об их трансформации, технологическом наследовании (переносе) и взаимном влиянии в процессе обработки разработать эффективный технологический процесс и обеспечить получение требуемых показателей качества.
Объектом исследования в данной работе является процесс формирования проектных технологических решений уровня маршрутно-операционной технологии изготовления деталей.
Предложена модель процесса формирования показателей качества, структура которой построена на основе функциональных связей между показателями качества в процессе изготовления валка ТЭС. Выявленные в ходе исследований факты наследования и взаимного влияния показателей качества позволили разработать структурную модель процесса формирования показателей качества, которая дает возможность наглядно представлять ! причинно-следственные связи при формировании показателей качества в процессе обработки деталей в виде графа, а также прослеживать наследование и взаимное влияние показателей качества по ходу технологического процесса изготовления детали.
Математическое описание коэффициентов трансформации и его компьютерная реализация позволяют анализировать механизмы формирования показателей качества, оценивать влияние изменения отдельного показателя качества на комплекс показателей в целом, определять параметры, посредством изменения которых целесообразно управлять значениями показателей качества. В результате моделирования можно, задавая- параметры технологической системы, в частности параметры режимов обработки, рассчитывать величины показателей качества детали на определенных этапах обработки, а также определять такие диапазоны значений параметров, которые обеспечивают необходимые значения показателей качества детали.
Такое трехуровневое моделирование, включающее разработку структурной, математической и компьютерной моделей, хорошо встраивается в методику разработки технологического процесса для изготовления прецизионных деталей, способствуя более точному прогнозированию получаемых показателей качества и проектированию эффективный технологического процесса.
Теоретические исследования в работе базировались на научных основах технологии машиностроения, в частности, теоретических положениях направленного формирования показателей качества, а также на теории системного анализа. Математическая модель построена с использованием геометрических зависимостей, аналитических зависимостей теорий сопротивления материалов, теоретической механики и регрессионных зависимостей, полученных в ходе экспериментальных исследований. Прикладное программное обеспечение компьютерной модели разработано в программном комплексе «Моделирование в технических устройствах» («МВТУ»).
Научная новизна работы заключается в выявлении закономерностей формирования показателей качества поверхностного слоя детали при алмазном выглаживании с учетом взаимного влияния формируемых показателей.
Практическую ценность работы определяют:
1) пакет программ, позволяющий для деталей типа тел вращения, имеющих фасонную поверхность, вычислять, с одной стороны, показатели качества при заданных параметрах технологической системы, с другой стороны, параметры технологической системы, обеспечивающие требуемые показатели качества;
2) методика проектирования технологического процесса с учетом взаимного влияния формируемых показателей качества, которая включает в себя трехуровневое моделирование процесса формирования показателей качества, подразумевающее разработку структурной, математической и компьютерной моделей процесса.
На защиту выносятся:
1) результаты экспериментальных исследований по определению влияния исходной микротвердости на шероховатость, получаемую после точения и алмазного выглаживания заготовок;
2) структурная, математическая и компьютерная модели процесса формирования показателей качества для деталей типа тел вращения, имеющих фасонную поверхность.
Полученная в результате работы методика разработки технологических процессов с учетом взаимного влияния формируемых показателей качества принята к внедрению на ОАО «НПО «Сатурн», что подтверждено соответствующим актом.
Моделирование и автоматизация проектирования технологических процессов
В настоящее время существует большое число разработок по автоматизации различных этапов проектирования ТП. Для выбора материала и вида заготовок, обладающих определенными параметрами, которыми впоследствии можно управлять, существуют различные автоматизированные банки данных (АБД) по материалам, как отечественные, так и зарубежные [29]. Среди них можно выделить: систему «Atlas of World Steels» американской корпорации Eagle Software, содержащую базу данных в 54 000 марок сталей, в которую включена информация о химическом составе и некоторых свойствах сталей; немецкую программу «Stahlschluessel» («Ключ сталей»), реализованную на базе широко известного одноименного справочника; АБД «Winsteel», разработанный фирмой Квантор-Софт с участием ГНЦ ЦНИИТМАШ, в котором приведены краткие сведения о более чем 43000 сталей и сплавов, используемых в 25 промышленно развитых странах мира; обобщенный АБД по машиностроительным и энергетическим металлическим материалам и пластмассам, предназначенный для сбора, хранения, модификации информации и поиска ответов на запросы пользователей, в базе которого по металлам в настоящее время содержится примерно 2000 марок отечественных материалов, в данных отражена информация ориентировочно по 300 параметрам.
Помимо банков данных существует также автоматизированная система выбора заготовок «EXPERT» [30], разработанная в МГТУ им. Н. Э. Баумана. Она предназначена для выбора возможных вариантов исходных заготовок машиностроительных деталей на основе анализа свойств материала детали, ее габаритов, формы и назначения, а также технологических особенностей производства. Система «EXPERT» содержит базы данных конструкционных материалов, видов заготовок, методов получения для каждого из видов (отливок, поковок и др.).
Для эффективного решения задачи обеспечения требуемых показателей качества при обработке, сборке и эксплуатации уже на этапе технологической подготовки производства необходимо математическое описание механизмов формирования показателей качества, образования погрешностей. Это позволит количественно оценить принимаемые технические решения, а также смоделировать процесс с помощью ЭВМ. Такое моделирование даст возможность проанализировать множество вариантов при поиске оптимального решения, сократив при этом трудоемкость проектных работ и затрачиваемое на них время. Стратегия для решения данной проблемы предложена в [18].
Технологический процесс может быть представлен моделями двух типов: детерминированными и вероятностно-статистическими. Вероятностно-статистические модели позволяют оценить уровень погрешности обработки, выявить случайные и систематические ее составляющие, но при этом не объясняют физической сущности механизма ее образования. В этом случае механизм рассматривается как "черный ящик", и между выходной и входной величиной устанавливаются корреляционные зависимости. Кроме того, по вероятностно-статистической модели невозможно рассчитать конкретное значение искомой величины, а можно лишь оценить пределы ее изменения. При построении моделей такого типа необходимо проводить значительный объем экспериментов для сбора статистических данных. Преимущество детерминированных моделей состоит в том, что их строят на основе теоретического и экспериментального исследований сущности ТП, его причинно-следственных связей, т.е. раскрывая внутреннее содержание "черного ящика".
В МГТУ им. Н. Э. Баумана разработана, например, методика построения детерминированной математической модели ТП, базирующейся на методе координатных систем с деформирующимися связями [17, 19] для оценки геометрических погрешностей. В данной модели технологическую систему заменяют эквивалентной схемой, которая представляет собой совокупность систем декартовых координат, соответствующих элементам технологической системы, с наложенными на каждую систему координат деформирующимися внешними связями. Модель строится на основе исследований причинно-следственных связей механизма образования погрешностей с учетом наследования при их образовании. Она позволяет рассмотреть как влияние отдельных факторов, так и совокупное влияние факторов на формирование погрешности, проследить проявление наследования той или иной погрешности и выбрать наиболее эффективные способы снижения степени наследования погрешности заготовки при изготовлении детали. Однако данная модель позволяет оценить только одну определенную геометрическую погрешность, ее трансформацию, наследование в процессе изготовления детали. Для каждой погрешности необходимо построение своей модели.
В настоящее время представлено большое число различных исследований, раскрывающих механизмы формирования отдельных элементов ТП, влияния отдельных факторов или отдельных операций. Тем не менее, они разрознены, в целом формирование показателей качества в ходе ТП изготовления какой-либо детали не рассматривается.
Практическая попытка рассмотрения ТП в целом предпринята при разработке программного продукта «Детерминированный имитатор наследственных связей» (DINS), который предназначен для анализа влияния факторов ТН и взаимного влияния на формирование показателей качества деталей в процессе их изготовления. DINS представляет собой интерактивный программный комплекс, позволяющий создавать, дополнять и редактировать базы данных коэффициентов, зависящих от условий обработки и учитывающих ТН и взаимное влияние показателей качества; анализировать в диалоговом режиме гипотезы о влиянии технологической предыстории на показатели качества обрабатываемых поверхностей; обрабатывать результаты экспериментальных исследований ТН и взаимного влияния; представлять результаты работы в наглядной графической и табличной форме.
Однако чтобы иметь возможность использовать DINS, необходимо предварительно проделать большое количество экспериментальных исследований, набрать статистические данные, чтобы определить значения коэффициентов трансформации показателей качества, что затрудняет непосредственное использование модели.
Представление процессов формирования показателей качества деталей математическими моделями позволит проанализировать их механизмы, определить факторы, оказывающие наибольшее влияние, найти пути управления данными процессами для достижения необходимых результатов.
Специалистами РГТУ им. К. Э. Циолковского («МАТИ») описана возможность моделирования ТН с помощью программного обеспечения матричных вычислений MatLab фирмы Math Works, Inc. и дополнительного пакета расширения визуального имитационного моделирования Simulink, предназначенного для моделирования динамических систем [31, 32]. В этом случае модели составляются, из отдельных блоков (компонентов). Реализация принципов визуально-ориентированного программирования позволяет набирать нужные функциональные блоки и соединять их с целью проектирования моделей сложной структуры и иерархии. При этом сложные уравнения состояния, описывающие работу системы, формируются автоматически.
Разработка структурной модели процесса формирования показателей качества
Моделирование процесса формирования показателей качества предложено проводить в три этапа. Первый этап заключается в разработке структурной модели процесса.
Процесс формирования показателей качества» при изготовлении детали можно рассматривать с позиций системного анализа. Система представляет собой прочно связанную информационную сеть. Носителем информации является поверхность детали с многообразием показателей, описывающих ее состояние. Элементы системы - этапы обработки, т.е. технологические операции или переходы, а объекты, претерпевающие различные изменения в ходе ТП, - определенные показатели качества.
Элементы системы и связи между ними достаточно полно могут быть описаны с помощью теории графов. Граф, представляющий формирование показателей качества в ходе ТП, должен быть ориентированным и ацикличным [17].
Наибольшую наглядность дает каскадный граф, сформированный на основе структуры ТП в виде последовательности этапов обработки, в котором показаны значимые функциональные связи, отражающие явления ТН и взаимного влияния показателей качества. Такой граф позволяет представить причинно-следственные связи при трансформации показателей качества.
При рассмотрении ТП изготовления валка основное внимание следует уделить обеспечению качества его рабочей поверхности. Производительность ТЭС, качество трубы во многом зависит от износостойкости поверхностного слоя и стабильности формы рабочего профиля формовочного валка в процессе работы.
Основные показатели качества валка определены на основе результатов исследований о взаимосвязи эксплуатационных свойств с показателями качества детали [1, 24, 37], фрагменты которых показаны в табл. 2 и 3. В таблицах представлены следующие показатели качества: максимальное макроотклонение (отклонение формы) Нтах, мкм; высота сглаживания макроотклонения Нр, мкм; наибольшая высота профиля волн Wmax, мкм; средняя высота волн Wz, мкм; высота сглаживания волнистости Wp, мкм; средний шаг волн Smw, мм; наибольшая высота неровностей профиля Rmax, мкм; среднее арифметическое отклонение профиля Ra, мкм; высота неровностей профиля по десяти точкам Rz, мкм; средний шаг неровностей профиля Sm, мм; средний шаг местных выступов профиля S, мм; относительная опорная длина профиля tp, %; высота сглаживания профиля шероховатости Rp, мкм; направление неровностей; поверхностные остаточные напряжения (напряжения первого рода) &ост, МПа; глубина залегания напряжений hm мкм; микротвердость (твердость поверхностного слоя) Hju, Н/мм"; глубина деформированного слоя (наклепа) hH, мкм.
Износостойкость весьма существенно зависит от таких показателей качества поверхности, как шероховатость, микротвердость и остаточные напряжения [24, 37]. На контактную жесткость влияют отклонения формы, шероховатость, микротвердость и величина остаточных напряжений.
Примечание: Влияние показателя на свойство детали: «(+)» - ограниченное; «+» - основное; «-» - отсутствует. степень упрочнения поверхности, микротвердость, а также показателями шероховатости. Коррозионная стойкость зависит в основном от шероховатости поверхности, остаточных напряжений и в некоторой степени от микротвердости. На рис. 2.3 показаны множества показателей качества, соответствующие определенным эксплуатационным свойствам валка ТЭС. Как видно из рисунка эти множества являются пересекающимися, их пересечение представляет собой множество основных показателей качества валка, формирование которых рассматривается в данной работе. Основные показатели качества включают в себя отклонения формы фасонной и посадочных поверхностей, показатели шероховатости, остаточные напряжения I рода и микротвердость.
В качестве материала при производстве валков применяются высококачественные легированные стали марок Х9М, Х12М, подвергаемые объемной закалке до твердости HRC 60...65. По типу производство валков является мелкосерийным, заготовка изготавливается из проката круглого сечения.
Из основных технологических вариантов обработки валков и, в частности, получения фасонных профилей предпочтительным является вариант, включающий токарную обработку на станках с ЧПУ с применением инструмента из сверхтвердого материала и последующую отделочно-упрочняющую обработку алмазным выглаживанием [1]. Этот вариант ТП обеспечивает получение необходимых размерной точности, шероховатости и упрочнения поверхности валка.
На основе анализа литературных источников выявлены функциональные связи, отражающие явления наследования и взаимного влияния показателей качества в процессе обработки, характерные для деталей типа тел вращения с фасонной поверхностью, представителем которых является валок ТЭС. Исследования [37] показали функциональную связь формируемых показателей качества с показателями, полученными на предшествующей стадии обработки.
Кроме того, в процессе анализа литературных данных установлены факты, характеризующие явления наследования и взаимного влияния показателей качества. Так, например, в [39] указана возможность исправления отклонения формы от круглости за счет уравновешивания локальных остаточных напряжений в поверхностном слое детали, сопровождающегося ее общей упругой деформацией. В [40] рассмотрено влияние анизотропии свойств материала детали, в частности твердости, на отклонение формы и шероховатость в процессе механической обработки. В [41] дан теоретический анализ влияния частоты изменения некруглости центровых отверстий и наружной поверхности заготовки на наследственную передачу погрешностей формы. На базе исследований механизма ТН показателей напряженного-деформированного состояния поверхностного слоя при лезвийной обработке и поверхностно-пластическом деформировании [42 - 44] разработана методика расчета остаточных напряжений, глубины и степени упрочнения поверхностного слоя. Кроме того, в [44] указано, что физико-механические показатели поверхностного слоя оказывают влияние на высотные показатели шероховатости обрабатываемой поверхности. Взаимосвязь поверхностных напряжений и микротвердости описана в [44, 45].
При ОУО ГШД формируемая шероховатость определяется ее исходной величиной. Кроме того, формируемая шероховатость будет зависеть и от исходной микротвердости особенно, как отмечается в [46], при небольших силах деформирования.
Определение отклонений реального профиля рабочей поверхности валка от теоретического, вызванных упругими отжатиями элементов технологической системы
При исследовании точения шероховатость хорошо характеризуется высотой неровностей профиля по десяти точками Rzm (мкм). В качестве факторов были выбраны исходная микротвердость Hjum0 (Н/мм ), подача Sm (мм/об), глубина резания tm (мм) и число оборотов заготовки пт (об/мин), характеризующее скорость резания.
Образцы обрабатывали на токарном станке 16К20ФЗ резцами со сменными треугольными пластинами из сверхтвердого сплава ВОК71. Чтобы снизить влияние затупления кромки режущей пластины, после 2-3 рабочих ходов осуществляли смену режущей кромки.
Из графиков видно, что изменение значения исходной микротвердости Н[лто ощутимо влияет на величину высотного показателя шероховатости. Увеличение исходной величины Н/ито на 10 % вызывает увеличение Rzm на 5 %.
Среди параметров режима обработки наиболее влиятельным при чистовом точении является подача Sm. Увеличение значения Sm на 10 % вызывает увеличение получаемого после точения значения шероховатости Rzm на 14 %. Следующим по степени влияния параметром технологической системы является число оборотов заготовки пт. С увеличением пт на 10 % значение Rzm уменьшается на 3,7 %. Наименьшее влияние на получаемое значение Rzm оказывает изменение значения глубины резания tm. При увеличении tm на 10 % Rzm увеличивается всего на 0,11%.
Во второй части эксперимента определяли зависимость среднего арифметического отклонения профиля Rae (мкм) от исходной микротвердости и параметров режимов выглаживания.
В [85] установлено, что скорость обработки, и соответственно, число оборотов заготовки не оказывают большого влияния на формирование шероховатости. Данное закрепление позволяет, поворачивая шпиндель с индикатором на определенный угол, определять отклонения реального профиля от теоретического вдоль радиуса профиля детали.
Величину отклонения профиля регистрировали посредством показывающего прибора с индуктивными преобразователями модели 276, предназначенного для измерения линейных перемещений.
В случае, если профиль детали, ограничен несколькими радиусами, необходимо последовательно измерять каждый участок, настраивая измерительную установку на соответствующий радиус. Участки, ограниченные большими радиусами (более 100 мм), можно измерять, перемещая деталь с помощью координатного устройства станка по координатам, соответствующим теоретическому профилю продольного сечения. Настройка измерительной установки проводится в три этапа: 1) определение диаметральной плоскости перемещением шпинделя с датчиком в вертикальном направлении. При этом наименьшие показания индикатора соответствуют требуемому положению. 2) определение центра сечения поворотом шпинделя. Для совмещения оси вращения с центром сечения профиля необходимо добиться одинаковой величины отклонений датчика в крайних точках профиля. 3) настройка на радиус, определяющий обрабатываемый профиль, перемещением оправки с индикатором в радиальном направлении. При этом отклонения в середине и в крайних точках профиля должны быть равны нулю.
Аналогичным образом был измерен профиль продольного сечения образцов. Показания индикатора считывали, через каждые 5. В результате получили графики, отражающие отклонения реального профиля от теоретического (дуги окружности). Примеры измерений для нескольких образцов представлены на рис. 4.13. Плавной дугообразной линией показаны расчетные величины отклонений Аі продольного сечения профиля.
Влияние исходной микротвердости на шероховатость, получаемую после точения
Рассмотренная выше математическая модель процесса трансформации показателей качества позволяет исследовать различные варианты технологических процессов, определять параметры режимов обработки, необходимые для получения требуемых показателей качества, а также выяснять за счет каких параметров возможно и целесообразно управлять процессом их формирования. Несомненно, исследование большого количества вариантов должно происходить с использованием ЭВМ. Следовательно, требуется разработать компьютерную модель процесса трансформации показателей качества.
В общем случае для эффективной работы автоматизированная система исследования и проектирования ТП должна обладать возможностями: 1) удобной перекомпоновки элементов системы, изменения семантических связей между ними; 2) аналитического и/или имитационного моделирования ТП и их отдельных элементов, а также инвариантностью к способам описания компонентов; 3) подключения новых элементов технологической системы; 4) анализа работоспособности технологической системы как в целом, так и в отдельной локальной области; 5) исследования зависимостей выходных показателей качества от изменения значений параметров режимов обработки.
Данным требованиям отвечает программный комплекс «Моделирование В Технических Устройствах» (ПК «МВТУ»), разработанный на кафедре Э7 «Ядерные реакторы» МГТУ им. Н. Э. Баумана. Среди достоинств ПК можно отметить: открытость за счет реализации в нем нескольких механизмов обмена данными с внешними расчетными программами, а также за счет встроенного интерпретатора математических функций; принцип вложенности структур (глубина вложенности неограниченная), что особенно актуально при моделировании сложных динамических систем; наличие наиболее полной Общетехнической и ряда Специализированных библиотек типовых блоков; функционирование в любой версии Windows, наличие подробной контекстной справочной системы, эффективность в отраслевых разработках и учебном процессе.
При моделировании ПК «МВТУ» дает возможность добавлять к «основной» динамической системе новую «параллельную» систему в виде вложенной субмодели, отдельно задавать коэффициенты системы уравнений и описание уравнений динамики «параллельной» системы, а также реализовывать «беспроводный» обмен данными между «основной» и «параллельной» системами с использованием специальных блоков «В память» и «Из памяти». Такие действия, в целом, не доступны в среде других ПК аналогичной направленности (ни в российских, ни в зарубежных), и частично могут быть выполнены только в среде наиболее популярного зарубежного ПК Simulink.
Моделируемый процесс представляется в «Активном окне» комплекса «МВТУ» в виде структурной схемы, состоящей из блоков. Библиотека типовых блоков ПК «МВТУ» включает источники входных воздействий с различными временными зависимостями, линейные и нелинейные преобразователи, разнообразные математические операции, динамические звенья и др.
Для случаев наличия в модели сложных функциональных преобразований, когда использование элементарных типовых блоков может привести к неоправданному усложнению структурной схемы предусмотрены блоки «Новый» и «Язык программирования». Они являются «нестандартными» типовыми блоками библиотеки «Динамические звенья» и позволяют прямо в процессе работы создавать блоки со своими оригинальными математическими моделями.
Просмотреть результаты моделирования можно в графических окнах. Они могут быть представлены временными графиками, графиками вида у = f(x), фазовыми плоскостями и пр.
На рис. 5.1 - 5.3 показана разработанная компьютерная модель [86] процесса формирования показателей качества валка ТЭС. Отдельные ее части соответствуют ветвям графа (см. рис. 2.6, раздел 2.2).
Основное меню и панель инструментов для работы с файлами (создание, сохранение, выбор метода моделирования, задание времени и шага интегрирования, запуск процесса расчета и пр.) расположено в «Главном окне» программного комплекса (рис. 5.4).
Сама модель расположена в «Активном окне модели». Модель формируют, добавляя в «Активное окно» блоки из «Линейки типовых блоков». Соединение блоков линиями связи осуществляется с помощью «мыши».
При наведении курсора на блок и двукратном щелчке левой кнопкой «мыши» открывается диалоговое окно блока, которое является окном текстового редактора алгоритмов - «Редактора интерпретатора математических функций». В этом окне можно описать, математическую модель на языке близком к языку Paskal. При необходимости в окне общих параметров и диалоговых окнах блоков типа «Язык программирования» можно добавлять текстовые пояснения, отделив их от формул двойной косой чертой или фигурными скобками.
Таким блоком является, например, блок 2 задания геометрии обрабатываемой поверхности и расчета составляющих силы резания, соответственно разделу 3.1. Содержание блока 2 показано на рис. 5.6, при этом каждому элементу расчета соответствуют свои подпрограммы.
Аналогично представлен и- расчет отклонений реального профиля от теоретического. В блоке 3 на основе приведенного в. разделе 3.2 математического описания- процесса возникновения отклонений" для рассматриваемого валка ТЭС с двухрадиусным профилем разработана программа, позволяющая определять отклонения на двух участках профиля валка с соответствующими радиусами. При этом радиусы заданы в окне «Редактора Глобальных параметров», следовательно, не изменяя программу, задавая- нужные значения- радиусов, можно исследовать различные двухрадиусные валки. На рис. 5.7 показано-окно блока 3 расчета отклонений профиля, на рис. 5.8 - полученные в результате расчета-графики отклонений профиля в продольном сечении в виде графика у = f(x) (где .у — величина отклонения, мм; х - координата точки профиля поверхности, мм), которые соответствуют блокам 4А, 4Б модели.
