5.Проектирование несущей системы технической системы

5.1.Общие сведения

Несущая система¹ (НС) – это элемент технической системы (ТС), обеспечивающий:

1. определенное взаимное расположение элементов ТС (деталей и узлов);

2. установку ТС в системе верхнего уровня.

Примеры несущих систем приведены ниже (Рисунок 6 .11).

а) б)

в)

Рисунок 6.11 – Примеры несущих систем:

а) станина металлорежущего станка; б) корпус редуктора; в) рама автомобиля

Для реализации первой функции в несущей системе должны быть вспомогательные базы – поверхности, на которые устанавливаются элементы, входящие в ТС. Таким поверхностями являются продольные грани на верхней части станины (Рисунок 6 .11,а): на них устанавливается обрабатывающий узел и перемещается по ним.

Для выполнения второй функции в несущей системе должны быть основные базы.

Исходная информация для проектирования несущей системы ‑ это информация о привалочных гранях конструктивных элементов. Среди основных баз деталей и узлов, как правило, есть одна плоская, которой элемент опирается на корпус. Эта поверхность ‑ привалочная грань элемента (Error: Reference source not found).

Рисунок 6.12 ‑ Привалочные грани элементов

В несущей системе для установки детали (узла) должны быть вспомогательные базы, соответствующие основным базам этой детали (узла).

Структура, форма, размеры НС механических систем обусловлены размещением их элементов этих устройств. Соответственно, эти НС регулярны на столько, насколько регулярны эти устройства. Так, например, структура токарного станка достаточно регулярна: задняя бабка, передняя бабка, направляющие, суппорт и т.д. Поэтому запрограммировать проектирование станины, в принципе, можно. Рама автомобиля тоже до определенной степени регулярна, но дизайн, индивидуальные особенности и др. факторы зачастую сводят общую регулярность на нет.

Существуют типовые варианты несущих систем. Один из них – плоская система. Отличительная ее черта – вспомогательные базы для установки функциональных элементов группируются в одной плоскости, которая называется привалочная плоскость корпуса. При помощи привалочной плоскости формируются корпусные плиты, рамно-балочные системы. Плоские несущие системы – эффективное средство при проектировании различного рода вспомогательных устройств – приспособлений, испытательных стендов, стапелей и т.п. Пространственная несущая система может быть сформирована как комбинация плоских.

5.2.Проектирование несущей системы

Основной элемент несущей системы в рамках предлагаемой методики автоматизированного проектирования приспособлений ‑ корпусная плита. Исходные данные для ее построения – множество привалочных граней конструктивных элементов, F = {f_i}, i = 1..k, где k – количество элементов. Значение имеют, собственно, не сами грани, а их нормали, n_i, и точки их контуров, так сказать, sample points, Ps_i = {ps_ij}, j = 1..m_i, m_i – количество «контурных» точек привалочной грани i-го элемента.

Согласно предлагаемой методике проектирование корпуса начинается с определения его привалочной плоскости. Плоскость, как известно, определяется нормалью, N_ПК, и точкой, Р_ПК. Большинство элементов в приспособлениях ориентированы единообразно и их привалочные грани параллельны между собой (,б). Эта доминирующая ориентация вполне подходит для привалочной грани корпуса, т.е. N_ПК = n_дом., где n_дом – вектор нормали к этим самым параллельным привалочным граням. Если в схеме базирования есть установочная база, УБ, то вектор нормали привалочной грани целесообразно связывать с ней, т.е. N_ПК = n_УБ.

После определения вектора нормали привалочной плоскости корпуса определяется точка Р_ПК, через которую она должна пройти. С этой целью для каждой точки каждой привалочной грани, Р_ij, вычисляется величина, характеризующая ее уровень, D_ij:

,

где А_ПК, В_ПК и С_ПК – направляющие косинусы нормали привалочной грани корпуса, x_ij, y_ij, z_ij – координаты j-ой контурной точки привалочной грани i-го элемента. Определяемая плоскость должна пройти через точку с наименьшим уровнем D_ij, т.е. Р_ПК = min(D_ij).

После определения привалочной плоскости корпуса на нее проецируются привалочные грани элементов (, в). Следующая задача – построение замкнутого плоского контура, полностью охватывающего множество точек – вершин этих проекций. Контур должен быть выпуклым – это обусловлено технологическими соображениями. Выпуклость означает, что любые две точки контура соединяются отрезком, принадлежащим контуру либо ограничиваемой им области. Для построения такого контура из всего множества «оконтуриваемых» точек следует выбрать такие пары (P’, P’’), что все остальные точки лежат только по одну сторону прямой (P’, P’’).

а) б)

в) г) д)

Рисунок 3.13 – Синтез несущей системы

На практике распространены плиты более регулярной формы, прямоугольной, в частности. Соответствующий контур может быть построен по четырем точкам Р₁(X_min, Y_min), P₂(X_min,Y_max), P₃(X_max, Y_max), P₄(X_max, Y_min), где X_min, X_max – соответственно абсциссы крайней правой и крайней левой точек привалочных граней, а Y_min, Y_max – ординаты самой верхней и самой нижней точек (, г). Размеры контура зависят от направления осей, вдоль которых он строится. Оптимальный вариант получится, если одну из осей связать с главной осью системы проекций.

Комбинирование контурной плиты (, в) и прямоугольной позволяет разнообразить гамму решений и повысить эффективность проектирующей системы. Например, «прямоугольная плита со срезанными углами» (, д). Форма регулярная ‑ симметричный шестигранник, но при этом снижена материалоемкость. За основу взята прямоугольная плита, а размеры срезов определяются по вершинам контурной плиты, ближайшим к соответствующим границам. Вершина 1 – ближайшая к вертикальной границе контура¹, по ней определяется размер D_Fx. Вершина 2 – ближайшая к границе горизонтальной, поэтому по ней определяется размер D_Fy. Благодаря предложенному принципу ни одна из проекций привалочных граней не пострадает при подрезке углов.

Более подробное рассмотрение автоматизации проектирования несущих конструкций ‑ тема для отдельной работы и не вписывается в рамки данной статьи. В данном контексте хотелось бы только отметить, что основываясь на контурах привалочных граней корпуса можно строить плиты (, а), подставки из стандартного проката (, б). При проектировании приспособлений с большим количеством элементов и значительными размерами, можно выделять локальные группы, строить для них соответствующие плиты и объединять их уже рамными конструкциями (, в).

а) б) в)

Рисунок 3.14 – Варианты несущих систем: а) плита; б) подставка из швеллера; в) комбинированный корпус