Геометрическое моделирование и разработка пользовательских библиотек при проектировании объектов машиностроения

Ленточные конвейеры относятся к машинам непрерывного действия, главное назначение которых – механизация технологических процессов, увеличение производительности и повышение безопасности работ. Тяговым и несущим элементом ленточных конвейеров является гибкая лента. Данный тип оборудования нашел широкое применение во многих отраслях промышленности на предприятиях с поточным типом производства: в металлургии, строительстве, на горнодобывающих и сельскохозяйственных предприятиях. Ленточный конвейер состоит узлов и деталей, смонтированных на основание, длина которого определяется протяженностью трассы. В состав оборудования входят: приводной, концевой, оборотный и отклоняющий барабаны, натяжное и загрузочное устройства, роликоопоры верхней и нижней ветвей трассы. Вращение приводного барабана осуществляется путем передачи крутящего момента через редуктор от электрического двигателя.

При проектировании конвейера конструктор, исходя из технического задания, содержащего сведения о характеристике перемещаемого груза, требуемой производительности и условиях работы, производит инженерные расчеты с использованием различных справочных материалов ^[1,2] и специальных алгоритмов расчета ^[3]. На основании расчетов составляется схема трассы конвейера, определяется конструкция и размеры основных узлов. При изготовлении большинства конвейеров используются типовые детали машиностроения, такие как корпуса подшипников качения по ГОСТ 13218.1-80, ГОСТ 13218.2-80, крышки ГОСТ 18512-73 ^[4] и прочие. Данные стандарты определяют размеры и конструктивные особенности изделий.

Современные САПР содержат значительное количество библиотек стандартных изделий: крепежные изделия, подшипники и детали машин, профили, детали пневмо- и гидросистем и др. Однако ни один набор библиотек, имеющийся в комплектации любой системы автоматизированного проектирования, не может охватить все многообразие направлений и отраслей промышленности и полностью удовлетворить требования всех пользователей – в нашем случае в Компас 3D отсутствуют модели корпусов и крышек по указанным выше стандартам. Так как при проектировании транспортирующих устройств в зависимости от грузоподъемности и условий работы конвейера изменяются не только размеры, но и геометрия необходимых для сборки корпусов подшипников, возникает необходимость создания пользовательской библиотеки изделий. Стоит отметить, что корпуса подшипников применяются достаточно широко в машиностроении, поэтому пользовательская библиотека будет востребована не только при проектировании конвейеров.

Рассмотрим понятие и типы параметрического моделирования.

Параметрическое моделирование — моделирование изделий с назначением параметров и соотношений между ними. В качестве параметров могут использоваться размеры элементов и материал, из которого деталь должна быть изготовлена. Применение параметризации позволяет на начальной стадии проектирования путем изменения геометрических соотношений модели получить различные компоновочные схемы и проанализировать верность принятых конструктивных решений ^[5].

Параметрическое трёхмерное моделирование значительно отличается от двумерного создания чертежей или создания простых 3D моделей. Конструктор в случае параметрического моделирования создаёт математическую модель, изменение параметров которой позволяет менять конфигурацию детали, взаимные перемещения деталей в сборке и визуальное представление проектируемого объекта.

Различают четыре типа параметризации ^[6]:

- табличная параметризация предполагает создание таблицы, в которой определены параметры деталей. При выборе из таблицы требуемых размеров создается новое конструктивное исполнение детали. Табличная параметризация широко применяется в процессе конструкторского проектирования в САПР и позволяет существенно упростить и ускорить процесс создания пользовательских библиотек стандартных изделий, а также их применение;

- иерархическая параметризация заключается в записи и отображении в «дереве построения» последовательности моделирования детали или создания сборки. Эскизы и 3D операции, отображаемые в «дереве построения» доступны пользователю для редактирования в любой момент работы над проектом, что позволяет вносить изменения с последующим перестроением моделей, сборок и ассоциативных чертежей. Также система записывает иерархию отношений между файлами (деталь – сборка – чертеж - спецификация);

- вариационная (размерная) параметризацияоснована на создании различных параметрических связей и ограничений в виде назначения размеров и составления уравнений для определения зависимости между размерами при построении эскиза. Это позволяет перестраивать модель в зависимости от параметров, определенных конструктором;

- геометрическая параметризация наглядно демонстрирует связь между элементами модели и этапами ее построения - при изменении одного из элементов модели все зависящие элементы определятся из условий геометрии самой модели. Геометрическая параметризация позволяет вносить изменения и редактировать модели без удаления исходных элементов.

Иерархический, вариационный и геометрический тип параметризации комплексно используются при создании 3D моделей, 3D сборок и ассоциативных чертежей в современных САПР. Табличный тип параметризация применяется в случаях, когда при проектировании требуется разработка большого количества деталей, обладающих одинаковыми конструктивными формами и отличающихся только размерами, или при отсутствии в библиотеках используемой САПР требуемых стандартных изделий.

В настоящей работе использованы все типы параметризации.

ГОСТ 13218.1-80 и ГОСТ 13218.2-80 распространяются на неразъемные широкие корпуса типа ШМ со сквозным отверстием для подшипников качения. Корпуса в зависимости от типоразмера подшипника разделены на группы: ШМ 47 – 52, ШМ 62 – 100, ШМ 110-150, ШМ 160-240, ШМ 260-400. У каждой группы есть свои геометрические особенности, которые отражены в чертеже, представленном в стандарте. Значения размеров приведены в таблице ГОСТ 13218.1-80 и ГОСТ 13218.2-80. Размеры некоторых конструктивных элементов определены по формулам и зависят от табличных данных.

Процесс проектирования ленточного конвейера по разработанной авторами методике состоит из следующих этапов:

1. выполнение инженерных расчетов параметров конвейера в Microsoft Excel с помощью таблиц и логических операторов системы;

2. формирование таблицы переменных на основании проведенных расчетов в Microsoft Excel и чтение данных из файла в систему Компас 3D;

3. создание 3D модели корпуса из каждой группы (ШМ 47 – 52, ШМ 47 – 52, ШМ 62 – 100, ШМ 110-150, ШМ 160-240, ШМ 260-400): при создании эскиза и выполнении трехмерных операций размеры геометрических элементов обозначаются как внешние переменные;

4. создание исполнений моделей в соответствии с данными из таблицы переменных, каждой модели присваивается обозначение согласно стандартам;

5. разработка библиотеки пользовательских компонентов из созданных моделей и исполнений;

6. сборка модели ленточного конвейера из деталей библиотеки и библиотек стандартных изделий Компас 3D для проведения инженерного анализа в среде CAE систем, разработки конструкторской документации и представления проекта заказчику (рисунок 1).

Microsoft Excel и другие пакеты широко используются в инженерной практике для автоматизации расчетов ^[7-9]. Особенность созданной на основе расчетной базы Excel пользовательской библиотеки заключается в том, что за счет применения параметризации значительно упрощен процесс трёхмерного моделирования типовых изделий транспортирующих устройств.

Рис. 1 Модель ленточного конвейера

По представленному выше алгоритму созданы библиотеки параметрических 3D моделей деталей, входящих в состав основных узлов конвейера: приводной, концевой, оборотный и отклоняющий барабаны, роликоопоры верхней и нижней ветвей трассы и других. Задача конструктора на стадии эскизного проектирования ^[10] сведена к назначению исходных данных по проектируемому конвейеру и, минуя процесс создания 3D моделей, к созданию конструктивного решения сборки для демонстрации проекта. Использование пользовательских библиотек позволяет быстро и качественно создавать конструкторскую документацию, интегрировать модели в САЕ и CAM-системы ^[11] для проведения проверочных расчетов готовых изделий и подготовки информации из модели для расчета режимов резания и других типов обработки.

Современный уровень развития САПР, таких как Компас 3D, позволяет пользователям создавать собственные базы разнообразных приложений и библиотек непосредственно в системе ^{[12, 13]}, не прибегая к разработке дополнительных приложений автоматизации процессов моделирования и создания конструкторской документации. За счет сохранения моделей в универсальных форматах создание сборки возможно не только в Компас 3D, но и в других CAD-системах.

Вывод. Разработка пользовательских библиотек с параметрическими моделями типовых деталей машиностроения является ценным инструментом конструктора. Использование параметризации требует затрат времени, но оправдано на всех стадиях работы над проектом, так как задача конструктора заключается в выборе из библиотеки нужного исполнения детали вместо полного цикла моделирования. В связи с тем, что с 3D моделями связаны ассоциативные чертежи деталей и сборок, применение параметризации позволяет автоматически получать практически полностью готовые конструкторские документы в соответствии с инженерными расчетами. Созданные на основе параметризации пользовательские библиотеки могут найти широкое применение в конструкторских отделах машиностроительных проектных бюро и предприятий.