Мaзмұны

	Кіріcпе
1	Система трехмерного моделирования Компас -3D
1.1	Основные понятия и определения
1.2	КОМПАС-GEARS 2D
1.3	КОМПАС-SHAFT 3D
2	Виртуалды ақпарат-өлшеу аспаптары мен Компас- 3D бағдарламасында моделдеудің мысалдары
2.1	Виртуалды аспаптар тұжырымдамасы.
2.2	ZETLAB виртуалды аспаптары
2.3	LabView виртуалды аспабы
2.4	Виртуалды аспаптарда жасалған мысалдар
2.5	Примеры моделирования в программе Компас- 3D
3	Расчет механических систем в программе Компас -3D
3.1	Расчет пружин
3.2	Расчет механических передач
	Қорытынды
	Пайдаланылған әдебиеттер тізімі

1 Система трехмерного моделирования Компас -3d

1.1 Основные понятия и определения

Система автоматизированного проектирования КОМПАС-3D(далее - система КОМПАС-3D) предназначена для создания трехмерных ассоциативных 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, что делает проектирование в системе КОМПАС-3D достаточно простым.

Система КОМПАС-3D представляет собой программное обеспечение САПР. Программы САПР позволяют существенно облегчить проектирование. САПР Компас является одной из самых простых для изучения.

Ключевой особенностью КОМПАС-3D является использование собственного математического ядра и параметрических технологий, разработанных специалистами АСКОН. Основная задача, решаемая системой — моделирование изделий с целью существенного сокращения периода проектирования и скорейшего их запуска в производство.

Средства импорта/экспорта моделей (КОМПАС-3D поддерживает форматы IGES, SAT, XT, STEP, VRML) обеспечивают функционирование комплексов, содержащих различные CAD/CAM/CAE системы.

Моделирование изделий в КОМПАС-3D можно вести различными способами: "снизу вверх" (используя готовые компоненты), "сверху вниз" (проектируя компоненты в контексте конструкции), опираясь на компоновочный эскиз (например, кинематическую схему) либо смешанным способом. Такая идеология обеспечивает получение легко модифицируемых ассоциативных моделей.

Кроме этого, доработки коснулись модуля проектирования листовых деталей, пространственной ломаной, режима упрощенного отображения моделей, работы с таблицами, создания спецификаций, импорта и экспорта и много другого.

Система Универсальный механизм Express (UMExpress) предназначена для моделирования механических систем.

Механическая система – это объект или система тел, которая состоит из отдельных типовых элементов, сгруппированных в списки. Каждый список содержит элементы одного типа, например списки тел, шарниров, биполярных силовых элементов и т. д.

Список тел представляет собой совокупность абсолютно твердых тел. Так как деформации тел не рассматриваются, то фактически тело полностью описывается связанной с ним системой координат (ССК) и инерционными параметрами, заданными относительно центральной системы координат, оси которой параллельны осям ССК.

При импорте сборки из системы КОМПАС-3D V9 в систему UMExpress для каждой детали автоматически создается тело: назначается Связанная система координат (ССК), определяется положение центра масс и моменты инерции, относительно базовой СК создается графический объект (ГО).

Тело может также включать в себя любое число деталей, которые неподвижны относительно друг друга. Для этого в системе UMExpress имеется специальная операция – объединение тел, или включение детали в состав тела.

Включение детали в состав тела автоматически влечет за собой следующие действия:

-автоматически пересчитываются инерционные параметры тела (масса, моменты инерции, координаты центра масс);

- к графическому образу тела добавляется графический элемент, соответ ствующий образу добавляемой детали;

- деталь исключается из тела, в состав которого входила прежде;

- если в результате тело осталось без деталей, то оно удаляется вместе с соот ветствующим графическим образом.

Графический объект (ГО) представляет собой двух или трехмерное изображе ние и служит графическим представлением элемента в Анимационном окне. Для придания графического образа какомулибо элементу системы (телу, шарниру или силовому элементу, в дальнейшем для краткости будем упоминать только о телах) ему необходимо назначить ГО.

После назначения элементу определенного ГО программа связывает систе му координат ГО с элементом по определенному правилу. Изменение положе ния тела будет вызывать изменение положения связанного с ним ГО в Анима ционном окне. В режиме отображения отдельного элемента в Анимационном окне графический образ тела отрисовывается в связанной с телом системе коор динат (ССК).

Следует помнить, что форма и размеры ГО, как правило, никак не связаны с инерционными характеристиками тела, жесткостью пружин и другими парамет рами элементов конструкции, которые задаются отдельно.

Создание и назначение графического объекта (ГО) в системе UM Express про исходит одним из следующих способов:

- автоматически при импорте сборки из системы КОМПАС3D V9 в систему UMExpress;

- автоматически при добавлении компоненты: для компонент силовых эле ментов;

- созданием собственных или копированием уже существующих ГО и назна чением их элементам вручную.

Примечание. Один и тот же ГО может принадлежать разным (геометрически идентичным) телам. Например, при создании ГО тележки с четырьмя графиче ски одинаковыми колесами (даже если они имеют разную массу) можно ограни читься лишь двумя ГО: кузовом и колесом. Каждому из колес назначается один и тот же ГО.

В системе UMExpress широко используется понятие шарнир.

Шарнир – это средство для описания положения одного тела относительно другого. То есть фраза «описать положение тела относительно базовой СК» экви валентна выражению «ввести шарнир между данным телом и базовым».

Доступны следующие типы шарниров (кинематических пар): ¾ поступательный;

- вращательный;

- карданов;

- сферический;

-шестью степеней свободы.

Предполагается, что моделируемая система твердых тел является связанной, то есть каждое тело в системе связано посредством шарнира по меньшей мере с одним другим телом системы или с базовым телом. Это очень важное условие, автоматически контролируемое программой.

Для описания положения тела в пространстве достаточно знать положение связанной с ним СК (ССК) относительно базовой СК (БСК). С точки зрения математики, для этого достаточно задать положение начала отсчета и ориента цию связанной СК относительно базовой СК, выразив их через некоторые пере менные, называемые шарнирными координатами. В системе UMExpress с этой целью используются зависимости от координат радиусвектора центра масс и матрицы направляющих косинусов (матрицы поворота).

Если пара тел связана шарниром в обычном смысле этого слова, например вращательным шарниром, то его задание предполагает, что будет описано поло жение одного тела относительно другого, а именно положение связанной СК одного тела относительно связанной СК другого тела, и введены шарнирные координаты, то есть переменные, описывающие это положение. Полный набор ко ординат для всего объекта при этом получается простым объединением локаль ных шарнирных координат. Такое описание шарниров происходит в модуле ввода исходных данных и в значительной мере автоматизировано. При этом необязательно, чтобы существовал шарнир, связывающий каждое тело с базой, достаточно, чтобы для каждого тела существовала цепочка попарно связанных тел, по которой можно добраться до базового тела. В этом и заключается обяза тельное условие связности моделируемого объекта.

Эти типы шарниров имеют в программе единое внутреннее представление и определяют кинематические пары с различным числом поступательных и враща тельных степеней свободы (от нуля до шести).

Шарнир с шестью степенями свободы – это шарнир, определяемый шестью шарнирными координатами, позволяющими задать положение тела (систему ко ординат, связанную с телом) относительно базовой системы координат.

Шарнир данного типа является наиболее функциональным из всех типов шар ниров, доступных в системе UMExpress. Накладывая запрет на изменения той или иной степени свободы, можно получить все разнообразие шарниров, применяемых в системе.

Основной областью применения шарнира данного типа (в чистом виде) явля ется фиктивный шарнир – шарнир, вводящий связь между базовой системой ко ординат и телом, но не накладывающий ограничений на движение тела.

Шарнирные координаты – набор переменных, определяющих взаимную ори ентацию тел, связываемых шарниром. Разделяются на поступательные и враща тельные.

Вращательный шарнир – это шарнир с одной вращательной степенью свободы. Наглядным представлением шарнира данного типа в технических системах является подшипник, позволяющий телу совершать вращение вокруг оси, но зап рещающий любое смещение шарнирной точки.

Шарнирная координата: j – угол поворота второго тела вокруг оси вращения первого (положительное направление соответствует вращению против часовой стрелки).

Поступательный шарнир – это шарнир с одной поступательной степенью сво боды.

Шарнирная координата: смещение вдоль шарнирного вектора e. Шарнир карданов – это шарнир с двумя вращательными степенями свободы. Классическим примером применения шарнира такого рода является карданная передача автомобиля. Шарнирные координаты: углы поворота б1, б2 (положи тельное направление соответствует вращению против часовой стрелки).

Сферический шарнир – шарнир с тремя вращательными степенями свободы. Шарнир такого типа связывает два тела в одной общей точке. Взаимная ориента ция двух тел задается тремя последовательными поворотами: a – относительно оси X, b – относительно оси Y; g – относительно оси Z (каждый последующий поворот осуществляется относительно положения осей, полученного на преды дущем шаге).

Силы, с которыми тела объекта действуют друг на друга, общепринятым обра зом делятся на активные и силы реакций связей. В свою очередь, силы реакций представляются двумя компонентами: касательной составляющей, совершающей работу при движении системы (как правило, это силы трения), и идеальной, или нормальной, составляющей. Если все связи в системе идеальные, то первая состав ляющая силы реакции отсутствует.

С точки зрения ввода информации о моделируемом объекте, активные силы и неидеальные составляющие сил реакций имеют общие черты: они должны быть описаны, то есть должен быть описан способ их выражения через переменные и параметры системы. Наоборот, структура идеальных составляющих сил реакций полностью определяется типом связи, их вычисление автоматизировано.

В системе UMExpress предусмотрены следующие типы активных сил:

- силы тяжести;

-шарнирные силы;

- биполярные силовые элементы;

- линейные силовые элементы;

- силы общего вида взаимодействия пары тел;

-специальные силы.

Активная сила может быть функцией времени, координат и их первых произ водных по времени. В наиболее простых случаях (например, для силы тяжести) эти зависимости автоматически формируются программой, однако часто они яв ляются весьма сложными и должны задаваться пользователем.

Сила тяжести – это модель однородного поля сил тяжести (ускорение сво бодного падения g = 9,81м/с2 , направленная в сторону, обратную оси Z базовой СК (БСК).

При необходимости пользователь может изменить как направление силы тя жести, так и значение ускорения свободного падения, вплоть до полного отклю чения тяжести.

Шарнирная сила – это сила (момент пары), которая направлена вдоль оси по ступательного или вращательного шарнира. Положительное значение силы (момента) соответствует движению, при котором соответствующая координата воз растает. Считается, что сила является либо функцией шарнирной координаты и ее производной по времени (скорости), либо функцией времени.

Например, в модели манипулятора часто пренебрегают инерционными свой ствами элементов привода и влиянием его собственной динамики, то есть привод идеализируется и считается, что его воздействие на объект сводится лишь к появ лению активной силы или момента в кинематической паре. Такая сила (момент) направлена вдоль оси пары.

Биполярный силовой элемент соединяет две фиксированные точки пары тел. Сила взаимодействия тел направлена вдоль прямой, соединяющей точки, и мо жет зависеть от времени t, расстояния между точками r и производной от него по времени v.

Линейный силовой элемент – это силовой элемент, линейно зависящий от вза имного перемещения тел и скоростей их относительного движения, собственной динамикой которого можно пренебречь. К таким элементам относятся, напри мер, пружина и демпфер (линейный гаситель колебаний). Для автоматического моделирования таких сил в системе Универсальный механизм Express исполь зуются обобщенные линейные силовые элементы.

Силы общего вида взаимодействия пары тел – это силы, которые вводят силу и момент взаимодействия пары тел, приложенные в заданной точке второго тела. Сила и момент задаются проекциями на оси системы координат, связанной с одним из тел, либо в СК0. Проекции сил могут быть как постоянными, так и задан ными функциями времени.

Специальные силы – это силы контактного взаимодействия поршня и кулачка (кулисы). В зависимости от типа контактного взаимодействия поршня и ку лачка можно выделить три типа кулачковых пар, реализованных в системе UMExpress:

- точка;

- ролик;

- плоскость.

Важнейшими элементами описания тел являются точки связи.

Точки связи – это точки, позволяющие визуализировать процесс создания но вых шарниров и присоединения силовых элементов. Точки связи различных типов используются для передачи следующей инфор мации:

- обычные точки связи – передают координаты точки в СК, связанной с телом;

- векторы – координаты точки и направление вектора (относительно СК тела);

- ориентированные точки связи – координаты точки и ориентацию связан ной с ней системы координат (относительно СК тела).

Для каждой точки связи следует задать:

- координаты в СК, связанной с телом (координаты могут быть параметри зованы);

- комментарий, упрощающий дальнейшую работу с точкой связи (необязательный параметр);

- направление вектора (для векторов);

- c каждой ориентированной точкой связана система координат, положение которой относительно СК тела задается с помощью трех последовательных поворотов.

Точки связи, добавленные к телу, отображаются при выделении отдельного тела, а также в процессе добавления компонент и новых точек связи. В системе UMExpress используются следующие обозначения:

обычная точка связи; в

ектор;

ориентированная точка связи.

1.2 Общие сведения о программе КОМПАС-GEARS 2D

Итак программа Компас позволяет не только выполнять чертежи на достаточно высоком уровне, но и рассчитывать различные механические передачи, валы, напряженно – деформируемое состояние, а также массу других возможностей. На практике практически большинство проектов сводится к расчетам тех или иных видов передач. Например на угольном предприятие подземному инженеру – механику постоянно приходится иметь дело с угольными комбайнами, конвейерами и различными другими механизмами в которых имеется редуктор. На практике обычно используются редукторы с цилиндрической или коническо – цилиндрической передачей (новые комбайны используют планетарные передачи). Рабочие которые обслуживают угольный комбайн имеют дело с цепными передачами, конечно несколько видоизмененными. На обогатительных фабриках используются машины с ременными передачами. Как видно из приведенных примеров расчет передач играет не последнюю роль в проектирование и модернизации производственных процессов. КОМПАС программа ориентированная на помощь инженеру в повседневной жизни, поэтому много лет - наряду с программой существует ее приложение КОМПАС-GEARS (КОМПАС – ПЕРЕДАЧИ) – программа созданная для расчета различных передач.

Чтобы запустить данное приложение необходимо зайти в менеджер библиотек и выбрать раздел "Расчет и построение" в подразделе выбираем "Валы и механические передачи 2D" затем выберем "Расчет механических передач" в подтверждение кликнем дважды левой кнопкой мыши.

Перед нами появится окно программы КОМПАС-GEARS данная программа позволяет производить проверочные расчеты, геометрические расчеты, расчет на прочность, расчет на долговечность и т.д. В зависимости от типа передач расчет можно производить в зависимости от межосевого расстояния, по коэффициенту смещения, по диаметру вершин зубьев.

7.2 Работа с программой КОМПАС-GEARS

После того как Вы запустили программу перед Вами появилось рабочее окно программы.

Рис. 7.1. Окно программы КОМПАС – GEARS

Для начала работы с программой нужно выбрать тип зацепления. Давайте в качестве примера рассмотрим расчет цилиндрических передач внешнего зацепления. Выберите тип передачи и нажмите выполнить. После этого перед Вами появится окно в, котором будет предложен тип расчета, естественно вначале проводится геометрический расчет, т.е. мы хотим спроектировать передачу с определенным количеством зубьев и передаточным числом, углом наклона зубьев и т.д. В результате расчета получим геометрические размеры передачи.

Для того чтобы провести геометрический расчет заполним поля (предварительно выберите тип расчета: по межосевому расстоянию).

Рис. 7.2. Диалоговое окно программы КОМПАС – GEARS

Для начала зададим количество зубьев в поле ведущее колесо введите число 18, а в поле ведомое 36. Далее необходимо ввести значение модуля зуба, т.е. высоты зуба, чтобы его выбрать нажмите по вкладке "выбор модуля зуба" и выберите стандартное значение равное 4мм.

Рис. 7.3. Выбор модуля зуба

После выбора модуля необходимо подтвердить выбор, нажав ОК.

Далее в поле "Угол наклона зубьев на делительном цилиндре" оставьте значения как они есть. Тоже и с полем "Направление линии зуба ведущего колеса". В поле "угол профиля исходного контура" оставьте 20, а в поле "коэффициент высоты головки зуба" оставьте значение 1. Оставьте поля 7 и 8 без изменений. В поле "ширина зубчатого венца" введите значения 15 и 20мм соответственно. "межосевое расстояние" рассчитается автоматически, необходимо только нажать "Рассчитать межосевое расстояние", остальные поля можете не менять. Если Вы выполнили все в заданной последовательности то заполненное окно будет иметь вид как на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Заполненное окно

После этого необходимо выбрать "Страница 2" там нужно заполнить поле "Степень точности" выбрав его из списка, для зубчатых зацеплений которым предъявляются стандартные требования степень точности 7-С. Остальные данные рассчитаются автоматически, следует только нажимать на кнопки расчета.

Если Вы все выполнили правильно то окно "страница2" будет иметь вид как на рис. 7.5, обратите внимание на вкладку "ход расчета" если бы Мы неправильно задали исходные данные то в нем были бы сведения об ошибке ввода данных, если все введено верно то появится надпись "контролируемые измерительные параметры и параметры качества зацепления в норме".

Рис. 7.5. Окно ввода данных

После того как были введены данные программа может начать расчет.

В окне программы геометрического расчета Вы видите несколько кнопок, если мы хотим начать расчет необходимо нажать на кнопку: "Расчет", если записать данные то: "записать данные расчета и результат в файл", если просмотреть "просмотр результата расчета" и т.д. Название кнопок появляется при наведение на них курсором мыши.

Рис. 7.6. Основные команды

Например необходимо просмотреть результаты расчета, чтобы это сделать необходимо воспользоваться командой: "просмотр результата расчета".

Рис. 7.7. Просмотр результатов расчета

При помощи указателей можно перемещаться по страницам отчета, тем самым просматривая интересующие нас величины. Основной целью геометрического расчета является определение геометрических размеров передачи.

Теперь необходимо провести расчет на прочность для этого выберите команду" Возврат в главное меню" - теперь у нас появилась возможность провести расчет на прочность.

Рис. 7.8. Расчет на прочность

Нажав на "расчет на прочность" перед нами появится окно в котором необходимо будет выбрать схему расположения колес и материалы из которых изготовлена передача.

Рис. 7.9. Расчет на прочность при действие максимальной нагрузки

Выберем "вариант схем расположения передачи" для этого необходимо в окне выбора указать номер схемы, пусть 3.

Рис. 7.10. Выбор схемы расположения

Затем необходимо выбрать материал ведущего и ведомого колеса, возможно также и дополнительные операции по упрочнению.

увеличить изображение Рис. 7.11. Выбор материала

Помимо предложенных материалов можно создать свой материал воспользовавшись вкладкой: "Создать материал на основе текущего", для этого нужно заполнить все поля и подтвердить свой выбор.

Рис. 7.12. Сохранение материала на основе текущего

Можно воспользоваться расширенной библиотекой: "Материалы и сортаменты" для ее вызова нажмите: "загрузить справочник материалы и сортаменты для выбора материала".

увеличить изображение Рис. 7.13. Загрузка материала из библиотеки

После ввода данных о материале необходимо задать расчетную нагрузку, например крутящий момент – 250Н•м, а количество оборотов 300об/мин. Если Вы заполнили все поля таблицы, то перед Вами будет окно такого вида как на рис. 7.14.

Рис. 7.14. Ввод данных при расчете на прочность

Также как и для геометрического расчета можно просмотреть результаты расчета на прочность.

Рис. 7.15. Просмотр результата расчета на прочность

Можно также произвести и расчет на долговечность для этого необходимо нажать: "Возврат в главное меню" и выбрать "расчет на долговечность". При расчете на долговечность рассчитывается контактная долговечность и расчет на изгиб. Расчет производится методом эквивалентных напряжений.

Перед нами появится поле ввода данных, где практически все значения имеются, укажем ресурс – 5000часов.

Рис. 7.16. Ввод данных в расчете на долговечность

После этого можно переходить на вкладку "Режимы нагружения" в которые мы добавим расчетные нагрузки. Чтобы добавить расчетные нагрузки выберем "добавить режим" после чего зададим нагрузки для "контакт" - 250Н•м, для "изгиб" - 125Н•м, "частота вращения шестерен" - 300об/мин., число циклов 4млн.. После чего можно приступать к расчету.

Рис. 7.17. Добавление нагрузки

После добавления нагрузки можно получить результат.

Рис. 7.18. Результат расчета на долговечность

После проведенных операций Мы смогли провести расчет цилиндрической передачи внешнего зацепления на прочность, долговечность, определить основные геометрические размеры. Как видно для того чтобы провести расчет нам нужно было задать количество зубьев, модуль и материал из которого была изготовлена передача. Согласитесь за несколько минут провести расчеты даже опытному инженеру невозможно, а при использование данной программы скорость расчета ограничивается только расторопностью того кто вводит данные.

Данная программа будет интересна прежде всего студентам, которые выполняют курсовой проект по "Деталям машин" или "прикладной механике" т.к. они могут в течение нескольких минут провести экспресс расчет, особенно это важно когда подбирается материал передачи или нужно подогнать передачу под стандартное межосевое расстояние. Не менее интересна программа механикам, которые по роду своей службы не имеют времени на долгие расчеты, а сталкиваются с механикой только в практическом ее проявлении.

Понятно, что описать алгоритм для каждого зацепления это тема отдельной книги, задача нашего курса познакомится со всеми основными возможностями программы.

Если Вас заинтересовала работа с приложениями КОМПАС для расчета передач, валов, пружин и др. есть замечательная книга Кудрявцева Е.М. "КОМПАС 3D Моделирование, проектирование и расчет механических систем".

Следующая лекция также будет посвящена специальным возможностям программы, приложениям расчета валов и пружин. После чего мы перейдем к 3D моделированию.

Ключевые термины:

Вал – стержень служащий для сообщения вращательного движения.

Геометрический расчет – расчет при котором определяются геометрические размеры и конфигурации.

Конвейер – машина непрерывного действия предназначенная для транспортировки сыпучих, кусковых или штучных грузов.

Коническо – цилиндрическая передача - передача служащая для передачи и преобразования энергии от энергетического устройства к исполнительному механизму. Образованна конической (когда оси находятся под прямым углом) и цилиндрической передачей.

Коэффициент смещения – коэффициент смещения исходного контура в долях торцевого или нормального модуля.

Межосевое расстояние – расстояние между валами в зацепление.

Механическая передача – механизм служащий для передачи и преобразования энергии от энергетической машины к исполнительному механизму. Чаще всего используется для преобразования электрической энергии от двигателя во вращательное движение.

Напряженно – деформированное состояние – совокупность внутренних деформаций и напряжений, вызванное взаимодействием внешних нагрузок.

Обогатительная фабрика – горное предприятие предназначенное для первичной переработки полезного ископаемого с целью получения сырья пригодного к использованию в промышленности.

Передаточное число – отношение угловой скорости ведущего элемента и ведомого.

Планетарная передача – система состоящая из нескольких планетарных шестерен вращающихся вокруг центральной (солнечной) шестерни.

Проверочный расчет – расчет при котором определяются фактические (расчетные) величины и коэффициенты.

Расчет на долговечность – расчет при котором производится проверка материала на контактную прочность и долговечность при изгибе.

Расчет на прочность – расчет при котором проверяется способность материала сопротивляться разрушению под действием внутренних напряжений вызванных воздействием внешних сил.

Редуктор – механизм передающий и преобразующий крутящий момент между одной или несколькими передачами. Служит для уменьшения количества оборотов, тем самым увеличивает крутящий момент.

Ременная передача – это передача механической энергии при помощи гибкого элемента – ремня за счет сил трения либо зацепления.

Угольный комбайн – комбинированные горные машины предназначенные для выполнения, одновременно, нескольких операций по отбойке, погрузке полезного ископаемого на конвейер.

Цепная передача – передача механической энергии за счет гибкого элемента – цепи.

Цилиндрическая передача – передача служащая для передачи и преобразования энергии от энергетического устройства к исполнительному механизму. Образовывается парой зубчатых, находящихся в зацепление, колес размещенных на параллельных валах. Бывают прямозубыми, косозубыми и шевронными.