Software & Systems

В настоящее время отмечается значительный рост разработок прикладных программных средств для поддержки научных исследований в области моделирования процессов взаимодействия режущих инструментов различных типов с обрабатываемой поверхностью.

Однако следует подчеркнуть, что моделирование процессов обработки абразивными инструментами является малоизученным вопросом и сталкивается с целым рядом проблем. Основная проблема заключается в создании вероятностной модели взаимодействия единичных абразивных зерен с поверхностью детали и имитации процесса съема материала при наличии упруго-пластических деформаций в зоне резания.

В лаборатории компьютерного проектирования абразивного инструмента Новгородского государственного университета разработаны методы, алгоритмы и программы моделирования процессов взаимодействия шлифовального круга и обрабатываемой поверхности, на основе которых создана система компьютерного моделирования.

Система предназначена для имитационного стохастического моделирования процессов взаимодействия шлифовального круга и обрабатываемой поверхности в режиме реального времени. Моделирование осуществляется на основе трехмерного представления реальных процессов динамики шлифования в среде системы AutoCad.

Отличительной особенностью системы является также возможность совмещения процесса проектирования оптимальных конструкций абразивных инструментов с исследованием их на компьютерных моделях с изменением как технологических параметров шлифования, так и параметров инструмента.

Основной компонент модели - шлифовальный круг - представлен в виде трехмерного объекта цилиндрической или любой фасонной формы. Модель шлифовального круга может быть в виде каркасного объекта, в узлах которого размещены абразивные или алмазные зерна различной формы и ориентации.

Предусмотрено также твердотельное моделирование с представлением шлифовального круга как сплошного составного объекта. Модель является параметрической, то есть каждый параметр может быть изменен с целью поиска оптимального варианта конструкции или технологического процесса. Моделируются возможные рабочие движения шлифовального круга и обрабатываемой детали.

Другим важным компонентом модели являются абразивные или алмазные зерна. Модель позволяет создавать зерна с различной формой и размерами на основе метода статистического моделирования Монте-Карло. При этом каждый параметр, характеризующий размер, форму, взаимное расположение зерен, их связку и контактное взаимодействие с обрабатываемой поверхностью, может быть представлен как случайная величина, распределенная по закону Гаусса или любому другому закону распределения.

Система (рис. 1) включает в себя следующие основные блоки:

•  блок формирования обрабатываемой по верхности, в котором моделируются как форма обрабатываемой поверхности на макроуровне, так и микронеровности с использованием метода статистических испытаний;

•  блок формирования поверхности абра зивного инструмента, где моделируется форма абразивного инструмента и расположение аб разивных зерен, полученных так же стохастиче ским моделированием.

Указанные программные блоки функционируют при взамодействии программ, использующих языки программирования Pascal, AutoLisp и С++ с обменом информацией с системой AutoCad (ACAD), которая используется как для графического представления результатов моделирования, так и для выполнения некоторых функций системы, например вращение и перемещение объектов. Применение ACAD предоставляет возможности для быстрого создания трехмерной модели любой поверхности инструмента и детали в интерактивном режиме.

На рисунке 2 приведена блок-схема алгоритма моделирования обрабатываемой поверхности и шлифовального круга, где более подробно показывается взаимодействие прикладных программ и системы ACAD через файлы обмена информацией DXF. Применение DXF-файлов позволяет передавать модели трехмерных объектов, созданные системой ACAD, в прикладные программы, которые обеспечивают вероятностное моделирование обрабатываемой поверхности шлифовального круга. Данные, полученные из DXF-файла, преобразуются следующим образом (рис. 2):

•  координаты точек X, Y для полного мно жества точек в DXF-файле и файле чертежа DWG преобразуются программой моделирова ния как случайные величины с заданными па раметрами качества Ra и Rz;

•  размеры ячеек каркасной модели, в узлах которой находятся зерна, а также начальное смещение зерен относительно узлов каркасной модели, моделируются как случайные величи ны, полученные моделированием по методу Монте-Карло с заданным законом распределе ния, дисперсией и математическим ожиданием случайной величины;

•  преобразованные параметры модели вновь передаются в файл обмена DXF, а затем в файл чертежа DWG для дальнейшей визуали зации результатов моделирования на экране.

Абразивные зерна представлены в модели как микрообъекты, построенные так же по принципу каркасного или твердотельного моделирования. Абразивные зерна размещаются внутри упруго-пластической среды-связки, параметры которой на модели могут быть изменены с целью поиска оптимального состава! вида связки.

Для оценки и анализа влияния сил резани при шлифовании на упруго-пластическую среду связки используется метод конечных элементов, который применяется на основе оригинального алгоритма с использованием аффив ных преобразований для оценки величины j формаций и напряжений в зоне шлифования.

Обрабатываемая поверхность моделируема как микроволнистая поверхность, где микро-гребешки поверхностей представлены в виде случайных величин, сгенерированных методом Монте-Карло.

На рисунке 3 приведен фрагмент модели, характеризующий взаимодействие шлифовального круга и обрабатываемой поверхности. В целях лучшей визуализации процесса имеется возможность изменять масштаб изображения (рис. 4).

- На основе имитации кинематических и динамических процессов создана параметрическая стохастическая модель взаимодействия объемов шлифовального инструмента и обрабатываемой поверхности и реальном масштабе времени.

 Рис. 3. Графическое представление взаимодействия шлифовального круга и обрабатываемой поверхности при моделировании

Система позволяет моделировать процесс съема металла после каждого шлифовального перехода с различными режимами шлифования с целью поиска оптимального варианта абразивного материала, зернистости, связки. В целях лучшей визуализации процесса имеется возможность изменять масштаб изображения.

В системе обеспечивается анализ и оптимизация технологических вариантов обработки различных деталей как при шлифовании, так и при выполнении предшествующих переходов на основе динамического программирования с учетом технологических ограничений по точности обработки. Прогнозирование точности обработки при этом так же обеспечивается на основе метода статистических испытаний Монте-Карло.

Для определения припусков и межоперационных размеров используются блоки принятия решений с использованием баз знаний и баз данных системы. При проектировании технологического процесса автоматически генерируется маршрутно-операционная карта техпроцесса с выбором станков, оснастки, инструментов и определяются технически обоснованные нормы времени.

Рис. 4. Моделирование взаимодействия абразивных зерен с микронеровностями обрабатываемой поверхности

(увеличенный фрагмент)

Таким образом, система повышает эффективность конструкторских и технологических решений при проектировании. Она позволяет провести качественный и количественный анализы влияния формы и размеров абразивных

зерен, вида и состава связки, вида абразивного материала на качество и производительность обработки.

Список литературы

1.    Аугер В. AutoCAD 11.07 Пер. с немецкого. - К.: Тор. гово-издателъское бюро BHV, 1993. - 320 с.

2. Проектирование и расчет металлорежущего инетру мента на ЭВМ: Учебное пособие для вузов / Под pet О.В. Таратынова, Ю.П. Тарамыкина. - М.: Высш. шк., 1991, -423 с.