Новости
09.05.2023
с Днём Победы!
07.03.2023
Поздравляем с Международным женским днем!
23.02.2023
Поздравляем с Днем защитника Отечества!
Оплата онлайн
При оплате онлайн будет
удержана комиссия 3,5-5,5%








Способ оплаты:

С банковской карты (3,5%)
Сбербанк онлайн (3,5%)
Со счета в Яндекс.Деньгах (5,5%)
Наличными через терминал (3,5%)

3D-МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ В "T-FLEX CAD 3D"

Авторы:
Город:
Коломна
ВУЗ:
Дата:
23 февраля 2016г.

Период конца XX и начала XXI века знаменовался резким скачком в развитии информационных технологий. Компьютерная инфоструктура в наши дни проникла в каждую сферу человеческой деятельности, в частности технический прогресс затронул и область машиностроения. Появились такие научные отрасли как автоматизация производства, системы автоматизированного проектирования (САПР) и др. Трехмерное проектирование деталей и узлов в изделиях машиностроения зарекомендовало себя одним из самых эффективных и перспективных направлений, более известное как 3D-моделирование в системах автоматизированного проектирования. Системой САПР, реализующей процесс 3D-моделирования, называется CAD система (Computer Aided Design System). В условиях современного производства ни одно машиностроительное предприятие при технологическом проектировании изделий не обходится без внедрения и использования CAD системы.

3D-моделирование изделий машиностроения позволяет спроектировать деталь или узел изделия в виде конечного готового состоянии, соблюдая все конструктивные критерии и особенности конструкторско- технологической документации. При наличии дополнительных модулей CAD системы, данную модель можно рассчитывать на прочность, проводить статистический и динамический анализ, применять ЧПУ-обработку различных механических и технологических операций. Также любая CAD система по 3D-модели может спроектировать чертеж детали или узла, спецификацию и другие конструкторско-технологические документы. В современных CAD системах также есть возможность создания кинематического или циклодинамического движения 3D-модели в пространстве с помощью модуля анимации, позволяющая записать этот процесс в видеофайл стандартных форматов.

В настоящее время на международном рынке САПР существует множество CAD систем, успешно внедряемых в производство различных стран мира. На российском рынке более известны такие системы:

· "КОМПАС-3D" - производитель "Аскон" (Россия);

· "AutoCAD" - производитель "Autodesk" (США);

· "AutodeskInventor" - производитель "Autodesk" (США);

· PTC Creo 2.0 - производитель "PTC" (США);

· "T-FLEX CAD 3D" - производитель "ТопСистемы" (Россия);

· "Solid Edge" - производитель "Siemens" (Германия);

· "NX" - производитель "Siemens" (Германия).

Следует отметить, что российские производители занимают не последнее место на мировой арене, а системы из зарубежных стран имеют свои филиалы и полностью локализованы на территории России. Особое внимание хочется уделить системе "T-FLEX CAD 3D" отечественного производителя "ТопСистемы". Несколько лет назад разработчики во главе с отделом программистов этой компании создали свое собственное процессорное ядро, на основе которого работает программная среда CAD системы. Также "T-FLEX CAD 3D" является единственной параметрической системой на российском рынке и одной из самых сильных систем по параметризации не только в Европе, но и на международной арене. "ТопСистемы" обеспечили большую функциональность для трехмерного моделирования изделий, сделав свой продукт удобным при проектировании. Но несмотря на эти достоинства, процесс 3D-моделирования любой САПР все равно имеет свои сложности при выполнении работы, например, если деталь (узел) изделия машиностроения имеет сложную геометрию, много конструктивно-важных элементов или большое количество деталей (если сборочная единица). Для того чтобы успешно создать 3D-модель изделия машиностроения необходимо иметь:

-   знания в области инженерии;

-   навык пользования CAD системами;

-   знания в области инженерной графики и начертательной геометрии для черчении в CAD системе;

-   знания конструкторской документации для чтения и анализа чертежей;

-   опыт программирования для параметризации переменных модели;

-   доступ к содержанию государственных стандартов (ГОСТ).

Но для максимального успеха и эффективного результата выше указанных способностей недостаточно, для этого необходимо составить алгоритм действий перед началом выполнения задания. Рациональный план позволит использовать минимальные средства и сократить время работы, и поэтому алгоритм следует разделить на этапы:

1)     техническое задание;

2)     конструкторско-технологическая   документация;

3)     моделирование деталей:

-   простые и малогабаритные детали;

-   технологически сложные (среднего уровня) детали;

-   сложные корпусные и крупногабаритные детали;

4)     стандартные изделия и крепежные заводские детали;

5)     сборочное моделирование:

-   соединение деталей в узлы (подсборки);

-   полная сборка все составляющих изделия;

6)     анимация движения по переменным и оптимизация модели.

Каждый пункт необходимо описать подробно. В первом этапе необходимо поставить задачу или составить техническое задание. В задаче нужно определить, что является конечным результатом, если это 3D-модель изделия, то необходимо собрать всю информацию по этому проекту, в него входит наименование, служебное назначение, принцип работы, чертежи, спецификации, схема сборки и технические требования изделия. Следует произвести теоретический анализ объекта для полного представления конечного вида изделия. После выполнения этой задачи и сбора всей информации можно переходить к следующему этапу.

Во втором этапе подразумевается комплексное изучение всей конструкторско-технологической документации проекта, в состав которой входят сборочные чертежи изделия, входящих в него узлов, отдельные чертежи всех  деталей, спецификации к  каждой сборочной единице, схемы сборки  и дополнительные технологические документы. В процессе изучения следует детали разделить на категории по принципам конструкторского содержании и сложности геометрии, например: 1 - простые по конструктивному признаку и геометрии с габаритами малых размеров; 2 - средние по конструктивному признаку и геометрии, содержащие технологические элементы, которые имеют важное значение в принципе работы изделия, различных габаритных размеров; 3 - сложные по конструктивному признаку и геометрии, содержащие много технологических элементов и геометрию контура высокого уровня, обладающие большими габаритными размерами. К первой категории деталей относятся фланцы, упоры, штуцеры, кольца, валы, втулки и другие простые детали. Ко второй категории относятся валы-шестерни, зубчатые колеса, оси, поршни, корпусные крышки и другие детали. И к третьей категории относятся сложные корпусные габаритные детали, в основном отливки, а также детали со сложной сферической геометрией профиля высшего порядка.

После полного анализа конструкторско-технологической документации (КТД) можно приступать к самому процессу 3D-моделирования объектов. Третий этап является самым продолжительным по времени и трудоемким по сложности выполнения, поэтому его следует разделить на несколько подэтапов, начать нужно с первой категории деталей, описанной выше, т.е. простых деталей. Смысл этой подзадачи заключается в том, что запомнить простые алгоритмы действий пользования CAD системой "T-FLEX CAD 3D" и освоить функции моделирования на начальном уровне. В моделировании простых деталей не требуется много операций, около 2-3 на деталь, в некоторых случаях даже всего одной операций. В основном используются операции "Выталкивание" и "Вращение" - это самые распространенные операции САПР. Если тело вращения, то следует воспользоваться операцией "Вращение", если же тело состоит из прямых плоскостей или корпусную форму, то тогда необходима операция "Выталкивание", для  выполнения  которой необходимо и достаточно построить профиль  детали в режиме эскиза, единственными условиями являются замкнутость профиля и отсутствия пересечения линий профиля. Построение выполняется с помощью стандартных команд геометрии, такие как точка, прямая, окружность и их взаимного расположения, представленные кк вспомогательные линии, по которым обводится сам профиль, это является отличительной чертой "T-FLEX CAD 3D" от других CAD систем и одновременно преимуществом - любое построение можно параметризировать, что предоставляет возможность в свободном редактировании и варьировании любых элементов системы. Последним шагом операции является задание глубины (высоты) тела посредством ввода числового значения. При операции "Вращение" отличий немного, тоже строится замкнутый профиль без взаимных пересечений, но  только его  одна половина,  ограниченная осью вращения, результат операции получается вращение профиля вокруг оси на определенный угол, в большинстве случаев равный 360°, т.е. полный круг. Распространенной функцией также является операция "Сглаживание", ее значение заключается в создании скруглений и фасок, ребер, плоскостей и поверхностей созданного тела, эти элементы можно получить и при операции "Выталкивание" и "Вращение", построив в эскизе все необходимые скругления и фаски с помощью команды "Фаска". После того как все простые детали готовы, можно переходить ко второй категории. Детали среднего уровня нуждаются в широком использовании возможностей системы, приходится применять много различных операций. Например, при моделировании вала-шестерни с шлицевым и квадратным отверстиями, невозможно ограничиться только операциями "Выталкивание"  и "Вращение", необходимо воспользоваться и другими дополнительными функциями. При вращении вала, невозможно смоделировать шлицевое и квадратное отверстия и зубья внешнем диаметре поверхности вала, при построении профиля вала следует учесть размеры шлицевого отверстия и зубьев, чтобы оставить пустое пространство для их создания. Квадратное отверстие можно выдавить с помощью операции "Выталкивание", выбрав конфигурации "Вычитание", предварительно построив профиль квадрата по размерам чертежа. Шлицевое отверстие или соединение также можно выдавить, но выбрав конфигурацию "Сложение", профиль шлица можно построить по размерам чертежа, или воспользоваться ГОСТом, который указывается в этом соединении, где представлены все необходимые размеры для построения. В шлицевых соединениях обозначают количество шлицев (зубьев) и для того, чтобы не выдавливать один шлиц несколько раз, следует воспользоваться операцией "Массив", выбрать "Круговой", указать на созданный шлиц и ось вращения вала, в параметрах ввести количество и шаг между зубьями, в результате получится шлицевое отверстие в валу. Затем следует полученный массив соединить с телом вала, т.к. массивы определяются как отдельные тела, для этого нужно воспользоваться операцией "Булева", в которой в качестве операндов выбираются тело вала и массив шлицев, при этом надо задать конфигурацию "Сложение", в итоге получится цельный вал с шлицевым отверстием. При моделировании прямолинейного зубчатого соединения можно воспользоваться таким же порядком действий, только профиль зуба можно построить с помощью ГОСТа и параметров соединения, указанных конструктором чертежа в соответствующей таблице, но для косоугольных зубчатых соединений этих операций недостаточно. В этом случае существует операция "Спираль", которая позволяет любой построенный профиль выдавить пол любым углом на винтовой поверхности, эта функция применяется при моделировании также конических и косозубых зубчатых соединений различного профиля зубьев, а также червячных передач. В режиме операции "Спираль"необходимо выбрать профиль, ось вращения,  точки привязки, ввести значения радиусов  (половине размера диаметра) зубчатого соединения и выбрать одну из двух конфигураций: "Шаг от длины" и "Витки от длины", в данном косоугольном зубчатом соединении указывается угол наклона зубьев β, поэтому следует выбрать конфигурацию "Витки от длины". Для того, чтобы рассчитать количество витков необходимо угол β разделить на один полный оборот витка, равный 360°, отсюда получим количество витков, значение не может ≥ 1. После применим круговой массив и операцию "Булева" и получим модель вала-шестерни с косозубым зубчатым соединением.

Отверстия - одни из самых часто используемых технологических элементов в изделиях, САПР "T-FLEX CAD 3D" предлагает очень удобный и быстрый способ их моделирования с помощью операции "Отверстие", данная функция позволяет автоматически смоделировать отверстие, указав только точку (узел) на поверхности или окружность (или дугу окружности) для определения ее центра, в режиме операции возможны конфигурации все стандартных типов отверстий по ГОСТ, в которых можно варьировать размеры, сортированные в соответствующем типе отверстия. Это операция увеличивает эффективность моделирования отверстий, сокращая время и уменьшая трудоемкость.

После создания двух категорий деталей переходим к моделированию третьей категории - самой сложной. На этом этапе моделирования необходимо применить все возможности CAD системы "T-FLEX CAD 3D". Желательно для более быстрого и эффективного результата нужно детально изучить чертежи. В геометрически сложных корпусных деталях при анализе чертежа следует спланировать последовательность операций, если процесс будет хаотичным, т.е. часто отменять изменять, переставлять операции, редактировать геометрию эскизов, то модель получится с ошибками, которые будет невозможно исправить без удаления выполненных элементов (операции, профили, плоскости и др.), 3D-модель будет слабо восприимчива к любым изменениям и последующим действиям с ней, возможно потребуется начать моделирование сначала, что явно снизить эффективность и производительность работы и увеличит отведенное на работу время. Конечно, алгоритм действий невозможно сразу спланировать идеально, но процесс корректировки будет более гибок и модель будет более адаптивна.

В моделировании геометрически сложных корпусных деталей, в которых присутствует двухконтурная геометрия, это такая поверхность, в которой направление профиля не перпендикулярно самому профилю, а под определенным углом или по определенной траектории. САПР "T-FLEX CAD 3D" предлагает для решения этой задачи операцию "По траектории", которая реализует смещение профиля по необходимой траектории, для этого нужно построить профиль, который будет иметь смещение, и путь (траектория), по которому будет смещен профиль. В режиме операции "По траектории" выбираются 3D профиль и 3D путь, а затем выбирается конфигурация взаимного их положения. "T-FLEX CAD 3D" включает в себя подобную операцию, но более высоко уровня -  это "По параметрам", эта функция позволяет создавать объекты криволинейного профиля высших порядков, образованные по собственному закону движения, который реализуется через параметры переменных.

Довольно часто в корпусных деталях на криволинейных поверхностях располагаются одинаковые технологические элементы (канавки, пазы, вафельная сетка), для того чтобы максимально упростить процесс их создания система предлагает операцию "Массив по пути", эта функция имеет подобное действие, что и операция "По траектории", предлагается выбрать созданный элемент и путь (траектория), по которому будут создаваться копии, также необходимо ввести количество копий, шаг и длину. Операция "Массив по параметрам" копирует элементы в программируемом порядке через параметры переменных.

После завершения создания модели следует внимательно просмотреть ее со все точек для обнаружения лишних пересечений, трещин или раковин, также проверить на наличие ошибок в окне диагностики, желательно попробовать внести небольшие изменения в геометрии, отверстиях, массивах, предварительно сохранив 3D- модель, эти процедуры проводятся для тестирования и проверки адаптивности модели к изменениям.

После того как все детали готовы переходим к четвертому этапу, к формированию стандартных изделий и заводских крепежных деталей. Для выполнения этого необходимо воспользоваться спецификациями узлов и всего изделия, в этих конструкторских документах отображены названия всех используемых стандартных изделий с указанием ГОСТа, к которому они относятся. CAD система "T-FLEX CAD 3D" при установке программного модуля "Стандартные изделия" в каталоге библиотек будут доступны стандартные изделия по ГОСТ, в этих библиотеках присутствуют параметрические 3D-модели самых распространенных стандартных изделий. Выбрав в каталоге нужное наименование и ГОСТ изделия откроется окно, в которой на одной странице отображена его модель, а на других его чертеж и параметры, которые можно варьировать под необходимые размеры и конфигурации. Измененные под нужные параметры стандартные изделия можно сохранить отдельным файлом, чтобы не искать его снова.

В случае заводских крепежных деталей, то они не относятся к ГОСТ и поэтому имеют оригинальную заводскую конфигурацию и структуру. Для их выявления следует обратиться к спецификациям и отобрать те детали, у которых нет метки о наличии чертежа. После поиска заводские детали необходимо спроектировать самостоятельно и смоделировать их, в большинстве случаев это крепежные (болты, штуцеры, гайки, стержни и др.) или очень простые детали.

В итоге все детали готовы, нужно приступить к следующему этапу, сборочному моделированию. Сперва необходимо смоделировать все узлы, входящие в изделие, у каждого узла есть спецификация, в которой представлены наименования деталей, стандартных изделий, заводских деталей, входящих в состав узла и количество в узле каждого наименования. Для того чтобы определить правильную последовательность сборки понадобится схема сборки, в которой описываются точная последовательность и способ сборки. В САПР "T- FLEX CAD 3D" процесс сборки осуществляется двумя способами: метод сопряжений и метод координатной привязки. Первый метод является самым популярным, он позволяет сопрягать модели (детали) по различным принципам:

1)     совпадение - реализует соприкосновение любых элементов моделей (точки, ребра, плоскости, поверхности, тела);

2)     параллельность - реализует параллельное расположение плоскостей;

3)     перпендикулярность - реализует перпендикулярное расположение плоскостей;

4)     касание - реализует касание плоскостей, поверхностей, тел моделей;

5)     соосность - реализует соосное расположение элементов с осями;

6)     расстояние - устанавливает расстояние между любыми элементами моделей;

7)     угол - устанавливает угол между любыми элементами моделей;

8)     колеса - устанавливает передаточное отношение между ребрами, плоскостями, поверхностями, телами моделей;

9)     винт (колесо - рейка) - устанавливает передаточное отношение между резьбовым элементом и ребром, гранью или плоскостью;

10)   отношение линейных скоростей - устанавливает отношение между элементами, содержащими ось.

Из перечня видно, что вариантов сопряжения много, но эффективность на практике показала, что это вызывает трудности: модель не всегда создает указываемые сопряжения, сообщая об ошибке в окне диагностики, а также выполняет сопряжения, отделяясь от других сопрягаемых фрагментов. В некоторых случаях модель придавала вид нереального физического объекта, содержащее искривление геометрии. Решение этих ошибок заставляет заново собирать модель, а в некоторых случаях вообще не поддается решению. Можно сделать вывод, что сопряжения работают некорректно и вызывают больше проблем, чем решений. На этом фоне хорошо себя зарекомендовал второй способ сборки - метод координатной привязки. Реализация этого метода заключается в следующем: выбираем 3D-фрагмент, который  хотим добавить в сборку, импортируемая модель имеет свои систему координат и начало отсчета, в меню режима добавления нужно выбрать "Преобразования", предполагается задать перемещения по трем осям - Х, Y, Z, можно рассчитать вручную на сколько нужно переместить объект по необходимой координате или задавать через пространственные элементы модели (точка, ребро, грань, плоскость, дуга, центр, ось, поверхность), а также можно вращать объект в зависимости двух осей, единственное условие, чтобы эти две оси были различны, перемещения или вращения в этот момент фиксируются в динамическом режиме, т.е. можно наблюдать в какое положение передвинется объект в реальном времени относительно общей системы координат пространства всей модели. При этом методе не возникает никаких ошибок и проблем и позволяет создавать привязки фрагментов относительно друг друга, что гораздо упрощает параметризацию всей сборки. Кстати, нужно отметить, что два этих метода можно комбинировать, они никак не конфликтуют друг с другом, но сопряжения от этого свою работу не улучшат.

После сборки все узлов следует их соединить в одну сборочную единицу способами, описанными выше. В результате получится готовое изделие, необходимо произвести проверку на отсутствие пересечений фрагментов сборки.

САПР "T-FLEX CAD 3D" включает в себя модуль анимации движения моделей через переменные. В интерфейсе CAD системы есть модуль "Параметры", в котором находятся функции "Анимация" и "Сценарий анимации", которые реализуют анимацию движения в динамическом режиме модели. Для осуществления анимации необходимо создать переменные, которые привязаны к элементам модели или к самой модели. В модуле "Параметры" есть команда "Переменные", в которой можно создать и редактировать переменные. Переменная должна иметь в названии хотя бы одну букву латинского алфавита, а значение переменной можно задать явно,  в виде  числового  значения или набора математических функций  с  числами, и неявно,  в виде зависимостей других созданных переменных. Привязка переменных к моделям реализуется в свойстве объекта "Преобразования", выше описанное в координатном методе сборки фрагментов. Только вместо чисел задаются переменные, можно с математическими операторами. Для того чтобы создать анимацию одной переменной, можно воспользоваться командой "Анимация", в меню этой команды предлагается выбрать из списка нужную переменную, но только одну, ввести значения минимума и максимума переменой и шаг, с которым она будет изменятся. Если для получения необходимой анимации невозможно ограничиться одной переменной, следует использовать команду "Сценарий анимации". Сначала предлагается создать новый или выбрать уже созданный сценарий анимации, после откроется окно, слева у которого будет список созданных переменных с их значениями, а справа окно графиков зависимости переменной от значения времени Т, чтобы создать график необходимо выбрать переменную и в нижнем меню выбрать "Добавить", после откроется окно на поле графиков, в котором предлагается выбрать минимум и максимум переменной. Время Т тоже можно изменить, для этого нужно перейти в команду "Шкала времени" в верхнем меню режима "Сценарий анимации" и задать пределы времени Т в секундах. Каждой переменной соответствует свой график зависимости от времени Т, на этом графике нужно создать узлы - точки с координатами (Х (переменная); Т (время)), количество узлов может быть бесконечно много, значение переменных будет изменяться в течение времени Т в заданном диапазоне. В нижней части меню можно выбрать "Применить" и "Анимация" для запуска анимации динамическом режиме. Анимацию можно записать в видеофайл с заданием нужных параметров качества, времени и скорости передачи информации. Анимация в САПР "T-FLEX CAD 3D" обладает функцией "Оптимизация", она реализует процесс получения оптимального объекта                                                                         динамическом режиме при определенных параметрах и диапазоне их варьирования. В оптимизации переменная, значение которой необходимо получить, в трех конфигурациях - минимизировать, максимизировать и приравнять. Эти три конфигурации означают, что оптимизируемая переменная при определенном диапазоне значений других переменных будет стремиться: 1) достигнуть минимального значения; 2) достигнуть максимального значения; 3) достигнуть равенства заданному значению. Это  функция  часто  используется  при  полностью  параметрических  моделях,  т.е.  все  размеры  модели параметризированы и имеют свои связи. Для проектировщика модели необходимо, например, определить максимальный вес тела, при условиях заданного объема и диапазона заданных размеров (переменных).

"Оптимизация" в этой задаче очень удобна и проста в использовании.

Все этапы выполнены, изделие готово к дальнейшим действиям (анализ, ЧПУ, производство и изготовление). В заключении хочется отметить, что САПР "T-FLEX CAD 3D" является одной из лучших CAD систем на производстве в области проектирования изделий машиностроения, обосновывая высокой эффективностью, производительностью, уровнем параметризации и удобством.



Список литературы

1.     Бунаков П.Ю. Сквозное проектирование в T -FLEX . М.: ДМК Пресс, 2009.

2.     Евгеньев Г.Б. Интеллектуальные системы проектирования : учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009.

3.     Капустин Н.М., Кузнецов П.М., Дьяконова Н.П. Комплексная автоматизация в машиностроении: Учебник для студ. высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр «Академия». 2005.

4.     Ли К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE). СПб. Питер. 2004.

5.     Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования: Учеб. для вузов. 2-еизд., перераб. и доп. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.