CC BY
50
УДК 621.757
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ОБЗОР ВОЗМОЖНОСТЕЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАЗМЕРНОГО АНАЛИЗА В СОВРЕМЕННЫХ (САТ) СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАЗМЕРНОГО АНАЛИЗА
© Д.А. Фарактинов1, Ю.С. Евстигнеев2, А.В. Шабалин3
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Приведено сравнение подходов к размерному анализу, реализованных в системах CETOL 6а и SoldWorks (TolAnalyst). На примере исследования геометрического допуска рассмотрены возможности, достоинства, недостатки и особенности двух систем. По итогам исследования сделаны выводы, свидетельствующие о сложности работы с системой CETOL 6а и ее более глубокому и детальному анализу, а также - о простоте освоения и работы с системой TolAnalyst. Приведены примеры использования систем и результаты размерного анализа. Ключевые отличия систем сведены в сравнительную таблицу.
Ключевые слова: допуски; машиностроение; конструкторская подготовка производства; анализ собираемости; методики анализа.
COMPARATIVE REVIEW OF AUTOMATED DIMENSIONAL ANALYSIS CAPABILITIES IN MODERN (CAT) SYSTEMS OF AUTOMATED DIMENSIONAL ANALYSIS D.A. Faraktinov, Yu.S. Evstigneev, A.V. Shabalin
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The paper compares approaches to the dimensional analysis implemented in CETOL 6 а and SoldWorks (TolAnalyst) systems. On example of geometric tolerance study the authors consider the capabilities, advantages, shortcomings and features of the two systems. The conclusions following the study results underline the complexity of the work with CETOL 6а system and its deeper and more detailed analysis. It is also noted that the TolAnalyst system is simple in mastering and operation. The examples of the use of the systems and dimensional analysis results are given. Key differences between the systems are summarized in a comparative table.
Keywords: tolerances; mechanical engineering; designing preproduction; assemblability analysis; analysis methods.
В условиях современного машиностроительного производства изделия не могут быть изготовлены в точности с их номинальными размерами и геометрией. Неотъемлемой частью документации, разрабатываемой конструктором, является геометрическое описание всех деталей и узлов проектируемого изделия, включающее в себя допуски, назначенные на все размеры, а также допуски формы и взаимного расположения поверхностей. Допуск определяет диапазон отклонений в размере и форме, который должен обеспечить собираемость конечного изделия и соответствие его проектным эксплуатационным характеристикам.
Оптимальные значения допусков
должны рассчитываться инструментами размерного анализа, имеющими, как правило, тесную интеграцию с системой автоматизированного проектирования (САПР). Размерный анализ позволяет обеспечить требуемую точность функциональных параметров изделий и увязать между собой многие основные характеристики разных этапов жизненного цикла конструкции. При этом он также является связующим звеном между конструкторскими и технологическими этапами подготовки производства. Такой анализ является универсальным средством, пригодным для расчета любой конструкции или отдельного узла. Однако в реальном производстве при назначении допусков чаще всего руковод-
1
Фарактинов Денис Анатольевич, аспирант, тел.: 89246122127, e-mail: faradenan@gmail.com Faraktinov Denis, Postgraduate, tel.: 89246122127, e-mail: faradenan@gmail.com Евстигнеев Юрий Сергеевич, аспирант, тел.: 89041157393, e-mail: evstigneev.js@gmail.com Evstigneev Yuri, Postgraduate, tel.: 89041157393, e-mail: evstigneev.js@gmail.com
3Шабалин Антон Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии машиностроения, тел.: 89148800312, e-mail: freeman@istu.edu
Shabalin Anton, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mechanical Engineering Technology, tel.: 89148800312, e-mail: freeman@istu.edu
ствуются ОСТ, СТП и другими НТД, действующими на предприятии. Как правило, конструктором задаются минимальные допуски, поскольку меньший допуск обеспечивает лучшие показатели собираемости, правильное функционирование и высокие потребительские качества изделия. Но назначение необоснованно малых значений допусков может привести к тому, что изделие невозможно будет изготовить, в свою очередь назначение приемлемых для производства допусков может привести к проблемам собираемости изделия. Устранение подобных проблем внесением изменений в конструкцию изделия зачастую оказывается очень трудоемким и затратным процессом. В настоящее время в производстве чаще всего оперируют также допусками на линейные размеры детали, описывающими только отклонения ее размеров. А в электронной модели изделия допуски назначаются без учета их влияния на собираемость всего изделия в целом. Многие передовые САПР ограничены номиналом геометрии, в них пространственные допуски и вовсе поддерживаются только как текстовые атрибуты. В условиях современного высокоточного производства этого
категорически недостаточно. Полностью описать все возможные отклонения может только совместное использование геометрических и размерных допусков4.
В данной статье представлен сравнительный анализ инструментов размерного анализа CETOL 6а и То1Апа^, их интерфейсов, подходов и возможностей. Сравнение проведем на примере анализа в этих системах сборки деталей, представленных на рис. 1.
Обозначим поверхности, участвующие в размерном анализе (рис. 2). На поверхность 1.1 назначен допуск параллельности относительно базовой плоскости А значением 0,5. Узел из деталей 1 и 2 образован посредством двух сопряжений: (1) - прилегание поверхностей 2.1 и 1.1, и (2) - прилегание поверхности 2.2 к 1.2. В качестве цели анализа определим максимальный и минимальные зазоры между поверхностями 1.3 и 2.3 при имитации отклонений в пределах допуска параллельности в сопряжении (1).
4Геометрические допуски - допуски формы, местоположения, ориентации, биения [1]. Размерные допуски задаются на линейные размеры деталей.
Рис. 1. Анализируемый узел
Основными нормативными документами, регламентирующими работу с допусками, являются национальные и международные стандарты ASME Y14.5-2009, ISO 1101:2012 и ГОСТ Р 53442-2012, основанный на ISO [1, 4, 7].
В интерпретации геометрических отклонений в стандартах ISO и ASME существуют некоторые различия, но в целом она схожа. Однако это может привести к проблемам неправильного понимания допусков на разных этапах производства.
Руководствуясь стандартами, рассчитаем по схеме, представленной на рис. 3, значения максимальных и минимальных отклонений.
Значение минимального натяга/зазора будут равны Hmin = ^ т.е. 0,25 мм.
Значение максимального зазора/натяга вычисляется по формуле
Hmax =tg Y Х L + K - M,
где M = tan в X N; в = у = а; а = sin-1 р
Следовательно, Нmax =0,462541.
Система CETOL 6а разработана компанией Sigmetrix. Для интеграции с каждой из поддерживаемых систем PTC Pro/E CATIA, или SOLIDWORKS, существует своя версия программы. Система имеет поддержку стандарта ASME Y14.5 [4].
К преимуществам системы можно отнести наличие двух режимов создания модели для анализа - упрощенный и расширенный [5]. Упрощенный (базовый) режим может ускорить процесс подготовки к анализу, а расширенный позволяет более
детально задать параметры анализа.
Далее рассмотрим более подробно расширенный режим, в программе он носит название оверлейный (overlay) [5].
В системе важна последовательность добавления деталей анализируемой сборки: первой добавляем деталь 1, поскольку она считается базовой и ограниченной по всем степеням свободы, затем -деталь 2 (см. рис. 1).
Ключевым моментом создания модели является задание сопряжений сборки - кинематических узлов (joints) [5], которые задаются с целью ограничения свободы деталей в сопряжении. Выбирая из списка предустановленных или вручную конфигурируя кинематический узел, ограничивая движение вдоль и вокруг осей, можно получить необходимое сопряжение между геометрическими объектами деталей.
Для анализируемой сборки зададим кинематический узел (1), связывающий поверхности 2.1 и 1.1 и задающий в системе условие, что деталь 2 может двигаться только вдоль одной оси (рис. 4). При этом вся сборка становится недостаточно ограниченной по одной степени свободы. Иными словами, положение в пространстве одной из деталей сборки не определено относительно одной координатной оси.
Рис. 4. Кинематический узел «сдвиг по оси Z»
Рис. 3. Схема расчета отклонения
В системе ОБТОЬ 6а при установке кинематических узлов необходимо, чтобы в конечном итоге вся сборка была ограничена по всем степеням свободы. Поэтому нужно задать еще один кинематический узел (2), ограничивающий движение по оси, не ограниченной первым кинематическим узлом, и «компенсирующий» его (рис. 5). Он назначается для поверхностей 2.2 и 1.2 (см. рис. 1) и задает такое ограничение, при котором эти поверхности имеют только одну точку контакта. Степени свободы, уже ограниченные первым кинематическим узлом, не должны быть ограничены, иначе возникает «переограничение» сборки. После задания деталь становится ограниченной по всем степеням свободы. Также важен порядок, в котором устанавливаются кинематические узлы: первый кинематический узел считается основным, второй -вспомогательным.
Логику задания кинематических узлов неопытному пользователю системы понять довольно сложно. Этот момент является самым проблемным и важным в освоении системы. В некоторых случаях правильно ограничить сложную, состоящую из большого количества деталей, сборку кинематическими узлами не представляется возможным: если попытаться представить с помощью кинематических узлов объективную модель сопряжений, то сборка получается недостаточно ограничена или, напротив, чрезмерно ограничена. В этом случае анализ работать не будет или будет работать некорректно. Поэтому, чтобы получить пригодную для анализа модель путем подбора конфигураций кинематических узлов, необходимо неоправданно большое количество времени.
Рис. 5. Кинематический узел «сдвиг по осям 1 и Х и вращение вокруг осей Х, У, 1»
Для корректного анализа после задания всех сопряжений требуется задать допуски и размеры. Этот этап интуитивно понятен и не вызывает затруднений: назначение проходит в полуавтоматическом режиме, то есть пользователь выбирает геометрические объекты для присвоения им размера, а само значение размера берется из САПР, с которой интегрирован ОБТОЬ 6а. Допуски могут быть либо импортированы аналогичным образом, либо заданы вручную. Здесь стоит отметить, что необходимо указание всех размеров деталей, которые могут каким-либо образом повлиять на результаты анализа. На рис. 6 представлен граф анализируемой модели после задания всех необходимых параметров.
Важным этапом перед проведением анализа является задание измерений, то есть замыкающих размеров размерной цепи. К достоинству системы можно отнести возможность добавления в модель любого числа измерений между любыми геометрическими объектами. Пользователь может получить информацию по расстояниям во время симуляции отклонения, к примеру, между максимально и минимально удаленными точками поверхностей, между ребрами, образующими поверхность, или между заданными вручную точками на этих поверхностях. Измерению задается разрешенное значение для контроля вхождения результата анализа в заданный разрешенный диапазон.
При назначении допусков и измерений следует учитывать особенность: измерение между точками, лежащими на поверхностях, не будет учитывать геометрические допуски, назначенные на эти поверхности. В нашем случае, такой ситуации не возникает. Устанавливаем измерения на точки 1.1 и 2.1, на 1.2 и 2.2 (рис. 7), между поверхностями 1.3 и 2.3 (см. рис. 2).
После проведения анализа система выдает подробный отчет по результатам. На рис. 8 слева показан результат анализа по методу наихудшего случая, справа - результат по методу «6а». Представлены результаты измерений: между точками 1.2 и
2.2 значения остались в пределах допустимых (рис. 8,а), между точками 1.1 и 2.1 образовались выходящие за установленное
максимально допустимое значение натяг и зазор (рис. 8,6).
Рис. 6. Граф модели
Рис. 7. Точки, выбранные для проведения измерений
б
Рис. 8. Результат анализа измерений в CETOL 6а
а
Важной особенностью системы является тот факт, что, несмотря на то что исходные данные и промежуточные результаты вводятся и отображаются в миллиметрах, результаты анализа выводятся в дюймах (система не позволяет выбрать другие единицы измерения). В данном случае минимальный зазор/натяг будет равен 0,25 мм, максимальный - 0,4635 мм.
Система дает возможность увидеть, в какой степени на результат влияет тот или иной допуск (рис. 9). В данном случае влияющий допуск только один. Интерфейс системы не является интуитивно понятным и не дает пользователю никаких подсказок о порядке действий, а также о некоторых проблемах в модели, которые приводят к невозможности проведения анализа. Ознакомиться с этой информацией можно только при подробном изучении документации. Это свидетельствует о том, что система сложна для освоения и не позволяет осуществлять в ней работу без наличия достаточного опыта.
Name Contributions
Parti : Planet1 100,00 Sil
to DaturnPlane
Parti : Planel .3 : to DaturnPlane 0,00 %
□ ffset
Parti : Planel.1 : to DaturnPlane 0,00 %
□ ffset
Рис. 9. Степень влияния допусков на результаты анализа
Важнейшей частью функционала системы CETOL 6а является статистический анализ, однако ввиду отсутствия такого функционала в TolAnalyst в рамках данной статьи этот тип анализа рассмотрен не будет.
Далее рассмотрим анализ этой же сборки в системе TolAnalyst.
Инструмент TolAnalyst входит в систему SolidWorks компании Dassault Systems. Для анализа в TolAnalyst на детали сборки необходимо нанести все характеризующие ее размеры и допуски. В SolidWorks для этой процедуры имеется специальный инструмент - DimXpert, под-
держивающий стандарты назначения допусков ASME Y14.41-2003 и ISO 16792:2006. При выставлении размеров необходимо соблюдать принцип полного ограничения производственных элементов, который предусматривает установление всех размеров, однозначно характеризующих положение и геометрию отверстий, бобышек и прочих элементов детали. Ограничения задаются при помощи размеров, допусков, а также определенных геометрических взаимосвязей между элементами. По результатам нанесения размеров элементы детали могут быть как слишком, так и недостаточно ограничены. К достоинствам инструмента можно отнести возможность автоматического нанесения размеров, когда размеры и допуски наносятся в соответствии со стандартом. Анализ сборок, включающих детали с не полностью ограниченными элементами, запускается, однако результат может оказаться некорректным. Сама процедура указания исходных параметров для анализа интуитивно понятна и довольно проста по сравнению с CETOL 6а. При подготовке к анализу задается порядок сборки. Сопряжения для анализа выбираются из списка назначенных ранее.
Недостаток системы заключается в том, что для исследования какого-либо допуска выбирается только один вариант измерения [3], что может оказаться весьма неудобным при исследовании влияния одного допуска на несколько размеров и узлов в сборке.
Результаты исследования включают только максимальное и минимальное значения врезаний и зазоров. Этого может оказаться недостаточно, например, при анализе измерения между плоскостями с назначенными на них допусками ориентации. В этом случае система не отобразит минимальные значения зазора и натяга, а только максимальные. Система также отображает схематичное представление положения компонентов сборки при имитации минимального и максимального отклонения (рис. 10). Результаты анализа совпадают с результатами CETOL 6а.
Рис. 10. Результаты анализа в TolAnalyst
Рис. 11. Отклонение плоскости в пределах поля допуска линейного размера
В методике анализа системы То1Апа^ существует важнейшая особенность: для моделирования отклонения поверхности в пределах геометрического допуска используется поле допуска размерного отклонения, назначенного на смежную поверхность, то есть геометрический допуск «поглощает» размерный. Это значит, что при назначении только геометрического отклонения без сопутствующего размерного (А на рис. 10) геометрический допуск участвовать в анализе не будет.
В некоторых случаях эта особенность приводит к отсутствию различий в
результатах анализа между размерным и геометрическим допуском. Для анализируемой сборки таким случаем будет назначение размерного допуска и параллельности на поверхность 1.3. Результаты анализа с учетом допуска параллельности и без него будут одинаковы.
Напомним, что в системе CETOL 6а в отличие от То1Апа^ заданные на элемент отклонения анализируются, наклады-ваясь друг на друга.
Подытожим обзор сравнительной таблицей.
Основные различия подходов и возможностей систем TolAnalyst и CETOL во
Свойства TolAnalyst ОЕТО1. 6а
Поддерживаемые типы анализа - Метод наихудшего случая - RSS - Классические методы РББ - Методы «6 сигма» - Статистические моменты - Методы системных моментов - Анализ на минимум-максимум
Поддерживаемые типы допусков Размерные, геометрические допуски с учетом сдвига базы (datum shift) и влияния других допусков (bonus tolerance) в условии максимума материала Размерные и геометрические допуски
Удобство работы, время на подготовку к анализу Работа в рамках одной системы обеспечивает максимально удобный интерфейс и минимальное затрачиваемое на анализ время Интеграция со сторонними системами вызывает неудобства и ограничивает скорость работы
Гибкость интерфейса ввода исходных данных (Гибкость настройки параметров анализа) Дружелюбный интерфейс, однако может возникнуть необходимость проведения нескольких серий расчетов с разными исходными данными Тонкая настройка параметров анализа. Тяжело воспринимаемый интерфейс
Возможность модификации исходных данных Может потребоваться запуск нового исследования Автоматическое изменение размерной цепи после синхронизации
Поддержка нескольких размерных цепей в одном исследовании Нет Да
Представление результатов Краткий отчет, порой недостаточно информативный Подробный отчет, предоставляющий исчерпывающую информацию
Исходя из полученных результатов сравнения можно сделать следующие выводы: ОЕТОЬ 6а является более «глубоким» средством автоматизированного размерного анализа, имеющим более широкий функционал и возможности, однако и более сложный в освоении. Анализ с его приме-
нением требует большей квалификации и времени, однако дает и больше возможностей и информации. При работе в любой из систем необходимо знать и учитывать множество особенностей методологии анализа.
Статья поступила 08.04.2015 г.
Библиографический список
1. ГОСТ Р 5344-2012. Основные нормы взаимозаменяемости. Допуски формы, ориентации, месторасположения и биения. М.: Изд-во стандартов, 2012. 47 с.
2. Бирбраер Р. А., Космачев Ю. П. Осознанная целесообразность точности // САПР и графика. 2010. № 10. С. 62-67.
3. Справка по SOLIDWORKS // SolidWorks Web Help [Электронный ресурс]. URL: http://help.solidworks.com (19.03.2015).
4. ASME. Dimensioning and Tolerancing, ASME Y14.5-2009. New York: The American Society of Mechanical Engineers, 2009. 214 p.
5. CETOL 6a User's manual. Version 6.0. McKinney: Sigmetrix, LLC, 2002. 240 p.
6. Davidson J.K., Shah J.J. Mathematical model to formalize tolerance specifications and enable full 3D tolerance analysis Mathematical model to formalize tolerance specifications and enable full 3D tolerance analysis // NSF Design, Service and Manufacturing Granteesand Research Conference/SMU. Dallas, Texas, 2004.
7. ISO 1101-2012. Geometrical product specifications (GPS) - Geometrical tolerancing - tolerances of form, orientation, location and run-out. Geneva: International Organization for Standardization, 2012. 103 p.
