Автоматизация проектирования приводов вращательного движения в модуле APM Drive комплекса APM WinMachine

Владимир Шелофаст, Вадим Шелофаст, Сергей Григорьев

Редактор задания кинематических схем

Задание исходных данных

Анализ результатов расчета

Проектирование валов в APM Drive

Заключение

Любая машина может быть упрощенно представлена как цепь последовательных устройств, которая начинается двигателем и заканчивается исполнительным механизмом. Между двигателем и исполнительным механизмом установлен передаточный механизм (передача). Двигатель, совместно с передачей, обычно называется приводом. Передача, позволяющая уменьшить число оборотов на выходе по отношению ко входу, носит название редуктора.

Модуль APM Drive, являющийся составной частью комплекса APM WinMachine, представляет собой инструмент комплексного расчета и проектирования привода вращательного движения произвольной структуры. С помощью APM Drive можно получить геометрические размеры зубчатых и червячных колес, а также подобрать подходящие размеры подшипников качения и валов. По результатам проектировочного расчета можно выполнить генерацию чертежей привода в целом и отдельных составляющих его деталей. Процедура вычислений всех элементов кинематической цепи выполняется как автоматически, так и в режиме диалоговой корректировки, в зависимости от полученных промежуточных результатов.

Таким образом, использование модуля APM Drive позволяет полностью автоматизировать процесс проектирования редукторов.

Во всем мире, и в России в частности, ежегодно изготавливаются сотни миллионов приводов. В связи с этим автоматизация процедуры их расчета и проектирования представляется нам крайне актуальной. Следует отметить, что к началу разработки модуля APM Drive, ориентированного на решение этой актуальной задачи, уже была проделана большая подготовительная работа, обеспечившая успешное выполнение данного проекта. В качестве базового программного обеспечения были использованы модули, которые уже давно и эффективно эксплуатировались в рамках системы APM WinMachine, такие как APM WinTrans, APM WinBear, APM WinShaft и APM Data, а также APM Graph с его параметрическими свойствами. В результате в течение короткого времени были созданы все расчетные и интерфейсные операции по проектированию привода.

Важно отметить, что APM Drive представляет собой и объединяющий, и управляющий модуль, который готовит информацию для функционирования и последовательного запуска каждого из перечисленных выше модулей. При этом в полном объеме можно использовать возможности всех этих модулей. Разумеется, при отсутствии хотя бы одного из них работа APM Drive оказывается невозможной.

Поскольку все вышеназванные модули уже рассматривались на страницах журнала «САПР и графика», не имеет смысла подробно их описывать. Далее мы остановимся лишь на принципиально новых моментах.

Редактор задания кинематических схем

Необходимую для проведения расчета и проектирования всего многообразия приводов вращательного движения информацию следует подготовить с помощью встроенного редактора задания произвольных кинематических схем (рис. 1). Он организован таким образом, что формирование кинематических схем обеспечивается за счет использования примитивов, из которых собирается кинематическая цепь произвольной структуры. Редактор предназначен также для ввода исходных данных, необходимых для выполнения проектировочного расчета как привода в целом, так и отдельных его элементов.

Используемые примитивы можно условно разделить на три группы:

1. Подшипники качения.
2. Передачи вращательного движения.
3. Вспомогательные элементы кинематических схем.

В группу подшипников качения включены подшипники следующих типов:

• шариковые радиальные;
• шариковые радиальные сферические;
• шариковые радиально-упорные;
• шариковые упорные;
• роликовые радиальные однорядные;
• роликовые радиальные двухрядные сферические;
• роликовые радиально-упорные конические;
• роликовые упорные.

К группе передач отнесены передачи вращения следующих типов:

• цилиндрические прямозубые наружного зацепления;
• цилиндрические косозубые наружного зацепления;
• шевронные;
• цилиндрические прямозубые внутреннего зацепления;
• конические с прямым зубом;
• конические с круговым зубом;
• червячные.

Отметим, что в последней версии APM Drive можно выполнить комплексный расчет не только передач с неподвижными осями, но и планетарных передач различных кинематических схем.

Группа вспомогательных элементов кинематических схем включает следующие элементы:

• валы вертикальные и горизонтальные (такие наименования отражают их расположение на экране монитора);
• точки входа и выхода кинематической цепи;
• элементы определения соосных и несоосных схем.

В редакторе кинематических схем предусмотрены различные процедуры редактирования, модификации элементов схемы и многие другие операции, которые облегчают работу исполнителя, делая ее простой и результативной.

Задание исходных данных

Для задания исходных данных расчета параметров кинематической цепи привода необходимо вызвать процедуру ввода исходных данных (рис. 2). В этом режиме вводятся:

• крутящий момент на выходе цепи;
• частота вращения выходного вала;
• передаточное отношение кинематической цепи;
• требуемое время работы проектируемого привода.

Кроме того, можно задать график нагрузки, а также материалы, из которых изготовлены валы.

Анализ результатов расчета

По результатам расчета, произведенного локальными модулями APM WinTrans и APM WinShaft, можно отрисовать элементы передач и валы, оформленные в виде рабочего чертежа деталей. Рассчитанные с помощью APM WinBear подшипники качения можно отрисовать, используя базу данных. Инструментальной средой для создания чертежа и его последующего редактирования является графический редактор APM Graph, представляющий собой составную часть APM WinMachine и предназначенный для подготовки и просмотра графической информации всех без исключения модулей.

Весовые и объемные характеристики привода зависят от варианта разбивки передаточного отношения, поэтому, кроме автоматической разбивки, предусмотрена и процедура ручного разбиения, при которой учитываются пожелания пользователя и которая может быть продиктована анализом полученных в результате расчета данных. В дальнейшем планируется ввести операцию оптимизации конструкции привода в зависимости от заданной целевой функции.

Программа завершает работу чертежом собранного привода. Хочется напомнить, что цель любого проектирования — создание равнопрочной и легкой конструкции; для данного объекта это может быть достигнуто или изменением разбивки передаточных чисел элементов, или вариацией коэффициента ширины колес, или выбором соответствующего материала и режима термообработки. Все операции редактирования и модификации проходят в интерактивном режиме. Для выполнения этого анализа на печать выводятся такие величины, как полный вес элементов привода и занимаемый этой конструкцией объем. Операция проектирования завершается генерацией чертежей привода, включая изображение корпуса. Графические процедуры реализованы в модуле APM Graph, но в случае необходимости геометрические объекты можно экспортировать в другие графические системы.

Проектирование валов в APM Drive

Особое внимание следует уделить процедуре проектирования валов в APM Drive (рис. 3). Численные значения геометрических размеров вала определяются расчетом на статическую и усталостную прочность. Если в результате расчета значение коэффициента запаса прочности оказывается меньше единицы, то диаметр вала увеличивается и расчет повторяется снова. Такая процедура повторяется до тех пор, пока прочность не станет удовлетворительной.

Однако на валу еще не прорисовываются автоматически канавки, фаски, галтели и другие геометрические атрибуты, поэтому в дальнейшем их нужно будет ввести в режиме корректировки и модификации.

Заключение

Отметим, что APM Drive представляет собой наукоемкий продукт, в основе которого лежат самые современные алгоритмы и решения описанных выше задач. Мы не располагаем сведениями о существующих аналогах модуля APM Drive и по этой причине считаем его уникальным. Следует также отметить, что при разработке любых программных продуктов под маркой APM WinMachine, в том числе и APM Drive, поддерживаются многочисленные российские стандарты и учитывается опыт, накопленный отечественными конструкторами, в данном случае при проектировании приводов.

Наконец, этот программный продукт традиционно имеет удобный интуитивно понятный интерфейс, выполненный в едином стиле с другими нашими разработками, что позволяет легко выполнять проектирование привода произвольной структуры.

Мы надеемся, что модуль APM Drive займет достойное место в линейке программных продуктов системы APM WinMachine, причем не только в промышленности, но и в системе высшего образования. Хотим обратить особое внимание преподавателей технических университетов, занятых подготовкой студентов по механике и основам проектирования, на следующее обстоятельство. Сейчас в программы всех технических университетов входит курсовой проект по основам конструирования машин. Используя модуль ARM Drive, можно выполнить эту работу в автоматическом режиме (рис. 4). Безусловно, наличие такого программного обеспечения значительно обогатит одноименный курс, изучаемый в технических университетах и в учебных заведениях среднего звена, и наполнит его новым содержанием (рис. 5).

И еще одно немаловажное замечание. Несмотря на существенную разницу в ценах университетской и коммерческой версий, по содержанию они абсолютно идентичны. Свою задачу как разработчика мы видим в том, чтобы, поставляя высшим и средним специальным учебным заведениям совершенное многофункциональное программное обеспечение, создать условия для подготовки в этих учебных заведениях высококвалифицированных современных специалистов, способных создавать сложное техническое оборудование, механизмы и машины, конкурентоспособные на мировом рынке.

«САПР и графика» 6'2002