Последовательность моделирования структуры системы
Моделирование структуры сложных технических систем по данным Бусленко Н.П. включает в себя следующие основные этапы:
Декомпозиция системы или ее расчленение на подсистемы до требуемого уровня.
Содержательное описание работы каждой из подсистем и системы в целом.
Принятие допущений.
Разработка формализованных схем и моделей.
Переработка формализованных схем в математическую модель системы.
2,Декомпозиция систем
При декомпозиции система разделяется на отдельные подсистемы и элементы. При этом устанавливаются все связи каждой из подсистем с окружающей средой и друг с другом. Декомпозиция является достаточно сложным и трудоёмким этапом. Приведем пример декомпозиции операции круглого наружного шлифования, рис 2.
|
Рисунок 2. Схема связей между подсистемами операции шлифования (цифрами обозначены входные и выходные переменные, перечень которых приведен в таблице 5) |
По функциональным признакам операция может быть разбита на подсистемы станка, приспособления, инструмента, заготовки, СОЖ [3]. Каждая из подсистем имеет свой набор свойств, параметров состояния, историю развития, вектор входных и выходных переменных, вектор возмущающих воздействий. Управление процессом осуществляется подсистемой станка, в которую может быть включена и подсистема приспособления. При обработке на автоматизированном оборудовании в целях организации управления необходимо выделять также подсистему числового программного управления. При включении станка его узлы и исполнительные элементы начинают перемещаться, изменяются координаты (параметры состояния) подсистем. Через узлы приспособлений движущие силы и моменты передаются на вход подсистем заготовки, инструмента, СОЖ. При сближении инструмента и заготовки вследствие упругих деформаций в технологической системе появляется радиальное давление инструмента на изделие [3], под действием которого абразивные зерна внедряются в обрабатываемый материал, возникает зона контакта инструмента с заготовкой.
Выделение зоны контакта в отдельную подсистему (см. рисунок 2) несколько условно, так как она представляет собой область взаимного проникновения абразивных зерен в обрабатываемый материал и выступов неровностей заготовки в промежутки между зернами. В то же время в зоне контакта протекают сложные процессы, не присущие по отдельности ни инструменту, ни заготовке. При движении кромки инструмента очерчивают в пространстве заготовки поверхности резания. Ординаты точек образуют последовательность, которая является случайным многомерным процессом. Совокупность таких поверхностей резания может рассматриваться как случайное поле.
Процесс резания в зоне контакта сопровождается пластическими, упругими, температурными деформациями, химическим взаимодействием обрабатываемого материала, инструмента, компонентов СОЖ. Одновременно с копированием формы кромок возникают волны пластической деформации, скалывание и вырывание поверхностных слоев материала заготовки, налипание и приваривание частичек материала, заторможенного на режущих кромках инструмента и в порах круга. В результате изменяются размеры ранее сформированных неровностей. На поверхности появляются царапины, кратеры, выступы, по форме, распределению и размерам относящиеся к различным совокупностям. Процессы пластических, упругих деформаций, хрупкого разрушения зависят от геометрии, кинематики и динамики движения режущих кромок и поэтому могут быть отнесены ко вторичным процессам формообразования. Их случайные поля, как правило, коррелированны с совокупностью поверхностей резания.
Процессы стружкообразования, контакта и трения инструмента с обрабатываемым материалом связаны с появлением сил резания, выделением большого количества тепла, износом и разрушением режущих кромок. Силы резания и тепловой поток вызывают упругие и температурные деформации инструмента, заготовки, узлов станка, приспособления, что приводит к изменению их пространственного расположения и соответствующему изменению размеров и формы зоны контакта. Износ и разрушение кромок обуславливают изменение их числа, формы, распределения, что, в свою очередь, влияет на параметры совокупности поверхностей резания, процессы стружкообразования, параметры обрабатываемой поверхности.
В структурной схеме (см. рисунок 2) [3] это отражено обратными связями, без учета которых, часто бывает невозможна качественная и, в особенности, количественная оценка процесса. Наиболее характерно это для чистовых процессов обработки заготовок абразивного инструмента, для которых точность прогноза должна быть на порядок выше, чем для операций предварительной обработки.
При выполнении системно-структурного анализа необходимо описание свойств подсистем, связей между ними, законов функционирования подсистем и системы в целом. Свойства подсистем включают: временные, пространственные, пространственно-временные, физико-механические и химические характеристики. Входные и выходные переменные отражают связи (отношения) в системе и образуют ее структуру. Переход входных переменных к выходным осуществляется через параметры состояния подсистем.
Последовательный анализ свойств, связей, состояний, законов функционирования подсистем обеспечивает их полное пространственно-временное описание. Так, для подсистемы абразивного инструмента устанавливают:
Временные характеристики (календарь подсистемы):
а) время работы инструмента до полного износа; б) стойкость инструмента между правками; в) время обработки заготовки; г) время прохода; д) время оборота заготовки; е) время оборота круга; ж) время прохождения зерном зоны контакта; з) бесконечно малый промежуток времени.
Входные переменные и начальные условия:
а) начальное пространственное положение; б) исходная геометрия рабочей поверхности инструмента, физико-механические свойства зерна и связки; в) начальная температура; г) движущие силы и моменты; д) силы и моменты реакций; е) скорость износа инструмента; ж) скорость изнашивания и разрушения режущих кромок; з) тепловой поток из зоны контакта; и) параметры, характеризующие влияние на инструмент СОЖ; к) изменение количества, геометрии и свойств налипающих частичек материала.
Координаты (параметры) состояния:
а) координаты положения относительно системы; б) скорости и ускорения движения инструмента и режущих кромок; в) текущая температура; г) текущие размеры, форма инструмента, число, форма, распределение режущих кромок, пор; д) физико-механические и химические свойства материалов зерна и связки; е) количество, геометрия и свойство налипающих частичек материала.
Выходные переменные:
а) координаты положения относительно заготовки; б) скорости движения инструмента и режущих кромок; в) размеры, форма инструмента, число, форма, распределение режущих кромок; г) физико-механические и химические свойства материала зерна и связки; д) количество, геометрия и свойства налипающих частичек материала; е) параметры теплового потока в СОЖ, станок и среду.
Подробный анализ основных параметров состояния, входных и выходных переменных для других подсистем выполнен в таблице 5. На структурной схеме (см. рисунок 1) входные и выходные переменные отмечены соответствующими цифрами, что позволяет дать наглядное представление связей между подсистемами. Так, в подсистему инструмента поступают выходные переменные из подсистем станка 2, 1, зоны контакта заготовки с кругом 1, 2, 3, 4, 5. Выходные переменные подсистемы инструмент поступают на входы подсистем станок-приспособление,
Таблица 5 - Основные входные переменные, параметры состояния и выходные переменные операции шлифования.
Подсистема |
Входные переменные, начальные условия |
Параметры состояния |
Выходные переменные |
Станок, приспособление |
1. Начальные технические данные станка-приспособле-ния 2. Начальные характеристики положения деталей станка 3. Начальная температура узлов станка 4. Параметры настройки станка 5. Силы реакций инструмента 6; 7. Тепловой поток от заготовки и инструмента 8. Реакции СОЖ |
1. Текущие технические данные станка, приспособления 2. Текущие характеристики пространственного положения узлов и деталей 3. Скорости и ускорения движения деталей 4. Силы и реакции в системе станок-приспособление 5. Текущая температура узлов и деталей |
1. Пространственное расположение исполнительных механизмов 2. Движущие силы инструмента 3. Движущие силы заготовки 4. Движущие силы СОЖ 5. Тепловой поток в среду 6. Износ узлов и деталей станка 7. Расход электроэнергии и материалов |
Инструмент |
1. Начальное пространственное положение 2. Начальная геометрия рабочей поверхности инструмента, физико-механические и химические свойства зерна и связки 3. Начальная температура 4. Движущие силы 5. Силы реакции 6. Скорость износа инструмента 7. Скорости изнашивания и разрушения режущих кромок 8. Изменение количества, гео-метрии и свойств налипаю-щих частичек материала 9. Тепловой поток из зоны контакта 10. Химическое и механиче-ское воздействие СОЖ |
1. Координаты положения относительно системы 2. Скорости и ускорения движения инструмента и режущих кромок 3. Текущая температура 4. Текущие размеры, форма инструмента, число, форма, распределение режущих кромок 5. Физико-механические и химические свойства материалов зерна и связки 6. Количество, геометрия и свойства налипающих частичек материала |
1. Координаты положения относительно заготовки 2. Скорости движения инструмента и режущих кромок 3. Размеры, форма инстру-мента, число, форма, расп-ределение режущих кромок 4. Физико-механические и химические свойства материалов зерна и связки 5. Параметры налипающих частичек материала 6. Тепловой поток в СОЖ, станок и среду 7. Силы, действующие от инструмента на заготовку 8. Расход инструмента 9. Силы реакций на станок, приспособление, СОЖ, среду |
Заготовка |
1. Начальное пространственное положение 2. Начальные параметры геометрии, физико-механические и химические свойства обрабатываемого материала 3. Начальная температура 4. Движущие силы 5. Силы реакций 6. Скорость съема материала 7. Изменения параметров шероховатости, физико-механических и химических свойств поверхностного слоя |
1. Координаты положения относительно системы 2. Текущие параметры геометрии, физико-механических и химических свойств поверхности и обрабатываемого материала 3. Текущая температура 4. Скорости и ускорения движения заготовки относительно системы
|
1. Координаты положения относительно инструмента 2. Скорости движения 3. Размеры, форма поверхности; размеры, форма, число, распределение единичных рисок, состояние поверхностного слоя 4. Силы, действующие от заготовки на инструмент 5. Силы реакций на станок, приспособление, СОЖ 6. Тепловой поток в СОЖ, станок, среду |
СОЖ |
1. Начальный состав и свойства СОЖ 2. Начальная температура СОЖ 3. Изменение химического состава СОЖ 3. Формы, число и размеры стружек, частиц абразива 4. Движущие силы станка 5. Силы реакций от инструмента 6. Силы реакций от заготовки 7. Тепловой поток от инструмента, заготовки, станка
|
1. Текущие характеристики состава и свойств СОЖ 2. Текущая температура СОЖ 3. Размеры и форма потоков СОЖ 4. Скорости потоков СОЖ 5. Степень загрязненности СОЖ
|
1. Охлаждающее, смазывающее и химическое действие СОЖ на заготовку, силы реакции на заготовку 2. Охлаждающее, смазывающее и химическое действие СОЖ на инструмент, силы реакции на инструмент 3. Силы реакции на станок 4. Тепловой поток в среду 5. Расход СОЖ 6. Влияние СОЖ на процессы зоны контакта |
Зона контакта |
1. Пространственное расположение инструмента 2. Скорости движения инструмента и режущих кромок 3 Размеры, форма инструмента, число, форма, распределение режущих кромок 4. Свойства материалов зерна и связки 5. Параметры налипающих на инструмент частичек материала 6. Силы, действующие от инструмента на заготовку 7. Пространственное расположение заготовки 8. Скорости движения заготовки 9. Размеры, форма обрабатываемой поверхности, размеры, форма, число, распределение единичных рисок. Свойства материала поверхностного слоя 10. Силы, действующие от заготовки на инструмент 11. Охлаждающее, смазывающее и химическое действие СОЖ |
1. Форма и размеры зоны 2. Параметры процесса стружкообразования 3. Реакции на зерно, связку, обрабатываемый материал, СОЖ 4. Текущие скорости перемещений режущих кромок в обрабатываемом материале 5. Форма, число и распределение поверхностей резания 6. Текущие размеры и форма поверхностей резания 7. Параметры процессов пластических, упругих, температурных деформаций 8. Параметры теплового поля 9. Скорость изнашивания абразивного материала 10. Размеры и форма единичных срезов 11. Вероятность вырывания и разрушения зерна 12. Форма и размеры скалывающихся частиц абразива |
1. Силы реакции на инструмент, заготовку, СОЖ 2. Тепловой поток в инструмент, заготовку, стружку, СОЖ, окружающую среду 3. Скорость износа инструмента 4. Скорость изнашивания режущих кромок 5. Изменение геометрии, числа и свойств частичек материала, налипающих на инструмент 6. Скорость съема материала 7. Изменение размеров, формы, шероховатости поверхности, физико-механических и химических свойств материала поверхностного слоя заготовки 8. Изменение химического состава СОЖ 9. Форма и размеры единичных стружек и частиц абразива |
зона контакта, заготовка, СОЖ. В среду поступают из подсистемы тепловой поток и расход абразивного инструмента.