Как быстро и качественно разработать новое изделие и подготовить его промышленное производство

Р.А. Бирбраер, О.Ю. Гаршин, И.Г. Радченко, В.Д. Дудка, А.В. Морозов, Н.Н. Моисеев, Г.И. Колесников

Этап 3. Анализ движения (кинематика и динамика) деталей Механизма

   Выводы

Этап 4. Разработка управляющей программы для изготовления детали «снижатель»

   Установ 1

   Установ 2

   Выводы

Этап 5. Отработка процесса сквозного параллельного проектирования Механизма

   1. Распараллеливание процесса проектирования

   2. Информационная поддержка процесса проектирования

   Выводы

Общие выводы

Компания Solver

Инженерно-консалтинговая компания SOLVER продолжает цикл статей по реализованным ею проектам автоматизации проектирования и производства на ведущих отечественных предприятиях различных отраслей промышленности.

Этап 3. Анализ движения (кинематика и динамика) деталей Механизма

При анализе использовались следующие расчетные модули Pro/ENGINEER:

• Pro/MECHANICA Motion Simulation Package — анализ кинематики и динамики машин и механизмов;
• Pro/MECHANICA Structural Simulation Package — прочностной анализ деталей и сборочных узлов.

Согласно техническому заданию анализ изделия должен решить две задачи:

• моделирование и анализ движения составных частей Механизма;
• исследование напряженно-деформированных состояний ударника и зубьев снижателя.

Моделирование движения Механизма проводилось в два этапа.

На первом этапе исследовалось движение деталей всего Механизма. На основе полученных данных проводилось исследование напряженно-деформированного состояния снижателя.

На втором этапе проводилось исследование движения системы «затвор—ударник—лодыжка—упор». По результатам моделирования движения системы были определены усилия, действующие на ударник, и проводилось исследование его напряженно-деформированного состояния.

При моделировании Механизма были заданы следующие взаимодействия:

• затвора с направляющими коробки — связь «ползун» (slider);
• снижателя с затвором — штифтовое соединение (pin);
• снижателя с деталями коробки — податливые кулачковые соединения с трением;
• цилиндра со звеном, моделируемое двумя связями: по центру передней грани цилиндрической части звена вводится соединение «плоскость» (planar), а по центру задней — «шесть степеней свободы» (6dof);
• цилиндра с вертикальными зацепами затвора — соединение 6dof. Для его осей вводятся упругие силы, начинающие действовать в момент входа буртиков цилиндра в зацепы затвора и препятствующие горизонтальному перемещению и повороту цилиндра относительно затвора. Для снижения возможных осциллирующих эффектов дополнительно вводятся демпфирующие силы;
• взаимодействие цилиндра с зубьями снижателя и отражателем — контактные пары.

Для подвижных соединений введены силы трения: статический коэффициент — 0,075, динамический — 0,05 (за исключением взаимодействия цилиндра и звена, где в продольном направлении действуют следующие силы трения: статический коэффициент 0,15, динамический — 0,1).

На затвор действует усилие со стороны пружины, параметры которой приняты на основе следующих данных: в момент спуска длина пружины L = 336 мм, усилие F = 500 Н, в момент полного запирания затвора L = 536 мм, F = 130 Н.

Моделирование движения Механизма осуществляется с шагом 10 мкс начиная с момента нажатия на рычаг.

В результате моделирования движения Механизма определены значения положений, скоростей, ускорений и реакций в соединениях Механизма.

На рис. 1 представлен график зависимости сил контактных взаимодействий зубьев снижателя с цилиндром от времени. На рис. 2 — аналогичная зависимость для заднего выступа снижателя и скобы коробки.

Анализ графиков показывает, что усилия на зубья снижателя со стороны цилиндра достигают максимальных значений (Р_З = 21 260 Н при t = 261 мкс) несколько позже, чем в стыке заднего выступа снижателя со скобой коробки (Р_В = 31 990 Н при t = 259 мкс). Несмотря на то что последние значения в полтора раза выше, более опасными с точки зрения прочности снижателя могут оказаться силы, действующие со стороны цилиндра, так как зубья конструктивно являются менее прочными по сравнению с задним выступом. В связи с этим расчет прочности снижателя выполнен для двух моментов времени:

t = 259 мкс, Р_З = 11 010 Н, Р_В = 31 990 Н;

t = 261 мкс, Р_З = 21 260 Н, Р_В = 18 830 Н.

В обоих вариантах нагрузок к снижателю приложены также инерционные силы (гравитационные и центробежные), а в зоне взаимодействия с затвором введены граничные условия, препятствующие смещениям точек сопрягаемых поверхностей.

На рис. 3 представлены эквивалентные (по Мизесу) напряжения в снижателе для первого момента времени. Максимальные напряжения (до 3290 МПа) возникают у основания заднего выступа. Их уровень несколько ниже у основания скоса правого выступа, ослабленного выборкой материала зуба (3055 МПа).

Для второго момента времени уровень напряжений значительно возрастает (рис. 4). В указанной выше зоне правого зуба эквивалентные напряжения достигают значений 5680 МПа, а у оснований зубьев, в зоне ослабления их прорезями под цилиндрические направляющие затвора, — 3280 МПа. Для данного варианта напряжения в заднем выступе снижателя значительно ниже (1840 МПа).

Полученные данные о напряженных состояниях снижателя носят скорее качественный, а не количественный характер. Они позволяют выявить места концентрации напряжений. Численные же значения напряжений получаются завышенными по сравнению с реальной конструкцией. Это объясняется тем, что действующие на снижатель нагрузки получены в результате моделирования движения механизма в Pro/MECHANICA MOTION. Модуль оперирует абсолютно твердыми телами. Учитывается только их местная (контактная) податливость в контактных парах и кулачковых соединениях, а общая податливость деталей, обусловленная их деформацией, не принимается во внимание. Взаимодействия снижателя со смежными деталями носят ударный характер, нагрузки при этом в значительной степени зависят от общей податливости деталей.

При исследовании движения системы «затвор—ударник—лодыжка—упор» принималось условие, что снижатель с сегментами жестко связан с затвором. Таким образом, учитывалось влияние инертных характеристик снижателя при движении затвора. На затвор действует усилие со стороны пружины. Кроме того, по отношению к модели принималось условие, что ось лодыжки жестко связана с затвором, лодыжка и ось связаны штифтовым соединением (pin). Взаимодействия лодыжки с затвором по тыльной опорной поверхности, лодыжки с ударником и упором и ударника с гнездом затвора моделировались контактными зонами. Рассматривались три варианта начального положения ударника. В первом варианте ударник занимает промежуточное положение, при котором его передняя ударная часть совпадает с зеркалом затвора.

Во втором — ударник утоплен в гнездо затвора. Третий вариант соответствует прижиму ударника к лодыжке.

На рис. 5 представлены зависимости от времени сил контактных взаимодействий лодыжки с упором (красный цвет), лодыжки с ударником (зеленый цвет) и ударника с гнездом затвора (голубой цвет) для первого варианта начального положения ударника. На рис. 6 и 7 представлены аналогичные зависимости для второго и третьего вариантов положения ударника.

Так как при движении ударника контактные силы достигают максимальных значений в третьем варианте его начального положения, то расчет ударника на прочность проводился именно для этого варианта. К торцу шляпки ударника со стороны лодыжки прикладывалась нагрузка, равная 9964 Н (см. рис. 7). К телу ударника также прикладывались гравитационные силы, вызванные ускорением. В зоне взаимодействия ударника с гнездом затвора были введены граничные условия, препятствующие смещениям точек сопрягаемой поверхности.

На рис. 8 представлены эквивалентные (по Мизесу) напряжения в ударнике. Резкое возрастание уровней напряжений (до 2378 МПа) наблюдается в шляпке ударника по краям опорной поверхности. При фрезеровании паза под лодыжку опорная поверхность гнезда частично срезается. Поэтому шляпка ударника, выступая за края гнезда, взаимодействует с затвором не по всей торообразной поверхности, что вызывает резкую концентрацию напряжений в указанной зоне.

В качестве возможного варианта рассмотрена конструкция с заглублением гнезда в тело затвора, при котором шляпка ударника не выступает. При тех же внешних нагрузках напряжения в ударнике не превышают 667 МПа (рис. 9).

Эксплуатация изделия показывает, что после серии ударов лодыжки по ударнику (в холостом режиме) у последнего отламывается шляпка. Это происходит в зоне сопряжения цилиндрической части ударника со шляпкой. С целью предотвращения этого разрушения был выполнен расчет состояния ударника при его ударе о гнездо затвора, когда на него действуют максимальные инерционные нагрузки.

Расчет напряженно-деформированного состояния ударника при действии на него инерционных нагрузок выполнен при тех же граничных условиях, что и в исходной модели. Напряжения, соответствующие растяжению-сжатию ударника в продольном направлении, в указанной зоне равны 906 МПа (рис. 10).

В исходной конструкции ударника радиус галтели равен 1,5 мм. Для оценки влияния радиуса закругления на уровень возникающих напряжений выполнен расчет ударника с радиусом галтели 3 мм при тех же граничных условиях и нагрузках. В результате растягивающие напряжения уменьшились — с 906 МПа до 669 МПа (рис. 11).

Результаты моделирования напряженно-деформированных состояний ударника позволяют сделать следующие выводы:

• В момент, когда ударник ударяется о гнездо затвора, по нему одновременно происходит удар лодыжки. При этом максимальные напряжения возникают по границе опорной и выступающей (в результате частичного среза гнезда) зон галтельного перехода. Для уменьшения возникающих в ударнике напряжений рекомендуется заглубить гнездо в тело затвора, что обеспечит контакт соударяющихся тел по всей поверхности указанного перехода.
• Когда на ударник действуют максимальные инерционные нагрузки (в момент удара ударника о гнездо затвора), наибольшие напряжения наблюдаются в начале зоны галтельного перехода. Увеличение радиуса галтели приводит к уменьшению этих напряжений.

Выводы

Использование специализированных модулей инженерного анализа, входящих в состав программного комплекса Pro/ENGINEER, позволило выявить проблемные (с точки зрения прочности) участки Механизма. Анализ и оптимизация деталей изделия, проведенные на ранних стадиях проектирования, обеспечили его работоспособность и позволили придать необходимые эксплуатационные качества.

Этап 4. Разработка управляющей программы для изготовления детали «снижатель»

Для небольшой серии выпуска предложено изготавливать снижатель механической обработкой на оборудовании с ЧПУ. На основные операции были разработаны необходимые управляющие программы. Деталь предложено изготавливать из прямоугольной заготовки (две детали из одной заготовки) в специальном станочном приспособлении. Базирование заготовки в приспособлении происходит по двум предварительно изготовленным отверстиям (рис. 12).

При проектировании управляющих программ использовался технологический модуль программного комплекса Pro/ENGINEER: Production Machining Option — проектирование управляющих программ для оборудования механической обработки.

Деталь изготавливается по следующему технологическому маршруту:

Установ 1

• фрезерование плоскости (поверхность 26h11 мм) за два прохода с припуском на обработку противоположной поверхности цилиндрической фрезой Ж25 мм;
• фрезерование наклонной поверхности угловой фрезой Ж25 мм, 45°;
• предварительное фрезерование по внешнему контуру за четыре прохода по высоте с припуском 0,5 мм цилиндрической фрезой Ж25 мм (рис. 13);
• чистовое фрезерование по внешнему контуру за один проход по высоте цилиндрической фрезой Ж32 мм;
• фрезерование плоскости (поверхность 22h11 мм) с припуском на обработку противоположной поверхности за один проход цилиндрической фрезой Ж6 мм, радиус R1,5 мм;
• фрезерование кармана на глубину 3,1h14 мм за один проход по высоте цилиндрической фрезой Ж6 мм, радиус R1,5 мм (рис. 14);
• сверление отверстия Ж4Н9 мм на проход сверлом Ж4 мм;
• фрезерование внешних радиусов R5,5 мм и R2 мм по трехкоординатной УП сферической фрезой Ж16 мм.

Установ 2

Обработанная заготовка поворачивается на 180° и базируется по плоскости 26h11 мм и выступу 8Н12 мм (рис. 15).

• фрезерование плоскости в размер 26h11 мм за два прохода по высоте цилиндрической фрезой Ж25 мм (рис. 16);
• фрезерование наклонной поверхности угловой фрезой Ж25 мм, 45°;
• фрезерование плоскости в размер 22h11 мм за один проход по высоте цилиндрической фрезой Ж6 мм, радиус R1,5 мм;
• фрезерование кармана на глубину 3,1h14 мм за один проход по высоте цилиндрической фрезой Ж6 мм, радиус R1,5 мм (рис. 17, 18);
• фрезерование внешних радиусов R5,5 мм и R2 мм по трехкоординатной управляющей программе сферической фрезой Ж16 мм.

Далее заготовка разрезается на две половины, каждая из которых обрабатывается в специальном станочном приспособлении для получения внутренних полостей согласно чертежу.

Выводы

Описание технологического процесса и рисунки наглядно демонстрируют, как средствами Pro/ENGINEER можно создать управляющие программы для 2,5- и 3-координатной фрезерной обработки, просмотреть анимацию программы в удобном цветотеневом представлении, проверить управляющие программы на возможный зарез исходной детали и крепежных приспособлений.

Pro/ENGINEER также позволяет создавать управляющие программы для 2-4-координатной токарной обработки, 2-4-координатной проволочной электроэрозионной обработки, 2-координатной контурной обработки (для машин пламенной, плазменной, лазерной, водяной резки) и 2,5-5-координатной фрезерной обработки. Кроме того, предоставляется возможность оптимизации управляющих программ.

Этап 5. Отработка процесса сквозного параллельного проектирования Механизма

Одним из основных преимуществ внедрения системы проектирования и подготовки производства Pro/ENGINEER является возможность использования технологии сквозного параллельного проектирования, обеспечиваемого модулем управления инженерными данными, входящим в состав системы: Pro/ INTRALINK Workgroup Manager — организация процесса сквозного параллельного проектирования.

Основные возможности Pro/INTRALINK, влияющие на успешный ход процесса проектирования и подготовки производства:

1. Распараллеливание процесса проектирования

Достигается следующими функциональными особенностями Pro/INTRALINK:

• четкое распределение ролей участников разработки изделия за счет определения соответствующих прав доступа к объектам проектирования. В системе существуют стандартные «роли» (Designer, Manager, View Only и т.д.), кроме того, можно создать и настроить собственные «роли»;
• единый файл-сервер. Файл-сервер в Pro/INTRALINK реализуется программно, то есть физически это может быть несколько компьютеров, с возможностью организации кластеров и параллельного дублирования данных. Пользователь при этом работает с привычными для него понятиями — папка, файл и т.д.;
• способность Pro/INTRALINK читать структуру файлов Pro/ENGINEER. В результате обеспечивается необходимое взаимодействие объектов моделирования (сборок, деталей, чертежей) при параллельном процессе проектирования. Появляется возможность без загрузки Pro/ENGINEER выполнять различные манипуляции над объектами проектирования: изменять атрибуты, переименовывать и копировать с сохранением необходимых взаимосвязей и т.д.;
• одна из важнейших особенностей Pro/INTRALINK — интеграция изменений, сделанных параллельно различными конструкторами, в единую модель. Это обеспечивает целостность конструкторского замысла при одновременной работе над изделием нескольких инженерных групп.

2. Информационная поддержка процесса проектирования

• оповещение других пользователей системы о своих намерениях с помощью специальных атрибутов (Lock/Unlock — «заблокировать/разблокировать», Modify with Warning — «модификация с уведомлением», Read Only — «только для чтения», Intent to modify — «намерение модифицировать»);
• создание любых пользовательских атрибутов. Атрибуты полностью ассоциативно назначать как в Pro/ENGINEER, так и в Pro/INTRALINK;
• просмотр различной информации об объекте проектирования: куда входят связи «родитель/ребенок», перечень деталей. Отслеживаются версии изделия, дата последней модификации, имя конструктора, создавшего или модифицировавшего объект, и т.д.;
• поддерживается работа с фреймами, позволяющими вернуться на любое количество шагов процесса проектирования;
• кроме «родных» объектов Pro/ENGINEER, Pro/INTRALINK поддерживает любые другие типы файлов (например, документы Microsoft Office). При работе с этими файлами обеспечивается практически полная функциональность Pro/INTRALINK — поддержка атрибутики, отслеживание версий, связи, работа с фреймами и т.д.

И еще один немаловажный аспект. Коллективная работа в едином информационном пространстве Pro/INTRALINK требует от конструктора определенной организации своей деятельности — поддержки единого соглашения о наименовании файлов электронных моделей, электронного уведомления пользователей о своих намерениях, своевременного заполнения атрибутов и т.д. Такая организация конструкторского труда повышает эффективность сквозного параллельного проектирования в целом.

На рис. 18 показано основное информационное окно — так называемое рабочее окно проекта, содержащее всю информацию об объектах проекта:

• имя, тип, обозначение объекта;
• его текущее состояние — новый, измененный и т.д.;
• его состояние в рамках проекта — заблокирован, изменяется или изменен другим пользователем.

Объекты в Pro/INTRALINK уникальны — в базе проектов не может быть двух объектов с одинаковыми именем и типом. Таким образом, при модификации объекта внесенные изменения автоматически отразятся во всех проектах, куда входит данный объект.

Между объектами возможно добавление подчиненного или родительского типа связи. Кроме того, в любой момент можно менять структуру связей между объектами, входящими в проект.

В качестве примера организации сквозного параллельного проектирования рассмотрим процесс проектирования снижателя и его изготовления по этапам:

• пользователи загружают модель для работы;
• пользователь-конструктор сообщает о намерении изменить объект;
• пользователь-технолог получает уведомление о намерении пользователя-конструктора изменить объект;
• пользователь-конструктор изменяет геометрию снижателя и сохраняет измененный объект в базе данных проекта;
• пользователь-технолог получает уведомление о том, что снижатель изменен;
• пользователь-технолог обновляет модель снижателя и управляющую программу.

Выводы

Использование модуля управления инженерными данными Pro/INTRALINK позволяет реализовать сквозное параллельное проектирование и подготовку производства изделия на базе программного комплекса Pro/ENGINEER. При организации такой системы все задачи конструкторско-технологической подготовки производства решаются в едином информационном пространстве при одновременном доступе к данным проекта всех участвующих в разработке конструкторских, технологических и производственных групп. Это позволяет существенно сократить сроки конструкторского и технологического проектирования и существенно повысить качество выпускаемых изделий.

Общие выводы

Задачи, изложенные в техническом задании, были полностью решены в ходе выполнения Экспериментального проекта.

Широкий набор программных средств, входящих в программный комплекс Pro/ENGINEER, позволил решить весь спектр поставленных задач:

• конструирование и разработку технической документации в соответствии с ЕСКД;
• инженерный анализ и оптимизацию параметров изделия;
• проектирование средств технологического оснащения;
• организацию проекта разработки и документооборота.

Реализация принципа сквозного параллельного проектирования и подготовки производства с использованием программного комплекса Pro/ENGINEER продемонстрировала высокую эффективность предложенной технологии, что выразилось в значительном сокращении сроков конструкторско-технологической подготовки и повышении ее качества.

Проведение всестороннего анализа изделия на этапе его проектирования позволило обеспечить необходимые эксплуатационные характеристики изделия.

Руководством ГУП «Конструкторское бюро приборостроения» принято решение о приобретенеии в июне 2001 года 10 рабочих мест, оснащенных программным комплексом Pro/ENGINEER.

«САПР и графика» 6'2001