CC BY
11Труды МАИ. Выпуск № 97
http://trudymai.ru/
УДК 658.512.2
Современный подход к конструированию навигационных приборов
Евстифеев М.И.*, Елисеев Д.П.**
Концерн ЦНИИ «Электроприбор», ул. Малая Посадская, 30, Санкт-Петербург, 197046, Россия *e-mail: evstifeevm@mail.ru **e-mail: eliseev.dp@gmail.com
Аннотация
Современные системы автоматизированного проектирования позволяют создавать трехмерные модели узлов и деталей в процессе конструирования различных технических систем, в том числе и навигационных приборов. Разработанные трехмерные модели могут быть использованы для проведения расчетов механических характеристик методом конечно-элементного анализа, а так же для быстрого прототипирования с использованием аддитивных технологий. В статье рассматривается методика конструирования навигационных приборов с учетом описанных преимуществ трехмерного моделирования. Рассмотренная методика может быть рекомендована для обучения студентов основам конструирования.
Ключевые слова: 3D моделирование, конечно-элементный анализ, быстрое прототипирование, аддитивные технологии, системы автоматизированного проектирования.
Введение
Системы автоматизированного проектирования (САПР) широко используются при проектировании различных технических систем. Опыт использования САПР Pro/Engineer, в современной версии Creo Elements (далее - Creo) [1], фирмы PTC показал эффективность применения 3D моделирования при проектировании перспективных навигационных приборов. Это позволило не только повысить производительность и сократить время разработки приборов за счет параллельной работы исполнителей над проектом, но и повысить качество выпускаемой продукции. Использование 3D моделирования при создании гироскопических устройств как наиболее сложных навигационных приборов на сегодняшний день является стандартом проектирования, а разработанные трехмерные модели могут быть использованы для проведения расчетов механических характеристик методом конечно-элементного анализа (КЭА) и для быстрого прототипирования приборов.
Настоящая статья посвящена рассмотрению методики конструирования навигационных приборов с учетом преимуществ 3D моделирования. Отличительной особенностью предлагаемой методики является внедрение быстрого прототипирования на основе аддитивных технологий.
Методика конструирования навигационных приборов
В современном мире перед наукоемким производством стоит очень важная задача - разработка инновационной и конкурентоспособной продукции. В этой связи при конструировании навигационных приборов должны быть применены смелые и, отчасти, рискованные решения. Правильность принятых решений, а, следовательно, и работоспособность всего изделия, могут быть проверены двумя способами: расчетами и макетированием. Для проведения расчетов повсеместно используются методы КЭА как безальтернативный метод предсказательного моделирования. В последние годы в связи с развитием аддитивных технологий макетирование, а в некоторых случаях и создание готового прибора, может и должно выполняться с использованием трехмерной печати. Представленная последовательность разработки конструкций позволяет осуществить системный подход к проектированию на основе современных технологий и предложить следующую методику конструирования навигационных приборов.
1. Разработка трехмерных моделей деталей и узлов.
2. Расчет механических характеристик методом КЭА.
3. Изготовление макета прибора с использованием аддитивных технологий.
4. Выявление недостатков конструкции в процессе пп. 2 и 3 и их устранение при разработке конструкторской документации.
Рассмотрим детально особенности приведенных этапов.
Разработка трехмерных моделей приборов
Система Creo относится к САПР высокого уровня и имеет преимущества перед аналогичными пакетами. Следующие основные особенности программ семейства Creo позволяют разработчику создавать оптимальный вариант конструкции прибора в самые короткие сроки:
1. Параметрическое моделирование и интеллектуальные объектно-ориентированные операции, на которых базируется система, позволяют инженерам легко проектировать конструкции приборов.
2. Уникальная единая структура данных обеспечивает полную двунаправленную ассоциативность для всех инженерных приложений и тесное взаимодействие между участниками процесса проектирования, что позволяет одновременно работать над проектом и использовать коллективный опыт.
При работе с Creo какие-либо изменения, произведенные в области конструкторской разработки детали, автоматически переносятся на все остальные области - сборочные узлы и чертежи. Полная взаимосвязь и взаимозависимость всех этапов разработки, от создания модели изделия до получения чертежа и изготовления, дает конструкторам возможность менять конфигурацию детали буквально «на лету», что способствуют оптимизации цикла проектирования.
Разработка конструкций с использованием Creo требует освоения следующих компетенций:
- владение процессом создания сборочных единиц, как при нисходящем, так и при восходящем проектировании;
- понимание особенностей сборки деталей, имеющих взаимное перемещение (на примере карданова подвеса);
- максимальное использование ассоциативности при разработке чертежей на основе построенных моделей;
- умение компоновать различные варианты сборочных единиц.
Акселерометр Гироскоп
Карданов подвес
Колпак
Корпус
Рисунок 1. Трехмерная модель гироскопического прибора с кардановым подвесом.
Перечисленные компетенции позволяют специалистам конструировать навигационные приборы, в том числе гироскопические, с различных составом чувствительных элементов (гироскопов и акселерометров) и с учетом взаимного перемещения частей конструкции в кардановом подвесе (рис. 1).
Конструирование навигационных приборов с использованием Creo позволяет получать трехмерные модели деталей и узлов, пригодные для расчетов методами КЭА. В состав Creo поставляется пакет Creo Elements\Pro Mechanica (далее -Mechanica), который позволяет проводить следующие расчеты: анализ собственных частот, расчет прочности при статических и динамических нагрузках (вибрации и
Проведение расчетов методом КЭА
удары), построение амплитудно-частотных характеристик,
оптимизация
конструктивных параметров по различным критериям. Основное отличие Mechanica от других аналогичных пакетов (например, Ansys Workbench [2]) заключается в том, что трехмерная модель, разрабатываемая в процессе конструирования для производства, и трехмерная модель, используемая в расчетах, - это одна и та же модель. Таким образом, использование этого пакета позволяет в кротчайшие сроки проводить необходимые инженерные расчеты для подтверждения работоспособности изделия (рис.2).
Рисунок 2. Собственные колебания карданного кольца (частота 418 Гц).
Особенность проведения расчетов навигационных приборов с использованием КЭА удобно продемонстрировать на примере микромеханического гироскопа (ММГ) ЛЛ-типа [3 - 6] (рис. 3, а). Особенность проектирования таких датчиков заключаются в прямом влиянии на конченую точность и эксплуатационные показатели изделия частотных характеристик подвеса дискового ротора ММГ,
которые зависят в большей степени от вариаций геометрических размеров.
Методика расчета и анализа конструктивной схемы ММГ с использованием модулей Creo и Mechanica включает следующие этапы [7].
1. Разработка вариантов конструкции. На этом этапе разрабатываются варианты принципиального построения ротора ММГ, количество и форма упругих элементов подвеса, расположение элементов гребенчатого двигателя и т.д.
2. Определение собственных частот. Проводится КЭА с целью определения собственных частот конструкции.
3. Подбор параметров. Производится подбор параметров упругого подвеса, чтобы первые две собственные частоты конструкции совпали, а остальные собственные частоты были бы значительно больше первых двух.
4. Определение характеристик. Для полученной конструкции определяется амплитудно-частотная характеристика подвеса ротора, максимальные напряжения в конструкции, кинетический момент.
5. Варьирование геометрических размеров. Изменение геометрических размеров конструкции с целью выявления параметров, имеющих наибольшее влияние на собственные частоты. При изменении одного из геометрических параметров конструкции остальные принимаются постоянными и проводится оценка соответствующего изменения собственных частот.
6. Оптимизация по полученным данным. Проводится оптимизация конструкции с целью уменьшения возникающих напряжений, изменения амплитудно-частотной характеристики и т.д.
7. Выбор наиболее приемлемого варианта конструкции. По полученным данным проводится сравнение различных конструкций и выбор наиболее приемлемого варианта конструкции.
На основе модели, полученной в Creo, в модуле Mechanica в автоматическом режиме создается конечно-элементная модель (рис. 3, б). Из объемной модели транслируются параметры материала, условий закрепления, области приложения нагрузок.
(а) (б)
Рисунок 3. Инерционное тело микромеханического гироскопа ЯЯ-типа (а) Трехмерная модель; (б) Конечно-элементная модель
Рисунок 4. Результаты расчетов собственных частот с использованием КЭА
(частоты 3020 Гц и 3180 Гц). Достижение наилучших показателей эксплуатационных характеристик датчика, осуществляется при определенных значениях низшей собственной частоты подвеса инерционного тела. Для получения требуемых частот необходимо выполнение серии оптимизационных расчетов (рис.4) [8] и выполнение варьирования геометрических параметров по критерию достижения заданного значения точности прибора.
Аддитивные технологии в конструировании Мощный инструментарий, предоставляемый компьютерными программами 3Э моделирования и КЭА, не позволяет решить все проектные проблемы, возникающие на этапах разработки конструкций. Создание полноразмерных макетов из металлических материалов является чрезвычайно дорогим, трудоемким и длительным этапом. Для проверки функционирования приборов и обоснования принятых конструктивных решений необходимы средства создания макетов максимально быстро и экономично. В этом помогают чрезвычайно быстро развивающиеся аддитивные технологии. В дальнейшем при развитии технологии 3Э печати на основе металлических порошков возможно создание готовых приборов.
Следующий этап рассматриваемой методики посвящен работе на 3Э-принтере и макетированию разрабатываемой конструкции. Для навигационных приборов трехмерная печать наиболее часто используется в следующих случаях:
- проверка сложного кинематического движения узлов приборов с целью определения силовых параметров приводов;
- макетирование каркасов и кронштейнов для крепления чувствительных элементов (например, моделирование каркасов катушек волоконно-оптических гироскопов, используемых для беспилотных летательных аппаратов [9]);
- проверка правильности принятых конструктивных решений, в том числе по обеспечению требований по эргономичности и дизайну;
- создание 3Э-макетов приборов в заданном масштабе для представительских целей при выполнении исследовательских работ;
- создание 3Э-макетов различных навигационных комплексов для изучения визуального состава и алгоритмов работы комплекса, что может быть полезно как для экипажей отечественных и зарубежных кораблей, так и для обучения студентов.
Подготовка к печати происходит в определенной последовательности:
1. Адаптация спроектированной модели для трехмерной печати - должны быть учтены особенности применяемого оборудования и материалов.
2. Конвертация разработанных моделей в специальный формат, воспринимаемый конкретным принтером.
3. Запуск печати и, при необходимости, механическая обработка полученных деталей и сборочных единиц.
В ходе проведения расчетов методом КЭА, а также при прототипировании, могут быть выявлены недостатки конструкции, которые следует устранить. Иногда для этого следует выполнять многократные оптимизационные расчеты и макетирование улучшений. После устранения всех недостатков, оформляется конструкторская документация.
Применение методики в образовательном процессе
Одной из отличительной особенностей предложенной методики является возможность ее использования в качестве основы при обучении студентов конструированию навигационных приборов. Такой подход вносит существенный вклад в развитие способностей к инновационной инженерной деятельности студентов [10, 11] и освоение на современном уровне замкнутого процесса «проектирование, моделирование, производство». В процессе обучения по предложенной методике, студенты создают несложные трехмерные модели в Creo на основе выданных им бумажных чертежей, а затем изучают процесс создания электронных чертежей на основе трехмерных моделей. После усвоения в достаточной степени механизма проектирования деталей в Creo, студенты обучаются правилам построения узлов из нескольких деталей и выполняют контрольное задание, включающее в себя компоновку различных вариантов сборочных единиц. Используя разработанные модели деталей и сборочных единиц, студенты учатся проводить модальный и прочностной расчеты конструкции.
Кроме того, студентами изучаются основы аддитивных технологий, объясняются базовые принципы ЭЭ-печати и различия таких технологий, как SLA, SLS, FDM и пр. [12]. После чего студенты приступают к выполнению курсового проекта, цель которого заключается в составлении трехмерной модели гироскопического прибора, пригодной для печати. Используя принтер ZPrinter 450 фирмы 3D Systems [13] (рис. 5), студенты выполняют курсовой проект (рис. 6).
Рисунок 5. ЗЭ-принтер ZPrinter 450 фирмы 3D Systems
а) б)
Рисунок 6. Модели микромеханического гироскопа ЯЯ-типа (а) и гиростабилизированного гравиметра (б), воспроизведенные на 3-0 принтере.
Курсовой проект заканчивается представлением пояснительной записки, чертежей гироскопического прибора, результатов КЭА и модели ЗЭ-печати. На рисунке 6а представлен результат описанного курсового проекта, выполненного студентами в 2016 г., - модель микромеханического гироскопа [3]. На рисунке 6б -модель гиростабилизированного гравиметра [14, 15], подготовленная и напечатанная студентами в 2017 г.
Заключение
Рассмотрена методика конструирования навигационных приборов, включающая в себя разработку трехмерных моделей, которые потом используются для проведения расчетов методами КЭА и для быстрого прототипирования с использованием аддитивных технологий. Описанная методика отличается осуществлением замкнутого процесса «проектирование, моделирование, производство», что повышает качество проектируемых изделий и производительность труда. Показано, что использование предложенной методики в качестве основы при обучении студентов конструированию приборов вносит существенный вклад в развитие способностей к инновационной инженерной деятельности.
Благодарности
Авторы выражают благодарность за помощь в организации исследований коллективу международной научной лаборатории «Интегрированные системы ориентации и навигации» на базе кафедры Информационно-навигационных систем Университета ИТМО и лично ее руководителю О.А. Степанову.
Библиографический список
1. PTC: Technology Solutions for Ongoing Products & Service advantage, available at: http://www.ptc.com
2. ANSYS - Simulation Driven Product Development, available at: http: //www. ansys. com
3. Пешехонов В.Г., Несенюк Л.П., Грязин Д.Г. Микромеханические инерциальные преобразователи. Современное состояние и перспективы развития // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. № 3. С. 28 - 32.
4. Евстифеев М.И., Елисеев Д.П. Оптимизация конструкции подвижного электрода микромеханического гироскопа RR-типа // Гироскопия и навигация. 2017. № 1. С. 13 - 23.
5. Микромеханический вибрационный гироскоп. Патент РФ № 2561006 МПК G01C 19/56 / Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» / Евстифеев М.И., Елисеев Д.П. Заявка № 2014123821/28 от 10.06.2014, Бюл. № 23, 20.08.2015
6. Северов Л.А. Микромеханические гироскопы: конструкции, характеристики, технологии, пути развития // Известия ВУЗов. Приборостроение. 1998. Т. 41. № 1 -2. С. 57 - 73.
7. Евстифеев М.И. Проблемы расчета и проектирования микромеханических гироскопов // Гироскопия и навигация. 2004. № 1. С. 26 - 39.
8. Евстифеев М.И., Унтилов А.А. Конечно-элементный анализ конструкции микромеханического гироскопа // Материалы III конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», Санкт-Петербург, октябрь 2001. - Спб.: ЦНИИ «Электроприбор. С. 101 - 108.
9. Пронькин А.Н., Кузнецов И.М., Веремеенко К.К. Интегрированная навигационная система БПЛА: структура и исследование характеристик // Труды МАИ. 2010. № 41. URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=23811
10. Наумкин Н.И. Методическая система формирования у студентов технических вузов способностей к инновационной инженерной деятельности в процессе обучения общетехническим дисциплинам: автореферат дис. ... докт. пед. наук. - М.: 2009. - 69 с.
11. Наумкин Н.И., Кильмяшкин Е.А., Ломаткин А.Н. Обучение аддитивным технологиям как способ формирования конструкторских компетенций у студентов технических ВУЗов // VIII международная конфеенция «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы». Сборник трудов. Саранск, 2016, С. 536 - 540.
12. Зленко М.А., Нагайцев М.В., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении. - М.: НАМИ, 2015. - 220 с.
13. 3D Printers, 3D Scanning, Software, Manufacturing, available at: http://www.3dsystems.com.
14. Пешехонов В.Г., Степанов О.А. и др. Современные методы и средства измерения параметров гравитационного поля Земли. - СПб.: ЦНИИ "Электроприбор", 2017. - 390 с.
15. Krasnov A.A., Sokolov A.V., Evstifeev M.I., Starosel'tseva I.M., Elinson L.S., Zheleznyak L.K., Koneshov V.N. New Generation of Gravimetric Sensors // Measurement Techniques, December 2014, vol. 57, no. 9, pp. 967 - 972.
