Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

• Введение
• 1. Конструкторская часть
• 1.1 Цели и задачи выпускной квалификационной работы
• 1.2 Описание конструкции и принцип работы визира оптического устройства
• 2. 3D моделирование в современном мире и его преимущества
• 3. Разработка трехмерных моделей и ассоциативно связанных чертежей компонентов визира
• 3.1 Методика создания компьютерных моделей деталей
• 3.2 Методика создания сборочной единицы
• 3.3 Метод создания разнесенной сборки
• 3.4 Автоматизированная разработка конструкторской документации
• 3.5 Создание связанных спецификаций
• 3.6 Разработка разнесенных сборок и каталогов компонентов визира
• 4. Исследование напряженно-деформированного состояния компонентов визира
• 4.1 Решение линейных задач теории упругости методом конечных элементов
• 4.2 Использование трёхмерной модели для расчёта изделия методами имитационного моделирования
• 4.3 Расчет напряженно - деформированного состояния детали в среде SolidWorks Simulation
• 5. Разработка технологического процесса изготовления детали визира
• 5.1 Описание, назначение и конструкция детали
• 5.2 Технологический контроль чертежа детали
• 5.3 Анализ технологичности конструкции детали
• 5.4 Определение типа производства
• 5.5 Выбор заготовки
• 5.6 Расчет припусков на обработку
• 5.7 Выбор оборудования
• 5.8 Расчет режимов резания, нормирование операций
• 6. Управляющая программа
• Заключение
• Список использованных источников
• Введение
• В настоящее время оптические приборы нашли широкое применение не только в военном деле, но и в повседневной жизни. К ним относятся: прицельные и угломерные устройства, приборы для наблюдения, фотоаппараты, сигнальные приборы связи, дальномеры, приборы управления артиллерийской стрельбой и центральной наводки.
• Основной целью выпускной квалификационной работы является автоматизированная разработка технического руководства по эксплуатации и ремонту компонентов визира оптического устройства.
• Визир (видоискатель) - это вспомогательное устройство фотоаппарата, кинокамеры или видеокамеры, которое служит для наблюдения за объектом съёмки и определения границ снимаемого кадра. Некоторые типы видоискателя также используется для контроля качества изображения, главным образом для фокусировки.
• В процессе эксплуатации детали и узлы прибора приходят в негодность, как следствие, -нуждаются в ремонте или замене. Поэтому существует необходимость в создании технических руководств и каталогов, с помощью которых можно быстро и качественно осуществить ремонт и замену комплектующих.
• Тема данной выпускной квалификационной работы актуальна, так как составление технических руководств является важной составляющей конструкторской документации на изделие. Для каждого предприятия разработка руководства по эксплуатации (РЭ) - неотъемлемая часть разработки (проектирования) промышленного оборудования, поэтому обязательность наличия данного документа у производителя, поставщика и, в конечном счете, пользователя продукции, ни у кого не вызывает сомнений.
• Также важно отметить, что РЭ входит в комплект документов, обязательных для представления в орган по сертификации при проведении подтверждения соответствия продукции требованиям технических регламентов.
• 1. Конструкторская часть

1.1 Цели и задачи выпускной квалификационной работы

В настоящее время на предприятии ОАО «ВОМЗ» основной продукцией является разного рода оптические устройства. Современное общество в своем развитии и хозяйственной деятельности активно использует графический язык, которому на сегодняшний день альтернативы нет (голографические технологии пока что находятся на стадии разработки). Графический язык находит свое технологическое применение путем черчения проекций трехмерных объектов в двухмерной плоскости.

Поэтому, целью данной выпускной квалификационной работы является автоматизация компонентов визира оптического устройства.

Исходя из поставленной цели, необходимо решить следующие задачи:

Создать трехмерные модели и чертежи компонентов визира оптического устройства;

Создать разнесенные сборки и каталоги изделий;

Рассчитать нагрузки, действующие на червячный вал со стороны колеса;

Исследовать напряженно - деформированное состояние детали «червяк»;

Разработать технологию изготовления детали «оправа»;

В настоящее время на предприятии ОАО «ВОМЗ» основной продукцией является разного рода оптические устройства. Принцип работы этих устройств различный, но в большинстве случаев оптические приборы работают на основе механических взаимодействий.

В выпускной квалификационной работе изучению и анализу подлежит механизм переключения призмы, который является частью визира. Этот механизм предназначен для фокусировки и отражения луча при помощи стеклянной призмы, закрепленной в оправе. Такие устройства широко применяются на предприятии ОАО «ВОМЗ».

1.2 Описание конструкции и принцип работы визира оптического устройства

трехмерный модель визир автоматизация

Оптические визиры используются в механических прицелах для визирования по мишени либо точке наводки. Оптические визиры дают возможность совершать прямую наводку на достаточно большое расстояние стрельбы и выполняют наводку в условиях плохого освещения цели, а также ночью при искусственном освещении, более того их применение улучшает точность наводки по сравнению с механическими визирами.

Оптические визиры не содержат устройство для прицельных углов, а также у них нет механизмов выверок, в отличие от оптических прицелов.

Оптические визиры делятся на три основных типа: панорамные, телескопические и коллиматорные.

Панорама является представителем панорамного оптического визира.

Телескопические визиры постороены на оптической схеме.

Суть работы коллиматорных визиров заключается в принципе совмещения бесконечно удаленного перекрестия визира имитированного коллиматором с целью.

Преимущество коллиматорного визира перед механическим заключается в том, что прицеливание с помощью этого визира производится по двум точкам: изображению перекрестия сетки коллиматора и цели. Обе эти точки располагаются на значительном удалении от глаза, и он их видит без аккомодации, чего нет при использовании механического визира.

Ночные прицелы.

Различные виды излучения представляют собой электромагнитные колебания, свойства, способы получения и действие которых зависят от длины волны. Совокупность всех электромагнитных волн составляет электромагнитный спектр. Этот спектр условно можно разбить на отдельные области, частично перекрывающие друг друга (рисунок13).

Наиболее узкий участок спектра (0,4--0,76 мкм) занимают видимые лучи, воспринимаемые человеческим глазом и используемые в оптических прицелах наземной артиллерии. Непосредственно к видимой области со стороны более длинных волн примыкают инфракрасные лучи, а со стороны более коротких волн - ультрафиолетовые лучи.

Шкалы спектра электромагнитных волн

Инфракрасные и ультрафиолетовые лучи невидимы для невооруженного глаза, но обладают такими же свойствами, как и видимые лучи, т. е. распространяются прямолинейно, преломляются и отражаются. Это позволяет использовать их для получения невидимого изображения объектов с помощью оптических систем, состоящих из линз и зеркал. Невидимое изображение в дальнейшем преобразовывается в видимое, благодаря чему обеспечивается возможность наблюдения в темноте и создания ночного прицела.

Применению инфракрасных лучей в ночных прицелах способствует также большое процентное содержание их в общей энергии излучения тел. И хотя по мере понижения температуры тела интенсивность излучения быстро уменьшается, содержание инфракрасных лучей в общем излучении увеличивается. Это позволяет использовать для подсветки целей такие технически простые и малогабаритные генераторы инфракрасных излучений, как лампы накаливания.

Достаточно интенсивными источниками инфракрасных лучей являются такие низкотемпературные излучатели, как выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания и реактивных двигателей, пламя выстрелов и разрывов и т. п., что позволяет использовать ночные прицелы для обнаружения целей по их собственному инфракрасному излучению.

Ночной прицел в отличие от дневного оптического прицела должен иметь устройство для преобразования невидимых для невооруженного глаза инфракрасных лучей в лучи видимой области спектра. Этот сложный процесс происходит в специальном устройстве, называемом электронно-оптическим преобразователем.

Электронно-оптический преобразователь (рисунок 14) представляет собой стеклянную вакуумную электронно-лучевую трубку 1 цилиндрической формы. На передней торцевой поверхности трубки (обращенной в сторону объектива) нанесен светочувствительный слой 2, называемый фотокатодом; на задней поверхности нанесен слой светящегося вещества 4, представляющий собой люминесцирующий экран, а внутри расположена фокусирующая система 3.

Фотокатод предназначен для преобразования энергии инфракрасных лучей в пропорциональную ей энергию движущихся электронов.

Фотокатод работает на принципе внешнего фотоэлектрического эффекта, сущность которого заключается в следующем.

Внешние электроны атомов металлов слабо связаны с ядром и под действием даже слабых внешних влияний (например, повышения температуры) свободно и хаотически перемещаются от одного атома к другому, имея различные скорости и, следовательно, различные значения кинетической энергии. Этой кинетической энергии недостаточно для того, чтобы электроны могли выйти из металла. Для преодоления тормозящих сил, расположенных внутри металла у поверхности отрицательных зарядов, и сил электрического притяжения, расположенного снаружи избытка положительного заряда, «свободным» электронам необходимо придать дополнительную энергию. Эта энергия называется работой выхода электронов.

Электронно-оптический преобразователь:

1 -- стеклянная трубка; 2 -- фотокатод; 3 -- фокусирующая система; 4 -- экран

В настоящее время в ночных прицелах, работающих без подсветки целей прожектором, используются многощелочные и сурьмяно-цезиевые фотокатоды.

Фотокатод представляет собой полупрозрачный светочувствительный слой сложной структуры, который наносится на внутреннюю стенку стеклянного баллона и подключается к отрицательному полюсу источника питания. Фотокатод работает на просвет, т. е. падающие на него лучи проходят через стекло и вызывают фотоэлектронную эмиссию (выбивают электроны) с внутренней, обращенной к экрану поверхности фотокатода. Толщина полупрозрачного фотокатода составляет всего несколько сотен молекулярных слоев.

Следует иметь в виду, что облучение фотокатода коротковолновыми видимыми и особенно ультрафиолетовыми излучениями может привести к уменьшению чувствительности фотокатода и даже к выходу его из строя. Для предохранения фотокатода от видимых и ультрафиолетовых лучей перед ним необходимо помещать специальный фильтр и принимать дополнительные меры по его защите.

Экран служит для преобразования энергии движущихся электронов в энергию видимых лучей и получения видимого изображения наблюдаемых объектов. Он представляет собой слой люминофора, нанесенный на стеклянное основание задней стенки корпуса электронно-оптического преобразователя.

Люминофоры -- это вещества, обладающие свойством люминесценции, т. е. излучающие свет в холодном состоянии, не поглощая тепло, под воздействием подводимой к ним энергии в той или иной форме.

Для экранов преобразователей применяют люминофоры временного действия, работающие на принципе катодолюминесценции. Причиной свечения катодолюминофора является возбуждение атомов его ярко выраженной кристаллической решетки электронами, падающими на его поверхность с определенной кинетической энергией, которые при возвращении в нормальное состояние отдают энергию в виде свечения. Величина этой энергии зависит от начальной скорости электрона, вылетевшего с поверхности фотокатода, и разности потенциалов, которую проходит электрон до соударения с люминофором. По окончании возбуждения свечение люминофора прекращается, что и обусловливает его название люминофора временного действия.

Цвет и в значительной степени яркость свечения экрана зависят от состава катодолюминофора. Максимум спектральной чувствительности люминофора соответствует максимуму спектральной чувствительности глаза, который лежит в области зеленых лучей. Этим объясняется зеленый цвет свечения экрана. Яркость свечения зависит также от плотности электронного тока (числа электронов, падающих на экран в единицу времени) и скорости движения электронов в преобразователе. Повышение яркости за счет повышения плотности тока возможно до насыщения экрана, после чего избыток энергии электронов расходуется на вредный нагрев люминофора. Для отвода излишних электронов со слоя люминофора в современных преобразователях на его поверхность со стороны фотокатода наносят тонкий слой металла, например алюминия. Металлизация люминофора позволяет повысить яркость свечения, увеличивает стойкость люминофора и защищает фотокатод от засветки со стороны экрана:

Разрешающая способность экрана, а следовательно, и самого ночного прицела зависит от зернистости экрана. Последняя определяется структурой люминофора и технологией изготовления экрана. Разрешающая способность современных преобразователей составляет 25--40 штрихов на 1 мм изображения, при этом диаметр зерен люминофора не превышает нескольких микрон.

Фокусирующая система улучшает качество изображения на экране и повышает разрешающую способность ночного прицела. Достигается это следующим образом.

Под действием инфракрасных лучей с площади фотокатода эмитируются широкие пучки электронов, проходящие под различными углами к оси симметрии преобразователя. Благодаря очень высокой разности потенциалов, приложенной между фотокатодом и экраном, электроны устремляются по направлению к экрану. В процессе движения электроны пучка дополнительно рассеиваются и создают нерезкое изображение на экране. Для устранения этого недостатка необходимо фокусировать электронные пучки.

Направление движения электронных пучков определяется характером изменения напряженности электрического поля или, в конечном счете величиной приложенной разности потенциалов и конструкцией электродов электронной фокусирующей системы, формирующей электрическое поле. Для построения электрической электронно-оптической системы, действующей на электроны аналогично действию оптической системы на световые лучи, необходимо, чтобы разность потенциалов в этой системе изменялась так же, как показатель преломления в оптической системе. Создать такую систему не представляет особого труда.

В преобразователях с электростатической фокусировкой, находящих в настоящее время наиболее широкое применение, для воздействия на пучки электронов и получения высококачественного электронно-оптического изображения применяются такие фокусирующие системы, электроды которых размещаются за пределами хода электронных лучей. На пути последних находится лишь созданное ими электростатическое поле с непрерывным и плавным изменением потенциала и напряженности. Электроды в сложных системах устанавливаются между фотокатодом и экраном так, что потенциал электродов равен потенциалу экрана или имеет промежуточное значение между потенциалами фотокатода и экрана. Электростатические поля делаются симметричными относительно оптической оси преобразователя, для чего формирующие их электроды берутся в виде тел вращения, например в виде круглых диафрагм, цилиндров, усеченных конусов и т. п. Эти поля сохраняют в процессе работы преобразователя постоянное, заранее отрегулированное значение, причем стабильность их параметров является необходимым условием для получения на экране изображения высокого качества.

В современных электронно-оптических преобразователях фокусирующая система наряду с фокусировкой электронных пучков оборачивает изображение на экране А'В' по сравнению с положением изображения на фотокатоде АВ. Благодаря этому в оптической схеме ночного прицела не применяют дополнительных оборачивающих систем.

Электронно-оптический преобразователь в целом можно рассматривать как электронную линзу, которая преобразует невидимое изображение в видимое и оборачивает его.

Местность и находящиеся на ней предметы даже в самую темную ночь освещаются слабым рассеянным светом Солнца и звезд. Однако отраженные от них и падающие в глаза лучи настолько слабы, что в обычных условиях мы не в состоянии видеть их.

Для наблюдения за полем боя, отыскания и изучения целей, ведения огня прямой наводкой в темное время суток и созданы ночные прицелы.

Принципиальная схема ночного прицела (на рисунке 15) состоит из электронно-оптического прицела (визира) 11 и низковольтного 1 и высоковольтного 2 источников питания. При необходимости подсветки целей инфракрасными лучами в качестве искусственного источника излучения может быть использован инфракрасный прожектор.

Принципиальная схема ночного прицела

1--первичный (низковольтный) источник постоянного тока; 2 -- высоковольтный преобразователь; 3 -- лучи подсветки целей; 4 -- цель; 5 -- невидимые лучи, отраженные от цели или излучаемые целью; б -- объектив; 7 -- фотокатод; 8 -- фокусирующая система; 9 -- электронно-оптический преобразователь; 10 -- экран; 11--электронно-оптический прицел (визир); 12 -- окуляр

Основными конструктивными элементами электронно-оптического прицела являются корпус с элементами крепления прицела на орудии, телескопическая оптическая система, состоящая из объектива и окуляра, электронно-оптический преобразователь, коллимационная система для ввода изображения сетки в поле зрения прицела, механизмы углов прицеливания и выверки прицела по дальности и направлению стрельбы, механизмы защиты электронно-оптического преобразователя от засветки пламенем собственного выстрела, трассера снаряда и посторонним источником света, а также различные вспомогательные элементы.

Первичным источником постоянного тока низкого напряжения 1, используемого для питания прицела, служат аккумуляторные батареи. Первичное напряжение подается на вход высоковольтного источника 2, который преобразовывает его в высокое напряжение постоянного тока, создающее необходимую разность потенциалов на электродах электронно-оптического преобразователя, достигающую 18 кВ и более.

Работа электронно-оптического прицела заключается в следующем. Лучи 5 от объектов наблюдения 4 попадают на объектив 6 прибора, в результате чего на поверхности фотокатода 7 создается действительное, уменьшенное, перевернутое и невидимое для невооруженного глаза изображение этих объектов.

С участков поверхности фотокатода, на которые упали невидимые глазу лучи, выбиваются электроны. Поверхностная плотность электронного потока, т. е. количество электронов, выбиваемых с единицы площади изображения в единицу времени, пропорциональна распределению интенсивности падающего на фотокатод пучка лучей.

Под действием приложенной разности потенциалов электроны устремляются через отверстия в электродах фокусирующей системы 8 к экрану 10. При движении от фотокатода к экрану пучки электронов сохраняют распределение интенсивности в поперечном сечении, тем самым как бы перенося «электронное изображение» на экран, одновременно оборачивая его.

Под действием высокой разности потенциалов между фотокатодом и экраном электроны приобретают большую кинетическую энергию и, ударяя в экран, создают на нем яркое изображение наблюдаемого объекта. При этом распределение яркости свечения по площади экрана пропорционально распределению электронов в поперечном сечении электронного пучка, что обеспечивает получение на экране видимого изображения, подобного по форме и распределению яркости картине, созданной объективом па фотокатоде.

Изображение, полученное на экране, рассматривается в увеличенном виде с помощью окуляра 12. Особенностью изображения является его одноцветность, а также отличие яркостного контраста от реальной картины. Эта особенность может быть использована для демаскировки целей, но требует специальной тренировки наблюдателей.

Увеличение яркости изображения на экране позволяет наблюдать объекты при значительно меньших потоках лучистой энергии, падающей на фотокатод, и тем самым увеличивает дальность видимости ночных прицелов. Эффективным способом увеличения яркости изображения является последовательное каскадное соединение электронно-оптических преобразователей. Перспективным является применение многокамерных преобразователей с контактным соединением экрана предыдущей камеры с фотокатодом последующей путем нанесения их по обе стороны тонкой прозрачной пластинки. Это позволяет уменьшить потери световой энергии. При этом в первой камере устанавливают многощелочной фотокатод, а в последующих -- сурьмяно-цезиевые. Эмиссия электронов с последующего фотокатода более интенсивна, чем с предыдущего, поэтому свечение экрана каждой последующей камеры будет более ярким. Для получения прямого изображения объектов преобразователь должен иметь нечетное число камер, что влечет за собой увеличение длины преобразователя, а значит, габаритов и веса всего прицела.

Механизм углов прицеливания позволяет устанавливать угол прицеливания в соответствии с дальностью прямого выстрела. При этом сетка с нанесенными на ней дистанционными шкалами проектируется в поле зрения прицела либо располагается в поле зрения прицела и с помощью маховичка углов прицеливания может перемещаться в вертикальной плоскости. Простейший прицельный знак обычно наносится на экране преобразователя и перемещается путем покачивания самого преобразователя.

Механизмы выверки прицела по дальности и направлению служат для проверки нулевой линии прицеливания и по устройству и действию аналогичны подобным механизмам оптических прицелов прямой наводки.

Механизмы защиты фотокатода электронно-оптического преобразователя имеют разнообразную конструкцию и принцип действия и предохраняют фотокатод от попадания на него мощного светового потока.

2. 3D моделирование в современном мире и его преимущества

Плоды технической фантазии всегда стремились вылиться на бумагу, а затем и воплотиться в жизнь. Если раньше, представить то, как будет выглядеть деталь или механизм мы могли лишь по чертежу или рисунку, то с появлением компьютерного трехмерного моделирования стало возможным создать объемное изображение спроектированного сооружения. Оно отличается фотографической точностью и позволяет лучше представить себе, как будет выглядеть проект, воплощенный в жизни, внести определенные коррективы. 3D модель обычно производит гораздо большее впечатление, чем все остальные способы презентации будущего проекта. Передовые технологии позволяют добиваться потрясающих результатов.

3D графика - это создание объемной модели при помощи специальных компьютерных программ. На основе чертежей, рисунков, подробных описаний или любой другой графический или текстовой информации, 3D дизайнер создает объемное изображение. В специальной программе модель можно посмотреть со всех сторон (сверху, снизу, сбоку), встроить на любую плоскость и в любое окружение.

Трехмерная графика может быть любой сложности. Она позволяет создать простую трехмерную модель, с низкой детализацией и упрощенной формы. Или же это может быть более сложная модель, в которой присутствует проработка самых мелких деталей, фактуры, использованы профессиональные приемы (тени, отражения, преломление света и так далее). Конечно, это всерьез влияет на стоимость готовой трехмерной модели, однако позволяет расширить применение трехмерной модели.

Трехмерное моделирование (3d графика) сегодня применяется в очень многих сферах. Конечно, в первую очередь, это строительство. Это может быть модель будущего дома, как частного, так и многоквартирного или же офисного здания, да и вообще любого промышленного объекта. Кроме того, визуализация активно применяется в дизайн-проектах интерьеров.

3D модели очень популярны в сайтостроительстве. Для создания особенного эффекта некоторые создатели сайтов добавляют в дизайн не просто графические элементы, а трехмерные модели, иногда даже и анимированные. Программы и технологии трехмерного моделирования широко применяются и в производстве, например, в производстве корпусной мебели, и в строительстве, например, для создания фотореалистичного дизайн-проекта будущего помещения. Многие конструкторы уже давно перешли от использования линейки и карандаша к современным трехмерным компьютерным программам. Постепенно новые технологии осваивают и другие компании, прежде всего, производственные и торговые.

Конечно, в основном трехмерные модели используются в демонстрационных целях. Они незаменимы для презентаций, выставок, а также используются в работе с клиентами, когда необходимо наглядно показать, каким будет итоговый результат. Кроме того, методы трехмерного моделирования нужны там, где нужно показать в объеме уже готовые объекты или те объекты, которые существовали когда-то давно. Трехмерное моделирование это не только будущее, но и прошлое и настоящее.

Преимуществ у трехмерного моделирования перед другими способами визуализации довольно много. Трехмерное моделирование дает очень точную модель, максимально приближенную к реальности. Современные программы помогают достичь высокой детализации. При этом значительно увеличивается наглядность проекта. Выразить трехмерный объект в двухмерной плоскости не просто, тогда как 3D визуализации дает возможность тщательно проработать и что самое главное, просмотреть все детали. Это более естественный способ визуализации.

В трехмерную модель очень легко вносить практически любые изменения. Можно изменять проект, убирать одни детали и добавлять новые. Фантазия практически ни чем не ограничена, и можно быстро выбрать именно тот вариант, который подойдет наилучшим образом.

Профессиональные программы дают множество преимуществ и изготовителю. Из трехмерной модели легко можно выделить чертеж каких-либо компонентов или конструкции целиком. Несмотря на то, что создание трехмерной модели довольно трудозатратный процесс, работать с ним в дальнейшем гораздо проще и удобнее чем с традиционными чертежами. В результате значительно сокращаются временные затраты на проектирование, снижаются издержки.

Специальные программы дают возможность интеграции с любым другим профессиональным программным обеспечением, например, с приложениями для инженерных расчетов, программами для станков или бухгалтерскими программами. Внедрение подобных решений на производстве дает существенную экономию ресурсов, значительно расширяет возможности предприятия, упрощает работу и повышает ее качество.

3. Разработка трехмерных моделей и ассоциативно связанных чертежей компонентов визира

Создание трехмерных моделей деталей, сборок и ассоциативно связанных чертежей является важным этапом конструкторского проектирования.

Основная задача, решаемая системами автоматизированного проектирования, - это разработка изделий с целью существенного сокращения периода проектирования и скорейшего их запуска в производство.

Разработка 3D - моделей будет осуществляться в системе автоматизированного проектирования КОМПАС - 3Dv15.1. Модель детали создается с помощью редактора трехмерных твердотельных моделей. Ассоциативные виды моделей создаются с помощью чертежно-конструкторского редактора. Такие виды сохраняют связь с изображенными в них моделями. При изменении размеров, формы и топологии модели изменяется и изображение во всех связанных с ней видах.

Система трехмерного твердотельного моделирования предназначена для создания трехмерных параметрических моделей отдельных деталей и сборочных единиц, содержащих как оригинальные, так и стандартизованные конструктивные элементы. Параметрическая технология позволяет быстро получать модели типовых изделий на основе однажды спроектированного прототипа. Многочисленные сервисные функции облегчают решение вспомогательных задач проектирования и обслуживания производства.
Чертежно-графический редактор предназначен для автоматизации проектно-конструкторских работ в различных отраслях деятельности. Он может успешно использоваться в машиностроении, архитектуре, строительстве, составлении планов и схем -- везде, где необходимо разрабатывать и выпускать графические и текстовые документы.

По трехмерной модели детали система легко определяет ее физические характеристики: объем, площадь поверхности, координаты центра тяжести и т.д. Трехмерные твердотельные модели включают в себя всю геометрическую информацию, необходимую для работы систем инженерного анализа. Такая модель может быть использована для выполнения инженерных расчетов: напряжений и деформаций, частотного анализа, тепловых расчетов и связанных с ними температурных деформаций и напряжений. Если модель представляет собой сборочную модель какого-либо механизма, то для нее может быть выполнен кинематический анализ с определением координат, скоростей, ускорений и сил взаимодействия отдельных ее звеньев.

Спецификации и чертежи приведены в конструкторской документации, в приложении 1.

3.1 Методика создания компьютерных моделей деталей

Разработка компьютерной модели призмы выполнялась в графическом редакторе «Компас 3D».

Способы создания 3D моделей:

· Выдавливанием.

· Вращением.

· Листовое тело.

Последовательность создания модели способом выдавливания.

Выбирается плоскость и создается эскиз (рисунок 16).



Параметризованный эскиз

1. Эскиз выдавливается на необходимое расстояние (рисунок 17).

Операция выдавливания

2. Эскиз вырезается на расстояние при заданных параметрах (Рисунок - 18).

Вырезание выдавливанием

Последовательность создания кронштейна аналогичная операции выдавливания (Рисунок 19).



Эскиз кронштейна

Операция выдавливания

Кронштейн

3.2 Методика создания сборочной единицы

Сборка необходима для получения информации о напряжениях деталей.

Последовательность создания сборки:

Выбор опорной детали, включение ее в сборку и ее закрепление в начале координат.



Опорная деталь - кронштейн

1. Включение в сборку следующей детали, которая будет закреплена на уже включенных в сборку деталях.

Рисунок 23 - Добавление 2 детали

2. Ориентирование детали относительно уже включенных в сборку деталей

Сборочный чертеж

3.3 Метод создания разнесенной сборки

Разнесенная сборка это полностью созданная модель сборочной единицы, но детали, входящие в состав модели разнесены на различное расстояние.

Разнесенные сборки необходимы для создания каталогов и инструкций по сборке изделий.

Последовательность создания разнесенной сборки.

Задаются параметры разнесения (шаг, компоненты в шаге, грань, относительно которой относятся компоненты, направление и расстояние, на которое относятся компоненты).

После задания параметров разнесения в любой момент можно нажать кнопку «Разнести компоненты», и они разнесутся согласно заданным параметрам. Все рассмотренные способы используются для создания моделей детали и сборочных единиц.

- Разнесенная сборка

3.4 Автоматизированная разработка конструкторской документации

Конструкторская документация включает в себя спецификации, чертежи, каталоги. Она необходима для разработки технологического процесса изготовления изделия.

В графическом редакторе «Компас-3D» имеется возможность создания ассоциативно связанных чертежей с помощью моделей деталь. Связь проявляется в том, что при изменении модели детали изменяется и связанный с ней чертеж.

На ассоциативно связанном чертеже создаются: стандартные виды; произвольные виды; проекционные виды (вид по направлению указанному относительно другого вида); виды по стрелке; разрезы, сечения ;выносные элементы; местные виды; разрезы видов.

Последовательность создания чертежа детали.

1. Настройка параметров листа чертежа (Рисунок 26).

Окно настройки параметров

2. Создание связанных видов, создание разрезов (Рисунок 27).

Ассоциативно связанные виды

Аналогично формируются остальные чертежи моделей деталей и сборочных единиц.

3.5 Создание связанных спецификаций

В графическом редакторе «Компас-3D» имеются два режима заполнения спецификации: ручной и автоматический. В ручном режиме все графы заполняются вручную с клавиатуры. В автоматическом режиме графы заполняются данными из чертежей или деталей, указанных в качестве источника данных.

Последовательность создания связанной спецификации:

1. Создание объекта спецификации для моделей детали.

1.1 При создании объекта выбирается раздел «Детали» и создается базовый объект спецификации.

1.2 Подключается чертеж детали

1.3 Данные берутся из основной надписи

2. Создание объекта спецификации для сборки

Для модели сборки создается два объекта спецификации:

- внутренний - для создания собственной спецификации на данную сборку

- внешний - если данная сборка будет входить в более крупную сборку.

2.1 Создание внутреннего объекта спецификации для сборки.

2.1.1 При создании объекта выбирается внутренний объект, выбирается раздел «Документы» и создается базовый объект спецификации

2.1.2 Подключается чертеж сборки

2.1.3 Данные берутся из основной надписи

2.2 Создание внешнего объекта спецификации для сборки.

2.2.1 При создании объекта выбирается внешний объект, выбирается раздел «Сборочные единицы» и создается базовый объект спецификации.

2.2.2 Подключается чертеж сборки

2.2.3 Данные берутся из основной надписи

3. Создание спецификации

3.1. Создается новый документ «Спецификация»

3.2 Подключается сборка с условием «Передавать изменения в документ»

4. Создание связи объектов спецификации с позициями на чертеже

4.1 Расставляются позиции на чертеже

4.2. На экран выводятся и спецификация и чертеж

4.3 На чертеже выделяется необходимая позиция, а спецификации необходимая строчка, нажимается кнопка «Редактировать состав объекта»

На рисунке 28 представлена часть созданной спецификации.

Часть спецификации

На рисунке 29 представлен чертеж разнесенной сборки.

Созданный чертеж с параметром «Разнести»

1. Простановка позиций деталей и стандартных изделий (Рисунок 30).



Проставление позиций в каталоге

Автоматизированная разработка конструкторской документации выполняется гораздо быстрее, чем вручную. Ее проще создавать и легче редактировать.

3.6 Разработка разнесенных сборок и каталогов компонентов визира

Трехмерная сборка в своем окончательном виде не дает полного представления о взаимном расположении компонентов. Для облегчения восприятия применяется разнесенный вид - в нем компоненты «раздвигаются» в пространстве. Также разнесенные сборки применяются для создания иллюстрированных каталогов.

Разнесенные сборки выполняются в системе автоматизированного проектирования КОМПАС - 3Dv15.1. Формируя разнесенные виды, в автоматизированном режиме создается документ, отражающий порядок сборки узлов и агрегатов.

С помощью разнесенной модели механизма можно сымитировать процесс его последовательной сборки и разборки. Для этого необходимо определить, с какой сборочной единицы начинается разборка устройства.

После этого создается документ - каталог, в котором на каждом этапе разборки - сборки приводятся иллюстрации и краткое описание действий (Рисунок 31).



Каталог механизма переключения призмы

4. Исследование напряженно-деформированного состояния компонентов визира

Анализ напряженно-деформированного состояния будем производить для детали «червяк». Он находится в зацеплении с червячным сектором, который соединен с оправой. Также на валу имеется ведомое колесо прямозубой цилиндрической передачи.

4.1 Решение линейных задач теории упругости методом конечных элементов

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.

В данной главе мы рассмотрим метод конечных элементов (МКЭ), имеющий наибольшее применение для решения прикладных инженерных задач.

Характерной особенностью МКЭ, относящегося к так называемым прямым методам, является то, что процедуры для отыскания числовых полей неизвестных функций в теле (таких как перемещения, напряжения, силы) строятся на основе вариационных принципов механики упругого тела без непосредственного использования дифференциальных уравнений. Заметим, что в настоящее время МКЭ является самым эффективным прямым методом приближенного решения прикладных задач механики.

В основе МКЭ лежит представление объекта исследования в виде набора некоторых простых с геометрической точки зрения фигур, называемых конечными элементами, взаимодействующими между собой только в узлах. Расположенные определенным образом (в зависимости от конструкции объекта) и закрепленные в соответствии с граничными условиями конечные элементы, форма которых определяется особенностями моделируемого объекта, позволяют описать все многообразие механически конструкций и деталей.

Например, плоскую форменную конструкцию можно смоделировать набором плоских стержневых фигур, рамную - набором объемных стержневых элементов, различного рода пластины и оболочки - множеством плоских треугольников или прямоугольников. Геометрически объемные тела удобно представлять в виде совокупности элементарных пирамид, параллелепипедов и призм, и т. д. На рисунке 33 показан пример разбивки пластины на конечные элементы - треугольники.

Сетка конечных элементов

Рамные конструкции, как правило, моделируются набором стержневых конечных элементов. Различного рода пластины и оболочки удобно моделировать набором плоских треугольных, либо прямоугольных элементов, а в отдельных случаях и набором более сложных элементов. Геометрически объемные тела удобно представлять в виде совокупности элементарных пирамид, параллелепипедов и призм.

Такое представление рассматриваемого объекта позволяет решать задачи расчета напряженного и деформированного состояний тела, устойчивости и динамики, нахождения частот и амплитуд собственных и вынужденных колебаний. Кроме того, МКЭ можно с успехом использовать для решения задач стационарной и нестационарной теплопроводности, расчета полей статического электричества и скоростей безвихревого течения жидкости, и т. д.

Практическое использование этого метода во многом зависит от уровня развития компьютерной техники и качества программного обеспечения, реализующего этот метод. Программное обеспечение для решения задач методом МКЭ должно включать в себя следующие элементы: редактор разбивки на конечные элементы, ядро, непосредственно обеспечивающее решение, и визуализатор для демонстрации полученных результатов.

Следует отметить, что МКЭ - это достаточно самостоятельный раздел механики сплошной среды, который динамично развивается и совершенствуется. Для подробного ознакомления с ним можно воспользоваться специальной литературой. Здесь же будут рассмотрены лишь физические основы этого метода на примере решения плоской задачи теории упругости - расчета напряженного состояния тонкой пластины произвольной формы. В качестве конечного элемента примем плоский элемент треугольной геометрической формы.

4.2 Использование трёхмерной модели для расчёта изделия методами имитационного моделирования

Имитационное моделирование создание электронной модели проектируемого объекта и экспериментирование с ней при заданных ограничениях. Цель таких экспериментов это определение оптимальных параметров модели.

Различают два метода имитации:

- Кинематическая имитация процесса движения элемента объекта с целью определения столкновений (коллизий).

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

В этом случае определяется теплонапряжённое состояние объекта, а также определение напряжённо деформированного состояния объекта.

Последняя задача была решена давно. Для определения напряжённо деформированного 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. При сложной конфигурации объекта в САПР используется метод конечных элементов (МКЭ).

4.3 Расчет напряженно - деформированного состояния детали в среде SolidWorks Simulation

Прежде всего, необходимо создать твердотельную модель детали в среде SolidWorks.

Проводим исследование напряженно-деформированного состояния, имитируя работу червячного вала под действием сил, действующихсо стороны зубчатого колеса и червячного сектора.

Расчет детали «червяк» производится с использованием модуляSimulation.Модуль предназначен для расчета напряженно-деформированного состояния стержневых, пластинчатых, оболочечных и твердотельных конструкций, а также их произвольных комбинаций. Модуль Simulation организован таким образом, что в его рамках можно рассчитать все многообразие существующих конструкций, собирая их из вышеперечисленных макроэлементов. Внешняя нагрузка, так же как и условия закрепления конструкции, могут быть произвольными как по характеру, так и по местоположению.

Данный модуль позволяет решать следующие задачи:

- Тип анализа и их особенности;

- Линейный динамический: модальный; случайные колебания; гармонический;

- Нелинейный динамический;

- Нелинейный с учетом физической и геометрической нелинейности.

Свойства материалов:

- В нелинейном динамическом анализе для тел и оболочек: пластические по Мизесу, гиперупругие по Муни-Ривлину и Огдену, вязкоупругие, с эффектом памяти формы;

- В статическом нелинейном анализе - те же, плюс материалы с ползучестью. Поддерживается модель больших перемещений и больших пластических деформаций;

- В линейных динамических моделях можно определить коэффициенты демпфирования материалов.

Граничные и начальные условия, параметры настройки:

- Для статического нелинейного анализа - история нагружения;

- Для динамической модели в дополнение к статической и в зависимости от типа динамического анализа - перемещения, скорости, ускорения, спектр возбуждения, параметры гармонических нагрузок;

В зависимости от типа анализа тип и параметр модели демпфирования: модальное и Рэлеевское.

Виртуальные соединители:

- Болты с предварительным натягом, соединяющие как тела, оболочки;

- Штифты с конечной бесконечной жесткостью;

- Пружины, "сосредоточенные" и "распределенные", в том числе и с предварительным натягом. Пружины, соединяющие концентрические грани с радиальной и тангенциальной жесткостью;

- Шариковые и роликовые подшипники;

- Точки контактной сварки;

- Жесткая связь граней;

- Жесткий стержень

Сетки:

- Многослойные анизотропные плоские и криволинейные оболочки с назначенным углом армирования для каждого слоя;

- Трехслойные сэндвич-панели.

Результаты:

- Доступны параметры, присущие динамическим эффектам: скорости, ускорения, спектральные характеристики;

- Абсолютное большинство результатов доступно в зависимости от времени;

- Для большинства всех типов можно получить кривые отклика;

- Анимация динамических эффектов.

Вал с подшипниками и колесом изображен на рисунке 34.

Червячный вал

Выбирая тип расчетной опоры, необходимо учитывать, что деформативные перемещения валов - малы, и если конструкция действительной опоры допускает хотя бы небольшой поворот или перемещение, то этого достаточно чтобы считать ее шарнирной или подвижной.

Вал можно рассматривать как балку с шарнирно - подвижными опорами или с одной шарнирно - подвижной и одной шарнирно - неподвижной опорами.

В данном механизме червяк опирается на шариковые радиальные однорядные подшипники 1000093 ГОСТ 8338-75, поэтому в расчетной схеме вала эти подшипники заменим на шарнирно - подвижные опоры.

Подшипники, воспринимающие только радиальные нагрузки, изображаются в виде шарнирно - подвижных опор.

Ниже на рисунке 35 изображена схема нагружения вала.

Кинематическая схема червяка

Передача вращательного движения осуществляется от электродвигателя ДПМ - 20 -Н1 - 08Т ОСТ 160.515.022 - 76 через шестерню прямозубой цилиндрической передачи. Так как передача прямозубая, то осевой силы Faв зацеплении не будет.

Технические характеристики электродвигателя:

1. Номинальный вращающий момент: T = 1,96 (мНм);

2. Частота вращения вала: n = 4500 (об/мин.);

3. Мощность: P = 0,92 (Вт).

Движение в червячных передачах осуществляется по принципу винтовой пары или по принципу наклонной плоскости.

Определим вращающие моменты, передаваемые:

1) Цилиндрическим колесом:



2) Червяком:

Вычислим частоту вращения n2:

где Uц. п.- передаточное число цилиндрической передачи.

Тогда частота вращения n2определится:

Определим мощность P2червяка:

где зц. п. - КПД цилиндрической передачи.

Теперь найдем значение T2:

Силы в червячном зацеплении:

Силу взаимодействия червяка и колеса - Fn принимают сосредоточенной и приложенной в полюсе зацепления по нормали к рабочей поверхности витка. Ее задают тремя взаимно перпендикулярными составляющими: Ft,Fa, Fr.

На рисунке 36 показаны силы, действующие в зацеплении червячного вала с колесом.

Сечение червяка в осевой плоскости

1) В цилиндрической передаче:

Окружная сила:

Радиальная сила:

2) В червячной передаче:

Осевая сила:



Окружная сила:

Радиальная сила (раздвигает червяк и колесо):

Вычислим значение нормальной силы Fn:

В месте контакта червяка и колеса возникает изгибающий момент Mот действия осевой силы Fa.

Приступая к расчету, предварительно намечаем опасные сечения вала, которые подлежат расчету. При этом учитывается характер эпюр изгибающих и крутящих моментов, структурная форма вала и места концентрации напряжений.

Теперь проведем расчет и анализ напряженно - деформированного состояния вала в программной среде SolidWorksSimulation. На рисунке 37 показана трехмерная модель рассматриваемого вала.

Трехмерная модель червячного вала

На витках червяка создадим небольшие вырезы (площадки) - концентраторы напряжений, чтобы приложить давление, создаваемое нормальной силой Fn.

Нормальную силу Fnраспределим между тремя соседними витками червяка таким образом, что 50% этой силы будет приходиться на средний, а на

два крайних соседних витка - по 25%.

Шариковые радиальные подшипники при расчете заменим жесткой заделкой. На рисунке 38 изображены силы, действующие на вал.

Вал с приложенными нагрузками и закреплением

Для расчета вала создаем сетку конечных элементов (рисунок 39).



Сетка конечных элементов

На рисунке 40 показано распределение нормальных усилий и диаграмма напряжений.

Вал и эпюра нормальных напряжений.

Определим давления, приложенные к виткам:

где S - площадь вырезов на витках.

P1 = 0,1741 (Н/мм2);

P2 = 0,145 (Н/мм2);

P3 = 0,166 (Н/мм2).

На рисунке 41 приведено изображение эпюры перемещений.

Рисунок 41 - Вал и эпюра перемещений.

По цветной легенде, находящейся около рисунка, можно определить максимальные значения того или иного параметра и сделать следующие выводы о прочностных характеристиках детали.

По диаграмме нормальных напряжений видно, что напряжения в полюсе зацепления вала с червяком не значительны. А по диаграмме перемещенийясно, что перемещения витков очень малы.

В ходе расчетов, проведенных методом имитационного моделирования, были получены аппроксимированные результаты: наибольшие значения статического напряжения и деформационного растяжения, определенных разработчиком как допустимые при указанных нагрузках, деталь имеет необходимый запас прочности, требуемый для безопасного использования изделия в целом.

5. Разработка технологического процесса изготовления детали визира

Эффективность производства, его технический прогресс, качество выпускаемой продукции во многом зависят от опережающего развития производства нового оборудования, машин, станков и аппаратов, от всемирного внедрения методов технико - экономического анализа.

Технический прогресс в машиностроении характеризуется не только улучшением конструкций машин, но и непрерывным совершенствованием технологии их производства. Важно качественно, дешево и в заданные плановые сроки с минимальными затратами изготовить изделие применив высокопроизводительное оборудование, технологическую оснастку средства механизации и автоматизации производства. От принятой технологии производства во многом зависит надежность работы выпускаемых изделий, а также экономика их эксплуатации.

В данной выпускной работе особое внимание уделяется решению технических и организационных задач, а также детальному и творческому анализу существующего технологического процесса.

5.1 Описание, назначение и конструкция детали

Оправа представляет собой корпусную деталь, масса которой составляет 0,02 кг. В качестве материала для изготовления детали «оправа» используется алюминиевый сплав Д16 ГОСТ4784-97.

16 - это термоупрочняемый деформируемый сплав алюминия, который имеет химический состав по ГОСТ 4784-97. Ниже в таблице 3показан химический состав материала Д16.

Таблица 3 - Химический состав материала Д16 в %

Fe	Si	Mn	Cr	Ti	Al	Cu	Mg	Zn	Примеси	-
До 0,5	До 0,5	0,3-0,9	До 0,1	До 0,15	90,9-94,7	3,8-4,9	1,2-1,8	До 0,25	Прочие; каждая 0,05; всего 0,15	Ti+Zr<0,2

Благодаря низкой тепло- и электропроводности этот материал хорошо проявляет себя при температуре свыше 120 °C и до 250 °C, однако, не допускается его использовать даже кратковременно при температуре выше 500 °C. Он не склонен к образованию трещин, но при повышении температуры выше 80 °C склонен к образованию межкристаллитной коррозии, что накладывает определённые ограничения на его применение. Однако, искусственное состаривание позволяет избежать образования коррозии, с одновременным уменьшением прочности и пластичности.В таблице 4 приведены физический свойства Д16.

Таблица 4 - Физические свойства материалов

T	EЧ10- 5	б Ч10 6	л	с	C	RЧ10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20	0.72	-	-	2770	-	-
T	EЧ10- 5	б Ч10 6	л	с	C	RЧ10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
100	-	22.9	130	-	0.922	-

Д16Т обладает высокой твёрдостью и прочностью, но уступает по этим параметрам заготовкам из сплава ВД95Т1 в особо твёрдом состоянии после искусственного старения и закалки. Но при повышении температуры выше 120 °C Д16Т проявляет лучшие механические свойства и не имеет себе равных в пределах до 250 °С. Кроме того следует отметить, что ВД95 склонен к коррозии под напряжением, так что не всегда удаётся использовать весь потенциал этого материала до конца.

В таблице 5 приведенымеханические свойства материала Д16.

Таблица 5 - Механические свойства материала Д16

Сортамент	Размер	ув	уT	д5	Термообработка
-	мм	МПа	МПа	%	-
Трубы, ГОСТ 18482-79	-	390-420	255-275	10-12	-
Пруток, ГОСТ 21488-97	-	245	120	12	-
Пруток, ГОСТ 21488-97	8 - 300	390-410	275-295	8-10	Закалка и старение
Пруток высокой прочности ГОСТ 51834-2001	-	450-470	325-345	8-10	Закалка и старение
Пруток, повышенной пластичности, ГОСТ 51834-2001	-	410	265	12	Закалка и старение
Сортамент	Размер	ув	уT	д5	Термообработка
-	мм	МПа	МПа	%	-
Лента отожженая, ГОСТ 13726-97	-	235	-	10	-
Профили, ГОСТ 8617-81	10 - 150	412	284	10	Закалка и искусственное старение
Профили отожженая, ГОСТ 8617-81	-	245	-	12	-
Плита, ГОСТ 17232-99	-	345-420	245-275	3-7	Закалка и старение

Большинство дюралей имеет склонность к коррозии больше чем другие сплавы алюминия. По этой причине изделия из дюралей плакируют 2-4% слоем технического алюминия, либо покрывают лаком. Однако учитывая иногда высокие температурные режимы работы деталей из дюралей, в большинстве случаев предпочтительнее плакировка и анодирование, что и сказывается на выборе листовой продукции, выпускаемой под плакировкой. Кроме того Д16Т плохо поддаётся сварке и может свариваться только точечной сваркой, поэтому в большинстве случаев закрепляется с помощью заклёпок и других разъёмных и неразъёмных соединений.