Модернизация станков с использованием параметрических моделей в системе T-FLEX CAD

Валентина Глотова, Дмитрий Подопригоров

При оценке функциональности той или иной графической системы САПР чаще всего рассматриваются средства создания модели «с чистого листа». Но в реальном проектировании не менее важными являются средства дальнейшей работы с уже построенными моделями, а именно — наличие различных средств анализа спроектированной модели и возможность ее быстрой модификации. Это особенно важно в условиях единичного и мелкосерийного производства, в частности при выполнении проектных работ, связанных с модернизацией и ремонтом широкого спектра оборудования.

Здание ЗАО «ФРЕСТ»

Рис. 1. Трехмерная модель гидропанели колесотокарного станка (на отдельные грани выполнено наложение материала «стекло»)

ЗАО «ФРЕСТ» (бывшее Ульяновское ГСКБ ФС), основанное в 1949 году, известно своими разработками станков и автоматических линий для тяжелого энергомашиностроения, металлургии, судо-, авиа- и автомобилестроения, нефтегазовой промышленности, транспортного машиностроения и других отраслей. В настоящее время деятельность ЗАО «ФРЕСТ» осуществляется по нескольким направлениям. Для железных дорог России выполняется проектирование специализированных токарных станков с ЧПУ для обработки колесных пар подвижных составов, фрезерных и токарных станков для обработки вагонных балок, модернизация и ремонт действующего оборудования в железнодорожных депо. Для нефтегазовой отрасли — создание, модернизация и ремонт специализированных станков, механизмов и устройств для обработки труб, муфт, ниппелей, оснащение станков патронами, револьверными головками и ЗИП.

Кроме того, на предприятии выполняется изготовление, модернизация и ремонт вертикально-фрезерных станков с крестовым столом всех степеней автоматизации с размером стола 630, 800 и 1000 мм, модернизация и ремонт особо сложного металлообрабатывающего оборудования, в том числе для обработки штампов и штамповой оснастки. Станки оснащаются современным электрооборудованием и системами ЧПУ отечественных и зарубежных фирм.

Использование компьютерных технологий в проектировании на нашем предприятии имеет многолетнюю историю. В разные годы в конструкторской практике использовались различные графические пакеты, но наиболее успешным стал опыт использования системы параметрического проектирования T-FLEX CAD компании «Топ Системы». Параметрические средства позволили создать собственную базу параметрических чертежей с широким использованием реализованных в пакете средств параметризации: задания размеров с помощью формул, математических функций, логических операций, таблиц и стандартных баз данных. Параметрические чертежи создаются конструкторами в процессе текущих работ. Путем определения связей между элементами конструкции с использованием параметрических средств обеспечивается многовариантность построенных моделей. Но предыдущий опыт был связан главным образом с двумерным проектированием. Использование трехмерного моделирования открыло более широкие возможности для конструкторской проработки проектируемых изделий.

Преимущества трехмерного проектирования известны: 3D-модели позволяют более тщательно проработать конструкцию и исключить ошибки на ранних этапах создания изделия. Хотя подготовка специалистов, владеющих трехмерным проектированием, требует больших затрат, чем обучение двумерной графике, но при достижении определенного уровня владения технологией трехмерного проектирования эти затраты окупаются сполна. Известно, что проектирование не ведется с нуля, в каждом проекте за основу берутся соответствующие аналоги. Поэтому, после того как в процессе проектирования накоплена библиотека параметрических моделей по номенклатуре предприятия, создание 3D-моделей для новых конструкций с использованием прототипов и унифицированных деталей выполняется специалистами достаточно быстро, а проработка конструкции на уровне трехмерной модели выполняется более тщательно, чем при работе только с двумерной графикой. Все изменения трехмерной модели ассоциативно выполняются на всех видах чертежа (проекциях, сечениях, разрезах), а следовательно, не требуется дополнительных затрат на корректировку чертежей.

Есть ряд деталей, для которых использование трехмерного моделирования позволяет сократить объем информации, размещаемой на рабочих чертежах, и тем самым сократить затраты на подготовку конструкторской документации. Наиболее наглядно это можно продемонстрировать на примере гидропанели (рис.1).

Без использования трехмерного моделирования потребовалось бы вычертить, кроме основных проекций, дополнительно порядка десяти сечений — для проверки пересечения и/или непересечения отверстий. Для трехмерной модели такую проверку можно выполнить одной командой. В пакете существует функция «Анализ геометрии/Проверка пересечений», которая позволяет получить список всех пересекающихся фрагментов. Каждое такое пересечение при пометке его курсором в полученном списке ассоциативно подсвечивается на модели. Это позволяет легко выявить сообщающиеся отверстия и устранить нежелательные пересечения.

Помимо функции проверки пересечений детальную проверку системы отверстий можно выполнить путем визуального анализа с помощью сечений (рис. 2 и 3), которые создаются непосредственно на твердотельной модели.

В приведенной здесь модели гидропанели отверстия были построены, как фрагменты из библиотек стандартных элементов, поставляемых с пакетом T-FLEX CAD.

Рис. 2. Сечения гидропанели для проверки пересекающихся отверстий

Рис. 3. Сечения гидропанели для проверки пересекающихся отверстий

После проверки конструкции на уровне трехмерной модели уже нет необходимости размещать сечения на рабочем чертеже, поскольку информация об отверстиях задается в табличном виде: все отверстия на проекциях пронумерованы и их размеры сведены в таблицу, присутствующую на рабочем чертеже.

Очень важное значение приобретает параметрический подход в процессе проектных работ, выполняемых при модернизации станков. Например, в процессе модернизации колесотокарных станков фирмы «Рафамет», несмотря на их однотипность, обнаруживаются существенные различия в разных моделях станков. С использованием параметрических средств удается создавать гибкие трехмерные модели узлов, которые позволяют решать сразу несколько задач:  проработать различные варианты узла для одной модели станка, а также адаптировать созданные узлы для других модификаций станков.

Весомую помощь в проектировании оказывает имеющийся в пакете инструмент сопряжений, предназначенный для взаимной привязки элементов сборочной модели. В соответствии с заданными геометрическими условиями определяется взаимное расположение объектов трехмерной модели (граней, ребер, вершин, осей вращения и т.д.). Сопряжения позволяют определить, как компоненты механизма перемещаются и вращаются относительно других деталей. Для более точного задания ограничений элементов сборки относительно друг друга можно использовать комбинацию различных сопряжений.

Рис. 4. Трехмерная сборка механизма зажима колесной пары колесотокарного станка

Рис. 5. Трехмерная сборка механизма зажима колесной пары колесотокарного станка с прозрачным корпусом

С использованием параметризации и инструмента сопряжений было выполнено проектирование механизма зажима колесной пары (рис. 4 и 5). Для определения связей деталей сборочной единицы в параметрах фрагментов были заданы разрешенные степени свободы — перемещения и повороты относительно осей локальных систем координат, к которым привязаны фрагменты (можно также заранее задать степени свободы в параметрах исходной локальной системы координат в файле фрагмента).

В процессе построения сборки с помощью сечений визуально проверялось наличие зазоров и стыков (рис. 6 и 7). Весьма полезной оказалась возможность погасить на сборке любую деталь или группу деталей, позволяющая более подробно исследовать отдельные составляющие механизма (рис.7).

Рис. 6. Сечение механизма зажима колесной пары, в котором часть деталей сборки погашены; данное сечение использовалось для анализа стыков деталей: вал-шестерня, кулачок, пиноль, пружина

Рис. 7. Сечение механизма зажима колесной пары, которое использовалось для анализа стыков деталей: вал-шестерня, шток-рейка

Сборка была выполнена с учетом привязок и сопряжений, которые должны быть присущи реальной конструкции. Создана цепочка сопряжений для ряда деталей, последовательно состыкованных друг с другом. Например, детали цепочки «кулачок — пиноль — пружина — вал-шестерня — шток-рейка» связаны по соответствующим граням, и для каждой детали заданы степени свободы относительно осей локальных систем координат. Заданы условия сопряжений, определяющие связь между вращением вала-шестерни и горизонтальным перемещением штока-рейки. Для определения ограничений перемещения штока-рейки внутри гильз созданы условия сопряжения торцов штока-рейки с торцами гильз.

Команда «Перемещения сопряженных элементов» позволяет проследить работу механизма. Для этого нужно мышью выбрать деталь и выполнить перетаскивание выбранной детали курсором — имитация приложения к механизму силы, под воздействием которой деталь механизма начинает двигаться. Отношения между сопряженными деталями являются ассоциативными — при перемещении одной детали сопряженная деталь перемещается в соответствии с наложенными на нее ограничениями, таким образом приводится в движение вся связанная с ней цепочка. При этом во время движения учитывается масса и моменты инерции перемещаемых элементов. В данном примере механизм приводился в движение посредством поворота кулачка. На рис. 8 показано крайнее верхнее положение кулачка и пиноли и соответственно крайнее правое положение штока-рейки; на рис. 9 — среднее положение, и на рис. 10 — крайнее нижнее положение кулачка и пиноли и соответственно крайнее левое положение штока-рейки.

Рис. 8. Крайнее верхнее положение кулачка и пиноли и соответственно — крайнее правое положение штока-рейки

Рис. 9. Среднее положение кулачка и пиноли и соответственно — штока-рейки

Рис. 10. Крайнее нижнее положение кулачка и пиноли и соответственно — крайнее левое положение штока-рейки

Каждое сопряжение отображается в структуре 3D-модели. Часть сопряжений можно погасить, чтобы на время исключать их из общего решения, это дает возможность экспериментировать с различными вариантами сопряжений.

После того как для модели получен сборочный чертеж, любое положение деталей сборки в процессе имитации работы механизма можно отобразить на чертеже путем выполнения функции обновления проекций.

Описанная в нашем примере сборка разработана таким образом, что в нее входят фактически четыре варианта механизма. Параметрическая модель включает два варианта конструкции корпуса зажима, а каждый вариант включает два исполнения: правое и левое. Без использования средств параметризации пришлось бы создавать четыре независимые 3D-мерные сборки. Вместо этого была разработана одна модель (рис. 11), в которую вошли все варианты. Для решения этой задачи при создании модели были использованы различные средства параметризации, инструмент уровней отображения, а также средства выбора параметров из базы данных.

Рис. 11. Варианты исполнения механизма зажима колесной пары: а — вариант 1 механизма зажима колесной пары, исполнение правое; б — вариант 1 механизма зажима колесной пары, исполнение левое; в — вариант 2 механизма зажима колесной пары, исполнение правое; г — вариант 2 механизма зажима колесной пары, исполнение левое

Следует заметить, что при выборе любого варианта меняется не только 3D-модель, но и соответствующая ей 2D-проекция. С помощью параметрических средств и ассоциативного изменения чертежа при изменении значений параметров были получены четыре комплекта сборочных чертежей из одной параметрической модели (рис. 12).

Рис.12. Диалог выбора варианта и исполнения механизма зажима колесной пары

Реализованная в T-FLEX CAD технология сопряжений, позволяющая создавать динамические сборочные модели, дает возможность на ранней стадии проекта исследовать работу проектируемого механизма и минимизировать ошибки, а начинающие специалисты с помощью этого инструмента могут повышать свою квалификацию в предметной области проектирования.

Хотя параметризация трехмерных моделей в системе T-FLEX CAD осуществляется как естественный результат создания моделей, утверждать, что от разработчика не требуется никаких дополнительных действий для получения гибкой и универсальной модели было бы некорректно. Конечно же, всякая универсальность требует специальных приемов. Но при разработке конструкции проектировщик так или иначе изначально предусматривает возможность ее модификации, поэтому наличие в пакете соответствующих инструментов является очень важным критерием оценки CAD-системы.

Наш опыт твердотельного моделирования позволяет сделать вывод, что аппарат параметризации, существующий в системе T-FLEX CAD, обеспечивает реализацию практически любых решений конструктора для создания гибкой модели конструкции, ее проработки и дальнейшей модификации.

САПР и графика 10`2006