Проектирование привода конвейера в системе Компас-3D

Комплексное внедрение CAD/CAM/ CAE-технологий в процесс конструкторско-технологической подготовки производства и их развитие – в настоящее время не преимущество, а необходимость. При использовании САПР в машиностроении сокращаются сроки конструкторско-технологической подготовки производства, существенно повышается качество конструкторской и технологической документации, уменьшаются издержки или совсем исключается опытное производство изделий.

В Рузаевском институте машиностроения ФГБОУ ВО «МГУ им. Н.П. Огарёва» развернут информационно-технологический комплекс, оснащенный современным программным обеспечением для инженерных расчетов (T-flex, КОМПАС, SolidWorks, Siemens PLM) [1].

Считаем необходимым использование 3D-технологий и прикладных инструментальных средств проектирования, расчета и инженерного анализа, в частности, в среде КОМПАС, при конструкторско-технологической подготовке производства.

Целью исследования является разработка методики создания трехмерной модели привода конвейера с помощью системы прочностных расчетов и прикладных библиотек в среде КОМПАС.

Обзор литературы

В состав развитых машиностроительных САПР входят CAD-, САМи САЕ-системы. Функции CAD-систем (Computer-Aided Design) в машиностроении подразделяют на функции двумерного и трехмерного проектирования. К функциям 2D относят черчение, оформление конструкторской документации; к функциям 3D – получение трехмерных геометрических моделей, метрические расчеты, реалистичную визуализацию, взаимное преобразование 2D- и 3D-моделей. В ряде систем предусмотрено также выполнение процедур, называемых процедурами позиционирования: компоновка и размещение оборудования, проведение соединительных трасс и др.

Проектирование технологических процессов составляет часть технологической подготовки производства и выполняется в САМ-системах (Computer-Aided Manufacturing). Основные функции САМ-систем: разработка технологических процессов, синтез управляющих программ для технологического оборудования с ЧПУ, моделирование процессов обработки, в том числе построение траекторий относительного движения инструмента и заготовки в процессе обработки, генерация постпроцессоров для конкретных типов оборудования с ЧПУ, расчет норм времени обработки.

Функции САЕ-систем (Computer-Aided Engineering) довольно разнообразны, поскольку связаны с проектными процедурами анализа, моделирования, оптимизации проектных решений. В состав машиностроительных САЕ-систем включают программы для выполнения моделирования полей физических величин, в том числе анализ прочности, расчета состояний моделируемых объектов и имитационного моделирования сложных производственных систем.

В работе [2] освещен опыт использования возможностей системы SolidWorks Motion при исследовании рычажных механизмов. Результатом расчетов в SolidWorks Motion при выполнении кинематического и силового анализа рычажного механизма являются графики кинематических характеристик для основных точек и звеньев механизма, а также динамическая визуализация схемы механизма. В исследовании [3] представлен опыт совместного применения в техническом университете КОМПАС-3D и системы управления электронным архивом конструкторской документации ЛОЦМАН:КБ при изучении дисциплины САПР.

В работе [4] описан подход к моделированию и анализу элементов механических передач в среде SolidWorks на базе API. В [5] проводится расчет прочности шестеренного насоса, реализуемого системой SolidWorks Simulation. Прочностные расчеты в приведенных примерах основаны на численных методах решения задач механики, в частности, методе конечных элементов. В [6] рассмотрены принципы работы библиотеки параметрических моделей зуборезных долбяков в системе КОМПАС. В [7–9] освещены основные вопросы автоматизации проектирования, расчета и оформления конструкторской и технологической документации (чертежей и 3D-моде-лей) осевого режущего инструмента и червячных зуборезных фрез средствами системы КОМПАС.

Материалы и методы

Рассмотрим последовательность проектирования привода конвейера с использованием библиотек КОМПАС-3D. Этапы проектирования привода конвейера выполняются согласно методике, изложенной в работах [10–11].

Первый этап – выбор электродвигателя, исходными параметрами для которого являются мощность и количество оборотов. Двигатель выбирается из прикладной библиотеки КОМПАС «Библиотека электродвигателей». Данная библиотека позволяет создавать двумерный чертеж всех основных видов двигателя. Диалоговое окно библиотеки представлено на рис. 1.

Р и с. 1. Диалоговое окно прикладной «Библиотеки электродвигателей»

F i g. 1. Dialog box of the application Library of Electronic Motors

Второй этап – расчет и моделирование клиноременной передачи. Исходными данными для проектирования являются следующие параметры:

– предварительное передаточное отношение передачи;

– предварительное межосевое расстояние, мм;

– предварительная мощность, кВт;

– частота вращения ведущего шкива, об/мин;

– количество ремней.

С помощью комплекса GEARS произведем расчет параметров для проектирования клиноременной передачи [Там же]. Сначала выполняется проектный расчет. Для этого выберем вкладку с одноименным названием (рис. 2).

Р и с. 2. Диалоговое окно для проведения проектного расчета клиноременной передачи F i g. 2. Dialog box for belt transmission design calculation

Р и с. 3. Подобранные передачи

F i g. 3. Selected transmission

Р и с. 4. Подбор геометрических параметров шкивов

F i g. 4. The pulleys geometric parameters selection

Р и с. 5. Диалоговые окна программы GEARS

F i g. 5. GEARS program dialog boxes

На рис. 3 представлены расчетные подобранные передачи.

После этого происходит подбор геометрических параметров шкивов. На рис. 4 представлено окно с полученными параметрами ведущего и ведомого шкива.

Третий этап – построение твердотельной трехмерной модели шкивов с помощью прикладной библиотеки «КОМПАС SHAFT-2D». Для этого войдем во вкладку «Валы и механические передачи 2D» и создадим двухмерный чертеж. Укажем, что создаем первую ступень и выберем шкив. Внесем параметры рассчитанного шкива. Во вкладке

«Дополнительные построения» укажем кольцевой паз и все требуемые размеры, а также кольцевые отверстия, их диаметры и местоположение. В центре выполним отверстие и шпоночный паз по ГОСТ 233608-78. Чертеж шкива генерируется автоматически. Построение модели шкива происходит после нажатия кнопки «Дополнительные построения» и выбора вкладки «Генерация твердотельной модели». Диалоговые окна программы представлены на рис. 5.

Модель шкива показана на рис. 6. Аналогичные операции проводим с ведущим шкивом.

Р и с. 6. Модель ведомого шкива

F i g. 6. The model of the driven pulley

После этого уточняем подобранную передачу с помощью этой же библиотеки. Проверочный расчет выполняется аналогичным образом.

Четвертый этап – моделирование червячной передачи при помощи прикладной библиотеки «КОМПАС SHAFT-2D». Для выполнения данной операции создаем новый чертеж и запускаем библиотеку. Выбираем геометрический расчет по межосевому расстоянию (рис. 7).

Р и с. 7. Диалоговое окно программы «КОМПАС SHAFT-2D»

F i g. 7. The COMPAS SHAFT-2D dialog program box

Вносим исходные данные (число витков, число зубьев, модуль и т. д.), рассчитанные согласно [Там же] и формируем результаты расчета. Следующий расчет на прочность выполняется аналогичным образом. В результате проектирования и построения чертежа библиотека предусматривает постро- ение твердотельной модели: следует указать способ отрисовки – и модель сгенерируется автоматически. Библиотека выполняет расчет одновременно для червяка и червячного колеса, но моделирование деталей зацепления происходит поэтапно. Сначала по расчетам строится червяк и его модель (рис. 8).

Р и с. 8. Твердотельная трехмерная модель червяка

F i g. 8. Solid-state three-dimensional model of the worm

Далее производится расчет червячного зацепления с помощью комплекса программ GEARS. Для этого используем геометрический расчет по межосевому расстоянию. Создаем новый чертеж и запускаем библиотеку. Строится двумерный чертеж венца червячного колеса с возможностью последующей генерации в твердотельную модель червячного колеса (рис. 9). Данный расчет производится одновременно с расчетом червяка и полностью аналогичен ему.

Р и с. 9. Модель червячного колеса в сборе

F i g. 9. Model of assembled worm gear

Расчет и выбор подшипников качения производится аналитически согласно [Там же] и с помощью GEARS, а твердотельные модели строятся по рассчитанным значениям с помощью библиотеки «Подшипники-3D» (рис. 10).

Р и с. 10. Диалоговое окно программы выбора подшипников

F i g. 10. Bearing selection program dialog box

С помощью комплекса GEARS также можно произвести расчет на прочность и теплостойкость редуктора.

Вносим исходные данные; формируем результаты расчета (рис. 11). На рис. 12 представлено окно расчета.

Р и с. 11. Расчет на прочность

F i g. 11. Strength analysis

Р и с. 12. Расчет на теплостойкость

F i g. 12. Thermal resistance calculation

Моделирование редуктора произведем с помощью библиотеки «Ре-дуктор-3D», предназначенной для проектного расчета и построения в КОМПАС-3D трехмерной модели одноступенчатых редукторов общего назначения трех видов: конического, цилиндрического или червячного. Запускаем библиотеку, выбираем тип «Червячный редуктор» (рис. 13).

Вводим исходные данные. Программа корректирует расчетные значения, и если они нас не удовлетворяют, появляется диалоговое окно с коррек- тировкой параметров по расчету. После чего предлагается выбрать необходимые разрезы и сечения. Далее происходит построение деталей редуктора и его сборка. На рис. 14 представлена трехмерная модель редуктора в разрезе.

Пятый этап – сборка привода в системе КОМПАС-3D. Добавляем в сборку ранее спроектированные модели редуктора, электродвигателя, клиноременной передачи, детали «Рама» и «Рама двигателя». На рис. 15 представлена трехмерная модель привода конвейера.

Р и с. 13. Диалоговое окно библиотеки «Редуктор-3D» F i g. 13. “Reducer-3D” Library window

Р и с. 14. Редуктор червячный

F i g. 14. Worm reducer

Р и с. 15. Привод конвейера

F i g. 15. Conveyor drive

По сборочной модели привода можно выполнить чертеж общего вида привода с помощью команды «ассоциативные виды». Спецификация формируется автоматически.

Результаты исследования

В ходе исследования была разработана последовательность проектирования привода конвейера с помощью прикладных библиотек КОМПАС-3D. В статье представлены возможности проектного и проверочного расчетов разработанных трехмерных моделей деталей, входящих в проектируемое изделие, моделирование механических передач. Выполнение данных операций обеспечивает многократное использование разработанной конструкторской документации для изделий соответствующего типа, а следовательно, сокращение времени на подготовку производства.

Обсуждение и заключения

Таким образом, была разработана методика создания трехмерной модели привода конвейера, включающая выбор необходимых параметров для проектирования, расчет и моделирование механических передач для проектируемого изделия. Данная методика может быть применима при проектировании изделий машиностроения, выполнения производственного проектирования деталей машин и выполнении выпускных квалифицированных работ технического профиля. Использование современных графических САПР при проектировании машиностроительных изделий позволяет сократить сроки конструкторско-технологической подготовки производства, повысить качество разрабатываемой технической документации.

Поступила 22.11.2016; принята к публикации 13.01.2017; опубликована онлайн 31.03.2017

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.