Конспект лекций по КММ

172 Глава 7. ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ МЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ

Шаговый процесс с возвратом. Методика отбора требова-

ний, наиболее важных для компоновки, предполагает необходимость той или иной корректировки первоначально скомпонованного мехатронного модуля, т.е. возврат от последующих этапов, на которых реализуются оставшиеся требования, к предыдущему. Выбор каждого шага производится с таким расчетом, чтобы чертежная работа, вызванная корректировкой результатов, свелась к минимуму. Если габариты мехатронного модуля на чертеже окончательной компоновки уменьшилась по сравнению с габаритами, предусмотренными эскизной компоновкой, это свидетельствуют о том, что корректировка способствовала оптимизации конструктивного решения по критерию минимизации габаритов.

Представление о компоновке мехатронного модуля, как о шаговом процессе с возвратом, основывается, с одной стороны, на природе нестрого поставленных задач, допускающих варьирование исходными данными в ходе решения, с другой, на ограниченности возможностей человека в отношении оптимальной конструктивной реализации множества взаимосвязанных переменных.

7.5.8. Чертеж окончательной компоновки

Своеобразие этого этапа в его двойственности: с одной стороны, чистовым вычерчиванием чертежа окончательной компоновки (общего вида или сборочного чертежа) подводится итог проделанной ранее длительной работы; с другой стороны, это не просто вычерчивание, это конструирование, притом начинающееся с самого начала, с самой первой линии и заканчивающееся созданием чертежа, практически полностью обеспечивающего этап деталировки.

Приступая к чистовому вычерчиванию чертежа окончательной компоновки, конструктор тем самым решается на отказ от дальнейших поисков, от сравнения и отбора вариантов. В то же время вся методика вычерчивания чертежа должна оставлять конструктору максимальную свободу варьирования на протяжении всего хода работы. Необходимость в текущих изменениях создаваемой конструкции заставляет вести вычерчивание в два приема: в тонких линиях с последующей их обводкой.

На первых порах возможно исключить из графической работы над чертежом окончательной компоновки элементы конструирования.

Если перенести на лист без больших изменений чертеж эскизной компоновки, получим своеобразный “костяк” – основу чертежа будущей конструкции мехатронного модуля. Костяк чертежа строится в нескольких проекциях. Если чертеж эскизной компоновки оказывается непригодным для такого построения, то это является свидетельством его недоработанности. Очередность нанесения на чертеже окончательной компоновки элементов костяка в основном совпадает с очередностью нанесения тех же элементов на чертеже эскизной компоновки. Неудачный выбор последовательности вычерчивания элементов костяка чертежа окончательной компоновки может дать себя знать позднее и создать значительные трудности при подробной конструктивной реализации того или иного узла.

Сложность, многодетальность, действие критериев минимизации массагабаритных параметров, критериев надежности – все эти факторы требуют строгой последовательности чистового вычерчивания чертежа окончательной компоновки.

После вычерчивания костяка чертежа конструктор получает возможность сосредоточить усилия на конкретной разработке отдельных узлов и деталей. При конструкторской проработке узлов и деталей не только проверяется правильность допущений, принятых на предыдущих стадиях, но до некоторой степени исправляются и ошибки компоновки.

Детализацию узлов и деталей необходимо вести от средней части к периферии, чтобы избежать “рыхлости” или чрезмерной сжатости в радиальных направлениях. Наносить на лист элементы, однозначно определившиеся по форме и расположению, чтобы воспользоваться вносимыми ими ограничениями, а также не откладывать на последнюю очередь проработку узлов и деталей с невыявленными габаритами, чтобы иметь возможность своевременно скомпенсировать увеличение их габаритов за счет уплотнения соседних.

Уменьшение числа деталей в мехатронном модуле часто достигается за счет усложнения характера движения звеньев. Простейшим примером может служить планетарный редуктор. Ценой усложнения характера движения планетарного колеса удается уменьшить число зубчатых пар (по сравнению с обычным зубчатым редуктором).

Следует отметить, что вопросы, касающиеся способов изготовления деталей, удобства сборки изделия, регулировки и юстировки, взаимозаменяемости, унификации, использования оснастки и инструмента, назначения допусков, выбора материалов, покры-

174 Глава 7. ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ МЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ

тий, термообработки, чистоты обработки поверхностей, способов смазки и т.п. требуют обдумывания и решения именно в процессе вычерчивания набора деталей на чертеже окончательной компоновки.

К числу вопросов, решение которых практически полностью относится к этапу вычерчивания чертежа окончательной компоновки относится обеспечение технологичности сборки как одного из слагаемых общего критерия технологичности мехатронного модуля.

Из множества рекомендаций, касающихся сборки и разборки устройств, выделим одну, имеющую общий характер: следует стремиться по возможности выполнять набор деталей таким образом, чтобы при сборке и разборке мехатронного модуля каждая последующая деталь могла быть удалена через пространство, освобождаемое при удалении предыдущей детали.

По мере уточнения конфигурации деталей возрастают возможности оценки надежности их функционирования расчетным путем. Наличие прорисованного набора деталей и узлов позволяет по-новому проанализировать взаимосвязи с окружением не всего мехатронного модуля в целом, а каждого узла, каждой детали в отдельности.

При отработке набора деталей на чертеже окончательной компоновки следует тщательно проверить, всюду ли, где возможно, применены нормализованные или типовые элементы.

Оптимальной с точки зрения обеспечения надежности является такая конструкция, в которой применены типовые, хорошо освоенные в производстве блоки, модули, узлы, детали. Сложность процесса детализации вызывает постоянное опасение преждевременности проработки того или иного узла или детали. Поэтому симметричные узлы и детали бывает выгодно вычерчивать лишь с одной стороны от оси симметрии, так как в процессе детализации может возникнуть несколько различных вариантов их конструкции. Той же постепенностью, осторожностью в нанесении новых линий характеризуется методика вычерчивания на чертеже окончательной компоновки крепежных деталей (болтов, винтов, гаек, шайб, штифтов и т.п.). Пока форма свинчиваемых деталей окончательно не определилась, крепежные детали представляют на чертеже лишь их осевыми линиями. Затем производится работа по объединению крепежных деталей с целью сокращения их типоразмеров. Только по окончании этой работы каждую крепежную деталь вычерчивают по стандартам.

Процесс обводки деталей, а также их штриховки должен быть направленным. Последовательность обводки чертежа окончательной компоновки в основном совпадает с последовательностью его вычерчивания. Исходя из стремления оставить возможность к максимальной свободе варьирования и своевременной корректировке чертежа окончательной компоновке не следует прибегать к штриховке до окончания обводки.

Процесс создания чертежа окончательной компоновки - это не только дальнейшее развитие, но прежде всего и проверка решения компоновки. Уверенность в рациональности принятой компоновки приходит далеко не с первых шагов создания чертежа окончательной компоновки. Она возникает только по завершению реализации большинства заданных требований в конструкции. Именно в этот момент заканчивается формирование конструкции, в которой отражена и принципиальная схема, и требования технического задания, и взаимосвязи мехатронного модуля с окружением, и критерии рациональности, и многое другое.

7.5.9. Конструирование с использованием систем автоматизированного проектирования

Конструирование объектов (мехатронных модулей, машин, систем) – область инженерной деятельности, наиболее сложная для автоматизации. Теория и методы автоматизации конструирования находятся в стадии разработки. Хорошо разработаны различные вычислительные операции, связанные с конструированием, а также оформление текстовой и табличной документации. Но задачи, связанные с созданием комплексных автоматизированных систем подготовки производства в машиностроении, выполняющие, кроме расчетов, выбор наиболее рациональных конструкторских решений, компоновку машин из составляющих их элементов, подбор этих элементов, технологическое проектирование, выдачу проектной документации в готовом виде, и т.п., еще не нашли полного решения.

В проектно-конструкторском процессе затраты времени на чертежные работы составляют приблизительно 30% от общего времени проектирования, в то время как «творческие» элементы про- ектно-конструкторских работ – около 15%. Таким образом, в процессе проектирования большая доля работ приходится на рутинные операции. Поэтому основным направлением рационализации про- ектно-конструкторского процесса является стремление автоматизи-

176 Глава 7. ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ МЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ

ровать рутинные операции с помощью средств вычислительной техники. Но в то же время главное направление в автоматизации – это не автоматизация отдельных этапов проектирования, а автоматизация процесса проектирования всей конструкции, которая должна отвечать исходным требованиям.

Автоматизация подразумевает систематическое применение ЭВМ в проектно-конструкторском процессе при научно обоснованном распределении функций между проектировщиком и вычислительной машиной и научно обоснованном выборе методов машинного решения задач.

Научно обоснованное распределение функций между человеком и ЭВМ подразумевает, что человек должен решать задачи, носящие творческий характер, а ЭВМ – задачи, решение которых поддается алгоритмизации.

Система, объединяющая технические средства, математическое и программное обеспечение, параметры и характеристики которых выбирают с максимальным учетом особенностей задач инженерного проектирования и конструирования представляет собой систему автоматизированного проектирования (САПР).

Целью системы автоматизированного проектирования явля-

ется повышение качества, снижение материальных затрат, сокращение сроков проектно-конструкторского процесса и ликвидация роста числа инженерно-технических работников, занятых проектированием и конструированием.

Для достижения целей создания САПР необходимо:

совершенствование проектирования на основе применения математических методов и средств вычислительной техники;

автоматизация процесса поиска, обработки и выдачи информации;

использование методов оптимизации и многовариантного проектирования; применение эффективных математических моделей проектируемых объектов, комплектующих изделий и материалов;

создание банков данных, содержащих систематизированные сведения справочного характера, необходимые для автоматизированного проектирования объектов;

повышение качества оформления проектной документации;

повышение творческой доли труда проектирования за счет автоматизации нетворческих работ;

унифицикация и стандартизация методов проектирования;

подготовка и переподготовка специалистов;

взаимодействие с автоматизированными системами различного уровня и назначения.

Комплекс средств автоматизации проектирования включает

всебя методическое, лингвистическое, математическое, программное, техническое, информационное и организационное обеспечение.

В САПР обеспечивается удобство использования программ за счет применения средств оперативной связи инженера с ЭВМ, специальных проблемно-ориентированных языков и наличия инфор- мационно-справочной базы.

Структурными составляющими САПР являются подсистемы, обладающие всеми свойствами систем и создаваемые как самостоятельные системы.

Следует отметить, что САПР – это вспомогательное средство, а не замена конструктора.

Исторически так сложилось, что применение ЭВМ при про- ектно-конструкторских работах в своем развитии прошло несколько стадий и претерпело значительные изменения. Вначале был сделан акцент на автоматизацию проектных задач, имеющих четко выраженный расчетный характер, когда реализовывались методики, ориентированные на ручное проектирование. Затем стали создавать программы автоматизированных расчетов на основе методов вычислительной математики (параметрическая оптимизация, метод конечных элементов и т.п.). С внедрением специальных терминальных устройств появились универсальные программы для ЭВМ для решения как расчетных, так и некоторых рутинных проектных задач (изготовление чертежей, спецификаций, текстовых документов и т.п.). В последние годы большое внимание уделяется автоматизации расчетно-конструкторских работ при проектировании механизмов и машин, когда синтез конструкции проводится эвристически, а основные параметры выбираются и оптимизируются в интерактивном режиме диалога проектировщика и ЭВМ. Проектирование объекта проводят по функциональным требованиям, информации о компонентах и описанию процессов с использованием моделей объектов, что дает возможность конструктору задавать отношения между отдельными свойствами как внутри объекта, так и между разными объектами в рамках разработки.

В модели под конструкцией объекта понимают следующую совокупность признаков:

словарь понятий, представляющих наиболее существенные свойства объекта в предметной области;

состав и структуру конечного изделия;

178Глава 7. ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ МЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ

функциональные требования к отдельным частям конструкторских решений, согласованных между собой через словарь понятий двунаправленными ассоциативными связями;

взаимную компоновку частей конструкторских решений в рамках некоторой глобальной системы координат, учитывающую накопленные правила комплексирования из типовых решений;

возможность получения информационно-выразительного представления о принятых решениях как в компьютерной форме (включая возможность трехмерной анимации (3D-анимации) объекта), так и в форме чертежно-конструкторских документов;

возможность выполнения компьютерного моделирования, обеспечивающего контроль за соотношениями как между отдельными свойствами объекта, так и всего объекта в целом.

При проектировании различных изделий конструктор вынужден учитывать многие источники информации и уметь управлять процессом проектирования во времени и среди коллектива сотрудников. Для этого необходимо выбрать программные средства проектирования и автоматизации. К ним можно отнести различные версии AutoCAD, AutoCAD Mechanical, Mechanical desktop, КРЕ-

ДО, КОМПАС-5, T-FLEX и др.

AutoCAD - универсальная графическая система, в основу структуры которой положен принцип открытой архитектуры, позволяющий адаптировать и развивать многие функции AutoCAD применительно к конкретным задачам и требованиям.

Эффективность применения AutoCAD при разработке конструкторской документации обеспечивается следующими ее возможностями:

наличием средств преобразований: поворота, переноса, симметрирования, масштабирования, построения зеркального изображения и др.;

использованием готовых фрагментов чертежей: конструктивных и геометрических элементов, унифицированных конструкций, стандартных изделий;

ведением диалога с компьютером в привычных для конструктора терминах и с привычными для него объектами (графическими изображениями);

наличием языковых средств описания типовых моделейпредставителей чертежей объектов, когда процесс создания конкретного чертежа изделия сводится к заданию размеров;

получением чертежей высокого качества, оформленных по стандартам ЕСКД, путем вывода на графопостроители, принтеры и другие устройства.

AutoCAD позволяет осуществлять параметрическое двухмерное черчение и параметрическое трехмерное каркасное (проволочное), полигональное (поверхностное) и объемное (твердотельное) моделирование, а также создавать параметрические сборочные чертежи из параметрических элементов. Значения параметров берутся из баз данных.

AutoCAD Mechanical и Mechanical desktop являются расшире-

нием AutoCAD с уклоном в машиностроительное конструирование. Пакеты обеспечивают продуктивность и качество при подготовке машиностроительных чертежей и оптимальны при двухмерном (2D) конструировании.

Система КРЕДО – первая отечественная интегрированная система, работающая под управлением ОС Windows, с возможностями трехмерного моделирования геометрических объектов, оформления конструкторской документации, подготовки управляющих программ и создания архива конструкторско-технологической документации.

КОМПАС-5 – высокоэффективная среда проектирования различных изделий, включающая чертежно-конструкторский редактор со средствами интерактивной параметризации, модуль управления документами, готовые библиотеки для различных областей применения, прикладные конструкторские пакеты, инструментальные средства разработки приложений.

T-FLEX CAD 3D является параметрической системой автоматизированного проектирования и черчения. Она содержит полный набор удобных средств для создания качественной конструкторской документации:

любые типы элементов построения: прямые, окружности, эллипсы, сплайны, кривые, задаваемые функциями;

всевозможные типы линий: основные, тонкие, штриховые, штрих-пунктирные и т.п. Линии могут иметь различную толщину и цвет; имеется возможность создания собственных типов линий;

ассоциативные штриховки, заливки, штриховки по образцу;

любые типы размеров: линейные, размеры на окружности, угловы. Полное соответствие ЕСКД и международным стандартам.

автоматический расчет предельных отклонений.

возможность быстрого изменения стандарта оформления;

допуски формы и расположения поверхностей, шероховатости, надписи, тексты.

Последние версии T-FLEX CAD 3D позволяют работать как в параметрическом, так и в непараметрическом режиме создания чертежей.

180 Глава 7. ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ МЕХАТРОННЫХ МОДУЛЕЙ

T-FLEX CAD 3D разработан так, что позволяет проводить параметрическое черчение и параметрическое твердотельное моделирование. Это позволяет на основании разработанных чертежей перейти к трехмерным моделям и наоборот по 3D-модели можно легко получить проекции и оформить необходимый чертеж.

В системе все элементы являются параметрическими. Это касается геометрических соотношений линий (касания, симметрии и т.п.), расстояний, положения, размера, видимости и цвета элементов. На любой параметр может быть назначена численная или текстовая переменная. Переменные могут быть связаны между собой математическими и логическими выражениями. Значения параметров могут браться из баз данных и электронных таблиц.

Следует отметить, что T-FLEX CAD 3D позволяет создавать параметрические сборочные чертежи из параметрических элементов, связывая их параметры между собой. Изменение параметров сборочной конструкции приводит к автоматическому изменению всех деталей, входящих в сборку. Из сборочного чертежа можно автоматически получить полностью оформленные чертежи деталей и спецификацию.

Работа в T-FLEX CAD 3D может осуществляться двумя способами:

от двумерного чертежа к трехмерной модели;

от трехмерной модели к чертежам изделия.

T-FLEX CAD 3D, построенный на геометрическом ядре ACIS фирмы Spatial Technology, которое используется более чем в ста зарубежных системах моделирования, позволяет передавать трехмерную информацию через SAT-формат – собственный формат ядра

ACIS.

Для T-FLEX CAD 3D создано множество приложений, решающих различные специализированные задачи. Одним из таких приложений является «Интегрированная интеллектуальная система (ИнИС)»

ИнИС представляет собой:

открытую рабочую среду для приложений пользователя;

в ИнИС основными понятиями пользовательского интерфейса являются окно и меню.

открытую графическую оболочку. От пользователя не требуется ввод директив с клавиатуры в виде текстовых строк. Необходимо только внимательно смотреть на экран и выбирать из пред-

лагаемого меню требуемую операцию с помощью манипулятора «мышь».

ИнИС – интегрированная программа. Под ее управлением могут работать как специальные, так и «обычные» программы, обеспечивая обмен информацией между ними.

Принципиальной особенностью ИнИС является применение объектно-ориентированных подходов при проектировании.

ИнИС предназначен для построения программных приложений групповой поддержки решений конструкторскотехнологических задач. В современном производстве роль групповой поддержки проектных решений резко возрастает, так как в основе действий человека в ходе решения задач конструкторскотехнологической информатики лежит коммуникация между лицами, принимающими решения (покупатель – заказчик – конструктор

– технолог – производитель – продавец – покупатель), осуществляющими обмен информацией и знаниями. Это позволяет использовать распределение ролевых функций в ходе решения задач проектирования, и добиться оптимальных вариантов при совместном решении проблемных ситуаций.

Цель интегрированной интеллектуальной системы:

повышение качества и технико-экономического уровня проектируемых объектов;

сокращение трудоемкости проектных расчетов, конструирования и выпуска рабочих чертежей объектов за счет мощной информационной поддержки проектирования (базы данных, графической базы знаний, расчетные процедуры и т.д.);

автоматизация принятия проектных решений (символьные базы знаний), редактирования и выпуска конструкторской текстовой и графической документации.

ИнИС на единой понятийной, информационной, программной

итехнической основе обеспечивает для пользователя выполнение следующих функций:

управление проектом;

диалоговая организация ввода и контроля исходных дан-

ных;

управление системой;

выполнение расчетов по отдельным зависимостям и в виде вычислительных моделей;

выбор нормативно-справочной информации;