isicad: Размерный анализ в SOLIDWORKS на примере механизма пневмоклещей

1. Введение

Размерный анализ является важным этапом конструкторской отработки сложных изделий, так как позволяет установить взаимосвязи между деталями и сборочными единицами, определить оптимальные технологические методы для достижения требуемой точности изготовления, проанализировать справедливость назначения геометрических размеров и допусков, повысить технологичность конструкции, установить последовательность сборки изделия и его сборочных единиц.

SOLIDWORKS предоставляет возможность выполнения размерного анализа конструкций с помощью инструмента TolAnalyst (входит в состав SOLIDWORKS Professional и Premium) и прикладного модуля CETOL 6σ (взаимодействует со всеми типами лицензий SOLIDWORKS).

TolAnalyst можно отнести к средствам упрощённого расчёта несложных плоских размерных цепей, включающих только линейные размеры, в основе которого лежит метод «наихудший случай», также известный как «минимум-максимум».

CETOL 6σ представляет собой инструмент размерного анализа пространственных цепей любой сложности с линейными и угловыми размерами и допусками, позволяющий использовать в расчётах номиналы и допуски, назначенные как в самом модуле, так и непосредственно в эскизах деталей, а для сборок – импортировать некоторые виды сопряжений в размерные схемы. Математика модуля даёт возможность выполнить расчёт как методом «наихудшего случая», так и вероятностным (статистическим) методом с различными типами функции распределения (гауссово, постоянное и λ-распределение), используя алгоритмы анализа по первой или по второй производной. Также в CETOL 6σ предусмотрен инструмент виртуального движения кинематически свободных элементов в сборках для визуализации определённых состояний (например, для клапана это «открыто-закрыто») и верификации правильности соединений между деталями, что особенно ценно для сложных многозвенных механизмов, совершающих поступательно-вращательные движения. Одним из примеров являются пневматические клещи (рис. 1), предназначенные для сжатия и разжатия элементов металлоконструкций различного характера.

Рис. 1. Пневматические клещи в сборе

2. Подготовка расчётной модели

Конструкция пневмоклещей состоит из блока пневмоклапанов, корпуса, поршня с плунжером и толкателем, левого и правого усов с тягами. Соединение толкателя, тяг, губок и наконечников осуществляется посредством цилиндрических штифтов. При подаче воздуха в пневмоцилиндр поршень перемещает плунжер с толкателем, который через тяги воздействует на губки, закреплённые в корпусе с помощью цилиндрических пальцев, вследствие чего губки раздвигаются, совершая угловое перемещение.

Цель данного анализа состоит в оценке величины зева пневмоклещей при максимальном смещении поршня до упора в ограничительное кольцо пневмоцилиндра. Эта величина определяется линейным размером между внутренними гранями наконечников губок, который, согласно требованиям конструкторской документации, должен лежать в диапазоне 620 ± 3 мм.

В расчётной модели клещей можно отказаться от деталей и узлов, которые напрямую не влияют на размерную схему механизма: блока пневмоклапанов, рукоятки, крепёжных элементов, уплотнителей. Учитывая симметрию расчётной модели относительно горизонтальной плоскости, а также для большей наглядности будет рассмотрена половина конструкции (рис. 2).

Рис. 2. Расчётная модель механизма клещей в промежуточном состоянии

Расчётная модель формируется с помощью инструментов модуля CETOL. Его интерфейс представлен главным меню (Инструменты => CETOL), отдельной панелью инструментов, собственным деревом сборки с окном сообщений и вспомогательными графическими окнами (рис. 3). Также доступно контекстное меню, вызываемое нажатием правой кнопки мыши на объектах дерева CETOL.

Рис. 3. Интерфейс CETOL 6σ в среде SOLIDWORKS

В главном меню CETOL выполняется чтение и сохранение данных модели, настройка опций и справочное руководство. Панель инструментов содержит команды для непосредственного составления размерной схемы, выполнения анализа и представления результатов. В дереве CETOL находятся детали сборки, участвующие в размерном анализе, а в окне сообщений выводятся разнообразные подсказки программы. В графическом окне Graph View представлена размерная схема в виде условных обозначений, а в окне Property View – свойства активного объекта дерева CETOL.

Исходные данные для размерного анализа частично содержатся в моделях деталей и сборок, а частично назначаются в среде CETOL. Номинальные значения размеров элементов (например, диаметры отверстий) и допусков (при их наличии) зачитываются из моделей деталей, а сопряжения транслируются из модели сборки. Непосредственно в CETOL определяется тип функции распределения для размеров, а также назначаются/редактируются размерные допуски и свойства сопряжений.

Создание размерной схемы расчётной модели начинается с определения состава деталей, участвующих в расчёте, затем они добавляются в дерево CETOL и там сортируются пользователем в соответствии с последовательностью виртуальной сборки механизма. Принимается, что процесс сборки клещей начинается с крышки корпуса, поэтому она является первой деталью в дереве. Отметим, что при добавлении деталей CETOL предлагает использовать принадлежащие им сопряжения концентричности и совпадения. Так, для пневмоцилиндра, связанного в корпусном узле с крышкой и кольцом-ограничителем, будут добавлены соответствующие сопряжения (рис. 4):

Рис. 4. Импорт сборочных сопряжений SOLIDWORKS в размерную схему CETOL

Далее необходимо определить размерные схемы внутри каждой детали, что удобно делать в режиме их редактирования в отдельном окне SOLIDWORKS. На примере пневмоцилиндра можно показать типовую размерную схему детали, где в качестве справочной геометрии были взяты базовые плоскости модели (Спереди, Сверху и Справа), а грани, по которым она сопряжена в сборке, геометрически привязаны к этим плоскостям линейными и угловыми измерениями (рис. 5). В окне Graph View представлена интерактивная схема созданных геометрических привязок, а в Property View – назначенный симметричный допуск ±0,1 мм для внутреннего диаметра пневмоцилиндра. В дальнейшем такое значение допуска будет использоваться для всех линейных, в том числе диаметральных размеров в расчётной модели, а для угловых измерений ±0,5°.

Рис. 5. Размерная схема пневмоцилиндра

Аналогичным образом выполняются размерные схемы для других деталей, после чего формируются недостающие механические связи между компонентами в соответствии с реальной кинематикой механизма. При этом в окне сообщений (Message) пользователю доступны подсказки программы, например, по кинематически недоопределённым компонентам размерной схемы сборки. Благодаря таким сообщениям, например для пневмоцилиндра, сборочное сопряжение Концентричность с кольцом-ограничителем было преобразовано в соединение, дополнительно ограничивающее осевое вращение деталей, что наглядно отображается в интерактивной схеме в окне Property View (рис. 6). Отметим, что недоопределённость размеров и кинематики расчётной модели не позволит выполнить размерный анализ.

Рис. 6. Соединение пневмоцилиндр-кольцо с ограничением осевого вращения

Итогом создания размерной цепи должно стать определение замыкающего размера для некоторого конечного состояния механизма. В нашем случае это расстояние между внутренними площадками наконечников губок, соответствующее предельному положению поршня в конце рабочего хода, которое определяется его механическим контактом с кольцом-ограничителем. Для этого в дереве CETOL создаётся расчётная конфигурация (их может быть несколько в одной модели), где назначается соединение между контактными гранями поршня и кольца, а также определяется замыкающий размер между наконечниками. Убедиться в корректности расчётной модели можно с помощью команды Show Part Location (Показать расположение деталей), которая перемещает детали согласно назначенным соединениям (рис. 7). Также в окне Property View показано рассчитанное значение замыкающего размера Solved Nominal (Решённый номинал) 622,8 мм и заданный диапазон Tolerance (Допуск) 620 ± 3 мм.

Рис. 7. Конечное состояние расчётной модели пневмоклещей

3. Результаты

Размерный анализ модели пневмоклещей выполнялся двумя методами: вероятностным (по первой производной) и «наихудший случай». Основные результаты расчёта представлены на рис. 8. Как видно, вероятность выполнения требований конструкторской документации по достижению размера зева 620 ± 3 мм составляет 60,48 %, а по методу «наихудшего случая» расчётный диапазон значений составляет 610…635 мм. Это является весьма посредственным результатом и предполагает уточнение допусков (а, возможно, и номинальных размеров) элементов размерной цепи с последующим проверочным расчётом.

Рис. 8. Результаты размерного анализа сборки

На рис. 9…12 представлены диаграммы результатов расчёта.

Рис. 9. Диаграмма распределения вероятности и диапазон решения методом «наихудшего случая»

Рис. 10. Диаграмма чувствительности размеров элементов модели

Рис. 11. Диаграмма вклада размеров модели в замыкающее звено (вероятностный метод)

Рис. 12. Диаграмма вклада размеров модели в замыкающее звено («наихудший случай»)

По результатам расчёта возможна генерация отчёта в HTML-формате.

4. Заключение

Рассмотрен характерный пример размерного анализа многозвенного механизма пневмоклещей, выполненный двумя методами: вероятностным и «наихудшего случая». Расчётная модель создана в прикладном модуле CETOL 6σ с использованием геометрических размеров деталей и сопряжений сборок SOLIDWORKS. Результаты расчёта замыкающего размера показывают удовлетворительную степень соответствия техническим требованиям, что требует оптимизации размерной цепи механизма.

В мире модуль CETOL 6σ широко применяется во многих известных компаниях, проектирующих и изготавливающих разнообразную продукцию, требующую точности, технологичности и, самое главное, ремонтопригодности. Основной причиной появления этих инструментов была именно взаимозаменяемость – достаточно вспомнить название типовой дисциплины в классической высшей школе: «Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения», где изучались методики, реализованные в CETOL в удобоваримом для современного молодого инженера виде.