CC BY-NC
84Программные системы и вычислительные методы
Правильная ссылка на статью:
Решетникова Е.С., Савельева И.А., Свистунова Е.А. — Геометрическое моделирование и разработка пользовательских библиотек при проектировании объектов машиностроения // Программные системы и вычислительные методы. - 2020. - № 1. DOI: 10.7256/2454-0714.2020.1.32292 URL: https;//nbpublish.com'library_read_article.php?id=32292
Геометрическое моделирование и разработка пользовательских библиотек при проектирова объектов машиностроения
Решетникова Елена Сергеевна
кандидат технических наук
доцент кафедры проектирования и эксплуатации металлургических машин и оборудования, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова»
455000, Россия, Челябинская область, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, ауд. 298
И [email protected] Савельева Ирина Александровна
кандидат педагогических наук
доцент кафедры проектирования и эксплуатации металлургических машин и оборудования, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова»
455000, Россия, Челябинская область, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, ауд. 298
Свистунова Екатерина Анатольевна
старший преподаватель кафедры проектирования и эксплуатации металлургических машин и оборудования, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова»
455000, Россия, Челябинская область, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, ауд. 298 И Kate ri nasvi stuno va 8121 @g ma i I .со m
Статья из рубрики "Автоматизация проектирования и технологической подготовки производства"
DOI:
10.7256/2454-0714.2020.1.32292
Дата направления статьи в редакцию:
28-02-2020
Дата публикации:
03-03-2020
Аннотация.
Предметом исследования является процесс проектирования ленточного конвейера. Авторы рассматривают параметризацию при геометрическом моделировании деталей и узлов оборудования и создание пользовательских библиотек в Компас 3D как средство снижения трудоёмкости и повышения качества процесса проектирования. Эскизный проект является проектной стадией разработки конструкторской документации и имеет целью определить принципиальные конструктивные решения для общего представления об устройстве, принципах работы и размерах изделия. Разработку эскизного проекта целесообразно производить до стадии разработки технического проекта и создания конструкторской документации. Сегодня на всех стадиях работы над проектом используются современные системы автоматизированного проектирования (САПР), которые позволяют не только ускорить процесс проектирования, но и дают возможность продемонстрировать заказчику готовый проект еще на стадии принятия технических решений. Это позволяет своевременно вносить изменения в соответствии с требованиями заказчика и осуществлять качественную подготовку проекта к его реализации. От сроков представления эскизного проекта зависит объем и время на дальнейшие стадии работы, поэтому применение параметризации трехмерного моделирования в САПР является эффективным способом для проектирования объектов машиностроения. Параметризация при работе с 3D моделями позволяет получить набор типовых конструкций изделий на основе однократно созданной модели путем изменения заданных значений переменных, что значительно сокращает время работы над про е кто м.
Ключевые слова: конструктор, конвейер, машиностроение, геометрическое моделирование, библиотека, системы автоматизированного проектирования, параметризация, инженерные расчеты, переменная, проектирование
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 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 18512-7-И! 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
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
- 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 ^^ 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 САМ-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.
Библиография
1. Галкин В. И., Дмитриев В. Г., Дьяченко В. П., Запенин И. В., Шешко Е. Е.
Современная теория ленточных конвейеров горных предприятий. М.: МГГУ, 2005. 543с.
2. Галкин В. И., Шешко Е. Е. Транспортные машины. М.: изд-во «Горная книга», 2010. 588 с.
3. Сазанкова Е. С. Алгоритм расчета ленточных конвейеров с пространственной криволинейной трассой // ГИАБ. 2014. №6. С. 91-100.
4. ГОСТы ЕСКД [Электронный ресурс]: открытая база ГОСТов. - Режим доступа: http://www.standartgost.ru
5. Копорушкин П. А., Партин А. С. Алгоритм расчета параметризованных геометрических объектов // Исследовано в России. 2004. № 7, 2004, С. 184-197.
6. Пресман А.Г., Зверев И.В. Использование вариационного типа параметризации при создании библиотек деталей универсально-сборных приспособлений // Технические науки-от теории к практике: сб. ст. по матер. LXXI междунар. науч.-практ. конф. № 6(66). - Новосибирск: СибАК, 2017. С. 52-59.
7. Екшибаров В. Н. Выполнение инженерных расчетов в Excel // Вестник АГАУ. 2003. №4. С. 121-127.
8. Алексеев Е. Р., Чеснокова О. В., Ломовцева О., Вавич М. Совместное использование пакетов MathCAD, Mathematica и MS Excel в инженерной практике // Известия ЮФУ. Технические науки. 2001. №3. С. 16-19.
9. Никитин М. А., Павленко К. М. Применение электронных таблиц Excel в расчете строительных конструкций на изгиб // Записки Горного института. 2002. №1. С. 8790.
10. Дерябин А.А. Проектирование промышленных изделий в рамках проектно-процессного подхода / А.А. Дерябин, Л.В. Дерябина, Е.С. Решетникова // Механическое оборудование металлургических заводов.-2017.-№ 1 (8). С. 29-33.
11. Щёкин А. В. Автоматизация получения параметров детали для задач конструкторско-технологической параметризации // Инженерные технологии и системы. 2019. Т. 29, № 3. С. 345-365. DOI: https://doi.org/10.15507/2658-4123.029.201903.345-365
12. Горячкин Е. С., Рязанов А. И., Урлапкин А. В., Чемпинский Л. А. Реализация методики создания 3D параметрических моделей типовых деталей узлов авиационных конструкций в среде Siemens nx // Вестник СГАУ. 2012. №5-2 (36). С. 187-193.
13. Реализация методики оптимального проектирования ленточного конвейера в САПР AUTODESK INVENTOR 2019 // Решетникова Е.С. В книге: Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. Тезисы докладов 77-й международной научно-технической конференции. 2019. С. 199.
Результаты процедуры рецензирования статьи
В связи с политикой двойного слепого рецензирования, данные о рецензенте не указываются.
Рецензия на статью
В статье авторы рассматривают подход к моделированию в машиностроении, включающий создание специализированных библиотек. Авторы анализируют существующие проблемы, отсутствие готовых решений в распространенном программном пакете Компас 3D, подробно рассматривают особенности параметрического
моделирования и его виды. Предложено решение для узкоспециализированной области, предусматривающей штучное проектирование. Авторы приводят алгоритм проектирования ленточного конвейера, однако не приводят описание этапов, структуру библиотеки, оценку результатов. Необходимо конкретизировать каждый этап. Гораздо больше внимания уделено не собственной работе, а возможностям Компас 3D. Замечания. Отсутствует обзор исследований в выбранной предметной области. В силу узкой специализации (ленточный конвейер) поиск исследований аналогов затруднен, однако отдельным компонентам или этапам проектирования посвящено достаточное число публикаций. Авторы могут рассмотреть подходы к разработке библиотек в узких предметных областях. При формулировке задачи обязательно необходимо привести требования к конечному продукту. Рецензенту представляется сомнительной возможность решения задачи проектирования конвейера только средствами Excel, однако Авторы лишь упоминают что в Excel хранятся данные о габаритных характеристиках элементов, которые затем используются в Компас 3D. Каким образом организован обмен данными между пакетами? Не приведена структура базы данных, количество входящих в нее элементов или групп элементов. Не ясно каким образом выполнялась апробация и оценка результатов. Если перед Авторами стояла конкретная задача создания библиотеки под требования заказчика, необходимо это указать. В этом случае это не научное исследование, а решение практической задачи. Если необходимо было создать библиотеку для решения задач некоторой группы, необходимо указать это. Для наглядности необходимо привести результат проектирования. Фотография рис.1 может соответствовать конвейеру, спроектированному не по предложенной методике; желательно сопоставить её с полученной 3D моделью. Библиография достаточна, однако отсутствуют ссылки на зарубежные публикации. Желательно увеличить долю ссылок на публикации в рецензируемых журналах да последние 5 лет (2 из 13). Статья написана грамотным языком, не содержит орфографических или стилистических ошибок. Структура статьи не содержит разделов с описанием экспериментальной части и подтверждающей её количественной оценкой результатов. Необходимо дополнить статью. Работа представляет интерес для узкого круга специалистов. Положения должны быть конкретизированы с учетом специфики журнала (проектирование баз данных).
