Разработка 3D модели ступенчатого вала
Федеральное агентство по образованию
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Воронежский государственный технический университет»
(ГОУ ВПО «ВГТУ»)
Факультет автоматизации и роботизации машиностроения.
Кафедра «Технология машиностроения»
КУРСОВАЯ РАБОТА
По дисциплине: «Компьютерные технологии в машиностроении»
Тема: «Разработка 3D модели ступенчатого вала.
Разработка 2D чертежа вала. Оптимизация режимов резания по критерию погрешности силового отжима и машинного времени обработки вала. Исследование погрешности обработки, вызванной износом инструмента. Исследование детали с помощью количественных показателей технологичности детали»
Выполнил: ст. гр. ТМ-062 Смолянов Д.А.
Проверил: д.т.н., профессор
Воронеж 2009
Содержание
Введение…………………………………………………………
1. Разработка 3D модели………………………………………………………..
2. Разработка чертежа 2D……………………………………………………… 7
3. История развития информационных технологий в машиностроении……..10
4. Оптимизация режимов по критерию силового отжима…………………….21
5. Исследование погрешности обработки, вызванной износом инструмента..30
6.Исследование детали с помощью количественных показателей
технологичности детали………………………………………………………...
Заключение……………………………………………………
Список литературы…………………………………
Введение
Цель данной работы заключается в том, чтобы ознакомиться с областью применения на практике с некоторыми видами программных средств автоматизации машиностроения, изучить методы построения 3D моделей и чертежей 2D в компас, используя программные средства провести оптимизацию режимов резания по критерию погрешности силового отжима и по критерию погрешности износа инструмента. Оценить эффективность и удобство использования компьютерных технологий в машиностроении, чтобы в дальнейшем пользоваться ими и совершенствовать полученные навыки. Так как в наши дни наблюдается быстрое развитие и применение компьютерных технологий в таких отраслях, как авиастроение, автомобилестроение, тяжелое машиностроение, архитектура, строительство, нефтегазовая промышленность, картография, геоинформационные системы, а также в производстве товаров народного потребления, например бытовой электротехнике. В машиностроении компьютерные технологии используются для проведения конструкторских, технологических работ, в том числе работ по технологической подготовке производства. С помощью компьютерных технологий выполняется разработка чертежей, производится трехмерное моделирование изделия и процесса сборки, проектируется вспомогательная оснастка, например штампы и пресс-формы, составляется технологическая документация и управляющие программы (УП) для станков с числовым программным управлением (ЧПУ), ведется архив.
РАЗРАБОТКА 3D МОДЕЛИ
В среде КОМПАС 3D выполним твердотельную модель ступенчатого вала.
Создаем новый документ. Выбираем «Деталь» рисунок 1.
1. Выбираем плоскость ZY и нажимаем «Эскиз» рисунок 2.
2. Постройте эскиз согласно рисунку:
В нашем примере ось вращения смещена относительно контура будущего
колеса, в результате при вращении контура будет образовано и посадочное
отверстие.
3. Выйдите из режима создания эскиза, отжав кнопку Эскиз .
4. Для создания тела вращения, выберите команду Операция вращения
Упрощенное построение изображения зуба. Моделирование
зуба
1. Выберите торцевую плоскость и постройте на ней следующий эскиз
согласно схеме упрощенного построения зуба, приведенного выше (Z=44,
m=1, d
a=46). Линии построения создавайте стилем линии –
Вспомогательная, а контур зуба – Основная.
2. Выйдите из эскиза, выберите команду Приклеить выдавливанием ,
установите величину выдавливания, равную ширине зубчатого венца.
В результате получим модель зуба
3. Выделите зуб в дереве построения, если выделение снято, выберите
команду построения Массива по концентрической сетке
4. На панели свойств щелкните левой кнопкой мыши на кнопке Ось и
укажите, также щелчком мыши, цилиндрическую поверхность зубчатого
венца или ступицы, в результате программа выберет ось массива,
совпадающей с осью тела вращения. Задайте количество элементов массива (в нашем примере – 44).
5. Создайте объект.
Построение ассоциативного вида чертежа детали. (2D чертежа)
Главная панель - Файл – создать - чертеж
Главная панель – вставка – вид с модели – стандартный – разместить
фантом видов на поле формата – щелкнуть.
Выбор формата
По умолчанию в
качестве исходного формата (
Первый лист в соответствии с ГОСТ- 2.104-68.
Для выбора другого формата щелкните на поле самого формата (листа) правой кнопкой мыши. Во всплывающем меню щелкните левой кнопкой по пункту Параметры текущего чертежа. В появившемся диалоговом окне Параметры щелкнуть на вкладке Текущий чертеж. Щелкнуть по знаку + перед пунктом Параметры листа – далее - Формат – в правой части окна выбрать формат А3 и ориентацию Горизонтальный.
Проставить размеры.
3 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ
Система автоматизированного проектирования ( САПР, в англоязычном написании CAD System - Computer Aided Design System) - это система, реализующая проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека и ЭВМ [22].
В настоящий момент существует
несколько классификационных
Современный рынок машиностроения предъявляет все более жесткие требования к срокам и стоимости проектных работ. Проведение конструкторских работ, нацеленных на создание качественной, конкурентоспособной продукции, связано с подготовкой точных математических моделей узлов и агрегатов, а также с выполнением огромного объема математических расчетов, необходимых для инженерного анализа конструкций. Основной путь повышения конкурентоспособности предприятия связан с резким сокращением сроков создания моделей и ускорением расчетов математических параметров на всех этапах разработки продукции. Таким образом, применение высокопроизводительных систем автоматизированного проектирования, технологической подготовки производства и инженерного анализа (CAE/CAD/CAM-систем) стало ключевым элементом бизнеса предприятия, работающего на современном рынке машиностроения.
Применение линейки, циркуля
и транспортира на чертежной доске
привело к технической
История САПР в машиностроении разделяется на несколько этапов. Первый этап формирования теоретических основ САПР начался в 50-х годах прошедшего столетия.
В основу идеологии положены разнообразные математические модели, такие как теория B-сплайнов, разработанная И. Шоенбергом (I.J. Schoenberg) в 1946 г. Моделированию кривых и поверхностей любой формы были посвящены работы П. Безье (P.E. Bezier), выполненные в 60-х годах. В этот период сформировалась структура и классификация САПР. Объекты проектирования стали рассматриваться с точки зрения различных областей науки, базовые подсистемы САПР разделились на геометрические, прочностные, аэродинамические, тепловые, технологические, и т. п, впоследствии их стали классифицировать как CAD, CAE, CAM, PDM, PLM.
САПР на базе подсистемы машинной графики и геометрического моделирования (собственно CAD - Computer Aided Design) решают задачи, в которых основной процедурой проектирования является создание геометрической модели, поскольку любые предметы описываются в первую очередь геометрическими параметрами.
САПР системы технологической подготовки производства (CAM - Сomputer Aided Manufacturing) осуществляют проектирование технологических процессов, синтеза программ для оборудования с ЧПУ, моделирование механической обработки и т.п. в соответствии с созданной геометрической моделью.
САПР системы инженерного анализа (CAE - Computer Aided Engineering) позволяют анализировать, моделировать или оптимизировать механические, температурные, магнитные и иные физические характеристики разрабатываемых моделей, проводить симуляцию различных условий и нагрузок на детали.
Как правило, эти пакеты работают, используя метод конечных элементов, когда общая модель изделия делится на множество геометрических примитивов, например тетраэдров. Основными модулями программ анализа являются препроцессор, решатель и постпроцессор.
Исходные данные для препроцессора - геометрическая модель объекта - чаще всего получают из подсистемы конструирования (CAD). Основная функция препроцессора - представление исследуемой среды (детали) в сеточном виде, т.е. в виде множества конечных элементов.
Решатель - программа, которая преобразует модели отдельных конечных элементов в общую систему алгебраических уравнений и рассчитывает эту систему одним из методов разреженных матриц.
Постпроцессор служит для визуализации результатов решения в удобной для пользователя форме. В машиностроительных САПР это форма - графическая. Конструктор может анализировать поля напряжений, температур, потенциалов и т.п. в виде цветных изображений, где цвет отдельных участков характеризует значения анализируемых параметров.
Наконец, системы управления инженерными данными (PDM - Product Data Management) обеспечивают хранение и управление проектно-конструкторской документацией разрабатываемых изделий, ведение изменений в документации, сохранение истории этих изменений и т. п.
На первом этапе развития возможности систем в значительной мере определялись характеристиками имевшихся в то время недостаточно развитых аппаратных средств ЭВМ. Для работы с системами САПР использовались графические терминалы, подключаемые к мэйнфреймам. Процесс конструирования механических изделий заключается в определении геометрии будущего изделия, поэтому истории CAD-систем практически началась с создания первой графической станции. Такая станция Sketchpad, появившаяся в 1963 г, использовала дисплей и световое перо. Ее создатель И. Сазерленд в дальнейшем работал в агентстве ARPA и возглавлял департамент анализа и обработки информации, а позже стал профессором Гарвардского университета.
Развитие компьютерной графики сдерживалось не только аппаратными возможностями вычислительных машин, но и характеристиками программного обеспечения, которое должно было стать универсальным по отношению к использовавшимся аппаратным средствам представления графической информации. С 70-х годов прошлого века разрабатывался стандарт графических программ. Стандарт на базисную графическую систему включал в себя функциональное описание и спецификации графических функций для различных языков программирования.
В 1977 г. ACM представила документ Core, который описывал требования к аппаратно-независимым программным средствам. В 1982 г. появилась система Graphical Kernel System (GKS), принятая в качестве стандарта в 1985 г, а уже в 1987 г. был разработан вариант GKS-3D с ориентацией на 3D-графику.
Параллельно с развитием CAD-систем бурное развитие получили CAM-системы автоматизации технологической подготовки производства. В 1961 г. был создан язык программирования APT (Automatic Programming Tools), впоследствии этот язык стал основой многих других языков программирования применительно к оборудованию с числовым программным управлением. Параллельно с работами, проводившимися в США, в СССР Г.К. Горанский создал первые программы для расчетов режимов резания.
Разработанный к 1950 г. метод конечных элементов послужил толчком к развитию систем инженерного анализа CAE. В 1963 г. был предложен способ применения метода конечных элементов для анализа прочности конструкции путем минимизации потенциальной энергии.
В 1965 г. NASA для поддержки проектов, связанных с космическими исследованиями, поставила задачу разработки конечно-элементного программного пакета. К 1970 г. такой пакет под названием NASTRAN (NAsa STRuctural ANalysis) был создан и введен в эксплуатацию. Стоимость разработки, длившейся 5 лет, составила $4 млн. Среди компаний, участвовавших в разработке, была MSC (MacNeal-Schwendler Corporation), которая с 1973 г. начала самостоятельно развивать пакет MSC.NASTRAN, впоследствии ставший мировым лидером в своем классе продуктов. С 1999 г. компания MSC называется MSC.Software Corporation. В 1976 г. был разработан программный комплекс анализа ударно-контактных взаимодействий деформируемых структур DYNA-3D (позднее названный LS-DYNA).
Мировым лидером среди программ анализа на макроуровне считается комплекс Adams (Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems), разработанный и совершенствуемый компанией Mechanical Dynamics Inc. (MDI). Компания создана в 1977 г. Основное назначение комплекса Adams - кинематический и динамический анализ механических систем с автоматическим формированием и решением уравнений движения.
Широкое внедрение систем САПР в то время сдерживалось высокой стоимостью программных продуктов и "железа". Так, в начале 80-х годов прошлого века стоимость одной лицензии CAD-системы доходила до $100000 и требовала использования дорогостоящей аппаратной платформы.
Следующий этап развития ознаменовался
началом использования
В этот период математический аппарат плоского геометрического моделирования был хорошо "доведен", способствуя развитию плоских CAD-систем и обеспечивая точность геометрии до 0,001 мм в метровых диапазонах при использовании 16-битной математики. Появление 32-разрядных процессоров полностью обеспечило потребности плоских CAD-систем для решения задач любого масштаба.
Развитие CAD-систем следовало двум подходам к плоскому моделированию, которые получили название твердотельный и чертежный. Чертежный подход оперирует такими основными инструментами как отрезки, дуги, полилинии и кривые. Операциями моделирования на их основе являются продление, обрезка и соединение. В твердотельном подходе основными инструментами являются замкнутые контуры, а остальные элементы играют вспомогательную роль. Главными операциями моделирования являются булевы объединение, дополнение, пересечение.
В 80-е годы прошлого века характеристики использовавшегося для САПР вычислительного оборудования значительно различались. Аппаратной платформой CAD/CAM-систем верхнего уровня были дорогие высокопроизводительные рабочие станции с ОС Unix. Такая техника позволяла выполнять сложные операции как твердотельного, так и поверхностного объемного моделирования применительно к деталям и сборочным узлам из многих деталей. Идеология систем объемного моделирования базируется на объемной мастер-модели; при этом определяется геометрия поверхности не по проекциям отдельных сечений, а интегрально - для всей спроектированной поверхности. Используя модель, можно получить информацию о координатах любой точки на поверхности, а также сформировать плоские изображения: виды, сечения и разрезы. Геометрическая модель позволяет легко получить такие локальные характеристики как нормали, кривизны и интегральные характеристики - массу, объем, площадь поверхности, момент инерции.
Системы объемного моделирования также базируются на двух подходах к построению поверхностей модели: поверхностном и твердотельном. При использовании поверхностного моделирования конструктор определяет изделие семейством поверхностей. При твердотельном способе конструктор представляет изделие семейством геометрических примитивов, таких как куб, шар, цилиндр, пирамида, тор. В отличие от чертежа модель является однозначным представлением геометрии и количественного состава объекта. Если в сборочном чертеже болт представляется несколькими видами, то в объемной сборке - одним объектом, моделью болта.
Поверхностное моделирование получило большее распространение в инструментальном производстве, а твердотельное – в машиностроении. Современные системы, как правило, содержат и тот, и другой инструментарий и позволяют работать как с телами, так и с отдельными поверхностями, используя булевы и поверхностные процедуры.
Принято делить CAD/CAM-системы по их функциональным характеристикам на три уровня (верхний, средний и нижний). В 80-е годы прошлого века такое деление основывалось на значительном различии характеристик использовавшегося для САПР вычислительного оборудования. CAD-системы нижнего уровня предназначались только для автоматизации чертежных работ, выполнявшихся на низкопроизводительных рабочих станциях и персональных компьютерах.
К 1982 г. твердотельное моделирование начали применять в своих продуктах компании IBM, Computervision, Prime, но методы получения моделей тел сложной формы не были развиты, отсутствовал аппарат поверхностного моделирования. В 1983 г. была разработана техника создания 3D-моделей с показом или удалением скрытых линий. В 1986 г. компания Autodesk выпустила свой первый CAD-продукт Autocad - однопользовательскую версию на языке "C" с поддержкой формата IGES. В области автоматизации проектирования унификация основных операций геометрического моделирования привела к созданию универсальных геометрических ядер, предназначенных для применения в разных САПР. Распространение получили два геометрических ядра: Parasolid (продукт фирмы Unigraphics Solutions) и ACIS (компания-разработчик Spatial Technology). Ядро Parasolid было разработано в 1988 г. и в следующем году стало ядром твердотельного моделирования для CAD/CAM Unigraphics, а с 1996 г. - промышленным стандартом.
Необходимость обмена данными между различными системами на различных этапах разработки продукции способствовала стандартизации описаний геометрических моделей. Вначале появился стандарт IGES (Initial Graphics Exchange Specification). Фирма Autodesk в своих продуктах стала использовать формат DXF (Autocad Data eXchange Format). Затем были разработаны язык Express и прикладные протоколы AP203 и AP214 в группе стандартов ISO 10303 STEP (Standard for Exchange Product Model Data). В 1986 г. появился ряд новых стандартов. Среди них CGI (Computer Graphics Interface) и PHIGS P (Programmer's Hierarchical Interactive Graphics System) - стандарт ANSI, принятый в качестве стандарта ISO в 1989 г. В 1993 г. компанией Silicon Graphics предложен стандарт OpenGL (SGI Graphical Language), широко используемый в настоящее время.
В упомянутых системах используются графические форматы для обмена данными, представляющие собой описание изображения в функциях виртуального графического устройства (в терминах примитивов и атрибутов). Графический формат (метафайл) обеспечивает возможность запоминания графической информации, передачи ее между различными системами и интерпретации для вывода на различные устройства. Такими форматами явились CGM - Computer Graphics Metafile, PostScript - Adobe Systems Language, GEM - GEM Draw File Format и др.
Работы по стандартизации
были направлены на расширение функциональности
графических языков и систем, включение
в их состав средств описания не только
данных чертежей и 3D-моделей, но и других
свойств и характеристик изделий.
Примерами CAD/CAM-систем верхнего уровня
являются Unigraphics (UGS, первый вариант разработан
в 1975 г.), CATIA (компания Dassault Systemes, 1981 г.),
Pro/Engineer (PTC, 1987 г.). К числу САПР
верхнего уровня в 90-е годы относились
также EUCLID3 (Matra Datavision), I-DEAS (SDRC), CADDS5 (Computervision),
но их развитие было прекращено
в связи со слиянием компаний. Еще раньше
система CADDS5 была приобретена компанией
PTC (Parametric Technology Corp.). Эта компания, штаб-квартира
которой расположена в США, была
основана в 1985 г. бывшим профессором
Ленинградского университета Семеном
Гейзбергом.
Третий этап развития начинается развитием микропроцессоров, что привело к возможности использования CAD/CAM-систем верхнего уровня на персональных ЭВМ. Это заметно снизило стоимость внедрения САПР на предприятиях. Рабочие станции на платформе Windows - Intel не уступали Unix-станциям по функциональности и многократно превосходят последние по объемам продаж. Стоимость лицензии снизилась до нескольких тысяч долларов. В 1992 г. корпорация Intergraph, один из ведущих на тот момент производителей CAD-систем для машиностроения, приняла решение о разработке нового программного продукта, целиком построенного на базе платформы Windows - Intel. В результате в конце 1995 г. появилась система геометрического моделирования Solid Edge. В 1993 г. В США была создана компания Solidworks Corporation и уже через два года она представила свой первый пакет твердотельного параметрического моделирования Solidworks на базе геометрического ядра Parasolid. В 1998 г. к Unigraphics перешло все отделение Intergraph, занимавшееся САПР для машиностроения. В это же время Solid Edge сменила геометрическое ядро ACIS на ядро Parasolid. В 1999 г. появилась шестая версия Solid Edge на русском языке. Временные затраты на разработку крупнейших интегрированных CAD/CAM решений превысили 2000 человеко-лет.
Ряд CAD/CAM систем среднего
и нижнего уровней был
Четвертый этап (начиная с конца 90-х годов) характеризуется интеграцией CAD/CAM/CAE-систем с системами управления проектными данными PDM и с другими средствами информационной поддержки изделий.
На этом этапе многие предприятия уже прошли первый этап автоматизации. В основу процессов проектирования и производства была положена геометрическая модель изделия, которая применялась на всех этапах подготовки производства. При такой форме организации производства начинают эффективно функционировать сквозные процессы, опирающиеся на геометрию модели. В первую очередь это подготовка производства с помощью CAM-систем. Сложность геометрии современных изделий неуклонно возрастает, и изготовление их без геометрической модели практически невозможно. Максимальная эффективность от внедрения САПР достигается тогда, когда система включает в себя не только конструкторское, но и технологическое проектирование.
Сложность управления проектными данными, необходимость поддержания их полноты, достоверности и целостности, необходимость управления параллельной разработкой привели в 80-е годы к созданию системам управления проектными данными PDM (Product Data Management).
В начале 80-х годов компания CDC разработала первую PDM-систему под названием EDL. В 90-х годах активно разрабатывались продукты PDM для САПР в машиностроении. Одной из первых развитых PDM-систем являлась система Optegra компании Computervision. В этот же период компания Unigraphics Solutions (UGS) совместно с Kodak разработала PDM-систему iMAN. В 1998 г. компания PTC вышла на рынок PDM-систем, купив компанию Computervision и ее Internet-ориентированную PDM-технологию Windchill. В последние годы происходило быстрое развитие PDM-систем: появились ENOVIA и Smarteam от Dassault Systemes, Teamcenter от UGS и другие.
Среди российских систем PDM наиболее известными являются Лоцман: PLM компании Аскон, PDM STEP Suite, разработанная под НПО "Прикладная логистика", Party Plus компании Лоция-Софт и т.д.
Итак, термин САПР (система автоматизации проектирования) подразумевает комплексный подход к разработке изделия и включает совокупность систем CAD/CAM/CAE. Развитие систем геометрического моделирования, анализа и расчета характеристик изделия сопровождается интеграцией в рамках предприятия. Мировой рынок обособленных CAD/CAM решений уже насыщен, системы близки по функциональности, и темпы роста этого сегмента рынка минимальны. По этой причине происходит усиление интеграции систем CAD/CAM/CAE с системами PDM, которые позволяют хранить и управлять проектно-конструкторской документацией на разрабатываемые изделия, вносить в документацию изменения, поддерживать хранение истории этих изменений. Распространение функций PDM-систем на все этапы жизненного цикла продукции превращает их в системы PLM (Product Lifecycle Management). Развитие систем PLM обеспечивает максимальную интеграцию процессов проектирования, производства, модернизации и сопровождения продукции предприятия и по сути имеет много общего с концепцией интегрированной поддержки жизненного цикла изделия.
4 Оптимизация режимов резания по критерию погрешности силового отжима и машинного времени обработки вала
Исходные данные:
диаметр вала = 30r6,
длина вала при первом варианте закрепления (консольный) = 96 мм,
длина вала при втором варианте закрепления (двухопорный) = 360 мм,
ITk = 0,013 мм,
ITT = 0,0091 мм,
Rz = 0,63 мкм,
Ra = 0,1575 мкм.
Рисунок 19 Виды закрепления
Далее выбираем необходимые виды обработки в соответствии со значением шероховатости Ra.
Рисунок 20 Вид обработки
Выбираем диаметр заготовки
для обоих вариантов
Для консольного варианта зацепления:
Суммарный припуск = 1,76 мм, отклонение круглого проката = 1,1 мм.
. Округляем до 32 мм.
Для двухопорного варианта зацепления:
Суммарный припуск = 1,76 мм, отклонение круглого проката = 1,1 мм.
. Округляем до 32 мм.
Рисунок 21 Выбор диаметра
Далее задаем глубину на сторону и подачу для ранее выбранных видов обработки (переходов).
Консольный вариант закрепления заготовки:
1 переход: глубина 0.5 мм, подача 0.45 мм/об, размеры державки 16*25 мм;
2 переход: глубина 0.25 мм, подача 0.2мм/об, размеры державки 16*25 мм;
3 переход: глубина 0.12 мм, подача 0.1 мм/об, размеры державки 16*25 мм;
Двухопорный вариант закрепления заготовки:
1 переход: глубина 0.5 мм, подача 0.45 мм/об, размеры державки 16*25 мм;
2 переход: глубина 0.25 мм, подача 0.2 мм/об, размеры державки 16*25 мм;
3 переход: глубина 0.12 мм, подача 0.1 мм/об, размеры державки 16*25 мм.
Задаем параметры инструмента:
главный угол в плане – 45, вспомогательный угол – 10, угол наклона главного лезвия – 0, радиус скругления вершины резца – 2.
Рисунок 22 Параметры инструмента.
Получаем данные переходов.
Рисунок 23 Данные 1-го перехода
Рисунок 24 Данные 2-го перехода
Рисунок 25 Данные 3-го перехода
А также получаем графики скорости и силы, времени и прогиба, график погрешности для консольного и двухопорного закреплений заготовки.
Рисунок 26 График зависимости скорости от подачи
Рисунок 27 График зависимости машинного времени 1 от подачи
