WSPOMAGANIE KOMPUTEROWE TWORZENIA SYSTEMÓW MODUŁOWYCH KONSTRUKCJI ŚRODKÓW TECHNICZNYCH

Transkrypt

1 Szybkobeżne Pojazdy Gąsencowe (21) nr 1, 2005 Potr GEDARZ WSPMAGAIE KMPUTERWE TWRZEIA SYSTEMÓW MDUŁWYCH KSTRUKCJI ŚRDKÓW TECHICZYCH Streszczene: owe wyzwana stawane procesom konstrukcyjnym ne tylko zwązane są z kerunkem tworzena nowych rozwązań konstrukcyjnych, ale także z kerunkem objęca jak najszerszego spektrum zapotrzebowań na określoną klasę środków chncznych. Zorentowany na rodzny konstrukcj proces projektowo konstrukcyjny charakryzuje sę powtarzalnoścą zrutynzowanych stadów jest szczególne podatny na wspomagane kompurowe. Podstawowym narzędzem go procesu jest parametryzacja ngrująca dobór cech konstrukcyjnych z zapsem konstrukcj. 1. WPRWADZEIE Zorentowany na rodznę konstrukcj proces projektowo konstrukcyjny tym różn sę od tradycyjnego, że na wejścu znajduje sę zbór potrzeb, który pownen być zaspokojony przez optymalne zróżncowany zbór środków chncznych. Proces tworzena uporządkowanej rodzny konstrukcj może dotyczyć: stnejącej rodzny konstrukcj, w której stneje nadmerna różnorodność cech konstrukcyjnych lub tworzony od podstaw dla nowej rodzny konstrukcj. ajczęścej spotykane jest podejmowane go procesu dla perwszego stanu rodzny konstrukcj [1,2,3]. gólny model tworzena sysmów modułowych konstrukcj przedstawono na rys. 1. Rys. 1. Model tworzena sysmu modułowego konstrukcj W procese tworzena sysmu modułowego konstrukcj wyróżnono czry przyporządkowana cech:,,,, które są podstawą wspomagana kompurowego Dr hab. nż. Potr GEDARZ, prof. Polchnk Śląskej Kadra Automatyzacj Procesów Technologcznych Zngrowanych Procesów Wytwarzana. Polchnka Śląska, Glwce

2 Potr GEDARZ 2. WSPMAGAIE KMPUTERWE KSTRUWAIA I PRZYGTWAIA WYTWARZAIA Programy kompurowe w procese projektowo konstrukcyjnym przygotowana wytwarzana dzel sę główne na następujące podstawowe klasy: 1. CAD (Compur Aded Desgner ) - grupa programów wspomagających proces projektowo - konstrukcyjny zaps konstrukcj. bejmują programy: doboru cech konstrukcyjnych np.: wałków, przekładn zębatych, przekładn pasowych, doboru elementów katalogowych znormalzowanych, np.: śrub, wpustów, przekładn zębatych, sprzęgeł, łożysk, zapsu konstrukcj, konstruowana elementów zorentowanych na określony proces chnologczny (CAxgdze x zwązane jest z procesem chnologcznym) np.: elementów odlewanych, elementów tłoczonych, elementów spawanych, elementów z blach cenkoścennych. 2. CAE (Compur Aded Engneerng) - grupa programów weryfkacj wytrzymałoścowej maszyn metodą MES, MEB, MRS. 3. CAM (Compur Aded Manufacturng ) - grupa programów, której celem jest wspomagane kompurowe przygotowana wytwarzana, zapsu chnolog w szczególnośc danych na obrabark srowane numeryczne, szybke prototypowane, opracowane form odlewnczych, symulacje stygnęca odlewów tp. Spośród nch wyróżna sę programy oblczenowe oraz programy grafczne. Programy oblczenowe reprezentowane przez skomplowane plk np. typu *.EXE, *.CM, są tworzone w języku programowana jak np.: Fortran, C++, Delph, AutoLISP. W procese tworzena sysmów modułowych konstrukcj służą główne do doboru loścowych cech konstrukcyjnych. Programy grafczne stanową podstawę wspomagana kompurowego tworzena korzystana z sysmów modułowych konstrukcj. Podzał zaps reprezentantów programów przedstawono przykładowo na rys. 2. Rys. 2. Podzał wybór reprezentantów programów grafcznych 2

3 Wspomagane kompurowe tworzena sysmów modułowych konstrukcj 3. GRAICZAIE I PRZĄDKWAIE WARTŚCI CECH CHARAKTERYSTYCZYCH Uzasadnoną różnorodność rodzny konstrukcj wywołuje różnorodność potrzeb na określoną klasę środków chncznych. Różnorodność ta ujęta formalne w zborze założeń projektowo konstrukcyjnych dentyfkowana jest przez wartośc cech charakrystycznych. Cechy charakrystyczne (CCHc) to właścwośc, jakm pownen sę charakryzować przyszły środek chnczny, ze względu na sprzężene z otoczenem. Wyróżna sę cechy charakrystyczne jakoścowe oraz cechy charakrystyczne loścowe. Przykładowo w rodzne konstrukcj przekładn zębatych mają mejsce mędzy nnym następujące jakoścowe cechy charakrystyczne: sposób zamocowana przekładn, sposób połączena przekładn z układem napędowym, sposób połączena przekładn z układem napędzanym, położene wektora momentu wejścowego, położene wektora momentu wyjścowego. Cechy wpływają główne na różnorodność geometrycznej postac konstrukcyjnej konstruowanej klasy środków chncznych. Cechy charakrystyczne loścowe j rodzny konstrukcj to mędzy nnym: moc wyjścowa, prędkość obrotowa wyjścowa, przełożene, lczba przecążena, odległość mędzy osam wałków. Cechy charakrystyczne loścowe nazwano parametram wpływają one główne na dobór loścowych cech konstrukcyjnych rodzny konstrukcj Pan{paa ;( 1,z); (a 1,az)} X {x a }. Stanową w procese tworzena uporządkowanej rodzny konstrukcj zmenne nezależne. W celu racjonalnego ogranczana porządkowana wartośc parametrów, wyróżnono następujący układ kryrów: K1. Kryrum długotrwałej aktualnośc cech charakrystycznych, K2. Kryrum możlwośc chncznych, wytwórczych ekonomcznych rodzny konstrukcj, K3. Kryrum uwzględnena aktualnych potrzeb charakryzujących sę najwększą powtarzalnoścą stosowana, K4. Kryrum dostosowana wartośc cech charakrystycznych do szeregów lczb normalnych oraz wartośc znormalzowanych, K5. Kryrum doboru wartośc cech charakrystycznych z uwzględnenem mnmalnej różnorodnośc elementów znormalzowanych, katalogowych półfabrykatów, K6. Kryrum dostosowana wartośc cech charakrystycznych do wartośc cech charakrystycznych współdzałających środków chncznych. Rys. 3. Model unfkacj wartośc parametrów 3

4 Potr GEDARZ Stadum to nazwano unfkacją; jego celem jest opracowane jednego zboru potrzeb dla określonej rodzny konstrukcj, poprzez ogranczene porządkowane wartośc parametrów spełnając wyżej wymenone kryra. Model unfkacj dla dwóch parametrów u u przedstawono na rys.2. Wynkem są zunfkowane wartośc parametrów X {x a }, które określają zakres zapotrzebowań na określoną klasę środków chncznych. 4. RÓŻRDŚĆ JAKŚCIWYCH CECH KSTRUKCYJYCH W UPRZĄDKWAEJ RDZIIE KSTRUKCJI Różnorodność jakoścowych cech konstrukcyjnych rodzny konstrukcj ujęta jest w strukturze sysmowej oraz strukturze warantowej rodzny konstrukcj. Struktura sysmowa określa składnk herarch środka chncznego, wyróżnając postace konstrukcyjne: zespołów, podzespołów, elementów oraz częśc, wynkające z herarchcznej ozpec struktury układu relacj sprzężeń przekształceń Re sysmu, [1]. Relacje o najnższym pozome struktury herarchcznej reprezentujące całe spektrum rozwązań konstrukcyjnych rodzny konstrukcj nazwano relacjam zomorfcznym. Struktura warantowa określa różnorodność rozwązań konstrukcyjnych dla herarchczne uporządkowanych relacj. Szczególne stotne są rozwązana konstrukcyjne odpowadające relacjom zomorfcznym. Tak wyróżnone podzbory rozwązań konstrukcyjnych nazywane są warantam rozwązań konstrukcyjnych wks r. a podstawe optymalzacj różnorodnośc warantów rozwązań z w z konstrukcyjnych r z wks w [4] określane są typowe rozwązana konstrukcyjne tks r w. Kombnacje typowych rozwązań konstrukcyjnych tworzą rozwązana konstrukcyjne rodzny konstrukcj, o określonym sysme ogólnym (Sn=const) oraz typowych postacach konstrukcyjnych P. Model takch przekształceń przedstawono na rys. 4. Rys. 4. Model powązań typowych rozwązań konstrukcyjnych wybranych ze zboru warantów konstrukcyjnych Struktura sysmowa oraz warantowa określa zmenność konstrukcyjną rozwązań konstrukcyjnych, które przykładowo dla słownków hydraulcznych przedstawono w postac zboru typowych rozwązań konstrukcyjnych (rys. 5) oraz grafu relacj sprzężeń (rys. 6). Wynkem dotychczasowych konwersj porządkujących jest macerz zunfkowanych wartośc 4

5 Wspomagane kompurowe tworzena sysmów modułowych konstrukcj u u parametrów X {x } rodzny konstrukcj oraz graf relacj sprzężeń wraz z typowym rozwązanam konstrukcyjnym a z tks r w. Rys. 5. Fragment typowych rozwązań konstrukcyjnych słownków hydraulcznych Rys. 6. Graf relacj sprzężeń 4. DBÓR I ALGRYTMIZACJA ILŚCIWYCH CECH KSTRUKCYJYCH Typowym rozwązanom konstrukcyjnym elementów j zr w tks odpowadają typowe postace konstrukcyjne j. atomast układ wymarów z wymaram otwartym W tworzony jest zgodne z zasadam wymarowana, to znaczy: jednoznacznośc, nesprzecznośc zupełnośc. Układ n jest dostosowany do chnolog wytwarzana, montażu metrolog. W układze wymarów wyróżna sę wymary stałe oraz zmenne. Przyjęto podzał wymarów na następujące grupy: wymary gabarytowe, wymary sprzężone, wymary zmenne nezależne od wartośc parametrów oraz wymary stałe. Kod wymaru składa sę z oznaczena dentyfkującego (lrowo - lczbowego np.: TG2h9, rys. 7a), gdze oznaczene lrowe 5

6 Potr GEDARZ wymaru nomnalnego (np. TG) jest spójne z oznaczenem postac konstrukcyjnej elementu (np. MTG), natomast oznaczene lczbowe stanow numer kolejnego wymaru. Przy ustalanu numerów wymarów kerowano sę zasadą kodowana perwszym numeram wymarów gabarytowych sprzężonych. Kolejność dalszych numerów wymarów ustalana była według położena, spełnając kryrum cągłośc oznaczeń, np. od TG1 do TG15. Ma to znaczene w procese kompurowego wspomagana wyznaczana loścowych cech konstrukcyjnych j j j j zapsywanych najczęścej w postac macerzowej W {w l } Y {yl }. Macerz wartośc wymarów j-go elementu stanow macerz zmennych zależnych. Podstawowym zagadnenem w procese tworzena uporządkowanej rodzny konstrukcj jest ustalene u u zależnośc mędzy zunfkowanym wartoścam parametrów X {x a } a wartoścam j wymarów elementów ujętych w grafe relacj sprzężeń Y {y j l }[5, 6, 7], u u j X {x } Y {y j a l ; j 1, jz}. (1) Wyróżnono następujące podstawowe operatory stosowane przy doborze wartośc wymarów: - operatory geometryczne G, - operatory wytrzymałoścowe W, - operatory elementów znormalzowanych, - operatory procesu wytwórczego P, - operatory podobeństwa konstrukcyjnego I, - operatory wymarów sprzężonych S. Model doboru wartośc wymarów na podstawe wyróżnonych grup operatorów przedstawono na rys. 7. Przy wyznaczanu wartośc wymarów najczęścej stosowane są operatory geometryczne. Do j grupy operatorów należą operatory: arytmetyczne, trygonometryczne dostosowana do szeregów lczb normalnych. peratory geometryczne pozwalają wyznaczyć wartośc wymarów neznanych y j,zn ;(j=1,jz), y G j,zn j,nz ;(j=1,jz) na podstawe wartośc wymarów znanych, (2) y AR G TR j,nz y. (3) Rys. 7. Model doboru wartośc wymarów 6

7 Wspomagane kompurowe tworzena sysmów modułowych konstrukcj Poneważ warunk wytrzymałoścowe są zależne od doberanych wymarów, mogą być podstawą do wyznaczana wartośc wymarów. peratory wytrzymałoścowe modyfkują wstępne wyznaczone wartośc wymarów lub są ż podstawą bezpośrednego ch określana, j f (y,nz ) k j w j f (y,nz ) k y,nz j p f (y,nz ) k p. (4) Istotnym czynnkem, wpływającym na nezawodność dzałana oraz koszty, jest herarcha dokonywanych modyfkacj cech konstrukcyjnych przy korzystanu z operatorów wytrzymałoścowych. Zasadą jest modyfkacja najperw loścowych, a następne jakoścowych cech konstrukcyjnych wraz ze wzrosm wartośc parametrów. W procese wyznaczana wartośc wymarów jako perwsze stosowane są najczęścej operatory elementów znormalzowanych. Elementy znormalzowane uważa sę wszelke konstrukcje elementów charakryzujące sę powszechnoścą stosowana, a węc obję normam katalogam. W j grupe operatorów najperw należy spełnć kryrum doboru typowelkośc, a następne kryrum zabudowy elementu znormalzowanego. Wymary zabudowy elementu znormalzowanego są podstawą wyznaczena wartośc wymarów neznanych, y j,zn cch jc cch y jc j,nz f (w zab ). (5) Spełnając kryra wynkające z racj możlwośc wytwórczych, wyznaczane są wartośc wymarów stosowne do przyjęgo procesu wytwórczego. Stąd wynkają odpowedne operatory, na podstawe których określa sę mędzy nnym: wymary ścęć uwzględnających montaż uszczelneń, wymary podcęć obróbczych, wymary planowanych powerzchn pod uchwyty obróbcze, wymary otworów rowków ułatwających montaż oraz demontaż złączy gwntowych. Tak jak to mało mejsce w operatorach elementów znormalzowanych, najperw należy spełnć kryrum doboru typowelkośc, a następne kryrum tożsamośc wartośc wymarów neznanych z wymaram typowelkośc. W odróżnenu od doboru konstrukcj elementów znormalzowanych, przedmom rozważań są częśc elementów, których wymary są bezpośredno przejmowane z dobranej typowelkośc, w cch,zn p jc P cch P w p jc,nz. (6) W trakce analzy stnejących rozwązań konstrukcyjnych w obrębe rozważanej rodzny konstrukcj tworzony jest lczny zbór danych. Jest to boga źródło nformacj sprawdzonej poprzez dzałające już w praktyce środk chnczne. Bezpośredne przejmowane wartośc wymarów z stnejących konstrukcj ma wdy mejsce, gdy stneją zgodnośc: rozwązań konstrukcyjnych, a węc postac konstrukcyjnych poszczególnych elementów, wartośc cech charakrystycznych, tworzyw poszczególnych elementów, procesów wytwórczych. Jeżel ma mejsce nezgodność z wyżej wymenonym warunkam, korzysta sę z operatorów podobeństwa konstrukcyjnego. peratory można znrpretować następująco: o j jeżel dla danych wartośc parametrów X k znane są wartośc wymarów Y k, to przy zachowanu warunku dentycznej geometrycznej tworzywowej postac konstrukcyjnej elementu powstaje pytane: jake wartośc wymarów przyjme nowo konstruowany element j Y (y j u,nz ) dla nowych wartośc parametrów X, 7

8 Potr GEDARZ X X o k u Y k (y I Y j j,zn j ), (y Teora podobeństwa znalazła szeroke zastosowane, szczególne w budowe model oraz w analze zjawsk fzycznych [3]. W rozważanym zagadnenu stnejącą konstrukcję nazwano podstawową, natomast tworzone konstrukcjam pochodnym. Całkow podobeństwo geometryczne ma mejsce wdy, gdy stosunek wszystkch wartośc wymarów konstrukcj pochodnej do podstawowej jest stały. Zachowane całkowgo podobeństwa w konstruowanych elementach jest trudne do spełnena, chocażby ze względu na wartośc parametrów lub ż kryra zabudowy elementów znormalzowanych, które ne spełnały zasady podobeństwa geometrycznego. Dlago zasadę podobeństwa całkowgo stosowano do wymarów zależnych od określonych parametrów. Były to z zasady stotne ze względu na dobór loścowych cech konstrukcyjnych, wymary, od których zależne były w sposób bezpośredn lub pośredn pozostałe wymary. Te pozostałe wymary można doberać z zastosowanem pozostałych operatorów. Tworząc operatory podobeństwa korzystano równeż z zagadnena Cauchygo j [3,7], określającego wartośc wymarów neznanych Y (y j,nz ) tak, aby uzyskać take same wytężene marału jak w stnejących środkach chncznych. peratory wymarów sprzężeń dotyczą grupy wymarów sprzężonych. Współdzałane elementów będze wdy możlwe, gdy wymary sprzężone współpracujących powerzchn będą w odpowednej zależnośc. ajczęścej są to zależnośc tożsamoścowe. Podstawą tworzena operatorów wymarów jest graf relacj sprzężeń (rys. 6), Y Y gólny zestaw operatorów w grafe relacj sprzężeń przedstawono na rys. 8. j,nz ). (7) j S j 1 (8) Rys. 8. Graf relacj sprzężeń wraz z pełnym zestawem operatorów 8

9 Wspomagane kompurowe tworzena sysmów modułowych konstrukcj a podstawe zestawonych operatorów tworzone są algorytmy a następne programy oblczenowe doboru loścowych cech konstrukcyjnych. Cechy są poddawane optymalzacj różnorodnośc cech tak, jak to przedstawono w pracy [7,8]. 5. WERYFIKACJA I ZAPIS KSTRUKCJI Podstawowym narzędzem zapsu weryfkacj dobranych cech konstrukcyjnych są programy grafczne klasy CAD/CAE/CAM. Umożlwają one: zamodelowane elementów składowych 3D, utworzene złożena, przeprowadzene symulacj dzałana czyl zweryfkowane konstrukcj elementów składowych pod względem: geometrycznym, powązań mędzy modelam elementów dzałana przyszłego środka chncznego. Zastosowane zaawansowanych programów grafcznych umożlwa dodatkowo przeprowadzene weryfkacj wytrzymałoścowej elementów składowych, przy korzystanu z modułów programowych MES oraz przygotowane do wytwarzana z zastosowanem modułów programowych CAM. Tak zweryfkowane pod względem wytrzymałoścowym chnologcznym konstrukcje mogą być w modułach programowych DRAFTIG w sposób półautomatyczny przedstawone w postac zapsów 2D. Jedną z form zapsu konstrukcj stosowaną w programach grafcznych dla sysmów modułowych konstrukcj jest parametryzacja. Parametryzacja to kompurowo wspomagana forma zapsu konstrukcj, w której geometryczna postać konstrukcyjna odwzorowana jest w pamęc operacyjnej kompura natomast loścowe cechy konstrukcyjne wprowadzane są z zewnątrz. W zależnośc od sposobu wprowadzana loścowych cech konstrukcyjnych wyróżna sę parametryzację: dynamczną, relacyjną, grafczną programową [6]. Ze względu na możlwość tworzena programów oblczenowych w tzw. parametrykach zaleca sę stosować parametryzację programową. Pozostałe metody parametryzacj wymagają stosowana programów oblczenowych zewnętrznych korzystana z danych w postac macerzy. Podstawowym narzędzem do parametryzacj programowej może być program grafczny AutoCAD komplator VsualLISP. Podstawą opracowana parametryków jest zaps konstrukcj z otwartym układem wymarów rys. 9a. W zapse tym wyróżnane są punkty j charakrystyczne zarysu P (p ), rys.9b, które są funkcją wymarów, n j l xn, yn f (y ). (9) Rys. 9. Zaps parametryku 9

10 Potr GEDARZ blczane współrzędnych punktów rozpoczyna sę od tzw. punktu bazowego. Jeżel na rysunku jest węcej przedstawanych rzutów (wdoków, wdoków cząstkowych, przekrojów, przekrojów cząstkowych, kładów) to równeż węcej jest punktów bazowych. Współrzędne punktów bazowych określają położene rzutów na arkuszu można je wyznaczyć korzystając z przyjęgo formatu arkusza podzałk rysunkowej. Wychodząc z punktu bazowego, punkt po punkce określane są współrzędne punktów charakrystycznych zarysu, stosując wyznaczane współrzędnych w sposób bezwzględny, względny lub begunowy. Fragment parametryka przedstawono na rys. 9c. Zasady tworzena parametryków w takch programach grafcznych jak I-DEAS, AutoCAD, LogoCAD opsano w pracy [6]. 6. WISKI Przedstawony model doboru loścowych cech konstrukcyjnych zapsu konstrukcj pozwala na pełną ngrację wyróżnonych stadów procesu projektowo konstrukcyjnego. Praktyczną realzacją zdefnowanych operatorów wyróżnonych form parametryzacj jest sysm modułowy: słownków hydraulcznych stojaków dla przemysłu górnczego, stanowsk badawczych wrnków szybkoobrotowych oraz chwytaków dla robotów. 7. LITERATURA [1] DIETRYCH J.: Sysm konstrukcja. WT, Warszawa [2] HASE F.: Konstruktonswssenschaft. Carl Hanser Verlag, München, Wen [3] PAHL G., BEITZ W.: auka konstruowan,. WT, Warszawa [4] WRÓBEL J.: Technka kompurowa dla mechanków. PW, Warszawa [5] GEDARZ P.: Berechnung von Abmessungen für de Entwcklung von Baurehen. Konstrukton 50 (1998) H.10, s [6] GEDARZ P.: Aplkacje programów grafcznych w uporządkowanych rodznach konstrukcj. Wydawnctwo Polchnk Śląskej [7] GEDARZ P.: Metodologa tworzena uporządkowanych zborów konstrukcj maszyn. Mechanka z Wydawnctwo Polchnk Śląskej [8] GEDARZ P.: Podstawowe narzędza tworzena elastycznych sysmów modułowych konstrukcj. Marały IV Mędzynarodowej Konferencj aukowej CAE. Kudowa Zdrój, lstopad 1998, s CMPUTER AIDIG CREATI F MDULE SYSTEMS EGIEERED FEATURES F CSTRUCTI Abstract: owadays the mportant challenges of desgn process concern not only on the creaton new constructonal solutons but also on ncreasng the area of needs for the dermnad classes of chncal means. Ths process s manly orend on creaton of constructon famles. The man feature s: repeatablty, routned stages and could be easy aded wth compurs. The basc tool n ths desgn process s ngraton of constructon notaton and constructonal features selecton. Recenzent: prof. dr hab. nż. Andrzej BUCHACZ 10