АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРУЙНЫХ...

9284

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ ВСПУ-2014

Москва 16-19 июня 2014 г.

УДК 004.925.8

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРУЙНЫХ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ

А.М. Касимов

Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Россия, 117997, Москва, Профсоюзная ул., 65

E-mail: [email protected]

А.В. Балабанов



А.И. Попов



А.Е. Артамонов



Ключевые слова: автоматизация производства, 3D-модель, струйное устройство управления

Аннотация: В статье представлен метод, позволяющий автоматизировать процесс производства струйных устройств управления. Метод основан на применении интерактивных средств 3D-моделирования и формировании с их помощью физических моделей струйных элементов, используя технологию послойного отверждения жидкого фотополимера. В настоящее время предложенный метод используется при изготовлении прототипов промышленных изделий с целью отработки решений, связанных с компоновкой, эргономикой и дизайном. Для изготовления полнофункциональных образцов струйной техники метод применен впервые. Описаны основные операции алгоритма построения физической модели. Представлены результаты лабораторных исследований экспериментального образца струйного генератора, созданного при помощи предложенного метода.

1. Введение

Существующие электронные системы управления, обрабатывая гигантские объемы информации для формирования управляющих сигналов, оказались весьма уязвимыми относительно новых искусственных дестабилизирующих внешних воздействий в виде направленных электромагнитных, гамма, лазерных и др. излучений. Такие воздействия являются поражающими факторами для электротехнических компонентов, вызывают их многочисленные сбои и отказы.

9285



Приведенные поражающие факторы физически не влияют на выполнение функциональных операций струйными элементами, т.к. принцип их работы базируется на газодинамических эффектах, таких как взаимодействия струйных течений между собой, со стенками рабочих каналов (эффект Коанда), вихревые течения и т.д. Эти физические процессы по своей природе механические, и на них не действуют электромагнитные поля.

Полезные свойства струйной техники привлекли интерес к ее использованию в качестве средств автоматики неэлектрической природы для построения систем управления, работоспособных в условиях воздействия электромагнитных полей большой мощности [1]. В этой связи, важным является совершенствование характеристик струйных устройств, что может быть достигнуто при наличии развитых средств 3D-моделирования и экспериментальной базы.

В [2, 3] представлены теоретические основы проектирования струйной техники, в [4, 5] рассмотрен ряд прикладных задач. В [6] представлена система автоматизированного проектирования средств автоматики на элементах высокотемпературной струйной техники.

В настоящее время основным конструктивным решением высокотемпературных струйных элементов является их выполнение в виде перфорации соответствующих конфигураций в пластине. При этом толщина пластины определяет глубину струйного элемента с соответствующими сечениями проточных сопел, обеспечивающих в зависимости от давления питания рабочего газа их входные и выходные характеристики. Конкретная конфигурация (геометрический профиль) струйного элемента выполняет элементарную функциональную операцию (усиление, реле, триггер и др.). Высокотемпературные струйные элементы выполняются вырезанием их функциональных профилей в пластинах из жаропрочной стали на программных электроэрозионных станках. Пластины с элементами и разделительными между ними прокладками стягиваются крышками в блоки – управляющие устройства и регуляторы с информационными сигналами на входе и выходе в виде уровней давления и расхода рабочей среды.

Для других применений струйная техника изготавливается из пластмасс методом литья под давлением.

Применение вышеперечисленных методов связано с относительно большими затратами на проектирование и изготовление оснастки, дорогостоящее производственное оборудование, которое должно функционировать в условиях специально подготовленной производственной среды.

В статье предложен метод автоматизации производства струйных устройств управления, основанный на применении интерактивных средств 3D-моделирования и формировании с их помощью физических моделей, используя технологию послойного отверждения жидкого фотополимера. Метод является аналогом лазерной стереолитографии, но вместо лазера используется источник с цифровой обработкой света (Digital Light Processing). Послойное отверждение фотополимеров при помощи DLP-устройств широко используются в 3D-принтерах при изготовлении прототипов промышленных изделий с целью отработки, главным образом, решений, связанных с компоновкой, эргономикой и дизайном. Для изготовления полнофункциональных экспериментальных образцов струйной техники метод применен впервые.

9286



2. Описание метода

Изготовление струйных элементов при помощи послойного отверждения фотополимера имеет следующие преимущества: 1) отсутствует необходимость в оснастке; 2) низкая трудоемкость; 3) возможность получения образца изделия только на основе его электронной 3D-модели, без применения чертежей; 4) относительно недорогое производственное оборудование может быть размещено непосредственно в исследовательской лаборатории.

Рис. 1. 3D-модель струйного генератора в формате CAD-системы (а) и ее представление в виде множества конечных элементов (б).

На первом этапе создания образца изделия выполняется построение его 3D-модели

(рис. 1а) и представление ее структуры данных в виде множества конечных элементов, используя в качестве способа кодирования данных формат *.stl (рис. 1б).

Рис. 2. 3D-модель струйного генератора с технологическими поддержками.

На втором этапе выполняется исправление геометрических и топологических

ошибок, возникших в структуре данных 3D-модели в результате выполнения над ней операций преобразования.

За редактированием структуры данных следуют операции построения технологических поддержек (рис. 2), необходимых для изготовления «висячих» поверхностей и уменьшения риска повреждения готового изделия при отделении его от технологической платформы.

Рис. 3. Пример послойных сечений.

9287



Послойное отверждение фотополимера выполняется при помощи 3D-принтера

(например, [7, 8]) в соответствии с конфигурацией сечений электронной 3D-модели в каждом текущем слое. На основе 3D-модели с технологическими поддержками, специализированным программным обеспечением формируется массив послойных сечений (рис. 3), которые последовательно проецируются на жидкий фотополимер при помощи DLP-проектора.

Рис. 4. Пример расположения деталей на технологической платформе. При помощи выбора соответствующего технологического режима, для первого

слоя задается требуемая адгезия к поверхности перфорированной платформы (рис. 4), чтобы обеспечить формирование последующих слоев без отрыва заготовки и, при этом, относительно легкое извлечение готовой детали. Начальные слои содержат только технологические поддержки, последующие слои формируют основную деталь и могут включать технологические поддержки при наличии в модели «висячих» поверхностей.

Рис. 5. Пример готовой детали без технологических поддержек. После формирования всех слоев, готовая деталь снимается с платформы,

технологические поддержки удаляются. Пример готовой детали приведен на рис. 5.

9288



3. Экспериментальные результаты

Рис. 6. Экспериментальный образец трехкаскадного струйного генератора, изготовлен-ного методом послойного отверждения фотополимера.

С целью апробации предложенного метода проведены лабораторные испытания

специально изготовленного экспериментального образца трехкаскадного струйного генератора, изображенного на рис. 6: исследованы характеристики в координатах «частота – расход» и «перепад давления – расход» (рис. 7).

Рис. 7. График зависимостей f = F(Q) и ∆Р = F(Q) струйного генератора, изображенного на рис. 6.

Нижняя кривая на рис. 7 определяется линейным уравнением у = nх + m с

квадратичным отклонением R2 = 0,999. При этом зависимость частоты переключения (f) от расхода (Q) аппроксимируется кривой, полученной экспериментально. Отклонения находятся в пределах 1,5%.

Верхняя кривая, отражающая зависимость перепада давления (∆Р) от расхода (Q) квадратичная вида у = ах2 + в х с. При этом частота переключения аппроксимируется экспериментально полученными кривыми, которые показывают отклонения в пределах менее 1%.

9289



Рис. 8. График зависимости ошибки измерения расхода от диапазона измерений.

Изменение параметра потока по перепаду давления ∆Р происходит по квадратичной зависимости типа у = а х2 + в х с. При этом ошибка измерения расхода Q находится в пределах 1,5% по всему диапазону измерений (рис. 8).

4. Заключение

В статье предложен метод автоматизации производства струйных устройств управления, который за счет применения интерактивных средств 3D-моделирования позволяет изготовить образцы устройств на основе их геометрических моделей, без применения чертежей, оснастки, дорогостоящего оборудования и специально подготовленных производственных помещений. В результате проведенных лабораторных исследований показано, что предложенный метод позволяет получить струйные элементы с заданными рабочими характеристиками. Дальнейшее направление работ по совершенствованию предложенного метода связано с повышением точности размеров и миниатюризацией струйных элементов с целью повышения степени интеграции струйных устройств управления, повышения их надежности и расширения области применения.

Список литературы

1. Ахметзянов А.В., Ермолаев А.И., Касимов А.М., Лункин Б.В. Измерительные вычислительные системы для контроля и учета продукции газодобывающих и газотранспортных предприятий // Газовая промышленность. 2006. № 10. С. 69-73.

2. Касимов А.М., Мамедли Э.М., Попов А.И., Чернявский Л.Т. Радикальное повышение быстродействия элементной базы резервных систем управления летательными аппаратами // Датчики и системы. 2005. С. 29-33.

3. Касимов А.М., Мамедли Э.М., Мельников Л.И. Вопросы разработки и реализации разнородной системы управления летательным аппаратом // Датчики и системы. 2012. № 5. С. 2-6.

4. Касимов А.М., Беляев М.М., Попов А.И. Струйные расходомеры – новые приборы измерения объемного и массового расходов текучих продуктов //«ПНЕВМОАВТОМАТИКА – 99». Тезисы докладов Всероссийской конференции. Москва, 23-24 ноября, 1999. М.: Наука, 1999. С. 120-121.

5. Беляев М.М., Касимов А.М., Попов А.И. Измерение расхода потоков технологических текучих сред. // Вторая научная конференция «Автоматизация в промышленности». Москва, 14 апреля 2008 года. М.: Институт проблем управления им. В.А. Ьрапезникова РАН, 2008. С. 81-90. ISBN 978-5-91450-008-2

6. Артамонов Е.И., Артамонов А.Е., Балабанов А.В., Касимов А.М., Кузичев И.В., Попов А.И., Ромакин В.А., Сизова Л.Н. Разработка системы автоматизированного проектирования средств автоматики на элементах высокотемпературной струйной техники // Труды 12-й Международной конференции «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами

9290



жизненного цикла промышленного продукта» CAD/CAM/PDM-2012 М.: ООО «Аналитик», 2012. С. 22-27.

7. Артамонов Е.И., Балабанов А.В., Ромакин В.А. Программно-технические средства для реализации технологий быстрого прототипирования // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2013. № 1. С. 56-59.

8. Артамонов Е.И., Артамонов А.Е., Балабанов А.В., Ромакин В.А., Савельев К.А., Сизова Л.Н. Система автоматического изготовления сложных прототипов деталей методом послойного отверждения полимеров // Труды 13-й Международной конференции «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта» CAD/CAM/PDM-2013. М.: ООО Аналитик, 2013. С. 10-13.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРУЙНЫХ...

Documents