Новые возможности решения задач тмм в курсовом проектировании с использованием графической системы компас 3d
А.В. Попов, А.В. Демидов, М.В. Руцков
В статье рассматриваются некоторые аспекты применения САПР Компас для решения задач ТММ в курсовом проектировании
Создание современной машины требует от конструктора многовариантного подхода, применения адекватной методологии и выполнения всестороннего анализа проекта. Конструкция должна удовлетворять многочисленным требованиям, которые находятся в противоречии. Например, минимальная динамическая нагруженность должна сочетаться с быстроходностью, достаточные надежность и долговечность достигаться при минимальных габаритах и массе, расходы на изготовление и эксплуатацию машины должны быть минимальными, но обеспечивающими достижение целевых параметров. Из допустимого множества решений конструктор выбирает ряд перспективных вариантов с определенными наборами параметров, прорабатывает их до необходимого уровня детализации и проводит сравнительную оценку. Числовых показателей эффективности того или иного варианта технического решения машины, по которым оценивают конструкцию, обычно бывает несколько. Выделяют главные критерии, по которым и производится оптимизация, а вспомогательные показатели используют как ограничения, накладываемые на множество возможных решений. Удобно, хотя и не всегда возможно, сформулировать единый критерий качества проектируемой машины в виде целевой функции из главных и вспомогательных показателей.
Единой системой конструкторской документации установлено 5 стадий инженерного проектирования: техническое задание, техническое предложение, эскизный проект, технический проект и разработка технической документации – интегрирующие лучший международный опыт проектирования сложных изделий и технических систем. Выполнение этих стадий проектирования с высоким качеством и в сроки, ограниченные разумными пределами, невозможно без использования методов автоматизированного проектирования машин. При этом очень большую роль играют логическая постановка задачи, создание и изучение математических моделей проектируемых объектов, выбор и обоснование алгоритмов моделирования, постановка задач, проведение вычислений на ЭВМ и анализ результатов с позиции оценки удовлетворения целевой функции качества машины.
Студенты в процессе обучения готовятся к выполнению в будущем указанных выше проектно-конструкторских задач. Подробное изучение методов обеспечения эффективности, качества и экономически создаваемых машин распределено в учебных планах ВУЗов между общеинженерными и специальными учебными дисциплинами. Вопросы анализа и синтеза структурной и кинематической схем механизмов, компоновки механизмов в соответствии с требованиями к закону движения, силового анализа, оценки виброактивности и виброзащиты, управления движением и некоторые другие изучаются в дисциплинах «Теория механизмов и машин», «Основы проектирования машин и механизмов» - в зависимости от учебной специальности. Вопросы конструирования деталей и сборочных единиц, общей компоновки машины по условиям прочности, жесткости, долговечности, виброустойчивости, износостойкости и технологичности изучаются в курсе «Детали машин» и в специальных дисциплинах.
Первым серьезным опытом творческого применения полученных в учебном процессе знаний для решения приближенных к реальным инженерных задач являются курсовой проект (курсовая работа) по ТММ. Основная цель курсового проектирования – привить навыки использования общих методов исследования механизмов для создания конкретных машин и приборов разнообразного назначения. Наиболее часто к разработке студентам предлагаются рычажные механизмы объектов авиационной техники, приводов металлорежущих станков, промышленных роботов, транспортеров и др. типового технологического оборудования. Основные задачи ТММ, решаемые в курсовом проекте:
построение структурной и кинематической схем механизма в заданных положениях;
кинематический анализ методом планов скоростей и ускорений;
силовой анализ механизма с учетом геометрии масс звеньев при движении их с ускорением;
проверка результатов анализа методом жесткого рычага Н.Е.Жуковского;
построение различных кинематических и динамических диаграмм.
Для решения задач ТММ, в общем случае, применяются 4 подхода: экспериментальный, аналитический, графический и графо-аналитический. В учебном процессе наибольшее распространение получили графический и графо-аналитический методы благодаря их наглядности, простоте применения и быстроте получения результатов. Однако, как бы тщательно ни выполнялись графические построения, всегда приходится считаться с недостатками, свойственными графическим методам: погрешности построения могут быть значительными и даже при тщательном выполнении графического решения достигать нескольких процентов; плохо контролируемая величина погрешности; необходимость выполнять анализ для множества вариантов размеров звеньев и вариантов положения механизмов, то есть графический метод решения не адекватен современной методологии широкого применения САПР в машиностроении.
Более точные результаты решений задач ТММ могут быть получены при использовании аналитических методов. Кроме того, они более перспективны с точки зрения интеграции в САПР. Однако уравнения, к которым приводят аналитические методы, получаются достаточно сложными – приходится решать системы нелинейных уравнений – и поэтому неудобными для практического использования при анализе даже самых простых механизмов.
Указанные противоречия между простотой и наглядностью графических и достижимой точностью аналитических методов эффективно разрешается использованием для решения задач курсового проектирования ТММ графической подсистемы САПР Компас 3D. Она обеспечивает студенту возможность исследования механизма графо-аналитическим способом, с сохранением его достоинств, при достижении точности, свойственной аналитическому решению – типично 4 точных десятичных знака (при стандартных настройках среды проектирования). При этом открываются возможности более точного синтеза механизма, поскольку можно задавать параметры с большим количеством значащих цифр. Например, если по заданной величине коэффициента средней скорости k = 1,3 (типичное значение) определяем угол давления, получим:
.
Далее для определения положения точки шарнира ведущего звена этот угол откладывается от отрезка, к нему проводится перпендикуляр и выполняются дальнейшие построения. Понятно, что при помощи транспортира, в ручную на листе бумаги, практически невозможно построить требуемый угол 23˚28’, а тем более сохранить точность направлений векторов (параллельность и перпендикулярность) при последующих построениях. Напротив, погрешность графического решения будет накапливаться и в неблагоприятных случаях (при неудачном выборе масштабных коэффициентов и неаккуратности построений) легко достигает 10..20% и более.
При использовании графической подсистемы САПР Компас 3D указанные погрешности практически ничтожны (8-9 точных значащих цифр) и не мешают решению задач анализа и синтеза.
Воронежский государственный технический университет
УДК 621.09