Конечно-элементное моделирование, проектирование конструкции лотка ПЛ-750, статические нагрузки, программный комплекс Ansysworkbench

Оглавление

 

Введение

Для осуществления технологического процесса, обеспечения требуемого качества изделий, а также повышения эффективности  производства необходимы средства технологического оснащения. К этому классу технических систем относятся технологическое оборудование, средства механизации и автоматизации технологических процессов, а также технологическая оснастка. К последней категории относятся средства технологического оснащения, дополняющие технологическое оборудование для выполнения определенной части технологического процесса. Оснастка устанавливается на технологическое оборудование и является по своей сути адаптером между изделием, которое уникально, и оборудованием, которое, соответственно, универсально. К оснастке относятся: штампы, литейные формы, пресс-формы, станочные приспособления.

Приспособление - это технологическая оснастка, предназначенная для установки и закрепления деталей. Наиболее широко приспособления применяются для механической обработки. С их помощью обрабатываемые детали устанавливаются на оборудовании для механической обработки относительно режущего инструмента. Оборудование для механической обработки часто обозначают термином «станок». Соответственно, приспособление для механической обработки называют приспособлениями станочными. Достаточно распространены также сборочные приспособления. Они также обеспечивает установку деталей, но друг относительно друга. Наиболее характерный пример этого вида оснастки – сборочно-сварочные приспособления.

Автоматизация проектирования приспособлений – важное и актуальное направление автоматизации подготовки производства. Оснастка - одно из лимитирующих звеньев в технологической подготовке производства. Вследствие широкого применения в промышленности, средства технологического оснащения замыкают на себя огромные трудовые, материальные и стоимостные затраты. Эффективным путем решения проблемы своевременного и качественного обеспечения производственных процессов приспособлениями является применение информационных технологий в процессах их проектирования.

Программные средства поддержки таких  технологий являются целью данного  проекта, в рамках которого разработан модуль, обеспечивающий формирование геометрической модели приспособления для установки и закрепления детали по трем плоским граням.

1. ОБЗОР ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ

1. Средства технологического оснащения - класс технических систем, совокупность орудий производства, необходимых для осуществления технологического процесса, обеспечения требуемого качества изделий и эффективности производства.

Средства технологического оснащения  подразделяются на следующие подклассы:

- технологическое оборудование;

- средства механизации и автоматизации  технологических процессов (вспомогательных операций и переходов);

- технологическая оснастка.

Технологическая оснастка - это средства технологического оснащения, дополняющие технологическое оборудование для выполнения определенной части технологического процесса. Они устанавливаются на технологическое оборудование и являются по своей сути адаптером между изделием, которое уникально, и оборудованием, которое, соответственно, универсально. К оснастке относятся: штампы, литейные формы, пресс-формы, станочные приспособления. Иногда к этой категории относят режущий, вспомогательный и мерительный инструмент.

Приспособление - это технологическая оснастка, предназначенная для установки и закрепления деталей.

Приспособления для механической обработки – приспособления, обеспечивающие установку деталей на оборудовании для механической обработки относительно режущего инструмента. Оборудование для механической обработки часто обозначают термином «станок». Соответственно, приспособление для механической обработки – это станочное приспособление. Станочные приспособления подразделяются по виду этого самого оборудования: фрезерные, сверлильные, токарные, шлифовальные.

Сборочное приспособление – обеспечивает установку деталей конструкции друг относительно друга. Наиболее характерный пример этого вида оснастки – сборочно-сварочные приспособления.

Конструкция приспособления определяется схемой установки – совокупностью типов конструктивных элементов, применимых для реализации заданной схемы базирования.

Схема установки, в свою очередь, определяется схемой базирования - совокупностью поверхностей, используемых для определения положения детали в относительно других элементов технологического оборудования. Эти поверхности называются базами. (базовых).

Каждое тело в пространстве обладает шестью степенями свободы. Это значит, что у него есть возможность совершать поступательные перемещения вдоль трех взаимно перпендикулярных направлений, а также возможность вращаться относительно этих же трех направлений.

Установка детали – это ограничение степеней свободы.

Опорная точка – в контексте базирования и установки – это связь (математическая), ограничивающая перемещение детали в направлении нормали к поверхности в данной точке. Другими словами, степени свободы ограничиваются опорными точками.

Опорные точки располагаются на базовых поверхностях.

Количество опорных точек на каждой базе определяется ее типом.

Для ограничения поступательной степени  свободы достаточно точки. Физически  это значит, что против базы необходимо разместить только точечный упор. Такую  базу, ограничивающую только одну поступательную степень свободы, называют опорной. Если база цилиндрическая, она может ограничивать две поступательные степени свободы по двум взаимно перпендикулярным направления соответственно. Такая база называется двойной опорной. Точечный упор можно разместить на минимальной поверхности. Поэтому опорная и двойная опорная базы – это базы с минимальными размерами.

Вращательная степень свободы ограничивается парой точек. Чем дальше они расположены друг от друга, тем выше точность установки. Поэтому для ограничения вращательных степеней свободы следует использовать базы с большими размерами.

Боковая грань прямоугольника (рисунок 1а) длинная, но узкая. Широко расставить на ней можно только одну пару опорных  точек и, соответственно, ограничить только одну вращательную степень свободы (вращение в плоскости прямых 1 и 2). База, ограничивающая одну вращательную степень – направляющая база. Очевидно, что вместе с вращательной степенью свободы она ограничивает и поступательную (всякая опорная точка, как минимум, ограничивает перемещение), но важным в данном случае является ограничение вращательной степени. Отличительная черта направляющей базы – она должна быть длинной. В теории базирования говорится, что в качестве направляющей базы следует выбрать базу, «развитую хотя бы в одном направлении». Другими словами, среди базовых поверхностей следует выделить «длинную» грань. Эта грань может быть направляющей базой.

  

а)      б)

Рисунок 1

Нижняя грань прямоугольника (рисунок 1а) и длинная, и широкая. Поэтому  на ней опорные точки можно расставить «далеко друг от друга» в двух направлениях (прямые 1 и 2). Соответственно, ограничиваются две вращательные степени свободы (относительно этих направлений). Цилиндр (рисунок 1б) – длинный. На нем опорные точки можно расставить «далеко» только в одном направлении - вдоль оси. Однако, поскольку цилиндр – поверхность второго порядка, также «далеко» можно расставить еще две пары опорных точек. Каждая пара ограничивает вращательную степень. В сумме – две вращательные, как и у нижней грани параллелепипеда (рисунок 1а).

Как следует из приведенных примеров, для ограничения двух вращательных степеней выбирается самая большая  база. В теории базирования такая  база называется наиболее развитая.

Наиболее развитая база имеет особое значение. Во-первых, такая база только одна: вращательных степеней всего три, одна поверхность ограничила две из них, значит никакая другая более одной вращательной степени ограничить не может. Во-вторых, в типовых случаях наиболее развитая база присутствует обязательно.

Если наиболее развита плоская база – эта база установочная (рисунок 1а). Кроме двух вращательных степеней свободы (относительно направлений 1 и 2, рисунок 1а), установочная база ограничивает одну поступательную степень (перпендикулярно направлениям 1 и 2). На установочной базе размещаются три опорные точки.

Если наиболее развита цилиндрическая база – эта база двойная направляющая (рисунок 1б). Кроме двух вращательных степеней свободы (относительно направлений 2 и вертикали), двойная направляющая ограничивает две поступательные степени (вдоль направления 2 и вертикали). На двойной направляющей базе размещаются четыре опорные точки.

Математически степени свободы ограничиваются опорными точками. Опорные точки, в свою очередь, материализуются физически конструктивными элементами.

Исходя из сказанного, алгоритм принятия решений при автоматизированном проектировании выглядит следующим образом (рисунок 2):

Рисунок 2

 

1.2                                          Базирование по трем плоскостям

В качестве наиболее развитой базы можно  принять горизонтальную грань. Поскольку эта грань плоская (все базы плоские по условию), она - установочная база. То есть в выделенном наборе граней следует найти горизонтальную. Эта грань и будет установочной базой. Из двух оставшихся граней одна будет направляющей, вторая – опорной. Если одна из них длиннее другой, направляющей следует назначить ее. Вторая, соответственно, - опорная. При равенстве размеров граней распределение типов баз произвольное.

Установочной базе соответствует  три опорные точки, направляющей – две и опорной – одна. Каждая опорная точка установочной грани может быть реализована  опорой с плоской или сферической  головкой (рисунок 4). Боковые грани  целесообразно устанавливать цилиндрическими пальцами (рисунок 5). На рисунке 15а приведена схема установки, соответствующая приведенным принципам.

Отличительная особенность предложенной схемы – каждый элемент реализует  одну единственную опорную точку  и относится к одной единственной базе. В таком виде схему установки можно считать основной для заданной схемы базирования. Производные схемы получаются комбинированием элементов (близко расположенных): опора установочной базы и упорный палец базы опорной могут быть заменены комбинированным Г-образным элементом (рисунок 15б). Результат приведен на рисунке 15в.

В принципе, возможно и комбинирование, приведенное на рисунке 15г – замена опоры и упорного пальца Г-образным упором. Однако в данном случае деталь будет неустойчива. поэтому целесообразно дополнить данную схему дополнительной подводимой опорой.

 

а)      б)

 

в)      г)

Рисунок 15

 

3. Постановка задачи, цель проекта

2. Программно-методические средства проектирования приспособлений

1. Среда разработки приложений, системы геометрического моделирования

2. Конструктивные элементы

3. Автоматизация решения проектных задач

Корпус приспособления – это  часть конструкции, обеспечивающая установку и закрепление функциональных элементов приспособления, их взаимосвязь. Таким образом, в корпусе должны быть предусмотрено места для каждого элемента.

Исходные данные для проектирования корпуса – информация о привалочных гранях геометрических моделей элементов приспособления. В общем случае элемент устанавливается в конструкции посредством трех поверхностей. Для осесимметричного элемента достаточно двух. В геометрической модели элемента каждая такая поверхность становится гранью. Среди этих граней, как правило, есть одна плоская, которой элемент опирается на корпус. Эту грань называют привалочной (рисунок 1). Точки, характеризующие расположение привалочной грани, - исходная информация для формирования геометрии корпуса.

  

Рисунок 1- Привалочные грани элементов

Структура корпуса приспособления может быть различной. Она определяется различными факторами, такими, как габариты приспособления, особенности технологического процесса, в котором оно участвует и др. Разрабатываемые программно-методические средства ориентированы на приспособления для металлорежущих станков. Такое приспособление должно умещаться в рабочей зоне такого станка и неподвижно закрепляться в ней. Поэтому вполне можно ограничиться корпусом в виде плиты прямоугольной формы.

Из геометрической модели можно  извлечь различные виды данных, характеризующих  расположение того или иного объекта:

- точка привязки – начало  системы координат, в которой  описан объект;

- геометрический центр объекта;

- габаритный параллелепипед.

Если размеры объектов, для которых  проектируется корпус, малы по сравнению  с размерами пространства, которое  они занимают, а количество этих объектов велико, то можно обойтись одной характерной точкой на объект. В нашем случае размеры элементов вполне сопоставимы с габаритами рабочего пространства станка. Кроме того, информация о расположении элемента необходима более полная, чем одна точка, пусть даже центральная. Таким образом, в качестве характеристики расположения привалочной грани конструктивного элемента будет использоваться габаритный параллелепипед.