Формирование конструктивно-технологических параметров сборочных и резьбообразующих операций на основе самоорганизующихся имитационных моделей

Кулеш Ирина Михайловна, аспирантка Шигаева Елена Вадимовна, аспирантка

Одна из первых попыток создания подобных моделей применительно к резьбообразующих и резьбосборочным операциям предпринята в работе [2]. В ней процесс рассматривается как система, на которую одновременно воздействует масса параметров, носящих детерминированный и случайный характер. Их проявление может непредсказуемым образом влиять на результаты технологического процесса, характеристики получаемых резьбовых поверхностей и соединений. Системное представление операции связанно с анализом большого количества информации, относящейся к различным структурным составляющим системы. Первым этапом разработки является параметрический анализ, основанный на детальном изучении производства технологической операции и ее материального обеспечения. Следующим этапом является имитационное моделирование, в результате которого формируется виртуальная вычислительная параметрическая модель, отражающая ход выполнения операции. Испытание данной модели позволяют установить такие условия, которые обеспечивают высокие качественные показатели, например, процесса сборки и получаемых соединений.

Структурная схема имитационной системы, разработанной для сборочно-резьбообразующих процессов представлена на рис. 1. Вначале производится ввод исходных данных D 1 , которые включают диаметры резьбы и допуски, шаг, глубина завинчивания, твердость корпусного материала и т.д. На их основе производится расчет промежуточных данных:

диаметр отверстия под резьбу, осевое усилие наживления, необходимую изгибную жесткость завинчивающей оснастки, предельный угол смещения крепежной детали, предельный крутящий момент и прочие ( D 2 ). На основе этих данных, а также на ранее полученных экспериментальных моделях рассчитываются данные сборочного процесса D 3

D з э I ( M кр , to, ® h , P u , A M , N , T , )

, где Mкр; ΔМ – крутящий момент сборки и амплитуда его колебаний соответственно; ω, ωН – угловая скорость завинчивания и наживле-ния соответственно; PU – изгибающее усилие в момент наживления; N – затраты мощности на сборку; Тз – время завинчивания.

Рис. 1. Блок-схема имитационной модели сборочно-резьбообразующего процесса

Данные D 3 графически представляются в блоке визуализации во временном или пошаговом масштабе, например M кр = f (z) , где z – номер витка резьбы на глубине завинчивания. Далее рассчитываются параметры получаемого соединения D 4 , образующие следующую совокупность

D4 э I(Kc, Q, dik, Hупр, Уф ) , где Kс – коэффициент эффективности стопорения; Q – прочность витков резьбы; d1k – внутренний диаметр сформированной резьбы гнезда; Hупр – глубина упрочнения внутренней резьбы; γф – фактический угол перекоса оси установленной крепежной детали.

Оценка качества выполнения операции и получаемых соединений производится на основе комплексной целевой функции, в которую входят часть параметров D 3 и D 4

5 = a 1 K_c + a 2 K h + a 3 K_t + a ₄ K _A +

+ a5 KM + a6 Kg + a7 KN ^ min где a1…a7 – приоритетные оценочные коэффициенты; Kh – коэффициент полноты сформированного резьбового профиля; Kt – коэффициент производительности; KΔ – коэффициент стабильности протекания процесса завинчивания; KM – коэффициент силовой напряженности процесса; Kδ – коэффициент интенсивности радиальных давлений в резьбовом контакте; KN – коэффициент затрат мощности на процесс.

Расчетные формулы коэффициентов приведены в работе [3].

Перед вычислением целевой функции S данные D 3 и D 4 поступают в блок ограничений, где проверяется выполнение ряда условий:

W \ ^ тяV ;

max уф ^ y р;

' М к + АМ <[ М J

5 <5

С⁷<  ^max ,

где ω max – предельное значение угловой скорости; γ р – расчетный угол перекоса крепежной детали; δ max - предельное значение припуска.

Если определенные условия не выполняются, то вначале выделяются, а затем корректируются те параметры, которые приводят к выполнению этих условий. После этого повторяется вся цепочка вычисления параметров D 1 , D 2 , D 3 , D 4 и функции S i . В состав корректируемых параметров входят следующая совокупность, которая относится ко всем четырем группам ( D 1 – D 4 )

D k Э 1 ( 7 ; , T 0 , l,Ф,d 0 , f 0 ,n,to,HB , P )

где Т d , Т 0 – допуски наружного диаметра охватываемой резьбы и диаметра отверстия гнезда соответственно; l – глубина завинчивания; φ – угол фаски на торце резьбообразующей детали;

d 0 – диаметр отверстия под резьбу; η – коэффициент полноты внутреннего резьбового профиля; НВ – твердость материала гнезда; Р – шаг резьбы.

Их изменения, как правило, не связанны с жесткими требованиями чертежа и технического задания. Однако, два последних ( НВ , Р ) не входят в это число, но, тем не менее, при невыполнении условий системы (1), приходиться корректировать и их. Например, при высоких значениях крутящих моментов, переходят к меньшим шагам или некоторому снижению твердости материала. После повторной коррекции и вычислений, рассчитывается значение S i+1 и т.д., до тех пор, пока не выполняется условие S i+1 i и все условия в блоке ограничений. Тогда будет считаться, что S i+1 =S min и сформируется команда К , которая приведет к печати всех интересующих параметров сборки.

Сущность взаимосвязей между исходными, промежуточными и результирующими параметрами носит различный характер вероятностный, силовой, геометрический (конструктивный), физико-механический и т.д. Общая схема связей представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структура формирования взаимосвязей между расчетными параметрами имитационной системы

Указанная структура установлена на основе разработанного единого аналитического аппарата, включающего теоретические и экспериментальные формулы параметров групп D2, D3, D4, а также соотношения вероятностного характера, в которых параметры представлены в виде спектров распределения с величинами математических ожиданий, доверительных интервалов, коэффициентов асимметрии и т.д. В этом случае параметры, условия реализации процесса и значения целевой функции вычисляются по соответствующей методике обработки статистических данных. Временные показатели хода реализации процесса отображаются в блоке визуализации, фрагмент которого представлен на рис. 3. Графическое представление величин позволяет оперативно реализовать на создавшуюся ситуацию и вносить определенные коррекции параметров DK через блок интерактивного управления.

Рис. 3. Представление расчетных величин выполнения операций:

а) кривая крутящего момента; б) характер изменения угловой скорости;

в) кривая изменения осевых и изгибающих усилий; г) график мощности завинчивания

Выводы: применение подобных систем имитационного моделирования позволяет автоматизировать процесс получения оптимальных конструктивно-технологических параметров сборочной операции, а также готовить данные для разработки материальной части сборочных машин и их систем управления.