Обучение конструированию станочных Приспособлений с использованием CAD-технологий

 

Ерохин В. В., Вдовин А. В. (БГТУ, Брянск, РФ)

 

Технологическая оснастка является одним из важнейших факторов, влияющих на качество выпускаемой продукции машиностроительного предприятия. Затраты на ее изготовление приблизились к затратам на производство металлорежущих станков. Поэтому задача повышения эффективности и качества станочных приспособлений стала одной из важнейших проблем современного машиностроения. Одним из путей решения этих проблем является автоматизация проектирования станочных приспособлений на базе интегрированных технологий типа CAD, использующих методы твердотельного моделирования. При этом в образовательном процессе наиболее эффективно и рационально могут найти применение только CAD-системы низкого и среднего уровня, как наиболее дешевые и имеющие достаточные функции по построению требуемого объекта. К этой категории информационных технологий относятся российские программы – КОМПАС, T-Flex CAD, СПРУТ, зарубежные программы – Solid Works, CIMATRON и др.

Эффективность использования твердотельного моделирования в проведении лекционного курса «Проектирование технологической оснастки» основывается на двух принципах: 1) быстрота и наглядность передачи студентам информационно-емкого материала (конструктивных решений, визуализации расчетов на конкретных примерах); 2) полная восприимчивость студентами излагаемого материала. Первый принцип достигается за счет демонстрирования плакатов и фильм-слайдов или цифрового видео (показ процессов как формирования, так и эксплуатации изделий) твердотельных моделей изделий, полученных в CAD-системах. Реализация второго принципа определяется сокращением времени на понимание структуры построения и работы представляемых объектов, так как демонстрация объемных моделей предопределяет наиболее качественный процесс их запоминания по сравнению с трехпроекционными чертежами. При наличии в вузе развитой компьютерной техники CAD-технологии можно использовать в создании электронного курса лекций для самостоятельного и творческого самообразования студентов.

CAD-технологии на основе твердотельного моделирования обеспечивают возможность расчетов проектируемого изделия на точность изготовления, прочность, жесткость в зависимости от механических, термических и химических свойств рассматриваемой технологической системы. Вследствие этого, применение твердотельного моделирования на практических занятиях по расчету технологической оснастки должно носить ограниченный характер и использоваться только для самоконтроля выполненных расчетов. Это ограничение позволит студенту самостоятельно найти решения поставленных задач, а для сложных технических решений быстро и надежно определить ошибки, возникшие в расчетах при конструировании систем.

Использование твердотельного моделирования при проведении лабораторных работ дает очень высокий эффект в реализации имитационного моделирования процессов сборки, распределения упругих и температурных деформаций, точности расположения проектируемых объектов. При этом у студента развивается образное мышление по конфигурированию оптимальных решений конструктивного исполнения изделия определенного функционального назначения. Однако их проведение не должно предшествовать обучению на натурных объект-системах, так как это не позволит сформировать инженера, более четко и адекватно оценивающего систему производственного изготовления изделия. Результаты выбора рациональной схемы базирования отображаются на модели заготовки, и пользователь должен указать схему закрепления (точку приложения и направление действия силы зажима). Далее рассчитывается усилие зажима, где данные о координатах мест приложения силы зажима и установочных элементов определяются из анализа заготовки.

Выбор размеров установочных элементов осуществляется в зависимости от их назначения, размеров и состояния базовых поверхностей, и других данных. Выбранные установочные элементы отыскиваются в базе данных параметризованных твердотельных моделей, которая создается на основании нормативов. Имея информацию о размерах контакта установочных элементов и базовой поверхности, силе зажима определяются погрешности закрепления и износа, а также межремонтный период проектируемого приспособления. На данном этапе расчета возможен выбор материала и термообработки для установочных элементов.

Для дальнейшего синтеза конструкции приспособления, связанного с определением элементов зажимного и силового механизмов, конструкции корпуса и компоновки приспособления, так же рационально проводить с использованием методов твердотельного проектирования. Возможность создания баз данных параметризованных твердотельных моделей конструктивных элементов и типовых сборок позволит как в ручную, так и автоматизировано синтезировать необходимую конструкцию станочного приспособления. Рассматриваемая система имеет широкий набор инструментов, позволяющих пользователю автоматизировано генерировать по полученной твердотельной модели приспособления сборочные и рабочие чертежи конструктивных элементов.

Применение CAD-технологий в курсовом и дипломном проектировании позволяет сократить время на разработку (без потери качества) конструкторской документации проектируемой технологической оснастки, провести целый ряд конструкторских и технологических расчетов: оптимальной конструкции изделия на основе ограничений по механическим, термическим и химическим свойствам рассматриваемой системы изготовления и эксплуатации изделия; обеспечения заданных требований к качеству изготавливаемого изделия через эксплуатационные и конструктивные характеристики проектируемой оснастки. В комплексных проектах могут быть решены широкие производственные и научные задачи по созданию прогрессивной технологической оснастки на основе разработки дополнительных специализированных инженерных приложений к открытым CAD-системам, таких как, по решению задач построения оптимальной конфигурации изделия и процессов сборки, обеспечения заданного качества проектируемого объекта и т.д. Рациональное использование таких технологий является базой развития научно-технической культуры автоматизированного конструирования различных объектов.

Наиболее эффективно CAD-системы могут быть использованы в дистанционном обучении. Весь комплект чертежей изделия может быть представлен в виде электронной твердотельной модели, которая детализируется на необходимое число рабочих чертежей, отображающихся на экране дисплея в соответствии с требованиями ЕСКД. Это позволяет быстро и качественно обрабатывать учебный материал, а также осуществить реализацию идеи о формировании единой базовой системы обучения конструированию.

В современных CAD системах можно проводить следующие этапы проектирования технологической оснастки: выбор типа и места расположения установочных элементов приспособления; назначение конструктором схемы закрепления; выбор типов и точки приложения элементов зажимного механизма и точек приложения сил закрепления; расчет пластических деформаций в зоне контакта установочного элемента и базовой поверхности заготовки; определение погрешности закрепления; определение размерного износа установочных элементов; формирование конструкции корпуса приспособления и компоновки приспособления в целом; определение температурных деформаций; формирование рабочих чертежей; реалистичное моделирование деталей из листового материала, включающее получение заготовки и возможность конструирования в плоском состоянии; осуществить моделирование сборочных единиц, включающее: возможность ведения процесса проектирования в соответствии с поставленными целями; динамичность движения сборочной единицы за счёт уникальных возможностей визуализации; правдоподобные сборочные примитивы для создания точной конструкции сборочной единицы; инструменты управления сборкой, которые улучшают представление объекта; возможность повторного использования уже существующих конструкций с целью снижения усилий, затрачиваемых на проектирование; наглядность и высокая степень детализации.

Выбор установочных и зажимных элементов приспособлений проводится путем импортирования в сборочную единицу ранее созданного или типового (из базы данных) элемента. Данные системы дают возможность создания базы данных твердотельных моделей деталей и чертежей, в которые могут закладываться конструктивные элементы приспособления и сборочные единицы любой системы (УСП, СРП, НСП, и др.), а также типовые конструкции приспособлений. Возможность создания твердотельной модели в контексте сборки позволяет легко и быстро создавать совершенно новые нестандартные элементы.

Работа с системами по твердотельному моделированию воспитывает у студентов самостоятельность, наблюдательность, аккуратность, точность в работе, самоконтроль выполненного задания, что является важнейшими элементами общей культуры обучения.