Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Методы автоматизации проектирования станочных приспособлений 11
1.1.Обеспечение качества станочных приспособлений при проектировании 11
1.2. Особенности развития САПР станочных приспособлений 14
1.3.Общий подход к автоматизации проектирования станочных приспособлений 21
1.4.Методы систематизации схем установки заготовок 25
1.5.Автоматизация выбора оптимальной схемы базирования 28
1.6.Автоматизация конструктивной реализации схемы установки
заготовки в станочном приспособлении 32
1.7.Постановка цели и задачи исследований 36
Глава II. Методика выбора оптимальной схемы установки заготовки в сп и ее конструктивная реализация 38
2.1. Методика выбора рациональной схемы установки и ее конструктивная реализация 38
2.2. Анализ геометрической совместимости заготовки и схем установки . 41
2.3. Расчет погрешности базирования 43
2.4. Критерии выбора конструкций установочных элементов станочном приспособлении 46
2.5. Методика выбора размеров установочных элементов 46
2.6. Методика расчета погрешности размерного износа установочных элементов станочных приспособлений 50
2.7. Обеспечение надежности станочных приспособлений 62
2.8. Выводы ко второй главе 67
Глава III. Автоматизация выбора оптимальной схемы установки с использованием CAD систем 68
3.1. Модель автоматизации проектирования оптимальной схемы установки 68
3.2. Автоматизация проектирования оптимальной схемы установки с использованием CAD систем 71
3.3. Алгоритм автоматизированного проектирования 73
3.4. Автоматизация формирования списка схем установки и расчета погрешности базирования 77
3.5. Автоматизация выбора геометрических и прочностных свойств установочных элементов 79
3.6. Расчет погрешности закрепления 83
3.7. Расчет размерного износа установочного элемента 84
3.8. Проверка условия надежности и поиск оптимального метода упрочнения установочного элемента 85
3.9. Выводы к третьей главе 87
Глава IV. Программная реализация полученных моделей автоматизированного проектирования схемы установки 88
4.1. Выбор CAD системы и средств разработки САПР оптимальной схемы установки заготовки в станочном приспособлении 88
4.2. Программная реализация автоматизированной системы выбора оптимальной схемы установки 93
4.3. Разработка базы данных установочных элементов 98
4.4. Разработка структуры баз данных 99
4.5. Выводы к четвертой главе 102
Глава V. Оценка эффективности использования разработанной системы и моделей при проектировании 103
5.1. Краткое описание программного комплекса 103
5.2. Практическая реализация системы 104
5.3. Оценка технико-экономической эффективности от использования системы 119
5.4. Выводы по главе 128
Заключение 130
Литература
- Особенности развития САПР станочных приспособлений
- Анализ геометрической совместимости заготовки и схем установки
- Автоматизация формирования списка схем установки и расчета погрешности базирования
- Программная реализация автоматизированной системы выбора оптимальной схемы установки
Введение к работе
Развитие производства в машиностроении неразрывно связано с техническим оснащением и модернизацией средств производства на базе применения новейших достижений науки и техники. Подготовка производства новых видов продукции машиностроения, техническое перевооружение и модернизация производства неизбежно включает процессы проектирования технологической оснастки, составляющей приблизительно 50% от общего объема технологического оснащения. Технологическая оснастка является одним из важнейших факторов, влияющих на качество выпускаемой продукции машиностроительного предприятия. Затраты на ее изготовление приблизились к затратам на производство металлорежущих станков. Поэтому задача повышения эффективности качества проектирования станочных приспособлений, а так же необходимость сокращения сроков ее проектирования и изготовления стала одной из важнейших проблем современного машиностроения.
Среди всех систем станочных приспособлений (универсально-безналадочных, универсально-наладочных, специализированных наладочных и безналадочных, универсально-сборных, сборно-разборных, неразбор-но-специальных) только неразборные специальные приспособления (НСП) обладают длительным циклом оснащения - проектирование, изготовление, сборка, внедрение, и берут на себя наибольшую часть затрат оснащения про- изводства. НСП применяют для обработки одного вида продукции, т. е. детали и узлы этих приспособлений не предназначены для использования в конструкциях других приспособлений. НСП используют на участках серийного и массового производства и работают до полного физического износа. Другие системы станочных приспособлений этап проектированию не подвергаются.
Одним из наиболее ключевых и трудоемких этапов проектирования станочных приспособлений является выбор оптимальной схемы установки заготовки и ее конструктивной реализации, определяющий будущую конструкцию приспособления. Он включает в себя: выбор схемы базирования и закрепления заготовки в приспособлении; расчет сил зажима; выбор конструкции, размеров материала и метода упрочняющей обработки установочных элементов; расчет погрешности положения заготовки, включающей погрешность базирования, закрепления, размерного износа установочных эле-
ментов и др. составляющие; определение межремонтного периода. Поэтому от качества решений, принятых на этом этапе, зависят основные показатели качества приспособлений - точность положения заготовки, время установки и снятия заготовки, срок службы, и стоимость будущего приспособления. Одним из путей обеспечения качества проектирования является создание автоматизированной системы, позволяющей: снизить затраты материальных средств и времени на проектирование и изготовление; сократить цикл производства и значительно снизить себестоимость; улучшить качество проектируемых конструкций и получаемой технологической документации.
В настоящее время на российском и зарубежном рынке систем автоматизированного проектирования (САПР) преобладают универсальные системы, предназначенные для проектирования изделий машиностроения любой сложности. Многие из этих систем имеют специализированные модули для разработки технологической оснастки, но они включают в себя только проектирование форм для литья, штампов, пресс-форм, а проектирование станочных приспособлений проводится по схеме проектирования обычного изделия. Такой подход не рационален, так как станочные приспособления это специализированные конструкции, к которым предъявляются специальные требования при проектировании. Поэтому, необходимо дополнять конструкторские модули САПР специализированными блоками разработки станочных приспособлений. Разработка таких систем имеет особенно актуальное значение при использовании интегрированных САПР, где мощные и функциональные конструкторские модули (CAD) стыкуются с отечественными модулями создания технологических процессов (САМ).
Проблема создания систем автоматизированного проектирования станочных приспособлений, затрагивается во многих работах, посвященных автоматизации технологической подготовки производства. В частности в этой области проводили исследования: В.И. Аверченков, В.Б. Ильицкий, А. Г. Ра-кович, В.Д.Цветков.
В связи с этим, данная работа, направленная на автоматизацию выбора оптимальной схемы базирования и ее конструктивной реализации является актуальной для решения всего комплекса проблем автоматизации технологической подготовки производства.
Цель работы. Целью работы является разработка автоматизированной системы выбора оптимальной схемы установки заготовки в станочном приспособлении и ее конструктивной реализации, с использованием современных CAD систем, основанных на технологии трехмерного твердотельного
параметрического моделирования.
Методология и методы исследований. При выполнении научных исследований и реализации поставленных задач были использованы системного подхода, объектно-ориентированного проектирования и анализа, методы многофакторного эксперимента.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработан программный модуль, интегрированный в среду CAD системы трехмерного твердотельного параметрического моделирования SolidWorks, позволивший автоматизировать этапы выбора оптимальной схемы установки заготовки в станочном приспособлении и ее конструктивной реализации
Разработана математическая модель автоматизации выбора оптимальной схемы установки заготовки в станочном приспособлении и ее конструктивной реализации с использованием современных CAD систем.
Разработана методология обеспечения качества станочных приспособления при проектировании на основе выбора оптимальной схемы установки заготовки в станочном приспособлении и ее конструктивной реализации, включающей в себя поиск геометрических и прочностных свойств установочных элементов.
Практическую ценность работы составляют:
Разработанный программный модуль, позволяющий выполнять автоматизированное проектирование оптимальной схемы установки заготовки и ее конструктивную реализацию под управлением CAD системы SolidWorks.
Разработанные зависимости оценки размерного износа центрирующих установочных элементов, позволяющих проводить последующий анализ надежности станочных приспособлений.
Предложенная методика обеспечения качества станочного приспособления при проектировании на основе выбора оптимальной схемы установки заготовки в станочном приспособлении, и ее конструктивной реализации.
В первой главе проводится анализ методики проектирования, и выявление наиболее ответственных этапов разработки станочных приспособлений. Выполняется обзор САПР станочных приспособлений и существующих методов автоматизации процессов их проектирования.
Анализируются этапы проектирования станочных приспособлений и делается вывод, что качество проектирования с точки зрения точности, на-
дежности, стоимости, и вспомогательного времени на установку и снятие детали можно обеспечить выбором оптимальной схемы установки заготовки в станочном приспособлении и ее конструктивной реализации без проведения полного проектирования приспособления. Из анализа сложности выполнения данных проектных работ выявлено, что их автоматизация позволит значительно снизить затраты материальных средств и времени, и повысить качество проектных решений.
Анализ существующих средств САПР выявил необходимость применения при проектировании схемы установки современных CAD систем, основанных на технологии трехмерного твердотельного моделирования. Были проведены исследования на возможность проектирования станочных приспособлений стандартными средствами CAD системы, и был сделан вывод, что они не могут в достаточной мере автоматизировать все этапы ее проектирования. Поэтому необходимо разработать встраиваемый в CAD систему специализированный модуль, позволяющий максимально автоматизировать процесс проектирования.
Проанализированы работы в области автоматизации оптимального проектирования станочных приспособлений, в частности работы В.В. Авер-ченкова, В.Б. Ильицкого, А.Г. Раковича, В.Д. Цветкова.
Во второй главе проводится разработка методики выбора оптимальной схемы установки заготовки и ее конструктивной реализации по критериям точности положения заготовки в приспособлении, допустимому межремонтному периоду, стоимости конструктивной реализации и вспомогательному времени на установку и снятие заготовки. Приводятся результаты экспериментальных исследований, выявляющих недостающие зависимости расчета размерного износа центрирующих установочных элементов для создания полной базы данных.
В качестве основы методики выбирается систематизация схем установки, разработанная проф. В.Б. Ильицким, в которой выбор схем производится на основе анализа ее теоретической схемы базирования и формы базовых поверхностей. Данная систематизация расширяется выбором схем по критерию их геометрической совместимости с базой заготовки. Разрабатывается методика выбора конструкции и размеров установочных элементов исходя из их назначения и условия отсутствия пластических деформаций в области контакта установочного элемента и заготовки.
Для выявления расчетных зависимостей оценки размерного износа проводится ряд экспериментальных исследований. На их основе, и паспорт-
ных данных на станочные приспособления, методами многофакторного эксперимента формируются расчетные зависимости для установочных пальцев и втулок. Возможности анализа схем установки по критерию надежности обеспечивается разработанной методикой, включающей в себя выбор необходимого метода упрочнения установочных элементов по условию требуемой твердости, минимума стоимости и затрат времени.
В третьей главе рассматриваются вопросы выбора методов автоматизации поиска оптимальных параметров схемы установки, и разрабатывается математическая модель схемы установки и установочного элемента, а так же алгоритмы для каждого этапа проектирования.
В результате анализа поставленной задачи автоматизации принято рассматривать поставленную задачу с точки зрения системного подхода. Это позволило разбить общую задачу оптимизации на отдельные локально связанные задачи, выявить их взаимосвязи, критерии оптимизации и ограничения. Выявлено, что некоторые задачи являются вложенными в общую задачу оптимизации, что не дает возможности применения математических методов поиска оптимальных решений. В связи с этим, предлагается решать рассматриваемую задачу с помощью объектно-ориентированного проектирования.
Сформирована процедурная модель решения задачи выбора оптимальной схемы установки и ее конструктивной реализации в виде «черного ящика». Разработана композиционная схема задач оптимизации, иллюстрирующая последовательность их выполнения, вложенность, и условия оптимизации. Разработана общая модель автоматизированной системы поиска оптимальных параметров схемы установки, выявлены исходные данные и их вид, определены потоки данных в системе, связи с CAD системой трехмерного твердотельного моделирования, и ее функции. Разработаны схемы и алгоритмы каждого отдельного этапа оптимизации и расчета параметров схемы установки, выявлены необходимые базы данных.
Четвертая глава посвящена выбору CAD системы и средств разработки САПР и программной реализации разработанных моделей и схем. Рассмотрен ряд CAD систем наиболее часто встречающиеся на отечественном ранке САПР. Проведен анализ их возможностей твердотельного моделирования, создания баз данных трехмерных параметрических моделей, создания конструкторской документации, поддержки ЕСКД, возможностей при создании пользовательских САПР, из которого следует, что наиболее эффективным использование системы SolidWorks. Так как SolidWorks предоставляет интерфейс на языках Visual Basic и Visual C++, то в качестве основного язы-
ка программирования был принят C++, как наиболее мощный, и строго объектно-ориентированный. Для разработки баз данных (БД) принята среда создания реляционных СУБД - MS Access. Было выявлено, что наиболее эффективным инструментом реализации СУБД является язык SQL, и принята следующая схема разработки - БД реализуется в MS Access, а СУБД с использованием SQL.
Программная реализация системы рассматривалась с точки зрения объектно-ориентированного проектирования. Разработана логическая схема программы в виде диаграммы совокупности классов системы и классов SolidWorks, участвующих в процессе проектирования. Разработана динамическая модель работы системы в виде диаграммы состояния объекта в процессе работы системы и диаграммы взаимодействий. Разработана структурная схема программного модуля, включающая как инструменты системы, так и инструменты CAD системы SolidWorks, участвующие в процессе проектирования. Разработана реляционная СУБД, предназначенная для хранения данных о допусках, параметрах шероховатости, точности обработки, материалах и методах упрочняющей обработки установочных элементов. Структура СУБД разрабатывалась с точки зрения надежности хранения данных, быстроты поиска и передачи данных.
В пятой главе рассматривается методика выбора оптимальной схемы установки и ее конструктивной реализации с использованием разработанного программного модуля. Проводится анализ качества выбора схемы установки на примере операции механической обработки кронштейна тормозной камеры предприятия ОАО БЗКТ. Делается заключение об эффективности применения разработанных моделей разработанной автоматизированной системы. Рассматривается оценка эффективности внедрения разработанной системы.
Особенности развития САПР станочных приспособлений
В 70-80-е годы в СССР отводилось большое внимание разработке САПР во всех областях машиностроения. Автоматизированные системы, разрабатываемые в эти годы, узко специализировались и решали отдельную задачу проектирования - выбор системы СП, расчет погрешности базирования, расчет погрешности закрепления, и т. п. [1, 2, 9, 53, 57, 58]. При этом для каждой задачи разрабатывалась собственная автоматизированная система, что не позволило создать комплексную автоматизированную систему проектирования МП.
Особенностью автоматизированных систем этого времени является двухмерное проектирование. Создание конструкции приспособления проводить путем синтеза конструкции из типовых двухмерных изображений элементов приспособления. Проектирование на плоскости не позволяет создавать приспособления для технологических операций обработки заготовок сложной пространственной конфигурации. Поэтому проектирование проводилось для наиболее простых станочных приспособлений, например токарные оправки, кондукторы. В качестве таких систем можно привести следующие продукты - «ТОКАР-ЇМ», «Кондуктор-2ЕС», «Кондуктор-3» [1]. Например, система «ТОКАР-ЇМ» предназначена для автоматизированного проектирования различных типов токарных приспособлений, и разработана в НТК АН Республики Беларусь. Эта САПР позволяет проектировать оправки для наружной обработки (базирование по внутренней цилиндрической поверхности и плоскости), и приспособления для внутренней и наружной обработки (базирование по плоскости и одному или двум отверстиям). Конструктивная компоновка оправок этой системы изображена на рис. 1.2. Конструкция оправки разбивается на типовые изображения ее элементов, каждый из которых имеет свой код (КЭ01, КЭ02, ..., КЭ11) и систему координат XY, относительно которой этот элемент ориентирован. Синтез конструкции оправки проводится путем ориентации систем координат каждого элемента конструкции относительно единой системы координат сборки XQYQ. Выбор размеров элементов выполняется исходя из геометрии заготовки, при этом ни каких инженерных расчетов конструкции не проводится.
С конца 80-х до 1995 г. практических работ в области создания специализированных САПР СП не проводилось.
В 1995 г. рынок САПР России был открыт для зарубежных производителей, что вызвало большой приток западных технологий и изменение внутреннего ранка САПР. С этого времени для проектирования различных конструкций используют универсальные САПР.
Наиболее эффективными САПР, как показала практика, являются интегрированные САПР - CAD/CAM/CAE (CAD (Computer-Aided Design) -система автоматизации конструкторских работ; САМ (Computer-Aided Manufacturing) - системы автоматизации подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ и разработка технологических процессов; САЕ (Computer-Aided Engineering) - системы компьютерного моделирования и инженерного анализа объектов производства) [1, 30, 33]. і у Структура и функциональные возможности CAD/CAM/CAE систем.
На сегодняшний день, современные CAD/CAM/CAE системы условно разделяют на системы «легкого», «среднего» и «тяжелого» класса в зависимости от их функциональных возможностей.
В системах «легкого» класса все этапы проектирования проводятся на плоскости чертежа. Эти системы представляют собой «электронный кульман» для создания чертежно-контсрукторской документации. Проектирование в системах этого класса ведется на плоскости, поэтому разработка изделий представляет собой синтез чертежа конструкции из типовых (выбранных из базы данных) двухмерных изображений элементов. К системам этого класса относят - КОМПАС, T-Flex, Кредо, InterMech, AutoCAD, Caddy, ТИГР АС и др. Эти системы наиболее дешевые и предназначены для проектирования простых конструкций без проведения автоматизированных инженерных расчетов.
Системы «среднего» и «тяжелого» класса предназначены для геометрического проектирования, проведения инженерных расчетов (прочность, жесткость, и т.д.), а так же моделирования работы механизмов и ряда операций технологической подготовки производства. Поэтому их основой является трехмерное параметрическое твердотельное ядро, позволяющее конструктору создавать и работать с трехмерной твердотельной моделью изделия. В таких системах объектом проектирования является трехмерная модель изделия, а чертеж - производная часть от модели и конечный результат проектирования. При этом все модели и чертежи в этих системах являются строго параметрическими. Параметризация связывает примитивы графического изображения в единый граф с помощью геометрических (совпадение точек, параллельность, перпендикулярность, касательность, и др.) и размерных (размеры примитивов связываются аналитической зависимостью) взаимосвязей, что позволяет перестраивать всю конструкцию изделия, изменив любую параметрическую взаимосвязь.
Применение трехмерного твердотельного моделирования в процессе проектирования позволяет:
1. Частично или полностью исключить макетирование проектируемого изделия, т.к. создаваемая виртуальная модель полностью отражает геометрию изделия. Методика создания трехмерных сборочных единиц полностью отражает порядок сборки деталей изделия, и дает возможность разработки оптимального алгоритма сборки. Полученная пространственная модель ме ханизма может использоваться для ее инженерного анализа в модулях САЕ. Анализ сборки на взаимопроникновение тел позволит исключить заклинивание деталей будущего механизма.
2. В модулях САМ на основе трехмерной модели получать управляющие программы для станков с ЧПУ любой сложности.
3. Проводить расчеты конструкции на прочность, жесткость, виброустойчивость, износостойкость, надежность, получать кривые усталостной прочности, и другие расчеты, связанные с гидравликой, аэродинамикой и акустикой. Расчеты проводятся в модулях САЕ методом конечных элементов с учетом кинематической модели изделия. Динамический расчет и моделирование работы проектируемой конструкции под внешним воздействием модули САЕ позволяет моделировать различные физические процессы, что дает возможность моделирования технологических процессов изготовления изделий: заполнение литейной формы; кристаллизации металла, моделирование процесса поковки, штаміКжійщєввджщореіріего» уровня можно отнести следующие системы -Cimatron, MicroStation, Prelude, SolidWorks, SolidAge, Mechenical Desktop, и др. Стоимость этих систем 5-10 тыс. долларов США за модуль CAD в зависимости от комплектации. В поставку могут включаться только те модули, которые необходимые заказчику (базы данных и инструменты создания различных элементов конструкции). Дополнение системы другими модулями оговаривается заказчиком отдельно, так как цена на модули САМ и САЕ приблизительно равна цене модуля CAD.
Анализ геометрической совместимости заготовки и схем установки
Расчет необходимой силы закрепления заготовки в приспособлении рационально проводить исходя из условия равновесия сил в схеме закрепления.
В результате проведения конструктивной реализации СУ выполняется определение остальных основных составляющих погрешности установки, поэтому по завершении этого этапа проектирования проводится окончательная проверка всех выбранных ранее схем установки по условию точности. В результате которой, могут быть получены следующие результаты:
1. В результате проверки выбирается одна или несколько СУ. В этом случае проводятся этапы дальнейшего выбора и проектирования СП.
2. В результате проверки не выбрано ни одна СУ. В этом случае принимается решение об изменении схемы базирования (выбор другого комплекта баз) или теоретической схемы базирования (при участии технолога). При этом происходит неизбежное изменение исходных данных, и все этапы выбора необходимо повторить снова.
При выборе нескольких СУ проводится окончательный выбор оптимальной СУ путем их анализа по рангам стоимости и вспомогательного времени на установку и снятие заготовки. В дальнейшем полученная схема проверяется по критерию обеспечения требуемой надежности, в результате которого могут быть получены следующие результаты:
1. Выбрана одна СУ. При этом она считается окончательной, и выполняются остальные этапы проектирования приспособления.
2. СУ не выдерживает проверку надежностью. В этом случае, выполняется поиск оптимального метода упрочняющей обработки УЭ. В связи с изменением твердости УЭ проводится перерасчет погрешности от износа и, следовательно, повторяется проверка по условию надежности. Если для данной СУ поиск метода упрочнения не дает результатов, то конструктор принимает решение об изменении конструкции УЭ, либо о применении УЭ из твердого сплава, либо об изменении схемы закрепления или базирования.
Таким образом, в результате выбора по разработанной схеме получаем оптимальную СУ заготовки в станочном приспособлении, и отвечающую требованиям точности, надежности, основным технико-экономическим требованиям.
При анализе систематизации СУ проф. В. Б. Ильицкого, рассмотренной в первой главе (п. 1.4) было выявлено, что при выборе схем установки по этой системе не все схемы могут быть применены для базирования заготовки заданной конфигурации. Это вызвано с геометрической несовместимостью заготовки и типов УЭ, ее реализующих. При выборе схем установки вручную, геометрический анализ проводится конструктором интеллектуально, поэтому этот этап не занимает много времени. Но при создании систем автоматизированного проектирования решение этих задач играет очень большую роль, так как позволяет выявить явные геометрические условия и взаимосвязи, легко описываемые при создании САПР. Поэтому было принято решение дополнить данную систематизацию условиями геометрической совместимости СУ и заготовки. Для этого проведен геометрический анализ всех возможных схем установки и геометрических вариантов заготовок.
На основе проведенного анализа выявлено семь условий геометрической совместимости, с помощью которых можно провести выбор схем установки, удовлетворяющих геометрической форме заготовки. Полученные критерии можно представить в виде таблицы условий (приложение 1), по которым конструктор приспособления может выбрать возможные для установки схемы. На выбор СУ влияют следующие критерии:
1. При одном сочетании форм базовых поверхностей реализуются не 42 сколько (две) теоретические схемы базирования - У+ДО+О и У+Н+О (рис. 2.2) или ДН+О+О и ДН+Н.
2. Наличие на 1-ой вспомогательной базе штамповочных или литейных уклонов не позволяющих использовать для базирования опорные штыри и пластины, а так же втулки и оправки (для установки заготовок цилиндрическими поверхностями). При этом базирование возможно только срезанными призмами (рис. 2.3).
3. Наличие на 2-ой вспомогательной базе штамповочных или литейных уклонов не позволяет использовать для базирования опорные штыри и пластины, а так же втулки и оправки.
4. Геометрическая форма 2-ой вспомогательной базы не позволяет использовать для базирования штыри, опорные пластины (рис. 2.4).
5. Наличие на поверхности двойной направляющей базы выступающих элементов (ступенчатый вал базируется по крайним ступеням) не позволяет применить для базирования втулку длинную.
Автоматизация формирования списка схем установки и расчета погрешности базирования
В основу автоматизации этого этапа заложен анализ геометрии базовой поверхности и УЭ [2, 27] (п. 1.5), позволяющий автоматически выбирать расчетную зависимость погрешности базирования. Основной алгоритм автоматизации данного этапа представлен на рис. 3.4.
Исходными данными являются теоретическая схема базирования (указывается конструктором) и геометрические характеристики детали (автоматически считываются с 3D модели). По указанной конструктором теоретической схеме базирования (ТСБ) и базовым поверхностям осуществляется формирование списка возможных СУ, позволяющих произвести базирование заданной заготовки (рис. 3.5, стр. 78). Формирование списка проводиться согласно структуре, заложенной в базе данных, которая представляет собой систему, описанную в п. 1.4.
Основываясь на методике выбора оптимальной СУ, в систему введен модуль анализа геометрической совместимости каждой СУ и заготовки (п. 2.2). Геометрический анализ проводится по пяти критериям совместимости ФБП и УЭ. С точки зрения автоматизации данного этапа в CAD их можно записать в следующем виде: 1. Если ТСБ - «У+ДО+О» или «У+Н+О» или «ДН+О+О» или ДН+Н», то-Критерий 1 (приложение 1). 2. Если ФБП 1-ой вспомогательной базы - «Конус с Z 2 = 5-10», = Критерий 2 (приложение 1). 3. Если ФБП 2-ой вспомогательной базы — «Конус с Z 2=5-10», = Критерий 3 (приложение 1). 4. Для оценки геометрической совместимости по четвертому критерию необходимо провести геометрический анализ положения УЭ в рабочем положении. Если при этом их размещение в требуемом (единственно возможном положении) положении невозможно, то выполняется выбор СУ по Критерию 4 (приложение 1).
5. Если двойная направляющая база по своей длине является неоднородной (имеет выступы), то для выбора используют Критерий 5 (приложение 1). Данный анализ можно провести путем сканирования вспомогательной поверхностью, передвигая ее вдоль оси базы.
В дальнейшем для каждой выбранной СУ проводится формирование двумерного массива исходных данных Mp[i,j], в который заносятся данные о технологических и др. размерах детали. При этом данные автоматически считываются с трехмерной модели детали. Данный массив имеет от одной до трех строк (і=1...3), по числу рассматриваемых технологических баз и размеров: 1-я строка - главная база; 2-я строка - 1-я вспомогательная база; 3-я строка - 2-я вспомогательная база. В каждую строку заносятся данные, относящиеся только к одной базе. По полученным данным о размерах точности базовых поверхностей выполняется поиск размеров УЭ и их ориентации относительно базы, и массив Мр дополняется данными о УЭ. В дальнейшем совместный анализ базы и УЭ выявляет расчетный модуль и выполняется расчет погрешности базирования.
Полученные данные поступают в модуль проверки СУ по условию требуемой точности, по результатам работы которого может проводиться корректировка исходных данных для расчета погрешности базирования в виде управляющего сигнала на блок поиска точности УЭ и их ориентации.
Выбор УЭ можно разбить на два этапа - выбор конструкции УЭ, и выбор его размеров по условию отсутствия пластических деформаций в области контакта УЭ и заготовки.
Определение конструкции установочных элементов.
Выбор конструкции УЭ проводится по стандартам системы НСП по следующим критериям (п. 2.3): теоретическая схема базирования (назначение УЭ); схема установки (вид УЭ); форма базовой поверхности; шероховатости базовой поверхности; наличие литейных или штамповочных уклонов.
Выбор конструкции (ГОСТа и исполнения) УЭ проводится по схеме, отображенной на рис. 3.6 (стр. 81), систематизирующей конструкции УЭ по указанным выше критериям.
Определение размеров установочного элемента
Определение размеров УЭ можно представить в виде схемы (рис. 3.6), основанной на разработанной ранее методике. Принятый по стандарту УЭ загружается из БД 3D моделей УЭ и размещается на базовой поверхности в месте, определенном ранее при назначении схемы закрепления, и выполняется расчет его фактической площади контакта с заготовкой. Так как геометрический характер контакта УЭ и базы может быть различным, то проводится его анализ. При плоском контакте расчет площади выполняется путем анализа контакта УЭ и заготовки, так как УЭ может выходить за рамки базы (п. 2.3).
Современные CAD системы не имеют инструментов для определения подобной площади контакта плоских тел. Поэтому разработан дополнительный автоматический модуль, основанный на следующем алгоритме [14, 15, 26,41,52]:
1. На контактирующей поверхности одного из тел создается вспомогательная плоскость - Плоскость проекции (рис. 3.7, стр. 82). На данную плоскость проецируются плоскости контакта заготовки и УЭ, которые имеют вид контуров Тело 1 и Тело 2.
2. На пересечении контуров устанавливают точки 1 и 2, которые разбивают контуры на отдельные кривые.
3. Удаление кривых (Кривая 1 и Кривая 2), образующих внешние контуры позволяет выделить (оставить на плоскости проекции) реальный контур контакта двух плоских тел S.
4. Стандартными средствами CAD системы определяется площадь S. Для других видов контакта УЭ и заготовки (по линии, эллипсу, в точ ке) расчет проводят по формулам Гука теории контактных деформаций. Анализ чистоты базовой поверхности позволяет выявить необходимое условие отсутствия пластических деформаций выбранным УЭ. При невыполнении данного условия принимается следующий УЭ из того же стандарта.
Программная реализация автоматизированной системы выбора оптимальной схемы установки
Если проанализировать модель выбора оптимальной СУ, то можно сделать вывод, что наиболее подходящим методом программирования для ее программной реализации - метод объектно-ориентированного программирования [8]. Это связано с тем, что СУ, и УЭ, из которых она состоит, рассматриваются как оптимизируемые объекты, имеющие определенные характеристики и связи. Поэтому рационально описать структуру, параметры и связи СУ и УЭ в виде классов, и внося в них индивидуальные данные, создавать, анализировать и оптимизировать объекты. Более того, это упростит обмен данными с CAD системой, так как она рассматривает каждую модель и каждый ее элемент как объект, описываемый классом [13].
Существенной частью логической модели объектно-ориентированной системы является диаграмма классов. Диаграмма классов отображает классы и их соотношения, представляя логическую модель системы [8]. В соответствии с общепринятой нотацией, классы на диаграмме обозначаются в виде облака обведенного пунктирной линией. В значке класса обязательно присутствует имя класса, уникальное в содержащей его категории, дополнительно под именем могут вноситься наиболее значимые атрибуты и методы класса. Между классами могут существовать следующие типы отношений: ассоциация; наследование; агрегация; использование.
Структурная схема классов и их логических связей в системе приведена рис. 4.1 (стр. 94). Согласно схеме основу разрабатываемого модуля составляет API класс приложения, который осуществляет связь с API Solid-Works и содержит класс СУ и УЭ, а так же функции и процедуры выполнения выбора оптимальной СУ.
Основная часть классов, необходимых для нормального функционирования системы находится под управлением SolidWorks, доступ к которым осуществляется через следующие классы - класс среды SolidWorks и класс документа, описывающий вид создаваемой в документе информации: Part-Doc - класс модели детали; AssemblyDoc - класс твердотельной сборки; DrawingDoc - класс чертежа.
Так как система SolidWorks является строго параметрической, то все модели в ней представляются в виде дерева элементов, которые связывают параметрические связи. Это дает возможность рассматривать каждый элемент в виде объекта какого либо класса, взаимодействующего с другими объектами посредством функций и процедур, описывающих параметрические связи. Поэтому система SolidWorks является строго объектно-ориентированной и представляет модель в виде дерева классов (рис. 4.2).
Здесь модель объекта проектирования представляется в виде набора тел, состоящих из совокупности поверхностей, эскиза исходного контура, по которому данное тело получено, и таблицы геометрических и размерных параметров данного тела. Класс эскиза содержит классы графических примитивов, необходимых для создания замкнутого контура (точек, линий, окружностей, прямоугольников, сплайнов, и пр.). Класс таблицы параметров описывает интерфейс взаимодействия таблиц MS Exel для создания и редактирования базы данных конструктивных вариантов тела.
Таким образом, имея доступ к объекту модели можно автоматически перемещаться по ее параметрическому дереву, получая, и при необходимости изменяя значе-Рис. 4.2. Структура класса модели в ния параметров модели.
Рассмотрев рис. 4.2, можно сказать, что классами заготовки и УЭ являются класс тела Body, классом места обработки и баз - класс поверхностей Feature, а классом БД - класс таблицы параметров DesignTable.
Так как диаграмма классов отражает только логическую структуру системы и не отображает ее динамику, то необходимо сформировать схемы, отражающие реальные изменения, вызванные внутренними процессами и внешними воздействиями. При объектно-ориентированном проектировании такими схемами являются диаграмма перехода из одного состояние в другое и диаграмма взаимодействия [8].
Диаграмма состояний представляет собой схему (рис. 4.3), отображающую переход объекта из исходного состояния (итоговый результат поведения системы) в состояние под воздействием событий. На диаграмме, состояния обозначаются в виде прямоугольников со скругленными углами. Каждое состояние имеет уникальное имя, кроме того, в обозначении состояния могут присутствовать названия действий выполняемых в данном состоянии. Переходы (изменение состояния) обозначаются линией со стрелкой, на значке перехода может наноситься событие приведшее к переходу и через косую черту действия. Каждый переход соединяет два состояния, также допускается рекурсивный переход состояния само в себя.
