Как быстро и качественно разработать новое изделие и подготовить его промышленное производство
Этап 1. Разработка трехмерных моделей деталей и узлов Механизма
Этап 2. Анализ и оптимизация размерной цепи Механизма
Что такое экспериментальный проект?
Инженерно-консалтинговая компания SOLVER продолжает цикл статей о реализованных ею проектах автоматизации проектирования и производства на ведущих отечественных предприятиях различных отраслей промышленности.
Рыночный успех предприятия определяет конкурентоспособность его продукции. Необходимо сокращать сроки проектирования и производства изделия, повышать качество продукции, быстрее реагировать на изменения конъюнктуры рынка. Решение этих задач требует качественного преобразования всех этапов производства. На этапе конструкторско-технологической подготовки такое преобразование обеспечит САПР современного уровня.
Сегодня многие предприятия с переменным успехом применяют различные системы проектирования. Эти, как правило, недорогие системы решают в основном локальные задачи, выполняя зачастую лишь функции «электронных кульманов» и средств систематизации инженерной документации. Экономическая отдача от таких САПР невелика, они не освобождают конструкторов и технологов от рутинного труда, не обеспечивают предприятию возможность существенно повышать качество выпускаемой продукции и быстро осваивать новые изделия.
В современных условиях постоянно меняющейся конъюнктуры рынка предприятиям требуется коренное преобразование всего процесса разработки нового изделия и подготовки его производства. Существенно сократить сроки конструкторского и технологического проектирования, радикально повысить качество выпускаемых изделий и получить возможность быстрого освоения новой, необходимой рынку продукции позволит использование системы сквозного параллельного проектирования и подготовки производства.
Фирмой SOLVER в рамках Экспериментального проекта была проведена работа по демонстрации возможностей системы сквозного параллельного автоматизированного проектирования на базе программного комплекса Pro/ENGINEER применительно к реальным конструкторско-технологическим проблемам, стоящим перед Государственным унитарным предприятием «Конструкторское бюро приборостроения» (г. Тула).
С целью выбора базовой системы конструкторско-технологической подготовки производства предприятием «КБП» был объявлен тендер среди поставщиков САПР Pro/ENGINEER, Unigraphics, Solid Works со следующим техническим заданием:
- управление процессом разработки изделия (в том числе — возможность изменения конфигурации и состава разрабатываемого изделия);
- формирование внешнего и внутреннего облика изделия, дизайнерская проработка изделия и его компонентов;
- геометрическое параметрическое моделирование сложных деталей и сборочных конструкций (не менее 1000 деталей), геометрические расчеты (расчет массоинерционных характеристик, площадей поверхностей, объемов, величин взаимного пересечения и др.);
- размерный анализ с получением качественных и количественных характеристик для обеспечения собираемости изделия в итерационном цикле отработки на этапе его изготовления;
- кинематический и динамический анализ, синтез сложных многозвенных пространственных механизмов, реализующий различные законы движения на всех этапах полного цикла функционирования;
- прочностной анализ методом конечных элементов на основе созданных геометрических моделей со следующими возможностями: автоматического разбиения на конечные элементы; прочностного расчета сборок; задания разных материалов для различных деталей, взаимодействующих в узле; задания нелинейных свойств материалов для тепловых расчетов; моделирования различных видов закрепления и нагрузок, включая температурные задачи; моделирования воздействий среды (ускорений, температуры, запыления, влажности, обледенения), моделирования работы механизмов с учетом сухих и смазанных деталей;
- разработка конструкторской документации в соответствии с требованиями ЕСКД;
- разработка технологических процессов с учетом требований опытного и серийного производства;
- проектирование средств технологического оснащения (режущего и контрольно-измерительного инструментов, штампов, пресс-форм для литья под давлением деталей из металла и пластмассы);
- разработка управляющих программ на основе геометрических моделей деталей сложной формы для их изготовления на оборудовании с ЧПУ;
- управление техническим документооборотом.
Объектом разработки стало изделие специального назначения с условным названием «Механизм».
Рассмотрим основные этапы разработки и анализа изделия, выполненных средствами программного комплекса Pro/ENGINEER.
Этап 1. Разработка трехмерных моделей деталей и узлов Механизма
Для проектирования Механизма использовались следующие конструкторские модули Pro/ENGINEER:
- Pro/ENGINEER Foundation — базовые возможности проектирования;
- Advanced Assembly Extension — проектирование и управление сложными сборочными узлами;
- Advanced Surface Extension — проектирование деталей со сложной поверхностной геометрией;
- PartList Extension — создание спецификаций сборочных узлов.
При проектировании сборочных узлов в Pro/ENGINEER возможны два подхода:
- нисходящее проектирование: от создания сборочной конструкции — к разработке отдельных деталей;
- восходящее проектирование: от отдельных деталей — к сборочной конструкции (изделие собирается из отдельных деталей, как из кубиков).
Специалистами предприятия были предоставлены рабочие чертежи и схемы, поэтому при разработке Механизма использовался метод восходящего проектирования. Смоделированный Механизм представлен на рис. 1.
В Pro/ENGINEER используется несколько методов оценки сборочных конструкций и деталей:
- анализ массоинерционных характеристик;
- анализ зазоров и пересечений;
- измерение дуг, кривых и прямых, площадей и объемов, углов, расстояний, диаметров и радиусов и т.п.
В результате проектирования и анализа сборки были выявлены и скорректированы следующие пересечения деталей:
- Уголок — вставка (рис. 2). Изменены размеры выреза в уголке с 4×2 мм на 4,5×3,25 мм.
- Стенка — втулка (рис. 3). Подавлен радиус закругления во втулке. Новый вариант: фаска сделана на стенке.
- Направляющая — вставка (рис. 4). Короб вставки обрезан на 3,5 мм, то есть по размеру направляющей.
- Затвор — снижатель (рис. 5). Задний выступ снижателя имеет радиус закругления 2 мм, а паз в затворе под снижатель закруглен радиусом 4 мм. Изменен радиус закругления в затворе с 4 на 2 мм.
- Кронштейн — вставка. Сделан срез в кронштейне по геометрии вставки.
- Направляющая — упор. Сделан вырез в упоре по геометрии направляющей.
- Направляющая/стенка — упор. Сделано отверстие под упор в направляющей и стенке.
- Затвор — снижатель. Глубина соответствующего паза в затворе указана от нижней части затвора и составляет 25 мм. Глубина изменена на 24 мм (второй вариант — сделать выборку в снижателе; третий вариант — изменить радиус закругления центрального паза под снижатель с 5 на 1 мм).
- Лодыжка — затвор. Размеры паза в затворе под лодыжку составляют 10,5×29 мм. Изменен радиус закругления в лодыжке с 2 на 3 мм (второй вариант — изменить размер паза с 29 на 30 мм).
- Лодыжка — ударник. Выборка на лодыжке под ударник изменена на 24 мм.
По трехмерным моделям деталей были получены рабочие чертежи в полном соответствии с ЕСКД (рис. 6). По спроектированной модели сборочного узла механизма была составлена спецификация (также в полном соответствии с ЕСКД) с использованием модуля PartList Extension, разработанного специалистами фирмы SOLVER средствами Pro/ENGINEER (рис. 7 и 8).
 |
|
Выводы
Конструкторские возможности Pro/ENGINEER позволяют:
- моделировать детали и сборочные узлы любой сложности;
- проводить всесторонний анализ конструкций (массоинерционные характеристики, зазоры и пересечения);
- разрабатывать рабочие чертежи и спецификации в соответствии с ЕСКД. Полная ассоциативность и параметризация гарантирует распространение внесенных изменений на все реализованные этапы.
|
|
Этап 2. Анализ и оптимизация размерной цепи Механизма
На этом этапе проводились анализ и последующая оптимизация предельных отклонений размеров Механизма. При оптимизации использовался модуль Pro/ENGINEER: CeTOL Option — расчет размерных цепей.
Цели расчета: определение размера вылета ударника за зеркало затвора при существующих предельных отклонениях и оптимизация предельных отклонений для обеспечения заданного размера вылета, а именно — 2,2+0,21-0,1 мм.
|
|
Определение исходных данных
Поскольку в качестве целевой функции был выбран размер вылета ударника за зеркало затвора, для размерной цепи рассматривалось следующее положение Механизма: лодыжка полностью отработала контакт с упором, то есть цилиндрическая часть лодыжки и отверстие в упоре совмещены по оси. Деталями, размеры которых определяют вылет ударника, являются: направляющая, стенка с упором, затвор, лодыжка и сам ударник (рис. 9).
Далее непосредственно по трехмерной геометрии Механизма была составлена размерная диаграмма, отражающая реальное расположение деталей в сборке. При определении положения учитывались кинематические ограничения-связи звеньев размерной цепи (шесть степеней свободы). Полученная диаграмма квазистатична: изменение положения деталей возможно только в пределах полей допусков (рис. 10).
Размерная диаграмма содержит в себе всю информацию, необходимую для расчета и анализа: положение звеньев размерной цепи, размеры звеньев размерной цепи, целевая функция размерной цепи.
В модуле CeTOL используются три способа определения размеров звеньев цепи:
- по геометрическим конструкциям;
- по отдельным размерам;
- по всем размерам.
Для данной диаграммы был выбран первый способ определения размеров — по геометрическим конструкциям.
Модуль CeTOL предлагает два основных метода для расчета предельных отклонений:
- по крайним значениям (на «минимум-максимум»). Использование этого метода гарантирует стопроцентную собираемость изделия за счет ужесточения полей допусков, влияющих на целевую функцию размеров. Разброс значений по полю допуска не слишком важен, так как учитывается наихудший вариант: исполнение размера по крайнему значению поля допуска;
- статистический анализ. Метод позволяет расширить поля допусков без принципиальной потери качества сборки, поскольку изготовление деталей с размерами наихудших вариантов (по крайним значениям полей допусков) маловероятно. Маловероятен и брак при изготовлении этих деталей.
|
|
Анализ и оптимизация
Результаты статистического анализа приведены на рис. 11. Для достижения целевой функции нет необходимости изменять поля допусков. Это четко видно на рисунке: процент «непопадания» в поле допуска размера вылета бойка очень мал.
На рис. 12 приведены размеры звеньев, влияющих на целевую функцию:
- Затвор — 15±0,1 мм.
- Лодыжка — 3–0,1 мм.
- Ударник — 14,2h9–0,043 мм.
Результаты анализа схемы по крайним значениям приведены на рис. 13. При исходных предельных отклонениях целевая функция не выполняется: вылет ударника составляет 2,2+0,1-0,234 мм, то есть превышает нижнее поле допуска. Размеры звеньев, влияющих на целевую функцию, те же, что и при статистическом анализе.
Далее проводилась оптимизация предельных отклонений размеров указанных выше деталей для варианта расчета по крайним значениям.
На рис. 14 приведено значение целевой функции после оптимизации. Оно составляет мм.
В табл. приведены значения предельных отклонений до и после оптимизации.
|
|
Выводы
Входящий в состав программного комплекса Pro/ENGINEER специализированный модуль для расчета и оптимизации размерных цепей CeTOL позволяет быстро и качественно решать задачи собираемости изделий любой сложности.
В зависимости от способа изготовления изделия, его применения и других параметров можно выбирать наиболее подходящие методы анализа. Модуль оперирует непосредственно трехмерной геометрией сборочного узла. Все параметры (размеры и предельные отклонения) полностью ассоциативны и допускают изменение как в Pro/ENGINEER, так и в CeTOL. Кроме размерных параметров геометрии в расчете могут учитываться допуски формы и расположения поверхностей. Используемые алгоритмы расчета не требуют от конструктора специальных знаний и позволяют использовать CeTOL в повседневной конструкторской работе.
Продолжение следует
«САПР и графика» 5'2001
