1 - 2019

Особенности процесса создания шаблонов моделей типовых деталей машин в Autodesk Inventor

Роман Герасимов
Cтарший преподаватель кафедры технологии ­машиностроения и технологического оборудования Северо­Кавказского федерального университета (СКФУ). В 2010 году окончил Северо­Кавказский государственный технический университет (СевКавГТУ) по специальности 15.10.01 «Технология машиностроения».

Сергей Сидоренко
К.т.н., доцент кафедры технологии машиностроения и технологического оборудования Северо­Кавказского федерального университета (СКФУ). В 1977 году окончил Ставропольский политехнический институт по специальности «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты». В 1981­м защитил диссертацию по ­специальности 05.03.01 «Процессы и машины ­обработки материалов резанием; автоматические линии» в МТГУ Станкин.

Олеся Бачманова
Студентка кафедры технологии машиностроения и ­технологического оборудования Северо­Кавказского федерального университета. Направление подготовки — 15.03.05 «Конструкторско­технологическое обеспечение машиностроительных производств».

В статье описаны особенности построения шаблонов моделей типовых деталей машин на примере однорядной звездочки ГОСТ 591-69, рассмотрены правила построения математических выражений и параметризации эскизов, представлены возможности расширения функционала за счет моделирования более сложных шаблонов.

При проектировании машин и механизмов в настоящее время, равно как и в прошлом, а скорее всего и в будущем конструкторами будет использоваться большое число типовых деталей и узлов.

Часть типовых деталей, несмотря на принадлежность к одному и тому же классу, имеет столь существенные различия как в конструкции, так и в наличии тех или иных конструктивных элементов, что сводит к минимуму целесообразность построения шаблонов моделей и чертежей вследствие возможности качественного оформления документации штатными средствами. Другая же часть, напротив, при номинальной принадлежности к различным классам имеет одинаковые элементы в конструкции, и целесообразность создания шаблонов таких деталей возрастает по мере увеличения сложности самих конструктивных элементов и правил их описания в конструкторской документации, особенно в случае невозможности привязки параметров конструктивных элементов к геометрии чертежа и необходимости какой­либо формализации представления. К таким деталям относятся детали механических передач: вал­шестерни, зубчатые колеса и рейки, звездочки, шкивы, инструмент для изготовления зубчатых колес в виде червячных, пальцевых и дисковых фрез, шеверов и иных инструментов.

Как правило, для таких деталей необходимо представление информации о профиле зуба, сопрягаемых деталях и иных переменных или пояснительных данных в виде таблицы параметров на чертеже, пример которой показан на рис. 1.

Рис. 1. Пример формализованного представления данных

Рис. 1. Пример формализованного представления данных

С одной стороны, в штатном функционале системы Inventor предусмотрена возможность автоматизированного расчета и построения моделей целого ряда механических передач при помощи различных генераторов. С другой стороны, использование имеющихся генераторов не позволяет перекрыть весь перечень задач конструктора вследствие наличия ряда проблем.

К ним относятся:

  • построение зубьев с упрощенным профилем как следствие возникновения ошибок при анализе пересечений;
  • отсутствие поддержки национальных стандартов;
  • недостаточная степень автоматизации процесса оформления конструкторской документации.

В сумме наличие указанных недостатков приводит к возникновению потребности в доработке функционала системы либо же его замещению собственными разработками. В связи с этим в рамках статьи будут рассмотрены вопросы создания шаблона модели зубчатого венца однорядной звездочки в соответствии с ГОСТ 591­69.

Генератор цепных передач в среде Inventor позволяет использовать в качестве исходных данных для проектирования следующие типы объектов:

  • виртуальный компонент, параметры которого учитываются при расчете, но построение модели не производится;
  • существующий компонент, параметры которого считываются генератором с модели;
  • компонент, моделируемый в процессе использования генератора.

С целью максимального учета требований, изложенных в стандарте ГОСТ 591­69, в работе будет рассматриваться вопрос создания пользовательской звездочки для дальнейшей подстановки в генератор. Это позволит:

  • нивелировать неточности и расхождения при построении профиля зуба;
  • заложить возможность создания звездочек со смещением профиля;
  • добавить пояснительные данные в виде обозначения степени точности, отклонений формы и расположения поверхностей.

На начальном этапе построения параметрической модели был выполнен анализ стандартов ГОСТ 591­69, ГОСТ 13568­97, регламентирующих переменные, способы их расчета, размеры и соотношения конструктивных элементов как звездочек, так и цепей.

За этим следует создание файла детали, в котором при помощи диспетчера параметров создаются все необходимые пользовательские переменные.

Рис. 2. Пример разбивки параметров по группам

Рис. 2. Пример разбивки параметров по группам

Анализ стандартов позволяет выявить переменные, необходимые для реализации поставленной задачи, и разделить их на следующие группы (рис. 2):

  • параметры, задаваемые пользователем, — числовые и текстовые;
  • параметры, вычисляемые при помощи математических выражений на основе данных переменных первой группы;
  • параметры, выбираемые в зависимости от определенных критериев в виде текстовых переменных или условий.

Работа с каждым типом переменных имеет свои особенности. Например, немаловажным фактором при определении имен переменных является система наименований, так как следует принимать в расчет некоторые особенности работы в среде диспетчера параметров системы Inventor. Во­первых, существует ряд зарезервированных системных переменных, например PI в различных транскрипциях. Во­вторых, существуют конфликты между именем переменной и типом единиц измерения. В­третьих, существует разница между работой диспетчера параметров и редактора таблиц семейств библиотеки компонентов. Так, при создании переменных диспетчер параметров учитывает регистр названия, а таблицы семейств регистр не учитывают. В связи с этим возможно появление ситуации, при которой потребуется в процессе работы перестраивать систему наименований, что в конечном счете приведет к лишним временным затратам и путанице при создании параметрических таблиц.

С целью минимизации влияния указанных особенностей на процесс моделирования в работе принята следующая система наименования параметров: имена переменных записываются в соответствии со стандартом — строчными латинскими буквами, а регистр обозначается суффиксами «_m» и «_b», указывающими принадлежность к строчным или заглавным обозначениям соответственно.

Помимо числовых переменных в первую группу входят текстовые переменные, наименование которых не формализовано в стандарте, да к тому же они должны содержать по нескольку значений. Значения «А», «B» и «С» для степени точности и «Да», «Нет» для смещения. Алгоритм их создания аналогичен числовым, с разницей лишь в необходимости объявления нескольких возможных значений.

При работе со второй группой переменных также необходимо учитывать важную особенность системы Inventor в виде высокой чувствительности к единицам измерения, их явному объявлению и операциям над ними.

Так, при выполнении каких­либо вычислений математические операции применяются не только к аргументам функций, но и к их размерности. Например, при умножении двух переменных с размерностью в миллиметрах (мм) Inventor ожидает результат в квадратных миллиметрах (мм2), что не всегда совпадает с пользовательским представлением.

Данное свойство необходимо учитывать и строго следить за выводом итоговой размерности. В случае если ожидания пользователя не ошибочны и умножение величины в миллиметрах (мм) на величину в миллиметрах (мм) не должно привести к появлению миллиметров в квадрате (мм2), необходимо искать обходные пути.

Кроме того, при вычислении значений переменных второй группы необходимо использовать значения третьей группы. В связи с этим примем за необходимость объявление двух групп сразу. При этом следует определиться с тем, какое именно выражение будет использовано при вычислении наибольшей длины хорды (Lx), и наличием либо отсутствием смещения.

В общем виде при построении моделей деталей с различными конструктивными элементами в исполнениях или при вырождении конструктивных элементов в зависимости от определенных параметров модели следует придерживаться рекомендации по построению наиболее сложной геометрии, учитывающей будущие изменения. Для рассматриваемого случая данная рекомендация говорит о том, что следует изначально построить модель с учетом смещения профиля зуба, которое исчезнет вместе с изменением значения параметра e. Основываясь на принятии наличия смещения, для первоначального объявления переменных необходимо использовать следующие выражения:

,

Коэффициент высоты зуба, также относящийся к третьей группе, на начальном этапе выбирается пользователем в зависимости от рекомендаций стандарта.

Следующим этапом построения модели является определение правил поведения переменных третьей группы. Для решения данного вопроса в рассматриваемом пакете можно использовать технологию iLogic, позволяющую выполнять проектирование на основе различных правил и условий, написанных на языке Visual Basic.

В случае построения модели звездочки можно создать три правила для управления каждой группой параметров.

Создание простых правил доступно без особого знания языка Visual Basic и возможно при помощи системных функций, расположенных в 1­й зоне. Для создания более сложных правил потребуются знания программирования.

Правило управления значениями одних переменных в зависимости от других является достаточно простым, а его реализация возможна при помощи стандартных функций. Сформулировать его можно следующим образом:

если значение параметра «offset» равно «Да», то:

параметр ,

параметр

,

в противном случае (значение параметра «offset» равно «Нет»):

параметр .

параметр

 .

В редакторе, с учетом требований написания, данное правило примет вид, показанный на рис. 3.

Рис. 3. Правило учета смещения

Рис. 3. Правило учета смещения

Остальные правила строятся аналогичным образом.

Следующий глобальный этап — построение геометрии модели. Алгоритм создания модели звездочки достаточно прост и заключается в следующей последовательности действий:

  1. Создание тела вращения.
  2. Построение впадины и создание массива зубьев.
  3. Создание поверхности для эмуляции делительного диаметра.

Первая операция и подготовка эскиза к ней достаточно тривиальны, не содержат каких­либо тонкостей и подводных камней, и представляют собой построение полностью определенного эскиза, плоскости и оси симметрии которого совпадают с плоскостями и осями базовой системы координат, с применением к нему операции вращения.

Процесс подготовки эскиза для операции создания впадины, в отличие от первой операции, уже содержит в себе некоторые тонкости. Так, в общем виде их можно сформулировать в следующей рекомендации: при построении деталей с исполнениями или вырождающимися конструктивными элементами — во­первых, нельзя производить привязку геометрии последующих элементов к геометрии элементов, исчезающих при определенном наборе переменных или подавляемых; во­вторых, в рамках эскизов следует по возможности отказаться от использования примитивов, размеры которых, при определенных состояниях модели, становятся равными нулю, особенно при условии построения большого набора геометрических зависимостей.

Применительно к вопросу моделирования звездочки пренебрежение данной рекомендацией приведет к следующему: будет построен эскиз (рис. 4), практически полностью копирующий чертеж 2 стандарта ГОСТ 591­69, содержащий два вспомогательных отрезка (красный и зеленый), положение которых зависит от значения параметра e_m. Расстояние между отрезками при задании параметру «offset» значения «Нет» будет равно 0. Данный факт, в зависимости от набора геометрических ограничений в эскизе, может привести к непрогнозируемым изменениям примитивов, с примитивом, вырождающимся в точку, пример чего показан на рис. 5.

Рис. 4. Эскиз впадины зуба

Рис. 4. Эскиз впадины зуба

Рис. 5. Непрогнозируемые изменения

Рис. 5. Непрогнозируемые изменения

Поэтому при построениях моделей, особенно тех, для которых предполагается постоянное внесение изменений, следует избегать подобных ситуаций. Однако необходимо отметить, что появление данной ошибки зависит не только от примитивов с нулевыми размерами, но и от корректности набора геометрических ограничений в эскизе.

На примере эскиза впадины зуба для исключения ошибки следует заменить точку отсчета размера смещения и выполнить ее перенос с центра на один из краев наибольшей окружности звездочки. Благодаря такому переносу можно заменить элемент, превращающийся в ноль, на элемент, имеющий максимальную длину при e_m=0.

Дальнейшим действием является построение кругового массива впадин зубьев относительно оси вращения звездочки. В качестве количества элементов создаваемого массива необходимо указать параметр z_m.

Завершающим действием по построению модели является моделирование поверхности делительного диаметра звездочки. Потребность в данной поверхности возникает в связи с работой генератора цепных передач. Так, для расчета цепной передачи в случае применения в качестве исходных данных пользовательской модели с целью корректного расчета числа зубьев и построения остальных элементов передачи требуется указание именно делительного диаметра.

В случае необходимости последующего оформления рабочих чертежей в соответствии с ЕСКД требуется выполнить еще одно дополнительное действие: скопировать часть параметров в пользовательские свойства с целью формирования таблицы параметров на чертеже. Для этого создается правило, в котором проводится сопоставление параметров с создаваемыми свойствами.

Рис. 6. Пример интеграции модели в генератор

Рис. 6. Пример интеграции модели в генератор

Предлагаемый в работе алгоритм построения шаблонов моделей звездочек позволяет:

  • провести интеграцию с генератором цепных передач с корректным считыванием параметров с пользовательской модели (рис. 6);
  • повысить степень автоматизации процесса конструкторской документации за счет наличия свойств модели, не формируемых стандартным генератором;
  • использовать описанный механизм создания шаблонов для построения более сложных моделей, например с несколькими зубчатыми венцами;
  • расширять функционал или степень автоматизации процесса построения за счет внедрения дополнительных справочников, например параметров цепей, используемых на предприятии.

Для более детального изучения особенностей представленных в статье, вы можете скачать модель звездочки, выполненную в Autodesk Inventor 2019 (https://sapr.ru/files/zvezda.zip).