В статье рассматривается методология автоматизированного конструирования механизмов. Основные этапы конструирования разделяются на создание функциональной модели механизма, его конструктивного решения, геометрического моделирования деталей, кинематического и динамического моделирования механизма. На разных этапах конструирования применяются различные методы и модели. Для построения функциональной модели механизма используется IDEF0-диаграммы стандарта STEP. Для геометрического и кинематического моделирования механизма используется система ГРАФИКА-81. Основной задачей моделирования и анализа является определение структуры механизмов, формы их деталей и взаимодействие между ними. Использование математического моделирования позволяет анализировать механизмы с точки зрения габаритных размеров, рабочих диапазонов перемещения деталей механизма, прикладываемых усилий, учета сил трения и т.п. Проектировщики могут использовать эту методологию для определения рабочих диапазонов деталей механизмов и для вычисления траекторий движения деталей. Моделирование позволяет оценивать, сравнивать, развивать и улучшать проектируемые механизмы. Моделирование уменьшает затраты на анализ механизмов и показывает большинство ошибок, возникающих на этапе их проектирования. Методология рассматривается на примере эксцентрикового пневмозажима.
Функциональная модель механизма пневмозажима
Функциональная модель определяет функциональную структуру пневмозажима, т.е. производимые действия деталями пневмозажима и связи между этими действиями. При создании пневмозажима функциональная модель может использоваться сначала для определения требований и функций, а затем - для конструктивного решения принципа работы механизма. Функциональная модель механизма включает модели деталей, посредством которых эти функции осуществляются. Для построения функциональной модели используется IDEF0-диаграммы стандарта STEP [1,6]. IDEF0 - подмножество известной и широко используемой методологии SADT(Structured Analysis and Design Technique). IDEF0-диаграммы предназначены для описания функциональной модели изделий с различной степенью детализации и представляют собой графическое описание и набор процедур анализа, которые могут быть использованы для понимания принципов функционирования изделий. Построение начинается с общей модели А0-уровня, на котором определяются связи с внешней средой (рис.1) . А0 - уровень является самым общим и абстрактным описанием системы. |
|
|
Рассмотрим функцию пневмозажима с позиций физического процесса, протекающего в нем, необходимого для выполнения основной потребительской функции механизма: сообщение сил захватам пневмозажима, что обеспечивается передачей энергии через пневматические элементы к захватам (рис.2). Для регулировки силы существует система управления пневмозажимом.
Рисунок 2.
Функциональная модель пневмозажима
Промежуточными входами и выходами функций декомпозиции являются материальные, энергетические и информационные потоки, протекающие внутри пневмозажима и необходимые для выполнения основной потребительской функции. Механизмами реализации функций служат узлы и детали, входящие в состав пневмозажима (рис.3). Первой функцией, реализующей связь с внешней средой, является функция " изменение давления воздуха в цилиндре". Вторая функция "передача энергии давления" предназначена для смещения поршня и узла захватов. Заключительной функцией процесса является "трансфор-мация механической энергии поршня", преобразующая линейное перемещение поршня во вращательное движение узла захватов. Эта функция выполняется узлом зажима. Таким образом, завершается построение А0-уровня декомпозиции пневмозажима с точки зрения поведения и физического принципа действия.
Рисунок 3.
Сообщение сил захватам
Рассмотрим последующие действия по декомпозиции функции А0-уровня на примере функции "преобразование механической энергии поршня" (рис.4) . Внешним входом для данной функции является механическая энергия поршня, выходом - сила вращения захватов, механизмом реализации - узел зажима. В соответствии с физической сущностью процесса первым действием, происходящем в этой функции, является "смещение рычага", преобразующее механическую энергию поршня в механическую энергию рычага. Вторым действием является " вращение диска", преобразующее "механическую энергию рычага" в механическую "энергию вращения диска". Последним действием в рассматриваемой функции является "вращение захватов".
Рисунок 4.
Преобразование механической энергии поршня
Описание "И-ИЛИ"-графа вариантов структурных решений механизма пневмозажима
Согласно функциональной модели механиз-мами реализации функций, описывающих физическую сущность процесса, протекающего в пневмозажиме, является сборка, узлы, детали и поверхности деталей в зависимости от уровня декомпозиций. Различные варианты реализации механизма легко представить в виде "И-ИЛИ"-графа[5], в котором связи "И" говорят о том, что элемент верхного уровня состоит из всех элементов текущего уровня, объединенных такой связью. Связи "ИЛИ" отражают варианты реализации того или иного структурного решения. Рассмотрим "И-ИЛИ"-граф и методику построения общего структурного решения пневмозажима. "И-ИЛИ"-граф представляет собой иерархию структурных элементов. Всего выделяется пять основных уровней:- -сборка;
- -узел ;
- -деталь;
- -структурный элемент;
- -поверхность;
- -варианты реализации узла;
- -варианты реализации структурного элемента.
- А-узел зажима;
Б-узел преобразования движения;
В-узел усилителя.
Рисунок 5.
"И-ИЛИ"- граф структурных решений механизма пневмозажима
Так как создание силы вращения возможно только при последовательном выполнении всех трех основных функций А0-уровня, соответствующие им механизмы в графе объединяются дугой "И" (рис.5). Дальнейшие построения графа структуры пневмозажима рассмотрим в соответствии с примером построения функциональной модели. На А3-уровне функция "Преобразование механической энергии поршня" декомпозируется на три функции. В соответствии с декомпозицией А3-уровня функциональной модели процесс создания преобразования механической энергии поршня состоит из трех основных функций, которые реализуют следующие детали:
А-Рычаг. Он непосредственно получает механическую энергию смещения поршня и служит для вращения диска; Б-Диски для поддержки захватов. Конструкция дисков определяет места закрепления захватов; В-Захваты.
Узел преобразования движения предназначен для передачи энергии от узла пневматики к узлу зажима. Он включает:
- А-стержень поршня;
Б-толкатель рычага для передачи энергии от поршня к рычагу.
- А-цилиндр и его принадлежности;
Б-поршень.
Из приведенного выше описания следует, что в эксцентриковом пневмозажиме вращение захватов зажима осуществляется за счет смещения поршня.
Рисунок 6.
Структура механизма пневмозажима
В соответствии со структурой пневмозажима производится расчет основных геометрических характеристик пневмозажима, обеспечивающих заданные силы, силы трения и другие параметры. На основании полученных геометрических характеристик производится разработка конструкции, расчет прочности и надежности деталей.
Геометрическое моделирование механизма эксцентрикового пневмозажима
Геометрическое моделирование является одним из основных элементов автоматизированного конструирования изделий. Информация о геометрических характеристиках изделий используется не только для получения графического изображения, но и для расчета различных характеристик изделий, таких как анализ кинематики и динамики изделий и технологических параметров его изготовления.
Рисунок 7.
Объемные геометрические детали пневмозажима
В традиционном процессе конструирования обмен информацией осуществляется на основе чертежей с использованием справочной документации. В САПР этот обмен реализуется на основе геометрического моделирования изделий. Основой этого процесса является внутримашинное представление изделия, которое можно получать в результате последовательных отображений моделей изделия с учетом особенностей геометрического моделирования. Задача геометрического моделирования сводится к созданию геометрических моделей отдельных деталей пневмозажима, компоновки узлов и всех деталей в пространстве. Геометрическое моделирование пневмозажима проводилось на системе ГРАФИКА-81-3D[2]. С использованием средств интерактивного взаимодействия системы ГРАФИКА-81 было проведено описание трехмерных моделей отдельных деталей пневмозажима и всей конструкции в целом, накоплена база данных геометрических моделей деталей (рис.7).
 |
|
|
Геометрическая модель пневмозажима получается отображением, в котором все геометрические зависимости представлены в виде логической структуры данных. Например, деталь можно определить через конструктивные элементы, поверхности, ребра и точки. В геометрическом моделировании объект можно представить в виде проволочной и твердотельной моделей.
Конструктивными элементами проволочной модели являются ребра и точка (рис.8). Проволочную модель используют для представления двухмерных геометрических объектов на плоскости. На основе пространственной проволочной модели можно получать особые графические виды, например проекции. Однако, в общем случае получаемые изображения являются неоднозначными[3]. Непосредственно с помощью таких моделей невозможно автоматически анализировать процессы удаления невидимых линий и получения различных сечений.
 |
|
Твердотельная геометрическая модель пневмозажима |
Конструктивными элементами твердотельной модели являются точка, контурный элемент и поверхность (рис.9). При синтезе твердотельной модели, конструктивные элементы образуют узлы сетевой структуры, а дуги устанавливают связь между ними. Например, узел - есть точка пересечения трех контурных элементов. Контурный элемент всегда принадлежит двум поверхностям, поверхности всегда принадлежат объемам. Обособленным случаем твердотельной модели пневмозажима являются конструктивные модели геометрических объектов, которые могут быть получены следующим образом[3, 5]:
- Модель определяется как совокупность ограничивающих его поверхностей.
- Модель определяется комбинацией конструктивных элементов, каждый из которых образуется в соответствии с п. 1 . В качестве конструктивных элементов часто используется призма, конус, пирамида, цилиндр и сфера.
- Модель определяется теоретико-множественными операциями над конструктивными элементами (например, геометрическое объединение, пересечение, разность).
- Модель описывается с помощью кинематической модели: определяются контуры, ограничивающие деталь, на них натягивается поверхность.
Примеры описания деталей пневмозажима при геометри-ческом моделировании
Система геометрического моделирования ГРАФИКА-81-3D имеет развитые средства для описания моделей и их преобразований в интерактивном режиме команд и меню, а также для создания программ на специальном языке системы ГРАФИКА-81.Язык представлен множеством команд различного синтаксического типа. Команды состоят из имен и параметров. В качестве параметров используются константы и идентификаторы переменных. Существуют четыре группы команд:
- А-Общие команды для выполнения и управления программами и изображением,
работы с базой данных, ввода и вывода на внешние устройства и интерфейсов
с другими системами.
Б-Команды для задания и редактирования проволочных моделей. Проволочные модели являются основой для создания моделей твердых тел.
В-Команды для создания 2.5 мерных 2.5D моделей. Командами 2.5D создаются модели тел вращения и движения вдоль траектории.
Г-Команды для создания и редактирования моделей твердых тел.
**ПОДПРОГРАММА ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛИ ЗАХВАТА ПНЕВМОЗАЖИМА**
LIN ,PP,0,0,12,12 определение отрезка линииLIN,PP,0,0,-3,3
LIN,PP,-3,3,9,15
LIN,PP,9,15,8,17
LIN,PP,8,17,15,24
LIN,PP,12,12,14,11
LIN,PP,14,11,20,17
LIN,PP,20,17,23.86,16.56
CARC,15,15,9,90,10 определение дуги окружности
CIR,PR,16.5,19.5,1.5 определение окружности
ZOOMALL определение параметров визуализации
WRM2 CLAMP запись плоской модели
BODY CLAMP задание тела движения
SR,0,0,-0.5 задание сечения
SR,0,0,0.5
MOD3 создание 3D модели из проволочной
CYLI,1.5,1.5,0,1,0,12,15,0.5,90 генерация цилиндра
GLUE ALL склеивание всех 3D моделей
SHAD генерация растрового изображения
WRM3 Q4 запись описания 3D модели в файл с именем Q4
Параметр РР определяет точки (Х1,У1) , (Х2,У2) начала и конца отрезка. Параметр РР вводится в интерактивном режиме, например, перекрестьем на экране дисплея.
Проволочная и твердотельная модели захвата представлены на (рис.10)
Рисунок 10.
Проволочная и твердотельная геометрические модели
захвата
Кинематическое моделирование механизма пневмозажима
Кинематическое моделирование позволяет провести анализ конструкции механизма и определить рабочий диапазон перемещения деталей модели пневмозажима, а также уточнить формы деталей и их взаимное расположение. Кинематическое моделирование позволяет точно определить углы свободного перемещения деталей и вычислить траектории их движения.Моделирование необходимо для оценки, сравнения и улучшения механизма. Для кинеНовости. Хроника событийматического моделирования используется 3D геометрическая модель механизма и затем решается уравнение движения [4]. На рис.11 представлено функциональное отношение между элементами кинематического моделирования.
Рисунок 11.
Функциональное отношение между элементами кинематического
моделирования
Программа кинематического моделирования на входе получает управляющее движение и рабочий диапазон перемещения деталей, на выходе генерируются кадры компьютерного фильма, которые показывают анимацию и кинематическое поведение механизма пневмозажима (рис.12). Приведем пример описания процесса моделирования кинематики механизма пневмозажима с использованием специального входного языка системы ГРАФИКА-81:
**ПОДПРОГРАММА КИНЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ МЕХАНИЗМА ПНЕВМОЗАЖИМА**DELAL очистка экрана
REM3,KKMD чтение 3D модели неподвижных деталей пневмозажима
ZOOMALL изменение масштаба изображения и задание центра экрана
DEF,C1=0 определение начального значения переменной С1
DEF,S1=-30,0,0 определение координаты точки S1 центра вращения рычага
1Q
DEF,S2=14.9,25.8 определение координаты точки S2 центра вращения захвата
2Q
:M1 метка
EDI3,MV,123SZ,0,2.85 смещение модели узла преобразовании по Y=2.85
EDI3,RZ,1Q,-2.2,S1 вращение модели рычага 1Q вокруг оси Z, на угол
-2.2 градусов относительно неподвижной точки S1
EDI3,RZ,4A,-0.8 вращение модели диска вокруг оси Z, на угол -0.8 градусов.
Относительно неподвижной точки (0,0,0)
EDI3,RZ,2Q,-2.2,S2 вращение модели захвата 2Q вокруг оси Z, на угол
-2.2 градусов
относительно неподвижной точки S2
DEF,C1=C1+1 увеличение переменной С1
CLR стереть экран
GRAP рисовать на экране все активные модели
WRITE запись кадра и компьютерного фильма
IFLT,M1,C1,9 условный выход на метки М1 (9 раз)
** ПОДПРОГРАММА (WRITE ) ЗАПИСИ КАДРОВ**
CLR
SHAD
DEF,NUMB,{,20
WSCR,CADR{
DEF,C20=C20+1
** ПОДПРОГРАММА ( SHOW) ПОКАЗА КАДРОВ**
DEF,C20=1
:M2
DEFS,NUMB,{,C20
RSCR,CADR{
DEF,C20=C20+1
IFLT,M2,C20,100
 |
|
|
Таким образом, автоматизированное конструирование машиностроительных механизмов позволяет провести исследование вариантов их построения на структурном уровне. При этом целесообразно в качестве формального представления вариантов использовать аппарат "И-ИЛИ"-графов.
Детальное исследование конструкции выбранного варианта построения производится на системах объемного геометрического моделирования.
С использованием системы ГРАФИКА-81-3D решены вопросы компоновки конструкции пневмозажима, исследована кинематика его работы.
Литература
- Технология проектирования архитектуры информационных систем IDEF, М., МГТУ им. Баумана, 1991.
- Е.И. Артамонов, В.А. Загвоздкин, А.А. Шурупов, М.Ю. Щегольков, Языки взаимодействия пользователя с ЭВМ в системе "ГРАФИКА-81", М., ИПУ РАН, 1993.
- Г.Шпур, Ф.Л.Краузе,Автоматизированное проектирование в машиностроении, М., Машиностроение, 1988
- E.Sacks, L.Joskowicz, Automated modeling and kinematic simulation of mechanisms, Computer Aided Design, 1993
- Artamonov E.I., Shurupov A.A. GRAFIKA-81-3D,PROGRAM PACKAGE OF 3D-MODELLING,, Proceedings on International Conference of Information Technology in Design, EWITD,1996
- An Introduction to SADT, Softech Inc., Wathham, MA, Feb., 1976