ГЛАВА 3. КОНСТРУКТОРСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

3.1. Задачи конструкторского проектирования

Результатом конструкторского проектирования являются технический проект и рабочая документация.

Технический проект содержит совокупность конструкторской доку­ ментации, отражающей окончательные технические решения, дающие пол­ ное представление об устройстве разрабатываемого изделия, и исходные дан­ ные для разработки рабочей документации.

Обязательными документами технического проекта являются: чертеж общего вида, пояснительная записка, ведомость технического проекта. До­ полнительно, в зависимости от характера, назначения или условий произвол ства изделия, могут составляться: теоретический и габаритные чертежи, рас­ четы, таблицы, схемы, ведомость покупных изделий, ведомость согласования применения покупных изделий, технические условия, программа и методика испытаний, патентный форму1ляр, карта технического уровня и качества про­ дукции.

Инженер-технолог, участвуя в разработке технического проекта, отра­ батывает конструкцию на технологичность, добиваясь наилучших значений ее показателей. Художник-конструктор проводит окончательную компоновку машины, прорабатывает конструкцию рабочих мест, средств обеспечения условий обитаемости. Патентными исследованиями обосновывается воз­ можность использования технических решений, защищенных авторскими свидетельствами и патентами; вновь создаваемые конструкции проверяются на патентоспособность, оформляются заявки на изобретения.

Рабочая документация является основной документацией проектной организации. Состав технического проекта и рабочей документации опреде­ лен Единой системой конструкторской документации (ЕСКД) ГОСТ 2.102-68.

Основным средством конструирования является чертеж, изображаю­ щий изделие в прямоугольных проекциях. В некоторых случаях при проек­ тировании сложных деталей используется изображение в аксонометрии. Для проектирования изделий, имеющих большие размеры и сложную форму (корпуса судов, самолетов), применяется плазовый метод. 11а чертеже в крупном масштабе изображаются следы пересечения определенным образом ориентированных плоскостей с поверхностью изделий (ГОСТ 2.419-68).

Из всех показателей качества проектируемого изделия на этапе конст­ руирования решающее значение имеют: технологичность, надежность, со­ блюдение эргономических требований и эстетическое оформление. Основные показатели качества к моменту конструирования уже выбраны. Это было сделано на стадии технического задания специальной процедурой. Теперь необходимо реализовать их в конструкции машины.

Отработка на технологичность связана со снижением трудоемкости и себестоимости изготовления изделия, технического обслуживания и ремонта.

Требуемые показатели надежности при конструировании достигаются:

окончательным выбором структурной схемы; использованием резервирова­ ния; обеспечением необходимой прочности деталей и рациональной их гео­ метрией, исключающей концентрации напряжений; правильным выбором по­ садок, точности изготовления, шероховатости поверхностей; обеспечением смазки трущихся поверхностей и др.

Каждый объект имеет функциональное назначение и соответственно показатели, определяющие качество функционирования. Анализу функцио­ нальных показателей и определению параметров объекта, лучшим образом отвечающих этим показателям, посвящен этап функционального проектиро­ вания, включающий в себя стадию технического предложения и процедуру анализа на микро-, макро- и метауровнях. Однако существует ряд показате­ лей, конкретных для данных классов объектов, в которых функциональные показатели зависят от выбранных конструктивных (геометрических) пара­ метров проектируемого объекта. Так возникает связь функционального и конструкторского проектирования и итеративный характер проектных про­ цедур. В подобных ситуациях правильность выбранных конструктивных па­ раметров необходимо проверять на функциональных математических моде­ лях, т.е. повторять функциональный (инженерный) анализ объекта.

Практически для всех объектов, функционирование которых связано с распространением энергии в непрерывных средах, возникает подобная необ­ ходимость, поскольку смена геометрических параметров вызывает изменение граничных условий и соответственно параметров объекта.

Отметим, что функциональные показатели зависят лишь от некоторых геометрических параметров деталей. В процессе конструирования основная конструкция дополняется большим числом деталей, а основные геометриче­ ские параметры - большим числом новых параметров, связанных с конструк­ торским оформлением.

Примером может служить электрическая машина, С точки зрения ее функционирования имеют значение несколько геометрических параметров башмака и якоря, определяющих границы сред и соответственно распределе­ ние магнитных полей. При конструкторском проектировании необходим вы­ бор большого числа деталей, свойственных машинам: валов, подшипников, прокладок, корпусов, крепежных деталей.

В процедурной модели (см. табл. 1.1) выделены две стадии: конструи­ рование объекта и конструирование сборочных единиц и деталей. Учитывая итерационность проектирования и повторный функциональный анализ, сово­ купность задач, решаемых на этих стадиях, можно разделить на три группы:

1)геометрическое моделирование;

2)функциональный анализ и оценка проектных решений;

3)автоматическое изготовление чертежей.

Геометрическое моделирование относится к процедуре синтеза, в рам­ ках которой объект проектирования принимает конкретную форму. Далее выполняется функциональный (инженерный) анализ и оцениваются проект­ ные решения. Для автоматического изготовления чертежей требуется преоб­ разование данных о будущем объекте в документальную форму в виде конст­

рукторских чертежей. Автоматизированное конструкторское проектирование выполняется с использованием систем автоматизированного проектирования изделий (САПР И) или CAD - Computer Aided Design (проектирование с по­ мощью компьютера).

3.2. Геометрическое моделирование

Геометрическое моделирование связано с получением математическо­ го описания геометрических свойств объекта. При наличии такого описания образ проектируемого объекта можно воспроизвести на экране графического терминала и манипулировать им посредством сигналов.

Известны следующие методы геометрического моделирования:

-каркасное;

-твердотельное - объемное представление монолитных тел.

При построении каркасной модели ребра объекта изображаются ли­ ниями. Для объектов, имеющих криволинейные поверхности, могут добав­ ляться контурные линии, отвечающие контурам объекта. Изображение объ­ екта в данном случае напоминает проволочный каркас, что и Отражено в на­ звании этого типа моделей.

Существует три вида каркасного моделирования:

1.Двумерное (типа 2D) - для плоских объектов.

2.Двухсполовиноймерное (типа 2 1 /2D), позволяющее воспроизводить трехмерные объекты, не имеющие конструктивных элементов на боковых стенках.

3.Трехмерное (типа 3D), дающее возможность моделировать сложные геометрические объекты в трехмерном отображении.

Однако иногда даже трехмерного каркасного представления объекта недостаточно для надлежащего отображения сложных форм. Поэтому суще­ ствуют различные методы, расширяющие возможности каркасного модели­ рования. Возможно, например, отображение внутренних, невидимых снаружи ребер объекта штриховыми линиями или вообще полное «стирание» скрыт­ ных линий.

Каркасным моделям свойственны также ограничения, связанные с принятым во многих из них способом описания модели в базе данных, может, например, возникнуть неясность в отношении того, какая из сторон поверх­ ности является внутренней. Ограничения этого типа препятствуют исчерпы­ вающему' и однозначному описанию объекта в автоматизированной системе.

Шагом вперед по сравнению с каркасными моделями как в отношении реалистичности с точки зрения пользователя, так и описания в ЭВМ, является метод конструирования объемных монолитных моделей (твердотельное мо­ делирование). В этом методе модели представляются наблюдателю в виде объемного тела, риск ошибочной интерпретации которого очень мал. Если изображение цветное, то оно выглядит поразительно реалистичным.

Широкому использованию объемных моделирующих систем способ-

собствуют два обстоятельства. Первое - понимание ограничений, свойствен­ ных системам каркасного моделирования. Второе обстоятельство - это не­ прерывное развитие вычислительной техники и программного обеспечения, которое делает объемное моделирование возможным. Объемные модели­ рующие системы требуют больших вычислительных мощностей как в плане быстродействия, так и в плане памяти.

ВСАПР И используются:

1)моделирование из стандартных блоков;

2)параметрическое моделирование;

3)адаптивное конструирование.

Моделирование из стандартных блоков позволяет пользователю стро­ ить модель из обычных графических примитивов (элементов), например из прямоугольных блоков, кубов, сфер и пирамид. Самым распространенным методом структурирования объемных моделей является использование буле­ вых операций.

В ходе проектирования элементы запрашиваются пользователем и до­ бавляются один к другому до получения нужной модели. Следует рассмот­ реть несколько аспектов такой организации процесса конструирования. Вопервых, пользователь может задавать размеры, положение и ориентацию ка­ ждого нового элемента после того, как он вызван, но до момента его добав­ ления в модель. Во-вторых, над элементами графики можно производить не только действия сложения, но и вычитания, т.е. модель может формировать­ ся как из положительных, так и отрицательных элементов. В-третьих при по­ строении геометрических моделей несколько элементов могут группировать­ ся в блоки. Блок может быть вызван из памяти системы для использования в различных частях модели. Например, если какой-то блок многократно ис­ пользуется при конструировании модели механического сборочного узла, то этот узел можно представить как блок и вставить затем в любую часть моде­ ли. Графические блоки являются удобным средством построения геометри­ ческих моделей.

Параметрическое моделирование предусматривает взаимосвязи меж­ ду элементами (линиями, поверхностями) модели объекта. Изменение како­ го-либо одного размера или зависимости, определяющей взаимосвязь, при­ водит к пересчету размеров по всей цепочке и к соответствующему измене­ нию геометрии модели. При моделировании элементов могут быть заданы:

-вертикальность, горизонтальность, параллельность, перпендику­ лярность элементов;

-выравнивание характерных точек по вертикали и горизонтали;

-зеркальная симметрия;

-равенство дуг и окружностей, длин отрезков;

-касание кривых, перпендикулярность точек кривой;

-имя переменной для размера;

-аналитические зависимости (уравнения и неравенства) между пере­ менными.

4. Построение линии, проходящей через некоторую точку параллель либо перпендикулярно другой линии-

s. Построение линии, касательной к двум кривым.

6. Построение линии, касательной к кривой и параллельной или пе пендикулярной другой линии.

Методы определения дуг и окружностей:

1.Задание центра и радиуса.

2.Задание центра и точки на окружности.

3.Построение круга, проходящего через три заданные точки.

4.Построение круга, касательной к трем линиям.

5.Задание радиуса и построение круга, касательной к двум линиям либо кривым.

Методы определения конических сечений:

1.Задание пяти точек на данном элементе.

2.Задание трех точек и условия касания.

Методы определения кривых. Для построения кривой, проходящей через заданные точки, используются математические методы интерполяции. Например, при кубической интерполяции между каждой парой смежных ис­ ходных точек строится полиномиальный сегмент третьего порядка. Другие применяемые в машинной графике способы формирования кривых основы­ ваются на использовании кривых Безье и методов В-сплайнов. И при том и при другом подходе применяется процедура смешивания, которая обеспечи­ вает сглаживание влияния заданных точек. Результирующая кривая при этом не обязательно проходит через все заданные точки. При использовании про­ цедуры смешивания необходимо задавать не только точки, но и метод сгла­ живания, с помощью которого будет строиться кривая.

Для математического описания поверхностей могут использоваться рассмотренные выше методы построения кривых. В автомобилестроении эти методы служат для представления рельефных поверхностей автомобильных кузовов из литого металла. К числу методов определения поверхностей отно­ сятся, в частности:

1.Задание поверхности, образуемой вращением некоторой прямой и (или) кривой вокруг заданной оси.

2.Задание линии пересечения двух поверхностей. Этот мешд, напри­ мер, можно использовать для построения поперечного разреза детали путем рассечения плоскостью с нужной ориентацией.

Описанные выше элементы сохраняются в базе данных в математиче­ ской форме в трехмерной системе координат. Точка, например, может опре­ деляться просто своими координатами х, у и z; многоугольник обычно задает­ ся упорядоченным множеством угловых точек, а круг - центром и радиусом. Для круга на плоскости х, у можно написать уравнение

( x - m f + ( y - b f = r 2,

где г - радиус окружности; т, п - координаты центра окружности. В каждом

случае математическое описание можно преобразовать в соответствующие ему ребра и поверхности для занесения в базу данных и вывода на экран мо­ нитора.

Общепринятым порядком моделирования твердого тела является по­ следовательное выполнение булевых операций (сложения и вычитания) над объемными примитивами. В разных системах реализованы различные спосо­ бы задания формы примитивов:

- ввод параметров для примитива из списка методов задания (как рассмотренные списки методов определения точек, линий и т.д.), например ввод радиуса сферы;

- выполнение перемещения плоской фигуры в пространстве, след от перемещения определяет форму примитива (например, поворот окружности вокруг оси образует сферу, а смещение многоугольника - призму).

Второй способ более гибкий, при этом доступны следующие опера­

ции:

-вращение плоской фигуры вокруг оси на заданный угол;

-протягивание фигуры вдоль пространственной траектории с обра­ зованием поверхности «трубопроводного» типа;

-построение тела по нескольким сечениям - фигу рам.

После создания базового тела производится «приклеивание» или «вы­ резание» дополнительных объемов. Примерами «вырезания» (вычитания) объемов будут различные отверстия, проточки, канавки, а примерами «при­ клеивания» (добавления) - бобышки, выступы, ребра. Дополнительные оп­ ции в операциях позволяют упростить задание параметров. Например, при создании сквозного отверстия можно не рассчитывать его длину, а выбрать опцию «сквозное», а при создании бобышки указать, что она должна быть построена до определенной поверхности.

Дополнительные операции упрощают задание распространенных кон­ структивных элементов - фасок, скруглений, отверстий. Так, для построения фаски не нужно создавать из линий фигуры и перемещать их вдоль ребра, а достаточно указать ребро или грани и ввести параметры фаски - величину катетов или величину катета и угол.

На любом этапе работы тело можно преобразовать в тонкостенную оболочку. Можно удалить часть тела по границе плоскости или другой по­ верхности. Для повторения операции используются команды копирования.

3.2.2. Редактирование геометрической модели

Редакшрование необходимо для корректировки геометрической мо­ дели. При построении такой модели пользователь должен иметь возможность уничтожать, передвигать, копировать ее элементы. В системах машинной графики предусматриваются, например, следующие возможности редактиро­ вания графической информации: