Автоматизация производства привода верхнего зеркала стабилизатора оптического устройства

«КОМПАС-3D»-- система трехмерного моделирования, ставшая стандартом для тысяч предприятий, благодаря удачному сочетанию простоты освоения и легкости работы с мощными функциональными возможностями твердотельного и поверхностного моделирования. При проектировании использовалась машиностроительная конфигурация «КОМПАС-3DV11», а так же библиотека материалов и стандартных изделий.

Рассмотрим основные приемы, используемые при создании моделей и виртуальных сборок.

3.1 Создание трехмерных геометрических моделей сборочных единиц

В данном случае используем все основные операции формообразования (выдавливание, вращение, кинематическая операция).

Общепринятым порядком моделирования твердого тела является последовательное выполнение булевых операций (объединения, вычитания и пересечения) над объемными элементами (сферами, призмами, цилиндрами, конусами, пирамидами и т.д.). Пример выполнения таких операций показан на рисунке3.1. 

Рисунок 3.1 - Булевы операции над объёмными элементами:

а) призма; б) объединение цилиндра и призмы; в) вычитание цилиндра

В КОМПАС-3D для задания формы объемных элементов выполняется такое перемещение плоской фигуры в пространстве, след от которого определяет форму элемента (рисунок3.2). Например, поворот дуги окружности вокруг оси образует сферу или тор, смещение многоугольника -- призму, и т.д.

Рисунок 3.2 - Образование объёмных элементов:

а) призмы; б) тора; в) кинематического элемента

Плоская фигура, на основе которой образуется тело, называется эскизом, а формообразующее перемещение эскиза -- операцией.

Одним из основных понятий при описании эскиза является контур. Этот термин часто используется в сообщениях системы, а также в дальнейших разделах настоящего Руководства. Значение этого термина при работе с трехмерными моделями отличается от его значения при «плоском» черчении. Если при работе в графическом документе (фрагменте или чертеже) контур -- это единый графический объект, то при работе в эскизе под контуром понимается любой линейный графический объект или совокупность последовательно соединяющихся линейных графических объектов (отрезков, дуг, сплайнов, ломаных и т.д.). Как правило, эскиз представляет собой сечение объемного элемента. Реже эскиз является траекторией перемещения другого эскиза -- сечения. Для создания объемного элемента подходит не любое изображение в эскизе. Оно должно подчиняться следующим правилам[4]:

- контуры в эскизе не имеют общих точек, т.е. не пересекаются и не касаются;

- контур в эскизе изображается стилем линии «основная».

Существуют дополнительные (частные) требования, предъявляемые к эскизам, предназначенным для выполнения конкретных операций.

Иногда для построения контура в эскизе (особенно параметрическом) требуются вспомогательные объекты, не входящие в контур. Их можно изображать другими стилями линий. Такие объекты не будут учитываться при выполнении операций.

Эскиз, как и фрагмент, может содержать несколько слоев. При выполнении операции учитываются объекты во всех слоях, кроме погашенных.

Эскиз может располагаться в одной из ортогональных плоскостей координат (рисунок 3.3а), на плоской грани существующего тела (рисунок3.3б) или во вспомогательной плоскости, положение которой задано пользователем (рисунок3.3в).

Рисунок 3.3 - Эскиз:

а) в одной из ортогональных плоскостей; б) на плоской грани; в) во вспомогательной плоскости

Эскиз изображается на плоскости стандартными средствами чертежно-графического редактора КОМПАС-3D. При этом доступны все команды построения и редактирования изображения, команды параметризации и сервисные возможности. Единственным исключением является невозможность ввода некоторых технологических обозначений, объектов оформления и таблиц.

Эскиз может содержать текст. По окончании создания эскиза все тексты в нем преобразуются в один или несколько контуров, состоящих из кpивых NURBS (неpегуляpный paционaльный В-сплaйн).

В эскиз можно перенести изображение из ранее подготовленного чертежа или фрагмента. Это позволяет при создании трехмерной модели опираться на существующую чертежно-конструкторскую документацию.

Построение тела начинается с создания его основания путем выполнения операции над эскизом (или несколькими эскизами).

При этом доступны следующие типы операций[4]:

-"Выдавливание" эскиза в направлении, перпендикулярном его плоскости (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 - Эскиз и элемент, образованный операцией выдавливание

-"Вращение" эскиза вокруг оси, лежащей в его плоскости (рисунке 3.5).

Рисунок 3.5 - Эскиз и элемент, образованный операцией вращение

-"Кинематическая операция" -- перемещение эскиза вдоль указанной направляющей (рисунок 3.6).

Вообще говоря, операции выдавливания и вращения являются частными случаями кинематической операции. Очевидно, что при выдавливании траектория перемещения эскиза-сечения представляет собой отрезок прямой линии, а при вращении -- дугу окружности или полную окружность.

Рисунок 3.6 - Эскиз и элемент, образованный кинематической операцией

- Построение тела по сечениям-эскизам (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 - Эскиз и элемент, образованный операцией по сечениям

Каждая операция имеет дополнительные опции, позволяющие варьировать правила построения основания.

После создания основания тела производится «приклеивание» или «вырезание» дополнительных объемов (рисунок 3.8). Каждый из них представляет собой элемент, образованный при помощи перечисленных выше операций над новыми эскизами. При выборе типа операции нужно сразу указать, будет создаваемый элемент вычитаться из основного объема или добавляться к нему. Примерами вычитания объема из тела могут быть различные отверстия, проточки, канавки, а примерами добавления объема -- бобышки, выступы, ребра.

Рисунок 3.8 - Последовательность создания модели

3.2 Создание сборки в КОМПАС-3D

Наложив определенные зависимости на детали друг к другу, которая содержит информацию о расположении всех компонентов, элементов получаем сбору.

Рассмотрим как выполняется сборка в системе КОМПАС-3D.

Конструктор предварительно создает все детали входящие в сборочную единицу, которые располагаются на жестком диске. Каждой созданной им детали нужно присвоить обозначение и наименование. Материал детали берет так же из чертежа. Можно указать имя автора, создателя данного файла.

После того как все готово, можно открыть окно сборки в КОМПАС-3D. Дня начала добавляем базовый элемент нашей конструкции. Он будет зафиксирован. Это ограничение можно потом отключить и выбрать за базовый элемент конструкции другую деталь, какую конструктор посчитает нужным.

Операции формообразования так же доступны в режиме сборки, так же можно редактировать и отдельную деталь.

Добавлять детали можно нажав клавишу "добавить компонент". Так же можно удалять детали их сборки. Чтобы добавить одинаковые детали, достаточно их просто копировать в режиме сбовки, предварительно нажав на деталь.

Стандартные элементы сборки доступны в библиотеке КОМПАС-3D.

Все детали необходимо сориентировать относительно друг друга. Доступные элементы сопряжения:

параллельность;

перпендикулярность;

на расстоянии;

под углом;

касание;

соосность;

совпадение объектов.

В случае возникновения ошибки сопряжения необходимо его редактировать или удалить и повторить процедуру.

Для того чтобы определить МЦХ созданной сборки можно вызвать соответствующее окно программы.

Как и в детали, в сборке возможно построение тел, выполнение над ними булевых операций, задание для них плотностей.

Для расчета массо-центровочных характеристик (МЦХ) сборки можно использовать значения плотностей или масс, записанные в файлах компонентов, а можно задать специальные значения, которые будут храниться в файле сборки.

При проектировании, предварительно были созданы модели всех деталей входящих в сборку. Поэтому для создания сборки использовался метод «снизу вверх».

Для иллюстрации порядка проектирования «снизу вверх» можно провести такую аналогию с процессом создания конструкторской документации: проектирование «снизу вверх» подобно компоновке сборочного чертежа из готовых чертежей деталей. В случае «нестыковки» каких-либо деталей требуется внести изменения в их чертежи и только затем исправить компоновку.

Воспользовавшись панелью (рисунок 3.9) добавляем необходимые нам детали.

Рисунок 3.9 - Операция "добавить компонент"

В появившемся на экране стандартном диалоге открытия файлов выберите файл, содержащий модель компонента.

Задайте точку вставки компонента. Ее можно указать в окне сборки произвольно или используя привязку (например, к началу координат или к вершине). Можно также ввести координаты точки вставки компонента в группе полей «Точка вставки» на панели свойств.

Компонент будет вставлен в текущий документ. Начало абсолютной системы координат компонента совпадет с указанной точкой вставки, а направление осей -- с направлением осей текущей системы координат сборки. В Дереве модели появится пиктограмма, соответствующая типу компонента (деталь или сборка). Рядом с пиктограммой появится наименование компонента, взятое из его файла.

Если вставленный компонент -- первый в сборке, он будет автоматически зафиксирован в том положении, в котором был вставлен. Зафиксированный компонент не может быть перемещен в системе координат сборки.

Компонент сборки - деталь «тяга» (рисунок 3.10).

Рисунок 3.10 - Деталь «тяга»

Модель детали создана предварительно и храниться в файле на диске. После добавления в сборку, компонент автоматически фиксируется. Если необходимо, можно отключить фиксацию компонента. Для этого необходимо выделить компонент в Дереве модели и вызвать из контекстного меню команду "Отключить фиксацию".

Все последующие компоненты будут ориентироваться относительно детали «Тяга». На рисунке 3.11 сборочная единица «Тяга».

Рисунок 3.11 - Сборочная единица

После вставки компонента можно задать его положение и ориентацию в сборке, а также его положение относительно других компонентов.

В КОМПАС-3D предусмотрено несколько способов перемещения компонентов сборки в ее системе координат. Вы можете повернуть компонент вокруг центра его габаритного параллелепипеда, вокруг оси или вокруг точки, а также сдвинуть компонент в любом направлении.

Команды перемещения компонентов расположены в меню "Сервис", а кнопки для их вызова -- на панели "Редактирование сборки".

Для выхода из любой команды перемещения компонента нажмите клавишу "Esc" или кнопку "Прервать команду"на "Панели специального управления".

При любом способе перемещения компонента сборки вы можете использовать режим контроля соударений. В этом режиме перемещение компонентов ограничено их формой и размерами: движение возможно только до «соприкосновения» с другим компонентом.

Режим контроля соударений включается и настраивается после вызова команды перемещения компонента. Чтобы включить режим контроля соударений, нажмите кнопку "Включить/выключить контроль соударений" на Панели специального управления. Чтобы выключить этот режим, отожмите кнопку.

Перемещение компонентов сборки может вызвать нарушение существующих в ней параметрических связей и ограничений. Например, вспомогательные элементы после сдвига или поворота их опорных объектов остаются на прежних местах и т.п. Поэтому компоненты, которые были перемещены, помечаются красной «галочкой» в "Дереве модели".

Чтобы устранить возникшие нарушения, необходимо перестроить или переместить объекты так, чтобы их форма, параметры и положение соответствовали положению опорных объектов и не противоречили наложенным на них сопряжениям. Для этого вызовите команду "Вид" -- "Перестроить".

Иногда после перестроения сборки на месте «галочки» появляется признак ошибки (восклицательный знак в красном кружке), свидетельствующий об ошибке построения компонента, сопряжения или другого объекта сборки. Например, вырезанный из сборки элемент был выдавлен до грани какой-либо детали. Затем эту деталь переместили так, что указанная грань уже не может ограничивать элемент выдавливания (т.е. эскиз элемента либо не полностью проецируется на эту грань, либо вовсе не может быть спроецирован на нее). Вырезание элемента становится невозможным, и после перестроения модели эта операция помечается в дереве модели как ошибочная.

Кроме перемещения для ориентации детали в системе координат и относительно других компонентов сборки используются сопряжения. В системе КОМПАС-3D используется два вида сопряжений: позиционирующие и механические сопряжения.

"Позиционирующие сопряжения" обычно применяются в процессе компоновки сборки. О создании позиционирующих сопряжений рассказано в разделах.

"Механические сопряжения" являются вспомогательными и применяются для предварительной оценки и визуализации работы механизмов.

Сопряжения обоих типов могут накладываться, редактироваться или удаляться независимо друг от друга. Возможность просмотра механических сопряжений может быть ограничена наличием некоторых позиционирующих сопряжений. Поэтому механические сопряжения рекомендуется создавать после позиционирующих.

Для создания сборки использовались позиционирующие сопряжения. Позиционирующие сопряжения, как правило, существуют в любой сборке, так как другими способами (например, перемещением компонентов мышью, использованием привязок при вставке и др.) трудно расположить компоненты сборки требуемым образом, а при редактировании несопряженных компонентов их взаимное положение легко нарушается.

Сопряжения накладываются на пары объектов -- компонентов или тел сборки. Одни и те же объекты могут участвовать в различных сопряжениях; возможно наложение различных сопряжений на одну и ту же пару объектов.

Первоначально -- сразу после вставки в сборку -- компонент может произвольно перемещаться в ее системе координат. В результате наложения позиционирующего сопряжения компонент теряет часть степеней свободы. На рисунке 3.12 показаны примеры сопряжений, которые использовались при создании сборки.

Рисунок 3.12 - Примеры сопряжений

На рисунке 3.12на «Ось-винт» накладывается сопряжение «соосность» относительно внутренней поверхности детали «хомутик», затем накладывается сопряжение «совпадение объектов». Использование сопряжений при создании сборки позволяет сохранять положение компонентов даже после их редактирования. Например, два компонента сборки были каким-либо образом установлены так, чтобы две их грани совпадали. После изменения глубины выдавливания элемента, принадлежащего одному из компонентов, грань, с которой совпадала грань другого компонента, была перемещена. В том случае, если совпадение граней было установлено «вручную», их взаимное положение будет нарушено. Компонент, который не редактировался, останется на своем месте. Его вновь придется устанавливать в нужное положение. Если же совпадение граней было достигнуто путем наложения на компоненты сопряжения «Совпадение», то после редактирования одного из сопряженных компонентов и перестроения сборки произойдет такое перемещение второго компонента, чтобы условие сопряжения не нарушалось, т. е. чтобы грани, участвующие в сопряжении «Совпадение», по-прежнему располагались в одной плоскости.

Все сопряжения отображаются в дереве модели, их можно редактировать или удалять при необходимости. В Дереве модели используются следующие обозначения, показывающие, может ли компонент перемещаться в системе координат сборки:

(ф) -- зафиксированный компонент,

(+) -- компонент, полностью определенный позиционирующими сопряжениями, т.е. не имеющий ни одной степени свободы в системе координат сборки,

(-) -- не полностью определенный компонент.

Обозначение добавляется перед названием компонента.

Кроме зафиксированных и полностью определенных компонентов, неподвижными в системе координат сборки являются следующие объекты:

- объект, принадлежащий сборке в целом (построенная в сборке кривая, ось, тело и т.п.),

- компонент, связанный со сборкой сопряжением «на месте»,

- экземпляр массива.

Если из двух сопрягаемых компонентов один неподвижен, то подвижность второго компонента (а следовательно, и возможность его последующего сопряжения с другими объектами) ограничивается больше, чем если бы он сопрягался со «свободным» компонентом.

Два неподвижных объекта сопрячь невозможно (в некоторых случаях сопряжение создается и сразу отмечается как ошибочное). Например, нельзя установить совпадение двух осей, являющихся объектами сборки, даже если они проходят через ребра или вершины разных деталей. Невозможно также сопрячь объекты, принадлежащие одному и тому же компоненту: это потребует независимого перемещения объектов внутри компонента, в то время как он перемещается в системе координат сборки как одно целое.

Добавляя в сборку модели деталей, ориентируя их и накладывая необходимые сопряжения, осуществляется сборка (рисунок 3.13).



Рисунок 3.13 - Сборка привода верхнего зеркала

В «КОМПАС-3D» существует возможность создания разнесённых сборок, которые используются для создания каталогов. Перед разнесением компонентов требуется установить параметры разнесения: выбрать компоненты, а также направление и величину их перемещения.

Чтобы задать параметры разнесения, необходимо вызвать команду "Сервис" --"Разнести компоненты" -- Параметры".

На "Панели свойств" (рисунок 3.14) отображается список шагов разнесения компонентов.

Рисунок 3.14 - Задание параметров разнесения компонентов

Если настройка параметров разнесения текущей сборки еще не производилась, то список пуст.

Чтобы добавить шаг разнесения, необходимо нажать кнопку "Добавить".

Затем указать компоненты, участвующие в шаге разнесения, и параметры этого шага:

После задания параметров шага разнесения компонентов нажать кнопку "Применить". Выбранные компоненты будут разнесены в соответствии с установленными параметрами.

Если полученное разнесение компонентов отличается от ожидаемого, можно отредактировать параметры разнесения.

Аналогичным образом задаём требуемое количество шагов разнесения и настраиваем их параметры.

Закончив настройку шагов разнесения, нажимаем кнопку "Прервать команду" на панели специального управления.

После выхода из команды настройки шагов сборка в окне оказывается в разнесенном виде (рисунок 3.15).

Рисунок 3.15 - Сборка в разнесённом виде

Чтобы включить режим обычного отображения сборки, вызовите команду "Сервис" -- "Разнести компоненты" -- "Разнести". Кнопка для вызова команды находится на панели "Вид". Эта команда служит переключателем режима разнесения и обычного отображения сборки. Когда компоненты разнесены, кнопка нажата, рядом с названием команды появляется «галочка», а к имени документа в заголовке окна добавляются слова «Разнесенный вид» в круглых скобках.

3.3 Создание каталога

Когда компоненты сборки разнесены, недоступны все команды редактирования сборки, команды создания пространственных кривых, поверхностей, вспомогательных объектов, элементов оформления, команды наложения сопряжений и команды работы со спецификацией.

Далее создаем чертеж требуемого формата. На компактной панели выбираем необходимый нам вид (назначаем заранее в модели сборки). Затем на ассоциативном чертеже проставляем позиции и подключаем его к спецификации. Окончательный вид каталога представлен на рисунке 3.16.

Рисунок 3.16 - Каталог сборочной единицы «Привод верхнего зеркала»



4. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ИНЖЕНЕРНЫЙ АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ВЕРХНЕГО ЗЕРКАЛА СТАБИЛИЗАТОРА

4.1 Использование трёхмерных моделей для расчёта изделий методами имитационного моделирования

Инженерный анализ заключается в создании 3D рассматриваемой модели детали и проведение заданных экспериментов над ней, используя различные ограничения.

Существуют следующие методы имитации:

кинематическая имитация процесса движения элемента объекта с целью определения т.н. столкновений (коллизий);

динамическая имитация процесса исследования поведения объекта при изменении действующих нагрузок и температур.

Сборочные единицы содержат большое количество подсборок, которые в свою очередь состоят их многочисленных деталей. Выход из строя того или иного компонента зависит от его прочности. При выходе из строя компонента, выходит из строя и весь механизм в целом.

На стадии проектирования сборок на компьютере в системе автоматизированного проектирования доступен и необходим инженерный анализ, моделирование всей конструкции. Учесть следующие характеристики:

механические;

энергетические;

прочностные.

Данное конструкторское решение позволяет сократить слабые моста конструкции, повышая надежность и бесперебойную работу всего изделия или механизма.

Создавая имитацию реального воздействия на механизм, сборку, осуществляем математический анализ в поиске "коллизий". Когда такие моменты будут смоделированы можно приступать к усилению "слабых" мест. Затем необходимо произвести имитацию еще раз, подтверждая правильность принятых конструктивных решений.

Повышение надежности механизма влияет на конкурентоспособность предприятия на внутреннем и внешнем рынке, увеличивая свой престиж. Что может повлиять на приток инвестиций.

Данная процедура требует наличия на предприятии квалифицированного персонала, опытных конструкторов, готовых применять творческие решения.

При выборе материала детали нужно учитывать следующие основные моменты:

масса детали;

масса изделия в сборе;

прочностные характеристики;

экономическую составляющую.

Основные технические, прочностные характеристики.

Прочность - способность материала сопротивляться нагрузкам без разрушения. Количественной характеристикой является предел прочности b, под которым понимается напряжение, приводящее к разрушению материала.

Упругость - свойство материала восстанавливать свои форму и размеры после снятия нагрузки. Основной количественной характеристикой упругости служит перемещение под действием единичной нагрузки, которое в свою очередь не зависит от модуля упругости Е и коэффициента Пуассона .

Пластичность - свойство материала сохранять значительные пластические деформации после снятия нагрузки. Характеризуется пределом текучести r - напряжением, при котором величина остаточной пластической деформации не превышает 0,2 %.

Выносливость - способность материала сопротивляться разрушению от усталости. Количественно характеризуется пределом выносливости -1, равным наибольшему напряжению, которое образец выдерживает без разрушения при неограниченном числе симметричных циклов нагружения.

Для определения напряжённодеформированного состояния могут использоваться методы имитационной физики, достаточно хорошо разработана теория метода математической физики. Эти методы позволяют получить достаточно точные результаты, только лишь при достаточно простой конфигурации объекта [5].

4.2 Приближенные методы решения линейных задач теории упругости

Точное аналитическое решение возможно только для очень ограниченного круга задач теории упругости. Поэтому для инженерной практики огромное значение имеют приближенные методы. Важность этих методов особенно возрастает в связи с активным внедрением в теорию и практику проектирования вычислительной техники и новейших информационных технологий.

При сложной конфигурации объекта в САПР используется метод конечных элементов (МКЭ).Метод конечных элементов на сегодняшний день является наиболее перспективным численным методом, позволяющим производить анализ напряженно-деформированного состояния сложной конструкции. Он позволяет учитывать как геометрию конструкции, так и характер приложенных к ней нагрузок, а также свойства материала конструкции.

Ключевая идея метода заключается в том, что при анализе сплошная среда моделируется разбиением ее на конечные области (элементы), в каждой из которых поведение этой среды описывается с помощью отдельного набора выбранных функций, представляющих собой перемещения в указанной области. Эти функции задаются в такой форме, чтобы они удовлетворяли условиям непрерывности описываемых ими характеристик во всей среде.

Если конструкция в целом неоднородна и состоит из большого количества отдельных конструктивных элементов, каждый из которых описывается своим дифференциальным уравнением, то метод конечных элементов является, по сути, единственным методом, позволяющим рассчитать напряженное состояние конструкции.

Таким образом, задача расчета напряженно-деформированного состояния конструкции сводится к следующему.

Прежде всего, проводится разбиение этой конструкции на конечные элементы. Взаимодействие конечных элементов друг с другом осуществляется через их узлы по определенным законам, причем описывающие эти законы уравнения различны для различных типов конечных элементов. Затем с учетом выбранных типов конечных элементов рассчитываются матрицы жесткости отдельных элементов конструкции. Матрица жесткости всей конструкции определяется путем алгебраического суммирования матриц жесткости отдельных элементов [6].

После получения общей матрицы жесткости она сводится к системам алгебраических уравнений. Эти уравнения дополняются законами, описывающими воздействующие внешние силы, а также заданными ограничениями на перемещения отдельных частей конструкции (опоры). Совместным решением полученных систем уравнений можно найти величины перемещений и напряжений, которые будут иметь место в каждом из конечных элементов конструкции. Дальнейшим суммированием результатов от отдельных конечных элементов определяется и общая деформация конструкции в различных направлениях, и деформации отдельных ее элементов, и возникающие внутренние напряжения в любых ее частях.



4.3 Расчет напряженно-деформирмированного состояния детали «Рычаг» с помощью системы COSMOSWorks

Для расчета необходимо открыть в SolidWorks файл с моделью детали «Вал». Затем в строке меню выбрать команду Cosmos/Work - Study. В диалоговом окне записать имя нового файла в Cosmos/Works. Внизу дерева построения выбрать панель Cosmos/WorksManager. Появляется дерево Cosmos/Works, в нем отображается последовательность всех расчетов.

Разбиваем деталь на конечные элементы с помощью функции Mesh - Creat (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 - Разбиение вала по методу конечных элементов

Разбиваем деталь на конечные элементы с помощью функции Mesh - Creat в системе COSMOSWorks. Задаем материал детали - Сталь 40Х. Закрепляем деталь (устанавливаем на нужных поверхностях жесткие зацепления), расставляем силы (распределенная нагрузка и приложенное усилие), эти кнопки расположены на панели инструментов: Restrains, Pressure, Force, там же расположены другие команды (CentrifugalForce, и др.) (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 - Фиксация детали и приложение распределенных нагрузок



Приступаем к расчетам: Cosmos/Works - Run, появляется окно, в котором изображена загрузка расчетов. После в дереве появляются папки: Stress, Displacement, Strain, Deformation, DesignCheck.

В первой папке "Stress" находится расчет статического напряжения, деталь закрашивается вцвета, которые меняются в зависимости от величины нагрузки на различных участках (рисунок4.3). Displacement - статическое перемещение,Deformation - деформация, DesignCheck - проверочный расчет.

Рисунок 4.3 - Давление, оказываемое на деталь при приложенных нагрузках

Расчет статического перемещения

Displacement - статическое перемещение показано на рисунок 4.4

Рисунок4.4 - Состояние перемещение детали при нагрузках

Расчет статического напряжения показан на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 - Статическое напряжение детали

Проверка проектирования показана на рисунке 4.6

Рисунок 4.6 - Коэффициент запаса прочности

Проанализируем полученные результаты.

Результаты расчета подтверждают, что деталь «Рычаг» спроектирована верно максимальное напряжение не превышает допустимого, а максимальная деформация не критична, коэффициент запаса прочности находится в пределах от 1 до 20 (равен 7,3) [7].



5. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СБОРКИ ПРИВОДА ВЕРХНЕГО ЗЕРКАЛА

Технологическая подготовка при производстве сборочных единиц и деталей является одним из основных этапов создания готового изделия. В данном разделе на примере детали - Цапфа, будет рассмотрена автоматизированная технологическая подготовка производства.

5.1 Разработка технологии изготовления детали «Цапфа»

Технологическим процессом называют последовательное изменение формы, размеров, свойств материала или полуфабриката в целях получения детали или изделия в соответствии с заданными техническими требованиями. Технологический процесс механической обработки деталей должен проектироваться и выполнятся таким образом, чтобы посредством наиболее рациональных и экономичных способов обработки удовлетворялись требования к деталям (точность обработки и шероховатость поверхностей, взаимное расположение осей и поверхностей, правильность контуров и т. д.), обеспечивающие правильную работу собранного изделия [8].

5.1.1 Конструкция и назначение детали

Деталь «Цапфа», является составной частью сборочной единицы «Привод верхнего зеркала». Чертеж цапфы приведен на рисунке5.1.

Цапфа - элемент крепления, посредством которой происходит закрепление и фиксация детали "Рычаг" в корпус сборочной единицы "Тяга" блока стабилизирующего.

Материал цапфы - конструкционная сталь марки 40Х по ГОСТ 1050 - 88. Химический состав стали приведен в таблице 5.1. Механические свойства приведены в таблице 5.2.

Рисунок 5.1 - «Цапфа»

Таблица 5.1 - Химический состав материала

Углерод, %	Марганец, %	Медь, %	Никель, %	Сера, %	Крем-ний, %	Фосфор, %	Хром, %	Азот, %
0,36-0,44	0,5-0,8	0,1	0,3	0,035	0,8-1,1	0,035	0,25	0,008

Таблица 5.2 - Механические свойства материала

Марка Стали	Свойства после нормализации	НВ После отжига	СИ дж см2
	в	т			НВ
	Мпа	%
40Х	780	550	16	40	552	217	59

5.1.2 Анализ технологичности конструкции детали

Технологичность конструкции изделия- совокупность свойств конструкции изделия, которые обеспечивают его изготовление, ремонт и техническое обслуживание по наиболее эффективной технологии по сравнению с однотипными конструкциями того же назначения при одинаковых условиях их изготовления и эксплуатации и при одних и тех же показателях качества. Применение эффективной технологии предполагает оптимальные затраты труда, материалов, средств, времени при технологической подготовке производства, в процессе изготовления, эксплуатации и ремонта, включая подготовку изделия к функционированию, контроль его работоспособности, профилактическое обслуживание. Условия изготовления (ремонта), которые определяются типом производства (единичное, серийное и т. д.), его организацией, специализацией, программой и повторяемостью выпуска, связаны с отработкой технологичности конструкции изделия, направленной на снижение трудоёмкости изготовления (ремонта) изделия и его себестоимости.

Обеспечение технологичности конструкции изделия является одной из основных функций единой системы технологической подготовки производства (ЕСТПП).Технологический анализ конструкции обеспечивает улучшение технико-экономических показателей разрабатываемого технологического процесса.Анализ технологичности производится как для изделия в целом, так и для отдельных деталей.

Рабочий чертеж содержит все необходимые сведения, дающие полное представление о детали. На чертеже указаны все размеры с необходимыми отклонениями и требуемая шероховатость обрабатываемых поверхностей. Конфигурация наружного контура и внутренних поверхностей не вызывает значительных трудностей при обработке заготовки.

В целом, деталь достаточно технологична, допускает применение высокопроизводительных режимов обработки, имеет хорошие базовые поверхности для первоначальных операций и довольно проста по конструкции [9].

5.1.3 Выбор типа производства

Тип производства выбираем по таблице 5.3 в зависимости от массы детали, m = 0,044 кг и годовой программы выпуска Nг = 117 шт.

Исходя из справочных данных, выбираем мелкосерийное производство. В среднесерийном производстве выпускаются изделия ограниченной номенклатуры, изготавливаемые периодически повторяющимися партиями со сравнительно большим объемом выпуска, по сравнению с единичным производством. На рабочих местах выполняется несколько периодически повторяющихся операций. Технологические особенности серийного производства изменяются в зависимости от номенклатуры, трудоемкости и количества изделий в партии деталей. При мелкосерийном производстве обычно применяются универсальные, специальные станки, станки с ЧПУ и другие металлорежущие станки.

Таблица 5.3- Зависимость типа производства от объема выпуска и массы детали

Масса детали, кг	Тип производства
	единичное	мелко-серийное	средне-серийное	крупно-серийное	массовое
1,0 1,02,5 2,55,0 5,010,0 10,0	10 10 10 10 10	102000 101000 10500 10300 10200	1500100000 100050000 50035000 30025000 20010000	75000200000 50000100000 3500075000 2500050000 1000025000	200000 100000 75000 50000 25000

5.1.4 Выбор заготовки

Способ получения заготовки должен быть наиболее экономичным при заданном объеме выпуска деталей. На выбор формы, размеров и способа получения заготовки большое влияние оказывает конструкция и материал детали. Вид заготовки оказывает значительное влияние на характер технологии производства, трудоемкость и экономичность обработки.

В качестве заготовки используем: Круг 36-В ГОСТ 2590-88/40Х-3 ГОСТ 4543-71.

Масса заготовки 0,1 кг, масса детали 0,022 кг. Коэффициент использования материала - это отношение массы детали к массе заготовки. Получим коэффициент использования материала, равный 0,22.Эскиз заготовки показан на рисунке 5.2.



Рисунок 5.2- Эскиз заготовки

5.1.5 Расчет припусков на механическую обработку

Расчет припуска имеет очень важное значение в процессе обработки детали при разработке технологических операций. Правильное значение припусков на обработку заготовки обеспечивает экономию материала и трудовых ресурсов, качество выпускаемой продукции снижает себестоимость изделий.

Существует два метода расчета припусков: аналитический (расчетный) и справочный (табличный). Для заданной поверхности детали произведем расчет припусков аналитическим методом, а для остальных размеров припуски назначаем табличным методом.

Приведем пример расчета припуска на размер 18h14(-0,62) мм.

Расчет припусков на обработку приведен в таблице 5.4, в которой последовательно записан технологический маршрут обработки этого размера и все значения элементов припуска.

В таблице последовательно записывается технологический маршрут обработки диаметра и все значения элементов припуска. Значения Rz и Т, характеризующие качество поверхности заготовки, составляют соответственно 150 и 150 мкм. Далее для каждого технологического перехода записываем соответствующие значения Rz и Т по рекомендациям [9].



Таблица 5.4 - Расчет припусков и предельных размеров по технологическим переходам на обработку поверхности 18h14(-0,62 )мм

Технол. переходы обработки Ш18-0,25	Элементы припуска, мкм	Расчетный припуск , мкм	Расчетный размер , мм	Доп-уск д, мкм	Предельный размер, мм	Предельные значения припусков, мкм
заготовка	150	250		1000		46,87	3000	46,9	49,87
Черновая обработка	50	50	45.9	60	2·1000	44,07	400	44,1	44,47	2800	5400
Чистовая обработка	30	30	30.6	40	2·160	43,75	250	43,75	44	350	470

Определяем суммарное отклонение по формуле (5.1) [10]:

(5.1)

где скор - 0,034 мм;

ссм - погрешность смещения, ссм= 1мм[10].

мкм.

Отклонение после предварительного точения будем рассчитывать по формуле:

После чистового точения:



Расчет минимальных значений припусков по формуле (5.2) [10]:

(5.2)

где с - пространственное отклонение;

Rz- высота микронеровностей;

Т - глубина дефектного слоя.

Черновая обработка:

Чистовая обработка:

Определяем расчетный размер по формуле (5.3). Заполняется, начиная с конечного (чертежного) размера путем последующего прибавления минимального припуска для каждого технологического перехода.

Определяем наибольшие предельные размеры по формуле (5.5):

(5.5)



где дi - допуск.

Определяем предельные значения припусков по формуле (5.6), (5.7) [10]:

(5.6)

(5.7)

5.1.6 Выбор технологического оборудования и режущего инструмента

Оборудование для выполнения операций выбирается в зависимости от метода обработки, намеченного состава операций, габаритных размеров и конфигурации детали, требуемой точности обработки, обеспечения заданной производительности, эффективности использования станка по времени, программы выпуска деталей и др. Состав операции (т.е. перечень поверхностей, обрабатываемых на операции) зависит от возможностей оборудования, и наоборот, оборудование выбирается в зависимости от состава операции, поэтому эти задачи решаются параллельно.

Выбор режущих инструментов осуществляется в зависимости от метода обработки, формы и размеров обрабатываемой поверхности, ее точности, шероховатости, от обрабатываемого материала, заданной производительности и периода стойкости. Режущие инструменты, особенно для станка с ЧПУ, должны обладать высокой режущей способностью (стабильной размерной стойкостью при высоких режимах резания), обеспечить возможность быстрой и удобной замены, наладки в процессе работы, формировать транспортабельную стружку и отводить ее от зоны обработки без нарушения нормальной работы оборудования.

При выборе инструмента используются стандартные режущие инструменты. В таблице 5.5 приведены данные о режущем инструменте, применяемого при обработке детали.

Расчет требуемых режимов резания будем производить с заполнением операционных или разработанных нами маршрутных карт ТП. Таким образом вероятность того, что будет совпадение данных по режимам в разных документах, так как в разработанную нами ОК обязательно должны быть заполнены сведения по оборудованию, выбранному способу обработки, так же указывается характеристика обрабатываемой детали, которые используются для расчетов режимов резания. Элементом, в значительной мере поясняющим ряд исходных данных для расчета режимов резания, является операционный эскиз.

Таблица 5.5- Металлорежущие станки и инструменты

№ операции	Операция	Модель станка	Инструмент
005	Абразивно-отрезная	Ст. SIRIUS	Пила ленточная ГОСТ 6532-77
015	Токарная	Ст. токарно-винторезный 95ТС-1	Резец ИЦБР.281161.001-01 ВК6М СТП 0209-7.123-89
020	Токарная с ЧПУ	Cт. токарный с ЧПУ Т-6	1. Державка SVGBR 2020 K11 Пластина CNMG 090304-PM 2. Державка SVGBR 2020 K11 Пластина VBMT 110202-UF GC 40 3. Державка GHGR 20-2 Пластина TIP 2MT-0.05 IC908 4. Державка DA-30-1809-OF29 ER25 Фреза 2220-0017 ГОСТ17025-71 5. Державка DA-30-1809-OF29 ER25 Сверло 2300-7531 ГОСТ10902-77
025	Слесарная	Верстак слесарный АО-052	Напильник 2820-0013 ГОСТ 1465-80 Шабер цеховой
030	Сверлильная	Ст. настольно-сверлильный 2Н106П-3	Зенковка 2353-0107 ГОСТ14953-80
035	Сверлильная	Ст. настольно-сверлильный 2Н106П-3	Зенковка 2353-0107 ГОСТ14953-80

5.1.7 Расчет режимов резания

Выбор режимов резания осуществляется по таблицам режимов. Для нескольких наиболее характерных переходов (например, для одного перехода определенной операции) - расчетно-аналитическим методом.

Обрабатываемый материал по своему химическому составу, физическим свойствам и структурой оказывает сильно влияние на фактические режимы резание. Существенное влияние так же оказывает состав режущей части, «жесткость» системы, величина снимаемого слоя, что в итоге оказывает влияние на период стойкости режущего инструмента.

Приведем пример расчета режимов резания для токарной операции, т.е. для обработки наружной поверхности вращения ш18h14.

Рассчитаем рекомендуемую скорость резания.

Она определяется в зависимости от вида инструмента и инструментального материала, обрабатываемого металла и его твердости, глубины резания, подачи.

Скорость резания определяется по формуле (5.8):

где Kv- общий поправочный коэффициент;

Т - период стойкости фрезы, мин;

t - глубина резания, мм;

S - подача на один зуб, мм/зуб..

Расчет рекомендуемого числа оборотов шпинделя определяем по формуле (5.10):

n = (1000·V)/ (р·d), об/мин, (5.10)

где V - скорость резания, м/мин;

d - обрабатываемый диаметр, мм.

n = (1000·242)/ (3.14·32) = 2408 об/мин

В соответствии с паспортными данными станка принимаем фактическое число оборотов шпинделя равное 80 об/мин. Тогда фактическая скорость резания будет равна по формуле (5.11):

Для остальных операций расчет режимов резания ведется при помощи модуля расчетов reg_rez САПР ТП Автопроект.

Задав необходимые данные в окне модуля reg_rez нажимаем клавишу «Расчет» и получаем рассчитанные скорость резания Vм/мин и основное время Т0мин.

В картах технологического процесса приведены параметры режимов резания для остальных операций и переходов по обработке детали. Карты технологических наладок и комплект документации на обработку детали «Цапфа» приведены в приложении.

5.2 Разработка технологии сборки

Технологическим процессом сборки называется совокупность операций по соединению, координированию, фиксации, закреплению деталей и сборочных единиц для обеспечения их относительного положения и движения, необходимого функциональным назначением сборочной единицы и общей сборки прибора.

Сборочная единица и изделие в целом также как и детали отрабатываются для повышения их технологичности. Конструкция сборочной единицы должна удовлетворять требованиям изготовления, эксплуатации и ремонта наиболее производительными и экономичными способами при заданных условиях производства. Конструкция сборочной единицы отрабатывается на технологичность комплексно, учитывая взаимозависимость производственной и эксплуатационной технологичности.

Основой проектирования технологического процесса сборки является определение наиболее рациональной последовательности и установление методов сборки, планирование сборочных операций и режимов сборки по элементам; выбор и конструирование необходимого инструмента, приспособлений и оборудования; назначение технических условий на сборку изделия по операциям; выбор методов и средств технического контроля качества сборки; разработка необходимой технической документации.

5.2.1 Исходные материалы для разработки технологии сборки

Для разработки технологического процесса технологу необходимо иметь: сборочные чертежи, полностью характеризующие сборочную единицу; спецификацию деталей; технические требования; годовой план выпуска изделий.

Общие требования к технологичности собираемого изделия:

Рациональное разбивка на сборочные единицы, что особенно важно в условиях параллельной сборки узлов изделия.

Создание конструкции с наименьшим числом соединений, с короткими размерными цепями.

Создание таких конструкторских баз, которые в процессе обработки заготовок могут совпадать о измерительными и технологическими базами.

Максимальное применение стандартных и унифицированных деталей и сборочных единиц и создание несложных конструкций оригинальных деталей.

Обеспечение возможности применения механизации и автоматизации сборочных операций в серийном и массовом производстве.

Удобный доступ для контроля и регулировки при эксплуатации и для разборки при ремонте.

Выбор наиболее рационального, для конкретных производственных условий метода сборки, обеспечивающего точность сборки и наименьшую трудоемкость.

Общие требования, предъявляемые к изделиям с точки зрения автоматизации их сборки:

Конструкция изделий должна быть оформлена так, чтобы при сборке детали подавались по просты прямолинейным траекториям, т.к. при этом упрощается конструкция исполнительных механизмов автомата.

Конструкция изделия должна быть удобной для подвода и отвода сборочных инструментов.

Конструкцию изделия в целом желательно оформлять так, чтобы сборку можно было производить без изменения положения базовой детали.

Изделия, предназначенные для автоматической сборки, при большом количестве входящих в них деталей должны расчленяться на предварительно собираемые элементы.



5.2.2 Условия собираемости деталей

Конечным результатом технологического процесса автоматической сборки является получение собранного изделия-узла, состоящего из отдельных деталей, которые имеют погрешности размеров, формы и физических параметров. В основной массе деталей эти погрешности не превышают допусков. Однако, согласно статистическим данным, на сборку часто поступают детали, погрешности которых превышают установленные нормы точности. Это нарушает технические условия на сборку деталей, а, следовательно, возникает вероятность несобираемости и в значительной степени снижается работоспособность сборочного оборудования.

Поэтому при разработке технологического процесса автоматической сборки и подготовки материалов для разработки сборочного автоматического оборудования в первую очередь обращать внимание на качественную сторону предшествующей подготовки деталей, подлежащих автоматической сборке. Вторым решающим требованием обеспечения автоматической сборки является выбор способа сборки и построения сборочных механизмов и устройств. Сборочные механизмы должны обеспечить собираемость всех деталей, размерные параметры которых лежат в пределах установленного допуска.

Возможность осуществления автоматической сборки зависит от ряда факторов, основным из которых является точность пространственного ориентирования сопрягаемых поверхностей двух сопрягаемых деталей перед сборкой.

В общем случае при автоматической сборке с применением промышленных роботов погрешность относительного позиционирования двух деталей перед их соединением определяется алгебраической суммой следующих величин:

допусков и отклонений размеров несущих устройств (загрузочных устройств) -у;

погрешности позиционирования робота -p;

погрешности позиционирования захватного устройства -c.х;

накопленная погрешность сборочной позиции-с.п.

Общая сумма погрешностей определяется по формуле (5.11):

У =у + p + c.х + с.п (5.11)

В нашем случае, при небольшом объёме выпуска и незначительной сложности сборки, автоматизация сборочного процесса не требуется.

Сопряжение двух деталей может быть произведено лишь тогда, когда суммарная погрешность У установки деталей на позиции сборки не превышает значения g0допускаемого смещения контуров сопрягаемых поверхностей, т.е. должно выполняться условие по формуле (5.12):

У ? g0 (5.12)

5.3 Разработка технологического процесса сборки в САПР «Автопроект»

Технологический процесс сборки сборочного узла «Тяга» (рисунок 5.3) также проектируем в САПР ТП АВТОПРОЕКТ.

Создаем новый файл на техпроцесс: команда меню "Файл-Создать-ТП на деталь".

Рисунок 5.3 - Сборочный узел

САПР «КОМПАС-АВТОПРОЕКТ» состоит из двух систем: Спецификации (модуль autoktc.exe) и Технология (модуль autopro.exe). Первая часть решает задачи ведения конструкторско-технологических спецификаций изделий, организации хранения разработанных технологий, нормирования расхода материалов, регистрации документов, анализа архивных технологий, автоматической замены информации в архивах. Вторая часть реализует функции проектирования технологических процессов различных видов производств, систематизирует нормативно-справочную информацию, ведет технологические расчеты, формирует комплекты документации.

Взаимосвязь систем организована следующим образом. В системе «КОМПАС-АВТОПРОЕКТ-Спецификации» хранится информация о составе изделия и технологических процессах, разработанных для деталей и сборочных единиц (рисунок5.4). Эта система осуществляет доступ к требуемому техпроцессу через процедуру Архиватор технологий, которая извлекает нужный ТП из архива и переносит его в систему «КОМПАС-АВТОПРОЕКТ-Технология». Распакованная технология становится текущей в этой системе и доступной для просмотра и редактирования. Сборку строим по аналогичной технологии представленной в «Автопроекте», с добавлением собственных особенностей.

Рисунок 5.4 - «КОМПАС-АВТОПРОЕКТ»-Спецификации

С помощью программы конверации в «Excel» Мы получаем пакет документации представленных в приложение В. Необходимую форму и геометрию документации выбираем в диалоговом окне.

С помощью программы конвертации в «Excel» мы получаем пакет документации представленных в приложение. Необходимую форму и геометрию документации выбираем в диалоговом окне.

Дальнейшее редактирование документа возможно средствами «MicrosoftExcel».



6. АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛИ «ЦАПФА» НА СТАНКЕ С ЧПУ

Подготовка программ - трудоемкий процесс, требующий переработки большого объема технологической и геометрической информации. Поэтому с целью повышения производительности и уменьшения трудоемкости этого процесса разработаны системы автоматизированной подготовки программ (САП). Исходная информация, используемая при подготовке программы для станка с ЧПУ, выбирается из чертежа детали и из технологического процесса ее изготовления. Для ввода исходной информации на естественном и удобном для разработчика языке используются специализированные языки, в которых информация представляется в упорядоченной словарной, табличной или графической форме. Программа для токарной обработки детали «Цапфа» разработана с помощью системы Mastercam.

Разработка управляющих программ с помощью MastercamLatheVersion 9.

MastercamLatheVersion 9 позволяет сформировать различные траектории обработки для токарных станков - от черновой и чистовой обработки по внутренним и наружным диаметрам до обработки типа C-axis (фрезерование/точение). Он также обеспечивает программирование операций выборки паза, нарезки резьбы, сверления, подрезки торцев и отрезки, которые покрывают все потребности в токарной обработке. Определение задачи 2-координатной токарной обработки осуществляется путем определения токарной детали, а затем формированием траектории 2-координатной токарной обработки. Назначение параметров задачи включает в себя определение границ заготовки, исключающих возможность столкновения с инструментом, описание формы зажимного патрона и торцев заготовки, а также назначение базовых точек. На рисунке 6.1 представлены главные области интерфейса Mastercam.

После открытия файла детали назначаются границы безопасного перемещения инструмента. Эти границы предохраняют инструмент от соударения с деталью и предотвращают поломку инструмента и детали. После назначения границ заготовки, зажимного патрона и задней бабки, Mastercam при создании траектории инструмента будет предупреждать о возможных столкновениях. Также назначается величина зазора инструмента, который определяет, как близко к границе может приблизиться инструмент перед выводом предупреждающего сообщения. Зазор инструмента определяет, как близко инструмент может приближаться к границам безопасности при выполнении перемещений на быстром ходу и подводе/отводе. Зазор для быстрых ходов должен быть больше, чем для подвода/отвода, иначе Mastercam выведет сообщение об ошибке.

Базовые точки это позиции начала и конца траектории инструмента. Обычно они используются для обеспечения безопасного промежуточного перемещения инструмента между траекторией инструмента и исходной позицией (позицией смены инструмента). Назначаются независимые базовые точки для OD (наружный диаметр) и ID (внутренний диаметр) операций (рисунок 6.2).

После назначения параметров задачи можно приступить к созданию траекторий инструментов. Некоторые траектории инструмента обычно всегда включаются в процесс токарной обработки детали. Так как длина заготовки может быть переменной, то можно начать с траектории подрезки торцов. Эта траектория образует чистую поверхность на переднем торце детали, называемом также “базовым торцом”.