CC BY
2
ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК 004.92; 004.94
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-252-253
О СОЗДАНИИ ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ МИНИ-САПР 3D-МОДЕЛИРОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНО
ПОДОБНЫХ ДЕТАЛЕ
О.В. Миловзоров, Н.В. Грибов
Рассмотрены принципы и методика создания мини-САПР проектирования 3D-моделей для комплексов конструктивно-подобных деталей различной геометрии на основе параметрических систем CAD 3D. Описаны принципы формирования комплексных деталей и возможности отечественного комплекса T-Flex CAD 3D по реализации подобных мини-САПР проектирования 3D-моделей на примерах деталей типа «тело вращения» и «корпус» на базе унифицированных 3D-моделей комплексных деталей.
Ключевые слова: системы CAD 3D, мини-САПР, проектирование 3D-моделей машиностроительных деталей, параметрические системы, T-Flex CAD 3D.
Системы САПР класса CAD 3D уже прочно вошли в арсенал конструкторско-технологической подготовки машиностроительного производства в качестве инструмента разработки конструкторской документации, обеспечивающей не только формирование 2D-чертежей, но и целый комплекс других работ, включая инженерные расчеты напряженно-деформированного состояния, динамической устойчивости, моделирование работы изделия, разработку управляющих программ для станков с ЧПУ, непосредственное изготовление заготовок или собственно деталей на базе аддитивных технологий [1-2].
Не смотря на наличие большого набора инструментов для формирования 3D-модели, процесс проектирования новой 3D-модели в унифицированной системе CAD, каковыми являются практически все системы на рынке ПО САПР, все равно остается весьма трудоемким. В современных условиях особенно важным становится ускорение процессов проектирования 3D-моделей деталей и в этом плане представляют интерес параметрические мини-САПР, создаваемые самими пользователями на базе мощных унифицированных систем CAD 3D, позволяющие автоматически получать готовую 3D-модель на основе параметрической 3D-модели некоторой комплексной детали путем указания конкретного состава конструктивных элементов детали и значения их параметров. По сути, подобные системы, только в 2D исполнении, в 80-е годы прошлого века создавались отделами АСУ крупных машиностроительных предприятий, имеющих в своем составе штат квалифицированных программистов. Такие системы были ориентированы на конкретное предприятие, его номенклатуру и традиции производства. В новых условиях усилиями самих пользователей - инженеров конструкторских и технологических подразделений возможно создание мини-САПР 3D-моделирования деталей, имеющих типовую конструкцию, но отличающихся различным составом конструктивных элементов и их размерами. Это позволит добиться существенного снижения времени, затрачиваемого инженером при проектировании, которое по своей сути становится полуавтоматическим. Таким образом, возникает необходимость в разработке теоретических основ создания таких программных продуктов, методик формирования таких мини-САПР, ориентированных на применение тех или иных систем САПР и, в частности, отечественных программных комплексов [3-6] и, в частности, с отечественной системе параметрического 3D-моделирования T-Flex CAD 3D.
Комплексную или унифицированную деталь можно определить как множество конструктивных элементов комплекса конструктивно-подобных деталей, оформленное в виде кортежа или вектора, элементами которого, в свою очередь, являются конструктивные элементы, также описываемые набором характеристик - геометрических, технологических или иных параметров [7]. Ранее понятие комплексной детали применялось при разработке типовых технологических процессов, однако оно в расширенном варианте вполне подходит и для формирования 3D-модели, на основе которой будут формироваться конкретные исполнения деталей, входящих в группу конструктивно подобных [8].
Покажем процесс формирования математической модели комплексной детали на примере детали типа «многоступенчатый вал». На рисунке 1 представлен некоторый комплекс конструктивно-подобных деталей, относящихся к типу «вал», на основе которого сформирована комплексная деталь.
Как видим, комплексная деталь в применении к мини-САПР является искусственным формированием, включающим все возможные конструктивные элементы всего комплекса конструктивно подобных деталей. Реальная деталь может и не содержать весь набор конструктивных элементов комплексной детали, однако модель такой детали позволяет путем исключения лишних элементов сформировать нужный комплект элементов конкретной детали.
Конструктивные элементы целесообразно разделить на основные и второстепенные. К первым относят элементы, образующие основной - базовый конструктив детали - ее форму. Для детали типа вал (в общем термине тела вращения) - это наружные и внутренние цилиндрические поверхности детали, а также торцовые поверхности,
252
которые в процессе ее изготовления выполняются в первую очередь и определяют ее размеры. Второстепенными являются те элементы, которые в технологическом процессе реализуются уже после точения основных - канавки, фаски, галтели, отверстия, пазы. Их можно рассматривать как элементы конструктивного обогащения.
е:
о
сэ
вз
Рис. 1. Формирование комплексной детали типа «многоступенчатый вал»
При таком представлении детали ее математическая модель будет иметь вид кортежа, составленного из набора кортежей более низкого уровня, соответствующих отдельным конструктивным элементам комплексной детали. Каждый кортеж конструктивного элемента содержит набор его параметров [9]. Такой подход позволяет перейти от 3D-модели детали к проектированию маршрутно-операционного технологического процесса ее изготовления, для чего целесообразно использовать обобщенную структуру технологического процесса, как основу для формирования конкретных технологических процессов изготовления различных исполнений деталей, отличающихся как размерными характеристиками, так и наличием/отсутствием отдельных конструктивных элементов [10, 11].
Цилиндрический контур вала (тела вращения) является основой, на которой формируются элементы конструктивного обогащения, поэтому отсутствие в модели какой-либо ступени контура приводит к автоматическому обнулению всех возможных конструктивных элементов, привязанных к данной ступени.
Формирование комплексных корпусных деталей отличается большей сложностью из-за существенно большего их многообразия, однако и здесь возможно применение вышеописанного подхода. В качестве примера можно рассмотреть деталь, представленную на рисунке 2.
Рис. 2. Пример корпусной комплексной детали
Данная деталь имеет множество однотипных бобышек, которые могут располагаться в несколько рядов. Здесь возможны варианты с количеством бобышек, располагающихся по вертикали и горизонтали, их расположением, наличием или отсутствием центральной бобышки, наличием или отсутствием пазов. Соответственно базовым конструктивным элементом здесь будет корпус, характеризующийся параметрами: длина, ширина, высота, толщина стеной, конструктивными обогащениями которого будут скругления или фаски на ребрах, формируемые объемной операцией «Сглаживание». Следующим основным элементом будет бобышка, характеризующаяся тремя габаритными размерами, параметрами расположения рядов - количествами по горизонтали и вертикали, отстояниями от боковых стенок, наличием сглаживания и его типом (фаска/скругление) с соответствующими параметрами, наличием/отсутствием отверстий и их параметрами. Последним конструктивным элементом, являющимся элементом конструктивного обогащения, будет центральная бобышка с соответствующими параметрами, аналогичными основной бобышке. Данный элемент может как присутствовать в конкретном исполнении, так и отсутствовать. Данная 3-Э модель была положена в качестве основы мини-САПР проектирования 3D-моделей деталей типа «Корпус с бобышками» [12].
Построение 3D-модели комплексной детали является наиболее сложным в формировании мини-САПР и в каждом конкретном случае требует тщательного анализа порядка выполнения построений, рационального применения тех или иных объемных операций с учетом как конструкции детали, так и функциональных возможностей примененных объемных операций. Основная сложность здесь заключается в возможном вырождении модели при некорректном сочетании конструктивных элементов и их параметров, поскольку любые элементы параметрической модели должны строиться на базе уже имеющихся. Однако общие рекомендации построения 3D-модели комплексной детали можно сформулировать.
Создание полностью параметрической модели. Все размерные соотношения в геометрических построениях должны выполняться через систему переменных, часть из которых - внешние переменные, а часть - внутренние. Внешние переменные определяют габариты детали, наличие или отсутствие отдельных конструктивных эле-
253
ментов, их количество (например, отверстия, бобышки, пазы) и базовые параметры расположения элементов. Внутренние переменные вычисляются на основе внешних.
Применение логических выражений для определения размеров основного конструктива и отдельных элементов. При выполнении геометрических построений в параметрической CAD-системе можно вводить выражения, использующие умножение численного значения на логическую переменную, принимающую в арифметическом выражении два числовых значения - «1» или «0», что позволяет обнулять соответствующие размеры отсутствующих в данном конкретном исполнении детали тех или иных конструктивных элементов.
Осуществление геометрических построений корпусных деталей, исходя из центра симметрии (при его наличии) детали. Это позволяет упростить выполнение параметрической модели, обеспечивающей реализацию различных модификаций данной детали на основе одной модели комплексной детали.
Построение моделей тел вращения следует выполнять с разделением ступеней на правые и левые. В модели комплексной детали выделяется ступень, имеющая наибольший диаметр, которая становится первой правой, либо первой левой ступенью. Все ступени, расположенные правее этой ступени, становятся правыми, а левее - левыми. Каждая последующая ступень строится относительно предыдущей. Это позволяет исключить в конкретном исполнении модели детали те поверхности, которые необходимо исключить из модели комплексной детали.
Выполнение модели с припусками на заготовку. Выполнение геометрических построений заготовки может быть реализовано на основе комплексной детали, если относительно построений ее габаритного контура выполнить дополнительные построения контура предполагаемой заготовки. Это позволит выполнять модели заготовок для технологий литья по выплавляемым или газифицируемым моделям.
Применение операций «Массив» для формирования группы одинаковых конструктивных элементов. При выполнении геометрических построений следует обращать внимание на одинаковые конструктивные элементы -группа отверстий одного диаметра и формы профиля, группа бобышек, группа пазов. Такие элементы в параметрической CAD-модели целесообразно выполнять на основе построения одного такого элемента с последующим его размножением. Так, имеются линейные, круговые массивы, массивы по точкам, которые можно задавать параметрически, указывая лишь основные конструктивные параметры расположения отверстий, задающие правила расчета их базовых координат. Сам же конструктивный элемент становится 3D-фрагментом.
Использование операций подавления объемных операций. В CAD-системах имеются возможности по подавлению отдельных объемных операций, что позволяет исключить из 3D-модели комплексной детали отдельные ее фрагменты, при условии, что данные операции выполнялись на заключительных этапах и последующих объемных операций, выполненных на базе рабочих плоскостей, сформированных исключаемыми из модели операциями, не производилось.
Мини-САПР реализована на базе 3D-модели комплексной детали, представленной на рисунке 3 [13, 14].
J__П^П
Рис. 3. Комплексная деталь для мини-САПР многоступенчатых валов
Комплексная деталь содержит пять ступеней - три правых и две левых. На каждой ступени имеется шпоночный паз, фаски, для всех ступеней, кроме центральной, имеются технологические канавки под выход инструмента, расположенные перед ступенью большего диаметра. Варьируя геометрические размеры и удаляя лишние ступени, а также отсутствующие в конкретной детали конструктивные элементы - паз, канавка, фаска - можно построить модель любого вала, содержащего от двух до пяти ступеней. Количество ступеней в мини-САПР можно наращивать, используя дополнительные построения в 3D-модели. При необходимости в готовую модель конкретного вала можно ввести дополнительные конструктивные элементы, например, поперечное отверстие.
Все ступени вала описываются следующим набором параметров: диаметр D, длина L (формообразующие параметры ступени); глубина G, ширина В и радиус R канавки - в месте прилегания канавки к ступени большего диаметра; длина LF и угол фаски ОТ; глубина GP, ширина ВР и длина LP паза, а также расстояние от края паза от края ступени вала LKP. Для идентификации и привязки к соответствующей ступени вала в именах переменных вводятся идентификаторы Р для правых ступеней или L для левых, а также порядковый номер ступени. Нумерация правых ступеней начинается со ступени наибольшего диаметра и идет слева направо, нумерация левых ступеней - справа налево. Всем переменным присваиваются численные значения для формирования некоторого базового варианта комплексной детали. В дальнейшем в процессе эксплуатации мини-САПР этим переменным будут присваиваться численные значения, соответствующие ступеням конкретного вала, отсутствующим ступеням присваиваются нулевые значения.
Во избежание возможности вырождения параметрическая 3-Э модель комплексной детали сформирована в виде двух контуров - отдельно для правых ступеней и отдельно для левых. Они выполнены на виде спереди разными цветами, что позволяет системе идентифицировать их как два разных профиля (рис. 4).
Горизонтальная ось (в 3D-пространстве - ось X) для обоих контуров - базовая, определяющая диаметральные построения, которые строятся как параллельные оси на расстоянии, равном половине соответствующего диаметра. Вертикальная ось (в 3D-пространстве - ось Z) делит построения на правые и левые, при этом только две первые ступени вала - первая правая и первая левая построены как параллельные этой оси на расстояниях, равных длинам соответствующих ступеней (с правой стороны от оси Z - отрицательные расстояния, с левой - положительные, что является особенностью 3D-пространства). Правые вторая и третья ступени и левая вторая ступень строятся относительно края предыдущей построенной ступени - вторая относительно первой, третья - относительно второй.
Это позволяет избежать вырождения контура при обнулении «лишних» ступеней. Фаски на ступенях формируются 2Б-операцией «Фаска» с указанием соответствующих переменных. Канавки на контурах формируются относительно соответствующих диаметральных горизонтальных и краевых вертикальных прямых, их построения определяются глубиной, шириной и радиусом скругления канавок, при этом применены логические переменные, позволяющие обнулить размеры канавки и убрать соответствующие построения без вырождения 3Б-модели (рис. 5).
Рис. 4. Профили для формирования правых и левых ступеней вала ступень 2
щиринз канавки б
глубина канаеки __у
Рис. 5. Построение канавок с использованием логических переменных: прямая глубины канавки ниже прямой Б ступени 3 на расстоянии 0*Хр3*Лр3; прямая ширины канавки правее края ступени 2 на расстоянии В*Хр3*Лр3; радиусы канавок определены как Я*Хр3*Лр3, где Хр3 и Лр3 - логические переменные наличия 3 ступени и наличия канавки у третьей ступени, соответственно
По окончании формирования тела вращения выполнены построения для формирования пазов на всех ступенях вала. Профили пазов сформированы на рабочих плоскостях, расположение которых относительно вида сверху определяется радиусом ступени вала и глубиной паза. Предполагается, что пазы вырезаются концевой фрезой, из-за чего они имеют скругленные края с радиусом скругления, равным полуширине паза. Все геометрические построения пазов выполнены с применением логических переменных, аналогично канавкам.
Окончательно вид 3Б-модели вала образуется после булева вычитания тел пазов из тела вала.
Для удобства работы с мини-САПР сформирован пользовательский интерфейс (рис. 6), обеспечивающий ввод конструктивных параметров конкретного исполнения многоступенчатого вала. Интерфейс формируется в 2Б-окне 3Б-модели из стандартных элементов управления. Между элементами управления и переменными, задающими геометрические построения 3Б-модели, устанавливается связь, обеспечивающая автоматический пересчет при формировании 3Б-модели. Отсутствие конструктивных элементов в интерфейсе проставляется с помощью элементов управления типа «переключатель», которые наряду с логическими переменными позволяют просто обозначить наличие или отсутствие тех или иных конструктивных элементов и автоматически обнулить значения параметров в случае отсутствия данного элемента.
■Парауетргн лра Стуле нь 1 Дп^ла' Диаыетр Фасла {длила) Фаска {угол}
70
33
Сцт.еы ДЛл«а' Диабет
45
а (длнла а {утоп)
Р Стуле ль 2.
Длина Длаь^етр
Фаска(дллла} Фаска {угол}
■[параметр Р Калав III ■:>■)><.< Глублла Радлус
Р Канав Ширина Глубина Рад к ус
г правых сту!?е 1-е г— Р Канавка 2 Ширина 15 Глубина |о 5 Радиус- I! .6
-Параметры л
Ступень 1 Р Ступень 2
Длина 55 Дпииа 40
Диаметр 120 Диаметр 90
Фаскз (дл к на) 1.6 •Фаска (длина) 1.6
Фа «а {угол у 45 Фаска (угол) 45
-Параметры
Р Какав«
Ширина Глуб* на Раду-ус
к ступеней—
-Параметры паза -Р Паз
Ширина 12 Глубина 3 Длина 30
Рис. 6. Вид пользовательского интерфейса
255
На рис. 7 представлены варианты конкретных исполнений многоступенчатого вала, полученные с помощью мини-САПР.
Обобщенный алгоритм создания параметрической мини-САПР можно представить в виде последовательности выполнения пяти стадий (рис. 8). Данный алгоритм во многом — итерационный, особенно это касается стадий 3 и 4, что связано с неизбежным возникновением ошибок при формировании системы параметров и построении 3D-модели комплексной детали, особенно при создании параметрических связей между геометрическими элементами построения. При этом неизбежно придется возвращаться к уже выполненным построениям и вносить в них корректировки.
Рис. 8. Обобщенный алгоритм формирования мини-САПР
Предложена концепция создания параметрических мини-САПР 3D-моделей конструктивно-подобных деталей, отличающихся не только различными размерами, но и наличием/отсутствием различных конструктивных элементов на базе 3D-моделей комплексных деталей. Рассмотрены принципы параметризации при построении 3D-моделей комплексных деталей. Предложена методика формирования мини-САПР, включая средства формирования пользовательского интерфейса. Концепция апробирована при создании нескольких мини-САПР. Подобные мини-САПР обеспечивают полуавтоматическое формирование 3D-моделей конкретных исполнений конструктивно подобных деталей и существенное сокращение времени их проектирования.
Предлагаемый концептуальный подход на примере рассмотренных мини-САПР позволяет конструктору сформировать управление конфигурацией изделия большей части применяемой номенклатуры деталей в структуре кода «Класс - Подкласс - Группа - Подгруппа - Вид» всероссийского классификатора изделий.
Список литературы
1. Обзор популярных систем автоматизированного проектирования (CAD) [Электронный ресурс] URL: https://www.pointcad.ru/novosti/obzor-sistem-avtomatizirovannogoproektirovaniya
2. Обзор CAD/CAM/CAE [Электронный ресурс] URL: https://portal.tpu.rU/SHARED/k/KSO/Files/TomskCAD/CAD/CAD.htm (дата обращения: 27.07.2022).
3. Евгенев Г.Б., Кокорев А.А., Пиримяшкин М.В. Метод генерации 3D моделей в продукционных базах знаний // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2015. № 4 (661). С. 38-48.
4. Евгенев Г.Б., Кокорев А.А., Пиримяшкин М.В. Интеллектуальные системы полуавтоматического проектирования и быстрого прототипирования изделий машиностроения // Евразийский союз ученых. 2015. № 9-2 (18). С. 19-25.
5. 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. С. 1 - 7.
6. Будяков В.В., Щербина С.В., Горис Т. 3D моделирование в машиностроении // В сборнике: Аспекты развития науки, образования и модернизации промышленности. Материалы XIII региональной научно-практической конференции учреждений высшего и среднего Computer Graphics in Material Science, Light Engineering and Design GraphiCon 2022 1058 19-22 September 2022, Ryazan, Russia профессионального образования. 2015. С. 277-280.
7. Капустин Н.М. Автоматизация производственных процессов в машиностроении: учеб. для втузов / Н.М. Капустин, П.М. Кузнецов, А.Г. Схиртладзе и др.; под ред. Н.М. Капустина. М.: Высш. шк., 2004. 415 с.
8. Миловзоров О.В., Грибов Н.В., Мосина А.М. Использование систем 3D-моделирования для разработки унифицированных моделей деталей // Современные технологии в науке и образовании - СТН0-2023: сб. тр. VI меж-дунар. науч.-техн. форума: в 10 т. Т.6. Рязань: Рязан. гос. радиотехн. ун-т, 2023. С. 136-144.
9. Миловзоров О.В., Грибов Н.В. О создании 3D-Mm&CAnP на базе унифицированных программных комплексов 3D-моделирования // GraphiCon 2022: труды 32-й Междунар. конф. по компьютерной графике и машинному зрению (Рязань, 19-22 сент. 2022 г.). М.: Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, 2022. С. 1050-1058.
10. Миловзоров О.В. Реализация принципов синтеза технологических процессов из обобщенной структуры на базе системы T-FLEX Технология / Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2015. № 54-1. С. 133-138.
11. Миловзоров О.В., Грибов Н.В., Шитова С.М. К вопросу создания мини-САПР формирования 3D-моделей машиностроительных деталей для дальнейшей интеграции с CAPP- и САМ-системами // Современные технологии в науке и образовании - СТН0-2022 [текст]: сб. тр. V междунар. науч.-техн. форума: в 10 т. Т.6./ под общ. ред. О.В. Миловзорова. - Рязань: Рязан. гос. радиотехн. ун-т, 2022. С. 150-155.
12. Волобуев В.Д., Миловзоров О.В. Разработка мини-САПР создания 3D моделей конструктивно-подобных корпусных деталей // Современные технологии в науке и образовании - СТН0-2023 [текст]: сб. тр. VI междунар. науч.-техн. форума: в 10 т. Т.6./ под общ. ред. О.В. Миловзорова. Рязань: Рязан. гос. радиотехн. ун-т, 2023. С. 124-127.
13. Миловзоров О.В., Грибов Н.В. Мини-САПР 3-D моделирования многоступенчатых валов на основе системы T-FLEX CAD 3D // GraphiCon 2022: труды 32-й Междунар. конф. по компьютерной графике и машинному зрению (Рязань, 19-22 сент. 2022 г.). М.: Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, 2022. С. 10391049.
14. Миловзоров О.В., Шитова С.М. Принципы построения параметрической 3D-модели тела вращения для группы конструктивно-подобных деталей // Актуальные проблемы современной науки и производства: сб. тр. VI Все рос. науч.-техн. конф. (Рязань, 27-29 декабря 2021 г.). Рязань: РГРТУ, 2021. Рязанский государственный радиотехнический университет. 2021. С. 383-390.
Миловзоров Олег Владимирович, канд. техн. наук, доцент, заместитель начальника Управления организации научных исследований, milovzorov [email protected], Россия, Рязань, Рязанский государственный радиотехнический университет имени В. Ф. Уткина,
Грибов Николай Владимирович, канд. техн. наук, доцент, [email protected]. Россия, Рязань, Рязанский государственный радиотехнический университет имени В.Ф. Уткина
ABOUT CREATING PARAMETRIC MINI-CAD 3D-SYATEMS FOR STRUCTURALLY SIMILAR PARTS
O.V. Milovzorov, N.V. Gribov
The principles and methodology of creating a mini-CAD design of 3D models for complexes of structurally similar parts of various geometries based on CAD 3D parametric systems are considered. The principles of forming complex parts and the capabilities of the domestic T-Flex CAD 3D complex for implementing such mini-CAD design of 3D models based on examples of parts of the "body of revolution" and "body" type based on unified 3D models of complex parts are described.
Key words: CAD 3D systems, mini-CAD systems, design of 3D models of mechanical engineering parts, parametric systems, T-Flex CAD 3D.
Milovzorov Oleg Vladimirovich, candidate of technical sciences, associate professor, deputy head of the Department of Scientific Research Organization, [email protected], Russia, Ryazan, Ryazan State Radio Technical University named after V.F. Utkin,
Gribov Nikolay Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, gribovll [email protected], Russia, Ryazan, Ryazan State Radio Engineering University named after V.F. Utkin
