CC BY
26
1ШШ Машиностроение и машиноведение /ft
оо оо Modern technologies. System analysis. Modeling, 2017, Vol 55, no.3
УДК 658.512, 004.942
Лаврентьева Мария Вячеславовна,
программист, Иркутский национальный исследовательский
технический университет, e-mail: [email protected] Чимитов Павел Евгеньевич, к. т. н., доцент, Иркутский национальный исследовательский
технический университет, e-mail: [email protected] Карлина Юлия Игоревна, аспирант института авиамашиностроения и транспорта, Иркутский национальный исследовательский технический
университет, e-mail: [email protected]
DOI: 10.26731/1813-9108.2017.3(55). 43-47 M. V. Lavrentieva,
.software programmer, Irkutsk National Research Technical
University,
e-mail: [email protected] P. E. Chimitov,
Ph.D. in Engineering Science, Assoc. Prof., Irkutsk National Research Technical University, e-mail: [email protected] Yu. I. Karlina,
Ph.D. student, Institute of Aircraft Construction, Mechanical
Engineering and Transport, Irkutsk National Research Technical University, e-mail: [email protected]
Информация о статье
Дата поступления: 10 июня 2017 г.
Article info
Received: June 10, 2017
ПРИМЕНЕНИЕ ДИСКРЕТНОИ МОДЕЛИ ИЗДЕЛИЯ ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКЕ ПРОИЗВОДСТВА
USING A DISCRETE PRODUCT MODEL IN THE TECHNOLOGICAL PREPARATION OF PRODUCTION
Аннотация. В статье рассмотрена дискретная модель типовой детали планера самолета для определения поверхностей сопряжения различных элементов конструкции узла (агрегата) при технологической подготовке сборочного производства. Предложен алгоритм определения опорных точек всех поверхностей для базирования изделия в сборочном положении, на основе его электронной модели. Полученные данные дают возможность рассматривать деталь в целом и определить характер ее связей с другими деталями, входящими в сборочную единицу, то есть определить поверхности сопряжения и выбрать ограничивающие связи, используя правила продукции. Таким образом ,если для разных деталей, две поверхности, образованные множеством точек, имеют минимум три точки с одинаковыми координатами, детали считаются сопрягаемыми, а поверхности - поверхностями сопряжения. Алгоритм определения максимальных расстояний между опорными точками позволяет в результате определить минимальное количество базирующих элементов сборочной оснастки. При определении состава сборочных баз применяется математический аппарат теории множеств, векторной алгебры, математической логики и элементов теории распознавания образов. Источником данных для неё является электронная модель изделия, выполненная в CAD-системе Siemens NX. Получение данных из электронной модели изделия осуществляется с помощью программных средств CAD-системы и связанной с ней интегрированной среды управления данными об изделии. Это освобождает технолога от выполнения рутинных операций и снижает вероятность влияния субъективного фактора.
Ключевые слова: базирование, дискретная модель, опорная точка, сборка изделия.
Abstract. The article considers a discrete model of a typical airframe component for determining the interface surfaces of various elements of a unit (a component) structure during technological preparation of assembly production. An algorithm for determining the reference points of all surfaces for locating a product in the assembly position based on its electronic model is proposed. The data obtained make it possible to consider the part as a whole and to determine the nature of its relationships with other parts that are included in the assembly unit. That is, to determine the conjugation surfaces and choose limiting constraints using production rules. Thus, if for different parts, two surfaces formed by a set of points have a minimum of three points with the same coordinates, the parts are considered to be mateable, and the surfaces are conjugated surfaces. The algorithm for determining the maximum distances between the reference points allows, as a result, determining the minimum number of locators of the assembly tooling. When determining the composition of assembly bases, the mathematical apparatus of the set theory, vector algebra, mathematical logic, and elements of the pattern recognition theory are applied. The source of the data for it is the electronic model of the product, made in the CAD system of Siemens NX. The acquisition of data from the electronic product model is carried out with the help of the CAD system software and the associated product data management integrated environment. This frees the technologist from performing routine operations and reduces the likelihood of subjective factors impact.
Keywords: locating, discrete model, reference point, product assembly.
Введение
Повышение эффективности технологической подготовки производства ( I IIII) в последнее время стало одним их наиболее актуальных направлений. Современный вектор научно-технического развития позволяет внести существенные усовершенствования во многие области машиностроения, и одной из них является область
самолетостроения, однако сборочное производство до сих пор характеризуется значительным использованием ручного труда, что приводит к замедлению развития отрасли в целом [1, 15, 17].
Современное состояние научно-
технического прогресса позволяет использовать различные программные комплексы для повыше-
© М. А. Лаврентьева, П. Е. Чимитов, Ю. И. Карлина, 2017
43
иркутским государственный университет путей сообщения
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование, № 3 (55), 2017
ния эффективности процесса подготовки производства в машиностроении.
Актуальность, научная значимость
При подготовке производства основной задачей является базирование детали изделия, то есть придание ей требуемого положения. После базирования ее необходимо закрепить [2, 3]. Для обеспечения неподвижности в выбранной системе координат на нее необходимо наложить шесть двусторонних геометрических связей, для создания которых нужен комплект опорных точек. Если отсутствует одна или несколько, то у детали остается одна или несколько степеней свободы. Это значит, что в направлении отсутствующих опорных точек положение детали определяется сопряжением ее с другой деталью.
Постановка задачи
Две или несколько деталей, соединенных друг с другом, называются сопрягаемыми. Поверхности, по которым происходит сопряжение деталей, также называются сопряженными.
Каждая деталь создана в своей системе координат, и при сборке в одном файле их координаты меняются относительно рабочей системы координат (РСК) файла сборщика, что указывает на то, что перед тем как вести речь о сопряжениях, необходимо знать минимальное количество опорных точек и положение каждой детали в сборке, так как именно эти факторы являются решающими при базировании [5 - 6 - 7].
Теоретическая часть
Применим балочную расчетную модель, справедливую для конструкции, размер которой вдоль одной оси значительно превышает размеры поперечного сечения, при этом отсутствует резкое изменение жесткости и подкрепляющих элементов (рис. 1).
номерно распределенная нагрузка д по длине и сила прижатия по опорным точкам (рис. 2) [9, 11].
@иоиж
Рис. 2. Расчетная схема на примере стенки нервюры
Тогда максимальный прогиб в середине определяется по формуле (1) и максимальное расстояние между опорными точками определяется по формуле (3).
д4 /2 2 \_PFgl4 /2 2 \/1Ч
+ (6бфу - дет) ~ ОГТ + (6бфу " Ьдет) Л1)
где Е - модуль упругости первого рода материала детали, МПа;
Зх - момент инерции сечения относительно оси х-х, м4;
Е1х - жесткость профиля, Н-м2;
р - плотность материала профиля, кг/м3;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
Е - площадь сечения профиля, м2;
5дет - погрешность изготовления деталей,
5бфу - погрешность изготовления БФУ СП,
мм;
мм.
По формуле (1)
W £ w
max доп,
(1)
где wmax - максимальный прогиб, мм; wdon - допустимый прогиб, мм,
и получается:
l £ 4
l8(Wdon "S бфу +d дет )EJx
pFg
(2)
Рис. 1. Стенка нервюры
Для определения прогиба детали вдоль образующей выделим полоску, где действуют рав-
Подставив все значения в формулу (3) получаем максимальное расстояние между опорными точками lmax для деталей из профилей типа балки.
В случае, когда закрепление детали направлено вертикально, деформация под воздействием силы прижатия и деформация под собственным весом меньше значения максимального прогиба wmax. Итак, для всех случаев, если предварительное значение расстояния между опорными точка-
1ШШ Машиностроение и машиноведение у
со оо Modern technologies. System analysis. Modeling, 2017, Vol 55, no.3 ^
ш
ми 1тах, то обеспечивается жесткость деталей при сборке.
Для упрощения поиска местоположения точкой измерения координат детали будем считать точку центра масс детали gц. Координаты центра масс деталей всегда указаны относительно РСК, которая для сборочных единиц авиационных деталей должна совпадать с главными осями самолета.
Используем матрицу перемещения М( относительно рабочей системы координат файла сборщика.
= Мгх Му, где - матрица перемещения;
Мг - матрица поворота;
Му - матрица переноса.
XXq xy0 xz0 xv
Mnep = Ухо УУо yz0 X yv
zx0 zy0 zz0 Zy
xy X0+Xi
Уу = Уо+У1
Zy Z0+Xi
Р1=^\&2,---&}, где gj - точка, принадлежащая поверхности (рис. 3).
В таком случае получаем, что подмножество точек ^Яъ-.^^ерхСМх) и также р2(М2) , то есть подмножество точек gj является совпадающим для поверхностей разных деталей Р\М\) П р2(М2), что в свою очередь, означает, что эти поверхности являются поверхностями сопряжения, а детали 1 и 2 сопрягаются через эти поверхности рх с Мь ар2 с М2^> Мх ПМ2.
т
Соответственно и координатное размещение остальных деталей сборочной единицы будет рассчитываться через центр масс относительно рабочей системы координат сборки.
Практическая значимость и результаты экспериментальных исследований
Положение каждой детали известно, можно перейти к определению сопряжений деталей сборочной единицы. В сущности, будет верен тот же принцип, что был использован при выявлении связей конструктивных элементов между собой для определения структуры детали [12, 14]. Р,(м,п
Р2(М:Л
Рис. 3. Поверхности сопряжения деталей в сборочной единице
Так, например, для деталей 1 и 2, являющихся множествами Мх и М2 состоящих из 7-го количества поверхностей р1 , любая поверхность содержит минимум три точки, но фактически значительно больше, таким образом получаем множество М={РьР2, - Р]}, состоящее из подмножеств
Рис. 4. Сопряжение деталей в сборочной единице
Для того чтобы определить, что подмножество является общим для поверхностей р7 различных деталей, сравниваются координаты х, у, г всех gj - если значения координат равны, значит, точки являются совпадающими (рис.
4).
В итоге получаем, что для каждой детали в составе сборочной единицы известны ее расположение, все поверхности и области сопряжения, с учетом первого этапа анализа, известны все линии, существующие поверхности и даже точки. Любой из перечисленных примитивов будет являться базой (сборочной, технологической, конструкторской), однако не целесообразно использовать их все, то есть необходимо отфильтровать базы, значимые с точки зрения решения поставленных задач.
Заключение
По результатам анализа сборочной единицы получается решетка сборочных базовых точек и геометрические характеристики базирующих элементов сборочной оснастки. Приведено сочетание этих характеристик, позволяющее сделать выбор состава базирующих элементов сборочной оснастки для конкретного изделия сборки.
Таким образом, в качестве основных результатов, отражающих научную новизну исследования, выделим следующие:
иркутским государственный университет путей сообщения
Современные технологии. Системный анализ. Моделирование, № 3 (55), 2017
1) впервые предложена методика выбора элементарной поверхности на детали в зоне сопряжения ее с другой деталью сборочной единицы, дифференциально-геометрические свойства всех точек которой признаются равными в пределах удовлетворения принятым критериям;
2) разработана методика анализа и выбора ограничивающих связей на взаимное расположение сопрягаемых деталей сборочной единицы на основе анализа дифференциально-геометрических характеристик локальных зон их поверхностей сопряжения;
3) разработана методика построения дискретной математической модели маложесткой де-
тали сборочной единицы на основе определения базовых точек на ее поверхности, задающих основные базы необходимые и достаточные для полного ограничения всех степеней свободы;
4) разработан алгоритм определения состава базирующих элементов сборочного приспособления, использующий дискретную математическую модель маложесткой детали сборочной единицы.
Также проведенное исследование позволит получить данные для выявления значимых баз, что в последствии позволит решать задачи, связанные с разработкой технологической оснастки для сборки изделия.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Cherepashkov А.А., Nosov N.V. Computer technology, modeling and automated systems in mechanical engineering. Volgograd : Infolio, 2009. 650 p.
2. Choosing an efficient method for forming parts by means of an engineering analysis performed with the use of a CAE system / A.A Cheslavskaya et al. // Metallurgist. 2015. № Т. 58. № 11-12. С. 1051-1059.
3. Identifying the primary rigidity axes in the elastic system of a metal-cutting machine / V.A. Grechishnikov et al. // Russian Engineering Research. 2016. Vol. 36. No. 8. Р. 673-676.
4. Govorkov A. S. Technique of designing of the product of aviation technics with maintenance of the set criteria of adaptability to manufacture // Journal of International Scientific Publications: Materials, Methods & Technologies. 2011. Vol. 5. Issue 3. P. 156-161.
5. Govorkov. A.S., Zhilyaev A.S. The estimation technique of the airframe design for manufacturability. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol. 124. Issue 1. P. 012-014.
6. Vertical dynamics of the vehicle taking into account roughness gauge / V.E. Gozbenko et al. // Proceedings of the XV International Academic Congress "Fundamental and Applied Studies in the Modern World" (United Kingdom, Oxford, 06-08 September 2016). Vol. XV. "Oxford University Press", 2016. Р. 373-383.
7. Simulation of the vibration of the carriage asymmetric parameters in MATHCAD / V.E. Gozbenko et al. // International Journal of Applied Engineering Research (IJAER). 2016. Vol. 11. No 23. Р. 11132-11136.
8. Emad P. Abouel Nasr, Ali K. Kamrani. A new methodology for extracting manufacturing features from CAD system // Computers & Industrial Engineering. 2006. No 51. 389-415.
9. Khusainov, R. M., Sharafutdinov, I. F. Methods of assessing the dynamic stability of the cutting process using UNIGRAPHICS NX IOP Conf. // Series: materials Science and Engineering 2016. No 134. 012042.
10. Krastyaninov, P. M., Khusainov, R. M. Selection of equipment for machining processing of parts using NX and TEAMCENTER programs. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 2016. No 134. 012041.
11. Akhatov R., Govorkov A., Zhilyaev A.. Software solution designing of "The analysis system of workability of industrial product" during the production startup of aeronautical products // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Vol. 10. Issue 21. P. 42560-42562.
12. Shmakov. A. K, Mironenko V., Kirishina. K. K, Stanislavchik. A. S, Kotov V. V. Effect of the Average Velocity of the Free Part of the Semifinished Product on the Process of Pneumothermal Forming in the Superplastic Regime // Metallurgist. 2013. Vol. 57. Issue 1-2. P. 8-12.
13. Subrakhmanyam, P., Wozny, M., 1995, An overview of automatic feature recognition techniques for computer-aided process planning, Computers in industry. Vol. 26. Р. 1-21.
14. Амиров Ю.Д. Технологичность конструкции изделия. Библиотека конструктора. М. : Машиностроение, 1990. 768 с.
15. Дуда Р. Распознавание образов и анализ сцен. М. : Мир, 1976. 502 с.
16. Definition of the main coordinates of the car with two-level spring suspension / V.E. Gozbenko et al. // International Journal of Applied Engineering Research (IJAER). 2016. Vol. 11. № 20. Р. 10367-10373.
17. Колганов И. М. Дубровский П.В., Архипов А.Н. Технологичность авиационных конструкций, пути повышения. Ч. 1. Ульяновск : УлГТУ, 2003. 148 с.
18. Ту Дж., Гонсалес Р. Принципы распознавания образов. М. : Мир, 1978. 414 с.
19. Чимитов П.Е. Разработка математической модели сборочных процессов с использованием методов распознавания образов : дис. ... канд. техн. наук / Иркутский государственный технический университет. Иркутск, 2010.
20. Штайгер М.Г. Проблемы качества компонентов путевого комплекса // Путь и путевое хозяйство. 2011. № 12. С.6-9.
21. Штайгер М.Г. Инспекционная деятельность ЦТА в путевом комплексе // Путь и путевое хозяйство. 2011. № 3. С. 14-17.
22. Карлина А.И., Гозбенко В.Е., Каргапольцев С.К. Главные координаты в решении задачи вертикальной динамики транспортного средства // Системы. Методы. Технологии. 2016. № 3 (31). С. 58-62.
23. Гозбенко В.Е., Каргапольцев С.К., Карлина А.И. Приведение динамической системы с тремя степенями свободы к главным координатам // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2016. №3 (51). С. 35-38.
24. Карлина А.И., Каргапольцев С.К., Гозбенко В.Е. Приведение обобщенных сил в математических моделях транспортных систем // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2016. № 3 (51). С. 177-180.
25. Карлина А.И., Гозбенко В.Е. Моделирование объектов машиностроения для снижения влияния внешних вибрационных воздействий // Вестник ИрГТУ. 2016. № 10 (117). С. 35-47.
LUiUJ Машиностроение и машиноведение у
oo oo Modern technologies. System analysis. Modeling, 2017, Vol 55, no.3 ^
26. Гозбенко В.Е., Карлина А.И. Математическая модель вагона с двумя степенями свободы, находящегося под действием периодической вынуждающей силы // Известия Транссиба. 2016. №3 (27). С. 23-31.
REFERENCES
1. Cherepashkov А.А., Nosov N.V. Computer technology, modeling and automated systems in mechanical engineering. Volgograd: Infolio Publ., 2009, 650 p.
2. Cheslavskaya A.A. et al. Choosing an efficient method for forming parts by means of an engineering analysis performed with the use of a CAE system. Metallurgist, 2015, Vol. No. 58. No. 11-12, pp. 1051-1059.
3. Grechishnikov V.A. et al. Identifying the primary rigidity axes in the elastic system of a metal-cutting machine. Russian Engineering Research, 2016, Vol. 36, No. 8, pp. 673-676.
4. Govorkov A. S. Technique of designing of the product of aviation technics with maintenance of the set criteria of adaptability to manufacture. Journal of International Scientific Publications: Materials, Methods & Technologies. 2011, Vol. 5, Issue 3, pp. 156-161.
5. Govorkov A.S., Zhilyaev A.S. The estimation technique of the airframe design for manufacturability. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2016, Vol. 124, Issue 1, pp. 012-014.
6. Gozbenko V.E. et al. Vertical dynamics of the vehicle taking into account roughness gauge. Proceedings of the XV International Academic Congress "Fundamental and Applied Studies in the Modern World" (United Kingdom, Oxford, 06-08 September 2016). Vol. XV. "Oxford University Press", 2016, pp. 373-383.
7. Gozbenko V.E. et al. Simulation of the vibration of the carriage asymmetric parameters in MATHCAD. International Journal of Applied Engineering Research (IJAER), 2016, Vol. 11, No. 23, pp. 11132-11136.
8. Nasr, E. A., Kamrani, Ali K. A new methodology for extracting manufacturing features from CAD system. Computers & Industrial Engineering, 2006. No. 51, pp. 389-415.
9. Khusainov, R. M., Sharafutdinov, I. F. Methods of assessing the dynamic stability of the cutting process using UNIGRAPHICS NX IOP Conf. Series: materials Science and Engineering, 2016. No. 134. 012042.
10. Krastyaninov P. M., Khusainov R. M. Selection of equipment for machining processing of parts using NX and TEAMCENTER programs. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 2016, No. 134. 012041.
11. Akhatov R., Govorkov A., Zhilyaev A. Software solution designing of "The analysis system of workability of industrial product" during the production startup of aeronautical products. International Journal of Applied Engineering Research, 2015, Vol. 10, Issue 21, pp. 42560-42562.
12. Shmakov A. K., Mironenko V., Kirishina K. K., Stanislavchik A. S., Kotov V. V. Effect of the Average Velocity of the Free Part of the Semifinished Product on the Process of Pneumothermal Forming in the Superplastic Regime. Metallurgist, 2013, Vol. 57, Issue 12, pp. 8-12.
13. Subrakhmanyam P., Wozny M. An overview of automatic feature recognition techniques for computer-aided process planning, Computers in industry, 1995, Vol. 26, pp. 1-21.
14. Amirov Yu.D. Tekhnologichnost' konstruktsii izdeliya. Biblioteka konstruktora [Technological design of the product. Library of the engineering designer]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1990, 768 p.
15. Duda R. Raspoznavanie obrazov i analiz stsen [Pattern Recognition and Analysis of Scenes]. Moscow: Mir Publ., 1976, 502 p.
16. Gozbenko V.E. et al. Definition of the main coordinates of the car with two-level spring suspension. International Journal of Applied Engineering Research (IJAER), 2016, Vol. 11, No. 20, pp. 10367-10373.
17. Kolganov I. M. Dubrovskii P.V., Arkhipov A.N. Tekhnologichnost' aviatsionnykh konstruktsii, puti povysheniya. Ch. 1 [Ways to increase technological design of aviation structures, Part 1]. Ul'yanovsk: UlSTU Publ., 2003, 148 p.
18. Tu Dzh., Gonsales R. Printsipy raspoznavaniya obrazov [Principles of pattern recognition]. Moscow: Mir Publ., 1978, 414 p.
19. Chimitov P.E. Razrabotka matematicheskoi modeli sborochnykh protsessov s ispol'zovaniem metodov raspoznavaniya obrazov : dis. ... kand. tekhn. nauk [Development of mathematical model of assembly processes using the methods of pattern recognition. Ph.D. (Engineering) thesis]. Irkutsk State Technical University, Irkutsk, 2010.
20. Shtaiger M.G. Problemy kachestva komponentov putevogo kompleksa [Problems of quality of components of a track complex]. Put' i putevoe khozyaistvo [Railway Track and Facilities], 2011, No. 12, pp.6-9.
21. Shtaiger M.G. Inspektsionnaya deyatel'nost' TsTA v putevom komplekse [Inspection activity of the technical audit center in the track complex]. Put' i putevoe khozyaistvo [Railway Track and Facilities], 2011, No. 3, pp. 14-17.
22. Karlina A.I., Gozbenko V.E., Kargapol'tsev S.K. Glavnye koordinaty v reshenii zadachi vertikal'noi dinamiki transportnogo sredstva [The main coordinates in solving the problem of the vertical dynamics of the vehicle]. Sistemy. Metody. Tekhnologii [Systems. Methods. Technologies], 2016, No. 3 (31), pp. 58-62.
23. Gozbenko V.E., Kargapol'tsev S.K., Karlina A.I. Privedenie dinamicheskoi sistemy s tremya stepenyami svobody k glavnym koordinatam [Reduction of the dynamic system with three degrees of freedom to the main coordinates]. Sovremennye tekhnologii. Sis-temnyi analiz. Modelirovanie [Modern Technologies, System Analysis. Modeling], 2016, No.3 (51), pp. 35-38.
24. Karlina A.I., Kargapol'tsev S.K., Gozbenko V.E. Privedenie obobshchennykh sil v matematicheskikh modelyakh transportnykh sistem [Reduction of generalized forces in mathematical models of transport systems]. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie [Modern Technologies, System Analysis. Modeling], 2016, No. 3 (51), pp. 177-180.
25. Karlina A.I., Gozbenko V.E. Modelirovanie ob"ektov mashinostroeniya dlya snizheniya vliyaniya vneshnikh vibratsionnykh vozdeistvii [Modeling of machine-building objects to reduce the influence of external vibration effects]. VestnikIrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University], 2016, No. 10 (117), pp. 35-47.
26. Gozbenko V.E., Karlina A.I. Matematicheskaya model' vagona s dvumya stepenyami svobody, nakhodyashchegosya pod de-istviem periodicheskoi vynuzhdayushchei sily [A mathematical model of a car with two degrees of freedom, under the influence of a periodic driving force]. Izvestija Transsiba [Journal of Transsib Railway Studies], 2016, No.3 (27), pp. 23-31.
