4. 5 . Моделирование объемных сборок

В ранних версиях CAD-систем конструкторы были вынужде­

ны работать только с отдельными деталями. Технические сред­

ства современных компьютеров позволяют создавать, хранить и

передавать геометрические модели самых сложных изделий, со­

стоящих из множества деталей.

В настоящее время разработчики программного обеспечения

САПР научились справляться с возрастающим объемами дан­

ных и разработали соответствующие методы и средства работы

с поистине огромным числом компонентов. В большинстве ма-

200

шиностроительных САПР количество деталей в сборке ограни-

чивается только объемом блоков памяти конкретной рабочей

станции и в итоге может достигать десятков или даже сотен ты­

сяч наименований.

На рис. 4.5. la приведен пример большой компьютерной сбор-

ки воздухоочистительного устройства, содержащего несколько

тысяч деталей, созданного конструкторами одного из машино­

строительных предприятий [100]. На рис. 4.5.1б показан фраг­

мент сборки конвейера, выполненный в рамках учебной студен­

ческой работы.

Интерес к компьютерному геометрическому моделированию

рос эволюционно как со стороны пользователей, так и со сторо­

ны производителей САПР. По мере того, как методика проек­

тирования развивалась — от традиционной плоской технической

графики к объемному моделированию, от задач моделирования

деталей к узлам и агрегатам, от локальных автоматизированных

рабочих мест к интегрированным САПР, — не один раз изменя­

лись представления о месте и роли геометрического моделирова­

ния в целом и моделирования сборок в частности.

Создание и использование геометрических моделей сборок дает

широкое поле деятельности для автоматизации проектно-конст-

рукторских работ и технологической подготовки производства.

Компьютерные модели изделий стали создаваться, прежде

всего, чтобы избежать изготовления физического прототипа.

Если путем компьютерного моделирования сборки проекти­

ровщик может определить возможную «нестыковку» в размерах

и форме деталей, он ощутимо сэкономит на стоимости изготов­

ления физического прототипа. Даже для такого простого изде­

лия, как телефон, стоимость макета может составлять несколь­

ко тысяч долларов, создание модели авиадвигателя обойдется

в полмиллиона, а полномасштабный прототип пассажирского

авиалайнера будет стоить уже десятки миллионов [94].

Другая очевидная цель создания компьютерных сборок - не толь­

ко реалистически представить все изделие в целом, но и иметь воз­

можность выполнить с виртуальной моделью все, что можно сделать

с Реальным образцом изделия: проработать компоновку изделия,

проверить увязку габаритных, установочных и присоединительных

Размеров, рассчитать массово-центровочные характеристики и пр.

201

Но есть и принципиально новые возможности, которые обе-

спечивают технологии компьютерного моделирования. Напри-

мер точная и оперативная проверка сопряжений и взаимопересе­

чений деталей сборки, проектирование деталей непосредственно

составе сборки, оптимизация конструкции изделия и техно­

логии сборки, реализация технологий разнесения компонент

и виртуальной реальности.

Согласно концепции комплексной автоматизации техниче­

ской подготовки производства, объемная геометрическая сборка

должна стать основой, центром электронного описания изделия,

которое непрерывно развивается и пополняется, концентрируя

данные, порождаемые в процессе решения последовательности

производственно-технических задач.

Геометрическая модель сборки не только наглядно определяет

структуру всего изделия, но и сама содержит важные информаци­

онные ресурсы, необходимые практически на всех этапах жизнен­

ного цикла технического объекта, даже помимо тех, на которых

сборка первоначально создавалась. Например, «конструкторская»

объемная модель изделия может быть с успехом использована для

разработки упаковки и операций складирования и перевозки про­

дукции, технологий производства, ремонта и утилизации.

Наличие полноценной объемной геометрической модели, соз­

данной на начальных этапах проектирования (в CAD-системах),

позволяет в дальнейшем имитировать функционирование (в САЕ-

системах) и технологию производства изделия (в САМ-системах),

оперативно создавать технологическую (в САРР-системах) и экс­

плуатационную документацию (ИЭТР).

До сих пор в полной мере не оценены возможности объем­

ного моделирования в технологиях обучения и переподготовки

кадров как для проектирования и производства изделий маши­

ностроения, так и для их эксплуатации и ремонта. Частично ре­

шению этой проблемы посвящено и данное пособие.

4.5.1.

Базовые функции молелирования сборок

Только геометрическая подсистема САПР, позволяющая

Моделировать все изделие в целом, дает возможность конструк-

тору оперативно оценить существующие проектные области и

203

геометрические ограничения на размещения отдельных деталей

устройства, определять положение и кинематику движения дета­

лей друг относительно друга.

Многие размеры деталей, их положение в пространстве и усло­

вия соединения задаются именно их положением в сборке.

Компьютерной моделью сборки

(или

просто

компьютерной

сборкой) принято называть трехмерную геометрическую модель

изделия, объединяющую модели деталей, подсборок и стандарт­

ных изделий, а также информацию о взаимном положении этих

компонентов и зависимостях между параметрами их элементов.

В процессе моделирования компьютерных сборок пользова­

тель задает состав сборки, внося в нее новые компоненты или

удаляя существующие. Если сборка является частью другой сбор­

ки, она называется подсборка или узел сборки. Иерархию узлов

сборки можно расположить на нескольких уровнях для удобства

отражения состава и порядка построения конструкции.

Средства моделирования сборок, реализованные в современ­

ных САПР, дают возможность пользователю в интерактивном

режиме, с использованием наглядных динамических изображе­

ний всех компонент, проектировать и виртуально управлять по­

следовательностью и параметрами процесса сборки изделия.

Так же, как и при моделировании объемных деталей, после­

довательность всех действий конструктора отображается в дере­

ве построения (навигаторе) (рис. 4.5.2А, б).

Дерево построения сборки графически отображает логиче­

скую структуру состава и группировки деталей изделия. Дере­

во представляет собой графическую модель процесса сборки

и позволяет конструктору идентифицировать отдельные де­

тали в составе изделия (см. рис. 4.5.2а), оперативно получать

все сведения о них, а также управлять связями между деталями

и узлами (см. рис. 4.5.26). При работе со сборкой такой графиче­

ский навигатор поможет быстро найти нужную деталь, изменить

свойства компонент-модели, способы изображения, удалить или

переместить деталь или подсборку. Для сборок изделий машино­

строения сохранение в модели последовательности (истории по­

строения) будет далеко не лишней информацией.

Сопряжения элементов сборки. Данные о связях компонентов

сборки, поддерживаемые системами моделирования, включают

204

довольно широкий диапазон сведений о параметрах каждой де­

тали и её взаимодействии с другими деталями и узлами изделия.

Наиболее важной составляющей этих данных являются условия

соединения, называемые сопряжениями. Условия сопряжения

определяют точное расположение одной детали относительно

Других. Например, две плоские поверхности деталей могут ка­

саться друг друга, или две цилиндрические поверхности могут

Располагаться на одной оси. Методически сопряжения можно

классифицировать как параметрические связи и ограничения, на­

ложенные на элементы геометрической модели изделия.

Пользователь может в интерактивном режиме задавать и ре­

дактировать условия сопряжения всех деталей, составляющих

сборку. Наложенные сопряжения автоматически изменяют про­

странственное положение деталей в сборке. В процессе работы

можно перемещать компонент в пределах его степеней свободы,

205

САПР данные о сопряжениях могут логически включать также

наблюдая за поведением сборки. При добавлении сопряжений

следует определить допустимые направления линейного или

вращательного движения компонентов. Если сопряжения всту­

пают между собой в противоречия, то связь не фиксируется

и должно выдаваться сообщение об ошибке.

В сопряжениях могут участвовать грани, ребра, вершины, гра­

фические объекты в эскизах, а также вспомогательные элементы

разных компонентов. В большинстве СГМ САПР можно задать

сопряжения следующих типов:

— совпадение элементов;

— параллельность элементов;

— перпендикулярность элементов;

— расположение элементов под заданным углом;

— расположение элементов на заданном расстоянии;

— касание элементов;

— соосность элементов.

На компонент, который уже участвует в одном или несколь­

ких сопряжениях, можно наложить только такое сопряжение,

которое не будет противоречить наложенным ранее.

Наличие механизма сопряжений в ЗD-сборках, как и привя­

зок в плоских моделях, можно считать характерным признаком

инженерных систем, так как без использования сопряжений не­

возможно точно задать положение детали в сборке. Простым

перемещением компонентов мышью практически невозможно

расположить компоненты сборки требуемым образом, а при ре­

дактировании несопряженных компонентов их взаимное поло­

жение легко нарушается.

В сборке, составленной с использованием сопряжений, необ­

ходимо зафиксировать в пространстве хотя бы один компонент.

Он будет играть роль «неподвижного звена» в цепочке сопряжен­

ных деталей. С ним будут прямо или опосредованно сопрягать­

ся остальные детали и узлы. Часто по умолчанию автоматически

фиксируется первый компонент, вставленный в сборку из файла.

Если ни один из сопряженных компонентов не зафиксирован,

то перемещение любого из них или наложение на него очередно-

го сопряжения может привести к нежелательному перемещению

остальных компонентов, хотя условия сопряжений по-прежнему

будут выполняться. В наиболее развитых машиностроительных

206

сведения о допусках и посадках деталей изделия.

Контрольпересечений является одной из важнейших функций для

подсистем моделирования сборок в машиностроительных САПР.

Система должна определять и визуализировать зоны пересечений

выбранных пользователем компонентов сборки (рис. 4.5.3).

Расчеты пересечений можно периодически проводить по мере

проектирования изделия. Это позволяет обнаружить ошибки на

ранних этапах проектирования, оперативно провести необходимые

207

заниматься контролем всех деталей агрегата при изменении не-

изменения и сделать стоимость подобных изменений менее до-

рогой.

Моделирование детали в составе сборки — один из самых эф-

фективных способов моделирования реальных изделий.

Большинство систем моделирования сборок дают пользова­

телям возможность измерять входящие в сборку детали и узлы

и переносить размеры на другие детали. Причем этот процесс

можно производить непосредственно в контексте сборки. Поль­

зователь может проецировать существующие детали на рабочую

плоскость, а также использовать характерные точки элементов

моделей для привязки в процессе построения новой детали. Это

позволяет значительно ускорить проектирование, а также из­

бежать появления возможных ошибок, а новая деталь идеально

вписывается в заданные формы и габариты.

В сборке можно выполнить формообразующие операции,

имитирующие обработку изделия в сборе, например, создать от­

верстие, проходящее через все компоненты сборки, или отсечь

часть сборки плоскостью.

Параметризация сборок. Системы моделирования сборок предо­

ставляют возможность в интерактивном режиме не только задавать

параметрические связи и ограничения, но и вводить проектные пе­

ременные и составлять для них практически неограниченный на­

бор аналитических соотношений и формул. Ассоциативная связь

между деталями приводит к тому, что при изменении одной детали

остальные детали, связанные с ней, автоматически перемещаются

или даже меняют свою геометрию.

Ограничительные и ассоциативные отношения между дета­

лями полезны в тех случаях, когда множество размеров деталей

изделия определяется несколькими ключевыми размерами. По­

сле указания всех соотношений конструктору достаточно будет

изменить только ключевые размеры, а обо всех остальных систе­

ма позаботится сама. Сюда же относится возможность распро­

странения изменений, например, если изменяется диаметр вала,

то меняется и размер подшипника, который должен быть надет

на этот вал.

Параметризация стандартных и часто используемых элемен­

тов объемных сборок (рис. 4.5.4) существенно может сэкономить

время конструктора, поскольку избавляет его от необходимости

208

которых его составляющих.

и состав подсистем геометрического моделирования лучших

машиностроительных САПР обычно входит целый арсенал для

создания параметризированных сборок. Этот и специализиро-

ванный язык для формирования выражений, возможность связи

с электронными таблицами (например, с Excel), возможность

экспорта и импорта внешних переменных.

Разнесение объектов сборки (эксплодирование) - самая яркая

функция, доступная пользователю в процессе моделирования,

когда одним нажатием на кнопку модель изделия веером рассы­

пается на составные части, обнажая все свои детали и узлы (см.

рис. 4.4.3). Динамическое разнесение является приятной возмож­

ностью, которая позволяет облегчить восприятие компьютерной

сборки человеком при просмотре объемной модели, состоящей

из плотно упакованного множества деталей и узлов. Разнесение

Удобно для пояснения принципа действия машин и анализа со­

става изделия. Динамика разнесения резко повышает зрелищ-

Ность презентаций результатов объемного моделирования.

Хотя следует заметить, что чаще всего для получения хороше-

го эффекта пользователь должен кропотливо, вручную задавать

Направление и расстояние для переноса каждого элемента.

209