- автоматизированная разработка программы обработки детали на станке с ЧПУ.

1.7 Выбор систем автоматизированного проектирования для выполнения выпускной квалификационной работы

Заданием является - автоматизированная разработка конструкции и технологического процесса изготовления платформы с арретиром оптического устройства.

На основании анализа для выполнения задач проектирования были выбраны следующие системы автоматизированного проектирования:

– «КОМПАС-3D» - создание трехмерных моделей деталей, оформление конструкторской документации согласно ЕСКД и ГОСТ (чертежи, спецификации);

– SolidWorks - исследование напряженно-деформированного состояния деталей и узлов;

– САПР ТП «ВЕРТИКАЛЬ» - автоматизация процессов технологической подготовки производства.

В результате анализа методов и систем автоматизированного проектирования конструкций и технологических процессов, был определён необходимый и достаточный набор САПР для успешного выполнения поставленных задач.

2. Разработка методики автоматизированной разработки конструкции и технологии изготовления платформы с арретиром оптического устройства

Рассмотрим методику проектирования с использованием САПР. На выбор методики влияет возможности выбранных систем и приемы работы в них.

При разработке методики автоматизированного проектирования конструкторско-технологической документации необходимо максимально использовать возможности и приемы работ используемой среды.

2.1 Способы создания графических изображений в САПР К и ТП

Графические изображения с САПР создаются проектировщиком с использованием специальных программных систем, так называемых, графических редакторов. В процессе выполнения данного дипломного проекта использовались системы «КОМПАС-3D» и «SolidWorks» для создания трехмерных геометрических моделей деталей, сборочных единиц и чертежей.

В настоящее время рассматривают три основных способа автоматизированного создания графических изображений в САПР К и ТП:

- графическое редактирование (создание графических изображений в САПР К и ТП осуществляется проектировщиком с использованием специальных программных систем - графических редакторов);

- графическое программирование (предварительно разрабатывается и отлаживается программа на специальном языке программирования, предназначенном для этой цели; результат работы такой программы - числовые данные и графические изображения);

- параметризация изображений (создание параметрических моделей объектов).

При проектировании использовалось сочетание данных способов.

2.2 Создание трехмерных моделей деталей

Графические изображения деталей осуществляется способом графического редактирования. Этот способ еще называют иначе способом "электронного кульмана". Основу этого способа составляет графический редактор, обеспечивающий создание графических изображений методом синтеза из элементов и фрагментов.

Элементами выступают так называемые графические примитивы. Для того чтобы построить двумерные изображения применяются такие примитивы: точка, отрезок, окружность, дуга, кольцо, эллипс, многоугольник и т. д. Для построения трехмерных изображений используются следующие примитивы: параллелепипед, конус, вогнутая полусфера и другие.

Создание геометрической модели начинается с основания. Выбирается базовая плоскость, на которой строится эскиз основания. Эскиз должен быть полностью определен, т. е. проставлены все размеры, взаимосвязи и ограничения элементов эскиза (состояние эскиза определяется по его цвету).

При создании контура нет необходимости точно выдерживать требуемые размеры. Самое главное на этом этапе - задать положение его элементов, затем, благодаря тому, что создаваемый эскиз полностью параметризован, можно установить для каждого элемента требуемый размер.

Трёхмерные твёрдотельные геометрические модели проектируемых деталей создаются с помощью операций выдавливания, вращения, построение за счет листового тела [5].

Построение тела начинается с создания его основания путем выполнения операции над эскизом (или несколькими эскизами). При этом доступны следующие типы операций:

- Выдавливание эскиза в направлении, перпендикулярном его плоскости (рисунок 2.1).

а)

б)

Рисунок 2.1 - Выдавливание эскиза:

а - эскиз; б - элемент, образованный операцией выдавливания

Вращение эскиза вокруг оси, лежащей в его плоскости (рисунок 2.2).

Режимы визуализации полученной модели позволяют просматривать ее каркасное или реалистичное изображение. Для повышения качества тонированных изображений могут быть изменены физические характеристики поверхности детали (текстуры) и назначены дополнительные источники света.

Таким образом, при помощи системы «КОМПАС 3D» были построены трехмерные твердотельные модели всех необходимых деталей, на основе которых в дальнейшем можно создавать виды, разрезы и сечения для последующего использования их на чертежах, эскизах и т.д.

а)

б)

Рисунок 2.2 - Вращение эскиза:

а - эскиз; б - элемент, образованный операцией вращения.

Построение за счет элемента листового тела (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Построение листового тела:

а - эскиз; б - элемент, построенный операцией листового тела

Рассмотрим создание модели «Втулка». Создание модели начинается с создания эскиза (рисунок 2.4). Как правило, эскиз представляет собой сечение объемного элемента.

Рисунок 2.4 - Эскиз 1

Команда «Операция выдавливания» позволяет выдавливать контур, которым является эскиз (рисунок 2.4), в определенном направлении на заданное расстояние (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Операция вращения

Создаем следующий эскиз (рисунок 2.6)

Рисунок 2.6 - Эскиз 2

Используем « Операцию вырезать выдавливанием». Выдавливаем эскиз (рисунок 2.6), в определенном направлении на заданное расстояние (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7 - Вырезать элемент выдавливания

Далее строим третий эскиз(рисунок 2.8).

Рисунок 2.8 - Эскиз 3

Повторяем «Операцию вырезать выдавливанием» к другому элементу детали (рисунок 2.9).

Рисунок 2.9 - Вырезать выдавливанием

Следующим шагом будет создание отверстий (рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 - Эскиз 4

Применяем «Операцию вырезать выдавливанием» на расстояние толщины детали и получаем сквозные отверстия (рисунок 2.11).

Рисунок 2.11 - Вырезать выдавливанием

Затем создаем резьбу, для этого выполняем операцию «Условное изображение резьбы», применив на грань отверстия (рисунок 2.12) и при помощи команды «Фаска» создаем фаски (рисунок 2.12).

Рисунок 2.12 - Модель «Втулка»

Параметры всех созданных конструктивных элементов доступны для изменения, так что в любой момент работы можно изменить произвольный параметр эскиза или базового тела и выполнить затем полную перестройку модели.

2.3 Создание трехмерной модели сборки

Средства САПР позволяют объединять в одной сборке большое количество разнотипных деталей и подсборок.

Виртуальные сборки создаются с целью проверки созданной конструкторской документации (сборочных и деталировочных чертежей и спецификаций) путем создания контрольных сборок или непосредственно в процессе проектирования конструкций.

Существует два способа создания трехмерных моделей сборочных единиц.

"Снизу-вверх" - модели деталей создаются независимо от сборки, после чего осуществляется сборка их в изделие. Этот способ используется при создании контрольных сборок и разнесенных сборок - для создания каталогов изделий и графических изображений для инструкций по их эксплуатации.

"Сверху вниз" - когда возможно создание деталей непосредственно в среде сборки, осуществляя привязку к элементам соседних деталей. В любой момент структура сборки доступна для изменения, при этом непосредственно в режиме сборки могут быть изменены любые параметры отдельных деталей [13].

Такой тип проектирования позволяет инженеру-конструктору проектировать сборку, используя компоновочные эскизы, которые часто используются при традиционном проектировании. Можно построить один или несколько эскизов, показывающих, где находится каждый компонент сборки. Затем можно создать и изменить проект перед созданием деталей. Кроме этого, можно в любое время использовать компоновочный эскиз для внесения изменений в сборку.

Модель сборочной единицы создается в следующем порядке:

- добавление компонентов;

- размещение компонентов;

- взаимная ориентация деталей.

При добавлении компонента в сборку (либо отдельной детали, либо узла сборки) в сборку файл детали связывается с файлом сборки. Компонент появляется в сборке, однако данные о компоненте остаются в его исходном файле.

Как только компонент добавлен, то можно фиксировать его положение, перемещать, вращать. Это полезно для приблизительного расположения компонентов в сборке. Затем можно точно расположить компоненты, используя взаимосвязи сопряжения.

Когда добавляются взаимосвязи сопряжения, компоненты можно перемещать в пределах неограниченных степеней свободы и наблюдать за поведением механизма. Взаимосвязи сопряжения позволяют точно расположить компоненты в сборке относительно друг друга. Они позволяют определить, как компоненты перемещаются и вращаются относительно других деталей. Можно перемещать компоненты в нужное положение, последовательно добавляя взаимосвязи сопряжения [7].

Сопряжение создает геометрические взаимосвязи, такие как совпадение, перпендикулярность, соосность, касание и т.д. Каждая взаимосвязь сопряжения действительна для определенных сочетаний геометрических форм.

Основные виды сопряжений:

- параллельность элементов;

- совпадение элементов;

- перпендикулярность элементов;

- расположение элементов под заданным углом;

- расположение элементов на заданном расстоянии;

- касание элементов;

- соосность элементов.

Рассмотрим создание сборки «Платформы с арретиром оптического устройства».

Сборка создается в следующем порядке:

– вставка компонентов в сборку;

– размещение компонентов в сборке;

– условия сопряжения деталей в сборке.

После того, как разработаны модели всех деталей сборочных единиц станции, создается контрольная сборка методом «Снизу-вверх». Этот способ используется для создания контрольных сборок и разнесенных сборок - для создания каталогов изделий и графических изображений для инструкций по их эксплуатации.

Выбирается режим "новая сборка". В окно сборки последовательно вставляем собранные детали и узлы, причем одну из них фиксируем. С помощью команд поворота и перемещения "свободные детали" устанавливаем в необходимое для сборки положение, выбираем соответствующие поверхности для сопряжения и выполняем команды, обеспечивающие требуемые взаимосвязи этих поверхностей в сборке (параллельность, концентричность, расстояние и др.).

Затем создаем новый файл трехмерной модели сборки, вызывая из меню Файл команду «Создать - Сборку» или нажимая кнопку «Новая сборка» на Панели управления.

Вызываем из меню Операции команду «Добавить компонент из файла» или можно нажать соответствующую кнопку на Инструментальной панели для того, чтобы добавить в сборку деталь «Корпус», существующий в файле на диске. После вызова команды на экране появляется диалог выбора файлов. Выбираем в нем нужный каталог и указываем имя файла, содержащего компонент. Изображение указанного компонента появится в окне просмотра диалога.

Указываем точку вставки детали «Корпус». Точку вставки можно указать в окне сборки произвольно или используя привязку (например, к началу координат или к вершине). Начало координат детали совмещается с указанной точкой вставки, направление осей его системы координат совпадет с направлением осей системы координат текущей сборки.

Так как вставленный компонент - первый в сборке, он автоматически фиксируется в том положении, в котором был вставлен. Зафиксированный компонент не может быть перемещен в системе координат сборки (рисунок 2.13).

Вставляем детали в окно сборки. Так как в состав текущей сборки должны входить подсборки «Арретир горизонтальный», «Блок шестерен» то вставляем их следующим образом:

- вставляем в сборку подсборки;

- затем в окне модели устанавливаем курсор на детали, нажимаем левую кнопку мыши и перемещаем курсор. На экране появится фантом вставляемой детали;

- указываем курсором положение детали в окне модели и отпускаем кнопку мыши;

- Подсборки будут вставлены в текущую сборку.

Вставленные подсборки будут ориентированы относительно системы координат сборки так же, как первая.

Следующим этапом будет установка выбранных деталей в нужной ориентации друг относительно друга. Для этого последовательно добавляем сопряжения «Соосность» и «Совпадение» (рисунок 2.14).

После вставки деталей в сборку задаем их приблизительное положение и ориентацию в ней.

Рисунок 2.13 - Добавление детали из файла

Рисунок 2.14 - Сопряженные детали

Затем вставляем в сборку стандартные изделия. Стандартные изделия выбираем из библиотеки программы. В параметрах стандартных изделий проставляем нужные размеры согласно чертежу.

Результатом всех вышеописанных действий является готовая модель сборки «Платформа с арретиром оптического устройства» (рисунок 2.15).

Рисунок 2.15 - Модель сборки

2.4 Создание разнесенной модели сборочной единицы

Компоненты сборки отделяют друг от друга, чтобы зрительно просмотреть их взаимосвязи. Разнесение сборки позволяют просмотреть ее, когда компоненты отделены друг от друга. Эта функция оказывается полезной при разработке каталогов запасных частей. При разнесении сборки все взаимосвязи сопряжения сохраняются.

При пошаговом разнесении для каждого компонента или группы компонентов указываются направление и расстояние, на которое следует разнести детали.

Вид с разнесенными частями состоит из одного или нескольких шагов разнесения и хранится с конфигурацией сборки, в которой он создается. Каждая конфигурация содержит один вид с разнесенными частями (рисунок 2.15).

Последовательность создания разнесенной сборки:

- открываем модель сборки;

- для разнесения вида служит команда «Создать разнесенный вид». При ее вызове появляется диалоговое окно. Разнесенная сборка может быть создана автоматически или по отдельным шагам разнесения.

Рисунок 2.15 - Разнесенный вид модели сборочной единицы

2.5 Создание каталога сборки платформы с арретиром оптического устройства

Каталог сборки - это справочное техническое пособие при изучении конструкции изделия, а также пособие при разборке и сборке узлов [7].

Каталог содержит развернутые иллюстрации сборочных единиц, деталей и стандартизированных изделий, сгруппированных по конструктивному и функциональному признаку.

В таблице указаны номера всех сборочных единиц и деталей, их количество на одну сборочную единицу и наименование. Обозначение оригинальных узлов и деталей соответствует единой системе.

Для создания каталога требуется видеть сборку в «разобранном» виде. Далее создается чертеж требуемого формата. На компактной панели выбираем «произвольный вид». На панели свойств нажимаем кнопку «разнесенный вид». Далее проставляем позиции и создаем таблицу, где указаны позиция, обозначение, наименование детали и количество. Окончательный вид каталога представлен (рисунок 2.16).

Рисунок 2.16 - Каталог сборочной единицы

3. Автоматизированная разработка конструкции узла платформы с арретиром оптического устройства

Конструкторская разработка с применением САПР заключается в проектировании изделия, а также создании полного комплекта документации на него (деталировочные и сборочные чертежи, спецификации). Использование компьютеров повышает производительность труда инженера-конструктора за счет того, что вычислительная техника берет на себя решение нетворческих задач и освобождает человека для решения сложных задач. Таким образом, ЭВМ не подменяет человека, а служит средством подъема творческого уровня его труда.

В системе «Компас-3D» имеется возможность создания ассоциативных чертежей трехмерных моделей. В нем создаются выбранные нами ассоциативные виды трехмерной модели (детали или сборки):

- стандартный вид (спереди, сзади, сверху, снизу, справа, слева);

- вид модели;

- проекционный вид (вид по направлению, указанному относительно другого вида);

- вспомогательный вид;

- разрез/сечение (простой, ступенчатый, ломаный);

- местный вид;

- вырыв детали;

- линия разрыва;

- обрезанный вид;

- наложенный вид.

Рассмотрим создание чертежа детали «Втулка» (рисунок 3.1). Ассоциативная связь проявляется в следующем: если изменяется модель детали, то изменяется её чертеж.

Рисунок 3.1 - Модель детали «Втулка»

Изображение формируется в обычном чертеже «Компас-3D». Открывается лист чертежа и настраивается для данной детали (формат, ориентация). В нем создаются ассоциативные виды трехмерной модели с помощью команд «Операции - Создать новый чертеж из модели». На экране появляется фантом изображения, масштаб которого можно настроить (рисунок 3.2).

Чтобы настроить параметры вида, в котором будет размещаться изображение, нажимаем кнопку «Параметры вида» на специальной панели управления и устанавливаем масштаб 2:1. Указываем видимость линий переходов и невидимых линий. Заключительным этапом формирования чертежей является простановка размеров. Далее вводим технические требования и обозначения в основную надпись (рисунок 3.3).

Рисунок 3.2 - Создание вида с модели

Рисунок 3.3 - Чертеж детали «Втулка»

Аналогично создаются остальные чертежи сборки и деталей.

Таким образом, была разработана конструкторская подготовка производства платформы с арретиром оптического устройства. Сформирован полный комплект конструкторской документации (чертежи деталей и сборочных единиц, спецификации, каталоги) с использованием САПР, что позволило связать все необходимые документы в единый проект с понятной топологией.

Комплект конструкторской документации представлен в Приложении 1.

4. Автоматизированный инженерный анализ элементов конструкции платформы с арретиром оптического устройства

Имитационное моделирование - это метод исследования, основанный на том, что изучаемая система заменяется моделью и с ней проводятся эксперименты с целью получения информации об этой системе. Экспериментирование с моделью называют имитацией (имитация - это постижение сути явления, не прибегая к экспериментам на реальном объекте).

Имитация в САПР - наблюдение за функционированием объекта с целью нахождения его рациональных параметров до его изготовления. Различают кинематическую и динамическую имитацию.

Кинематическая имитация дает возможность предсказать поведение сложных механизмов сборок и изделий во время процесса проектирования.

Динамическая имитация позволяет проверять долговечность конструкции, действие прикладываемых сил, вибрацию, потерю устойчивости и поведение при применении температурных нагрузок на отдельные компоненты и сборки.

В практике расчетов используют как аналитические, так и численные методы расчета прочностной надежности. Надежностью называют свойство изделия выполнять свои функции в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Прочностной надежностью называют отсутствие отказов, связанных с разрушением или с недопустимыми деформациями.

Имитационное исследование элементов конструкции изделия, до ввода в производство, необходимо для отработки конструкции на технологичность и безопасность, с последующим ее изменением. Имитационные исследования экономят огромные материальные средства, повышают качество изделий в процессе эксплуатации. С появлением ЭВМ и систем инженерного анализа стало возможным создание математической модели, имитирующей связанные процессы деформирования деталей, изменения параметров нагружения, кинетики теплового состояния, развития повреждений [8].

SolidWorks - программный комплекс САПР для автоматизации работ промышленного предприятия на этапах конструкторской и технологической подготовки производства. Обеспечивает разработку изделий любой степени сложности и назначения.

SolidWorks позволяет решать следующие задачи:

- линейный статический анализ;

- определение собственных форм и частот колебаний;

- расчет критических сил потери устойчивости;

- тепловой анализ;

- статический анализ в нелинейной постановке задачи;

- расчет долговечности конструкции;

- расчет падения конструкции на абсолютно жесткую поверхность;

- анализ сосудов давления (процедура линеаризации напряжений, предусмотренная нормативами при проектировании сосудов давления);

- нелинейный динамический анализ;

- оптимизация параметров конструкции.

При определении напряженно-деформированного состояния системы наиболее часто используется линейная постановка при неизменных нагрузках (линейная статика). SolidWorks позволяет работать как с деталями, так и со сборками. При этом для сборочных узлов существует возможность применять различные типы контактных условий, что обеспечивает проведение того или иного вида анализа с различной точностью.

Поддержка конфигураций SolidWorks позволяет более гибко подходить к процессу проведения численных испытаний. Есть возможность сравнивать результаты, полученные в SolidWorks, и данные реального физического эксперимента. Таким образом, можно корректировать расчетную модель для увеличения достоверности результатов[1].

В SolidWorks можно определить различные виды нагружения, начиная от стандартных для всех систем (силы, моменты, распределенные нагрузки, как постоянные, так и переменные) и заканчивая специальными. Ко второй группе можно отнести контактную нагрузку в паре «вал - отверстие»; учет осей, шпилек, болтов без их наличия в расчетной модели. Причем для болтового соединения можно учитывать усилие затяжки, что дает более точный результат.

В SolidWorks представлены различные типы конечных элементов, в том числе оболочечные и объемные элементы. Таким образом, для расчета тонкостенных конструкций можно использовать оболочечные элементы, что сократит вычислительные потребности при сохранении точности расчета. По умолчанию генерация конечно-элементной сетки идет в автоматическом режиме. К тому же пользователь может управлять не только настройками генератора, но и вручную указывать области, в которых необходимо достигнуть более высокого разрешения конечно-элементной сетки [1].

В пошаговом режиме произведем процесс создания расчетной модели и анализа результатов для вилки шарнира. Для вызова команд будем использовать Manager (Менеджер) SolidWorks. Большинство действий может выполняться также посредством панелей инструментов Toolbars:

- Создаем модель SolidWorks (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 - Исследуемая модель изделия «Втулка»

Выбираем тип анализа - Статический.

- Назначаем материал. В соответствии с чертежом выбираем Сталь 20 ГОСТ 1050-88.

- Назначаем кинематические граничные условия. В нашем случае это фиксация указанных на рисунке поверхностей (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 - Фиксация

- Задаем нагрузки. К указанным поверхностям втулки прикладываем силу 1Кн (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 - Нагрузки

- Из контекстного меню вызываем команду построения сетки. Строим сетку с параметрами по умолчанию (рисунок 4.4).

Рисунок 4.4 - Сетка конечных элементов

Запускаем расчет командой «Выполнить».

В случае удачного расчета в менеджере появляется папка Результаты. Двойным щелчком активируем необходимую нам диаграмму (рисунок 4.5 - рисунок 4.8).

Рисунок 4.5 - Напряжение

Рисунок 4.6 - Перемещение

Рисунок 4.7 - Деформация

По диаграмме определяем, что максимальное напряжение не превышает допустимого, а максимальная деформация не критична.

Рисунок 4.8 - Запас прочности

Коэффициент запаса прочности получился равным 1,777, это не превышает 1,9 значит, материал выбран и использован рационально.

Решение дифференциальных уравнений, описывающие деформации представляет большую сложность или не всегда возможно без значительных упрощений расчетной модели, что зачастую уводит от реальных результатов. Применение программного расчета, реализующего конечно-элементный метод, в данном случае наиболее эффективно и оправдано.

5. Автоматизированная разработка технологии изготовления и сборки платформа с арретиром оптического устройства

Технологический процесс - это все действия по изменению геометрической формы, размеров, внешнего вида, внутренних свойств объектов производства, их контролю, транспортированию, складированию, маркировке, удалению отходов производства, замене инструментов и приспособлений. При разработке ТП создаются модели, которые являются сокращенными их описаниями в технологических картах.[3]