Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Метод описания конструкции изделия на модульном уровне

Метод описания конструкции изделия на модульном уровне

Проектирование изделия включает разработку конструкции, расчеты на жесткость, точность, прочность, виброустойчивость и другие показатели качества, оформление технической документации, основу которой составляют чертежи конструкции, ее деталей и пояснительная записка.
Однако традиционное оформление чертежей дает неполное представление о конструкции изделия. В частности, отсутствует в явном виде информация о структуре конструкции изделия, подчиненности ее элементов, конструкторских базах, размерных связях между элементами и др.
На чертежах деталь представляется лишь как совокупность элементарных геометрических поверхностей без указания их функционального назначения, конструкторских баз, совместного участия в выполнении служебной функции детали.
Анализ конструкции изделия по чертежам дает лишь поверхностное представление (состав деталей, их расположение, масса деталей и изделия, применяемые материалы, габаритные размеры, некоторые сведения о точности).
В результате при анализе и оценке конструкции изделия для выявления недостающей информации приходится затрачивать много времени. При этом возникают ошибки в понимании конструкции, ее функционировании, а это приводит к ошибкам в простановке размеров, назначении допусков, к ошибкам при разработке технологических процессов изготовления и ремонта изделия, его деталей и др. Кроме того, отсутствие указанной информации затрудняет сопоставление конструкции с другими вариантами.
С другой стороны, отсутствие необходимой информации приводит к неоднозначному пониманию конструкции. Это в свою очередь вызывает ошибки при построении схем замещения изделия при расчетах конструкции по разным показателям качества, например, при расчетах на точность, жесткость, теплостойкость, виброустойчивость и, как следствие, к ошибкам в расчетах.
В связи с изложенным становится очевидной актуальность разработки метода построения схемы замещения конструкции изделия, отражающей ее внутреннее содержание. Такая схема замещения должна быть дополнением к чертежам конструкции изделия и его деталей.
Как известно, изделие представляет собой техническую систему в виде структурированного множества элементов. Огромное разнообразие изделий как по назначению, так и по конструктивному решению является главным препятствием в решении поставленной задачи.
Разработка единого метода построения схемы замещения конструкции изделия — сложная задача и должна базироваться на применении идеализированных объектов, взаимоотношения между которыми с достаточной точностью отражали бы существенные связи между реальными элементами изделия.
Такой подход позволяет абстрагироваться от конкретных решений, выделять существенные связи между реальными элементами конструкции, отражающими сущность любой конструкции изделия.
Элементами изделия являются различного рода механизмы, устройства, приспособления и детали, из которых они состоят, выступая в роли функциональных элементов. Между ними существуют определенные связи, которые выражаются в виде подчиненности одних элементов другим, в результате чего одни из элементов выступают в роли конструкторской базы по отношению к другим (другому).
В качестве схемы замещения конструкции изделия предлагается граф иерархической структуры, где в качестве узлов графа выступают элементы конструкции, а его ребра отражают связи между ними.
Граф изделия должен иметь вид, представленный на рис. 1. Из этого графа следует, что изделие содержит два устройства (У1) и (У2) и три детали 1, 2, 3. Из них деталь 1 является базовой, на которой смонтированы устройство У1 и детали 2, 3, а на детали 2 смонтировано У2.
Структура изделия содержит три уровня: на уровне 1 — деталь 1, на уровне 2 — У1, детали 2, 3 и на уровне 3 — У2.
В соответствии со своим служебным назначением элементы в конструкции изделия могут быть лишены или всех степеней свободы, или иметь одну или несколько степеней свободы.
Чтобы отразить эту информацию, на ребрах графа указываются координаты, показывающие каких степеней свободы лишен соответствующий элемент изделия. Например, на рис. 1 элементы У1 и У2 лишены всех степеней свободы: трех перемещений по координатам х, у, z и трех вращений, Q(z) вокруг соответственно осей X, Y, Z.
Деталь 2 имеет одну степень свободы — вращение вокруг оси X, а деталь 3 — возможность поступательного движения вдоль оси Y. Все остальные элементы лишены всех степеней свободы.


Рис. 1. Граф 1 изделия, рассматриваемого как совокупность устройств и деталей

Элементы, которые выступают в роли баз для других элементов, на графе обведены двойным контуром.
На ребрах графа могут быть указаны и качественные показатели конструкции изделия. Так, на рис. 2 показан тот же граф, у которого на ребрах указаны квалитет (IT), характеризующий точность положения элемента относительно базового, а также жесткость связей (j) между элементами.
Аналогично на ребрах могут быть указаны и другие качественные характеристики, например, прочность, теплостойкость и др.
В общем случае значения качественных характеристик связей между элементами по разным координатам могут быть разными. В таких случаях на каждом ребре должны быть указаны значения качественных характеристик по каждой координате.
Таким образом, с помощью графа в дополнение к чертежам конструкции получают информацию о структуре изделия в виде числа уровней, расположения на них соответствующих элементов, значений качественных характеристик элементов, по которым можно определить значение качественных характеристик всей конструкции изделия.


Рис. 2. Граф 1 деталей изделия с указанием точности положения каждого элемента изделия

Среди элементов изделия деталь является ее наименьшим элементом и предназначена выполнять соответствующее служебное назначение, для чего служат исполнительные поверхности детали, которые делятся на рабочие и базирующие. Для их объединения в пространственное тело в детали есть связующие поверхности. Выполняет деталь свое служебное положение, как правило, сочетаниями поверхностей. Чтобы отразить функциональное назначение поверхностей детали и их совместное участие в выполнении той или иной функции детали, было введено понятие модуля поверхностей (МП). Под МП понимается сочетание поверхностей, с помощью которого деталь выполняет соответствующую функцию [1]. В частном случае МП может быть представлен одной поверхностью. По своему служебному назначению модули поверхностей подразделяются на базирующие (МПБ), рабочие (МПР) и связующие (МПС).
Таким образом, деталь представляет собой в общем случае совокупность базирующих, рабочих и связующих модулей поверхностей.
С помощью МПБ происходит соединение деталей, когда монтируемая деталь своим МПБ (комплектом основных баз) присоединяется к МПБ (комплекту вспомогательных баз) базовой детали. Совмещение этих МПБ получило название модуля соединения (МС).
С помощью МПР деталь участвует в рабочем процессе. Например, если это резец, то МПР — это совокупность режущих поверхностей, если деталь — зубчатое колесо, то МПР — это набор эвольвентных участков боковых поверхностей зубьев, с помощью которых передается крутящий момент. Соответственно и чертеж детали должен содержать информацию о составляющих ее модулях поверхностей, представляя деталь как своего рода сборочную единицу (рис. 3).
Граф изделия может быть трех уровней: граф 1 первого уровня отражает изделие как совокупность устройств, механизмов и деталей, граф 2 второго уровня — совокупность деталей и граф 3 третьего уровня — совокупность МП конструкции изделия.
Построение графов разных уровней начинается с графа 1 (см. рис. 1). Чтобы построить граф 2, надо представить элементы У1 и У2 соответствующими графами их деталей, которые строятся так же, как и граф 1: на первом уровне — базовая деталь, на втором уровне — базируемые на ней детали и т.д. Пусть их графы имеют вид, показанный на рис. 4. Подставляя вместо устройств их графы в граф 1, получим граф 2, показывающий изделие как совокупность деталей (рис. 5).

Рис. 3. Эскиз детали, представленной совокупностью модулей поверхностей

Из графа 2 следует, что изделие как совокупность деталей состоит из пяти уровней, где на первом уровне располагается деталь 7, на втором — детали 4, 2, 3, на третьем уровне — детали 5, 6, 7, на четвертом — детали 8, 10, 11 и на пятом уровне — деталь 9. Как следует из графа 2, базами для других деталей являются детали 1, 4,2, 7 и 8.
На ребрах этого графа должны указываться те же характеристики, что и на ребрах графа 1. Дополнительно на ребрах графа указываются модули соединения (МС) деталей, с помощью которых они соединяются, как это показано на рис. 5. Номера МС указывают, по каким МПБ происходит соединение деталей (рис. 6).

Рис. 4. Графы:
а — устройства 1; б — устройства 2

МС могут представлять собой как неподвижные, так и подвижные соединения. Если деталь в результате присоединения лишается всех степеней свободы, то МС является неподвижным соединением, а МП, которые образуют этот МС, являются полными комплектами баз.
В тех случаях, когда присоединяемой детали оставляется одна или несколько степеней свободы, МС является подвижным соединением и образующие его МПБ будут являться неполными комплектами баз.
Условимся подвижные МС обозначать с индексом — координатой, по которой деталь имеет степень свободы. Например, МСХ означает, что соединение подвижное и присоединяемой детали оставлена одна степень свободы — поступательное перемещение вдоль координатной оси X.

Рис. 5. Граф 2 изделия, рассматриваемого как совокупность деталей

Рис. 6. Номенклатура МС

Как известно, вся номенклатура МС ограничена семью наименованиями [1] (рис. 6).
Однако не все МС в силу своей конструкции могут предоставлять присоединяемой детали степени свободы. Из всех наименований МС только MCI, MC2, МС4 и МС7 могут выступать в роли подвижных соединений.
МС1 — это совмещение двух компонентов баз, каждый из которых условно образует координатный угол. Такая конструкция МС может предоставлять присоединяемой детали одну или три степени свободы (рис. 7, а, б): в первом случае — поступательное движение вдоль координатной оси, например, X, тогда модуль обозначается MC1х, а во втором — два взаимно-перпендикулярных поступательных движения и одно вращательное движение вокруг третьей координатной оси, модуль соединения обозначается как МС1xyф.
В качестве примера МСХ можно привести соединение в виде ползуна с направляющими, имеющим поступательное движение.
МС2, являясь подвижным соединением, может предоставлять две связанные степени свободы (рис. 7, в) — поступательное движение вдоль координатной оси и вращательное движение вокруг этой оси, с помощью которых осуществляется винтовое движение. Обозначается такой модуль соединения как МС2Хx,ф. Примером такого модуля является соединение винт — гайка.
МС4 может предоставлять присоединяемой детали одну или две независимые степени свободы (рис. 7, г, д, е). В качестве одной степени свободы может быть поступательное или вращательное движение детали, а в случае наличия двух независимых степеней свободы — поступательное движение вдоль координатной оси и вращательное движение вокруг этой же координатной оси.
В первом случае модуль соединения обозначается МС4Х(Ф); обозначение ф в скобках указывает на то, что может быть или поступательное, или вращательное движение.
Во втором случае модуль соединения обозначается МС4Х,ф, что показывает одновременное наличие поступательного и вращательного движений.
МС7 в зависимости от конструкции может предоставлять одну или три степени свободы. Например, при шарнирном соединении присоединяемой детали дается три степени свободы — три вращения вокруг координатных осей. В этом случае модуль соединения обозначается МС7.
Для построения графа 3 надо у графа 2 все детали заместить графами их МП. Тогда получим граф 3 изделия как совокупности МП (рис. 8). На рис. 8 с целью экономии площади обозначения модулей поверхностей указаны в сокращенном виде, т.е. вместо МПБ, МПР и МПС показаны Б, Р и С со своими кодами в соответствии с их классификацией [1]. Таким образом, наиболее полную информацию об изделии предоставляет граф 3, так как в дополнение к информации графов 1 и 2 он показывает детали как совокупности МП, отражая состав МП, структуру и связи между МП.

Рис. 7. Примеры подвижных соединений:
а — МС1 с одной степенью свободы — поступательным движением; б — МС1 с тремя степенями свободы — с двумя взаимно-перпендикулярными поступательными движениями и вращением; в — МС2 с двумя связанными степенями свободы, образующими винтовое движение; г - МС4 с одной степенью свободы — вращением или поступательным движением; д — МС4 с двумя степенями свободы — вращением и поступательным движением; е — МС с одной степенью свободы — поступательным движением


Рис. 8 Граф 3 МП изделия

Представление конструкции изделия графами наряду с преимуществом — наглядностью имеет и свои недостатки при описании изделий, содержащих несколько десятков и более деталей. К недостаткам относятся: необходимость большого пространства и большой объем графической информации, что делает граф труднообозримым. Эти недостатки особенно ярко проявляются при построении графа изделия как совокупности МП. Поэтому можно предложить информацию с графа записывать в табличной форме.

1. Содержание графа изделия

Уровень

Устройство

Деталь

Al

-

Д1

А2

УД1

Д2/Д2; ДЗ/Д1

A3

У2/Д2

-

СУММ А=3

СУММ У = 2

СУММ Д = 3

Условимся при заполнении таблицы обозначать соединение деталей в виде дроби, где в числителе записывается монтируемый элемент, а в знаменателе — элемент, выступающий в качестве базы.
В табл. 1 приведена информация с графа 1 (см. рис. 2), из которой следует, что изделие состоит из трех уровней, содержит два устройства и три детали. На первом уровне располагается базовая деталь Д1, на втором уровне — устройство У1 и детали Д2, ДЗ, везде базой является деталь Д1. На третьем уровне располагается устройство У2, базой которого является деталь Д2 со второго уровня.
В табл. 2 и 3 приведена информация с графов соответственно устройств У1 и У2 (см. рис. 4).
Как следует из табл. 2, устройство У1 содержит два уровня с тремя деталями. На первом уровне располагается деталь Д4, на втором уровне детали 5 и 6, базой которых является деталь Д4.
Из табл. 3 следует, что устройство У2 содержит три уровня с пятью деталями. На первом уровне располагается деталь Д7, на втором уровне — детали Д8, Д10, Д11, базой которых является деталь Д7.
На третьем уровне располагается деталь Д9 с базой Д8.
Табл. 4 отражает информацию с графа 2 изделия, рассматриваемого как совокупность деталей.
В табл. 4 в отличие от табл. 1...3 дополнительно рядом с дробью в скобках указывается модуль соединения этих деталей. Из табл. 4 видно, что изделие состоит из пяти уровней.

2. Содержание графа устройства У1

Уровень

Деталь

Б 1

Д4

Б2

Д5/Д4; Д6/Д4

СУММ B = 2

СУММ д = 3

3. Содержание графа устройства У2

Уровень

Деталь

Б 1

Д7

Б2

Д8/Д7;Д10/Д7;Д11/Д7

БЗ

Д9/Д8

СУММ Б = 3

СУММ Д = 5

4. Содержание графа изделия, представленного совокупностью деталей

Уровень

Деталь

В 1

Д1

В2

Д4/Д1 (МС 2); Д2/Д1 (МС 4Ф); ДЗ/Д1 (МС 1у)

ВЗ

Д5/Д4 (МС 5); Д6/Д4 (МС 3)

В4

Д8/Д7 (МС 1); Д10/Д7 (МС 1); Д11/Д7 (МС2)

В5

Д9/Д (МС 2)

СУММ В = 5

ЕД = 11; МС1 = 3; МС2 = 4; МСЗ = 1; МС4 = 1; МСЗ = 1; ЕМС = 10

В табл. 5, отражающей граф 3, кроме информации из табл. 4 содержится информация об МП, их составе, количестве и уровнях, на которых они располагаются.
Записи, приведенные в табл. 5, расшифровываются следующим образом. На первом уровне располагается модуль поверхностей Б11, принадлежащий детали Д1, которая располагается на графе 2 на первом уровне и на графе 1 тоже на первом уровне.
На втором уровне располагаются модели поверхностей Р21, Б311 и С122, все они принадлежат детали Д1.
На третьем уровне располагаются модули поверхностей Б211 и Б11, тоже принадлежащие детали Д1. При этом они входят в состав модулей соединения соответственно МС2 и МС1Г
На четвертом уровне располагаются модули поверхностей Б212, Б312 и Б12.
Модуль Б212, входящий в состав модуля соединения МС2, принадлежит детали Д4, располагающейся на графе 2 на втором уровне. Этот же модуль входит в состав устройства У1 на первом уровне, а само устройство У1 располагается на втором уровне графа 1. Таким же образом расшифровываются записи остальных модулей поверхностей по всем уровням.
Согласно табл. 5 изделие, представленное структурированным множеством МП, состоит из 12 уровней, содержит 45 модулей поверхностей, из них МПБ - 21, МПР - 3 и МПС - 21.
Предложенный метод замещения может быть использован в расчетах на точность, жесткость, прочность и другие показатели качества изделия.
Для этого соответствующий граф дополнительно наделяется необходимой информацией.
Рассмотрим в качестве примера использование графов для размерного анализа конструкции изделия, заключающегося в построении размерных цепей и их расчете.
Размерный анализ включает установление замыкающих (исходных) звеньев, их характеристик, выявление размерных цепей, выбор метода достижения точности: замыкающего (исходного) звена и расчет характеристик составляющих звеньев.
Наиболее сложным из перечисленных этапов является этап выявления размерных цепей, который до сих пор в определенной степени носит творческий характер и практически не поддается автоматизации.
Использование графов 2, 3 для построения размерных цепей позволяет предложить весьма простую методику их выявления и тем самым упростить решение этой задачи.
Для построения размерных цепей надо воспользоваться графом 3, так как только в нем находят отражение размеры деталей в виде ребер, связывающих соответствующие МП и определяющих относительное положение последних.

5. Содержание графа изделия, представленного совокупностью модулей поверхностей

Уровень

МП

Г 1

Б 11 (Д1, Bl) A1

Г2

Р21 (Д1, Bl) A1; Б 311 (Д1, Bl) A1; С 122 (Д1, В1)А1

ГЗ

Б 211 (МС2) (Д1, Bl) A1; Б 11 (МС 1у) (Д1.В1) А1

Г4

Б 212 (МС 2) (Д4, В2) (У1, Б1) А2; Б 312 (МС 4Ф) (Д2, В2) А2; Б 12 (МС 1у) (ДЗ, В2) А2

Г5

Б 321 (МС 5) (Д4, В2) (У1, Б1) А2; С 111 (Д4, В2) (У1, Б1) А2; Б 211 (МС 2) (Д4, В2) (У1, Б1) А2; С 122 (Д2, В2) А2; Б 221 (МС 3) (Д2, В2) А2; С 121 (ДЗ, В2) А2

Гб

Б 322 (МС 5) (Д5, ВЗ) (У1, Б2) А2; Б 212 (МС 2) (Д6, ВЗ) (У1, Б2) А2; Б 222 (МС 3) (Д7, ВЗ) (У2, Б1) A3; С 122 (ДЗ, В2) А2

Г7

Р 22 (Д5, ВЗ) (У1, Б2) А2; С 112 (Д5, ВЗ) (У1, Б2) А2; С 21 (Д6, ВЗ) (У1, Б2) А2; С 122 (Д6, ВЗ) (У1, Б2) А2; С 21 (Д7, ВЗ) (У2, Б1) A3; С 121 (ДЗ, В2) А2

Г8

С 121 (Д5, ВЗ) (У1, Б2) А2; С 111 (Д6, ВЗ) (У1, Б2) А2; С 111 (Д6, ВЗ) (У1, Б2) А2; Б 12 (МС 1) (Д7, ВЗ) (У2, Б1) A3; Б 12 (МС 1) (Д7, ВЗ) (У2, Б1) A3; Б 212 (МС 2) (Д7, ВЗ) (У2, Б1) A3

Г9

Б 11 (МС 1) (Д8, В4) (У2, Б2) A3; Б 1 1 (МС 1) (Д10, В4) (У2, Б2) A3; Б 211 (МС 2) (Д11, В4) (У2, Б2) A3

Г 10

С 112 (Д8, В4) (У2, Б2) A3; Б 212 (МС 2) (Д8, В4) (У2, Б2) A3; С 122 (Д8, В4) (У2, Б2) A3; С 22 (Д10, В4) (У2, Б2) A3; Р 21 (Д10, В4) (У2, Б2) A3; С 22 (Д11, В4) (У2, Б2) A3

Г11

Б 211 (МС 2) (Д9, В5) (У2, БЗ) A3; С 121 (Д11, В4) (У2, Б2) A3

Г 12

С 21 (Д9, В5) (У2, БЗ) A3; С 122 (Д9, В5) (У2, БЗ) A3; С 121 (Д9, В5) (У2, БЗ) A3

СУММ
Г= 12

СУММ МП = 45; Б11 = 4; Б12 = 3; Б211 = 4; Б212 = 4; Б221 = 1; Б222 = 1; Б321 = 1; Б322 = 1; Б311 = 1; Б312 = 1; Р21 = 2; Р22 = 1; С111 = 3; С112 = 2; С121 = 5; С122 = 6; С21 = 3; С22 = 2

Рис. 9. Схема размерных связей деталей, образующих зазор между деталями 5 и 9

Пусть одним из требований является обеспечение зазора с заданной точностью между деталями 5 и 9 (см. рис. 5). Изобразим на графе 2 зазор в виде замыкающего звена отрезок Ад, для чего повторим рис. 5, но без указания МС и характеристик связей (рис. 9).
Построение размерной цепи А проводится следующим образом. Сначала устанавливаются детали, изменение размеров которых вызывает изменение величины замыкающего звена. Далее строится контур из ребер, связывающих эти детали.
Построение контура осуществляется путем включения в него ребер смежных деталей. Начинать надо с деталей 5 и 9 и включать последовательно ребра следующих друг за другом смежных деталей так, чтобы получить замкнутый контур, как это показано на рис. 8.
Далее у деталей 5, 4, 1, 2, 7, 8, 9, вошедших в контур, надо определить размеры, являющиеся составляющими звеньями размерной цепи, для чего следует воспользоваться графом 3 (см. рис. 8).
Размером детали, выполняющим роль составляющего звена, является расстояние между комплектом основных баз, которым устанавливается эта деталь, и комплектом вспомогательных баз, по которому устанавливается на ней другая деталь из этого контура.
Так, например, составляющим звеном у детали 1(см. рис. 8) является расстояние между комплектом основных баз МПБ11 и МПБ211, по которому базируется деталь 4.
У деталей 5 и 9, образующих замыкающее звено, составляющими звеньями являются расстояния между поверхностями, образующими замыкающее звено, и комплектами основных баз этих деталей.
У детали 5 таким составляющим звеном является расстояние А1 между поверхностью МПС121 и МПБ322, а у детали 9 — расстояние А8 между поверхностью МПС21 и МПБ211.
Таким образом, размерная цепь А состоит из следующих звеньев (рис. 10):

Рис. 10. Размерная цепь А

А — расстояние между поверхностями модулей С121 детали 5 и модулем С21 детали 9,
А1расстояние между модулями С121 и Б322 детали 5;
А2то же Б321 и Б212 детали 4;
А3 — " Б211 и Б11 детали 1;
А4 — " Б11 и Б311 детали 1;
А5 - " Б312 и Б221 детали 2;
А6 - " Б222 и Б12 детали 7;
А7 - " Б11 и Б212 детали 8;
A8- " Б211 и С21 детали 9.
Зная величину допуска на замыкающее звено А, можно определить величину среднего допуска на составляющие звенья из формулы

где m - число звеньев в размерной цепи.
Аналогично строятся и другие размерные цепи конструкций изделия.
При расчетах на жесткость, прочность конструкции на графах должна быть указана информация о жесткости связей по всем направлениям, действующих силах, точках их приложения и направлениях действия. Используя эту информацию, строят другие расчетные схемы конструкции.
Итак, предложенный метод построения схемы замещения конструкции изделия на модульном уровне в виде графов позволяет:
получать в явном виде в наглядной и емкой форме наиболее полную картину о структуре конструкции изделия, составе ее элементов, их относительном положении, конструкторских базах, качественных характеристиках связей;
• оценивать на количественном уровне конструкцию изделия, уровень ее сложности через номенклатуру и количество МП;
• проводить объективное сопоставление вариантов конструктивных решений;
• осуществлять идентификацию изделий и их элементов;
• автоматизировать анализ и сопоставление конструкций изделий, ее элементов и др.

Литература

1. Базров Б.М. Модульная технология в машиностроении. М.: Машиностроение, 2001. 368 с.

Справочник инженерный журнал №7 (2005г)

стр.25-32 Б.М.Базаров, Э.З.Насиров (ИМАШ РАН)

Статьи партнеров