Автоматизация проектирования гидравлических систем с использованием параметрического моделирования

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

УДК 658.512.22

М. В. Терехов, В. В. Колякин, Ю. А. Леонов

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Аннотация.

Актуальность и цели. Объектом исследования являются гидравлические домкраты с пружинным возвратом. Предметом исследования являются эффективные алгоритмы расчета и построения геометрических моделей составляющих гидравлических домкратов. Цель работы - разработка концепции автоматизации проектирования гидравлических домкратов и ее реализация в виде автоматизированной системы.

Материалы и методы. Алгоритмы расчета деталей, составляющих гидравлический домкрат, основываются на стандартах и рекомендациях по расчету соответствующих гидравлических элементов.

Результаты. Разработаны эффективные алгоритмы расчета параметров деталей, параметрические геометрические модели составляющих гидравлического домкрата с пружинным возвратом, а также сборочная модель домкрата. Разработана узкоспециализированная система автоматизированного проектирования гидравлических домкратов с пружинным возвратом, позволяющая производить расчет параметров домкрата, а также построение его геометрической модели.

Выводы. Разработанная узкоспециализированная система автоматизированного проектирования позволяет ускорить процесс проектирования гидравлических домкратов и сократить время, затрачиваемое на оформление конструкторской документации.

Ключевые слова: проектирование, автоматизация проектирования, САПР, гидравлический домкрат.

M. V. Terekhov, V. V. Kolyakin, Yu. A. Leonov

AUTOMATION OF HYDRAULIC SYSTEM DESIGN USING PARAMETRIC MODELING

Abstract.

Background. The research object is hydraulic jacks with spring return. The research subject is the effective algorithms for calculation and building of geometric models, compiling hydraulic jacks. The aim of the work is to develop a conception of hydraulic jack design and realization thereof in the form of an automatic system.

Materials and methods. The calculation algorithms for parts that compile a hydraulic jack are based on the standards and recommendations on calculation of the corresponding hydraulic elements.

Results. The authors developed the effective parameter calculation algorithms for parts, the parametric geometric models of the spring-return hydraulic jack’s components, as well as an assembly model of the jack. The researchers developed a dedicated system of automatic design of spring-return hydraulic jacks, allowing to calculate jack’s parameters and to build its geometric model.

Engineering sciences. Machine science and building

185

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

Conclusions. The developed dedicated system of automatic design allows to quicken the hydraulic jack’s design process and to reduce the design documentation processing time.

Key words: design, design automation, computer-aided design, hydraulic jack.

В настоящее время отделы предприятий немыслимы без наличия систем, позволяющих контролировать все процессы жизненного цикла проектируемых изделий.

В данных условиях успешность предприятий напрямую зависит от того, в какие сроки будут представлены расчеты будущего изделия, его модели, чертежи, спецификации, т.е. все элементы конструкторской документации, а также качество и точность их выполнения. Для этого используются интегрированные системы автоматизированного проектирования (САПР) [1-3]. В настоящий момент актуальность систем автоматизированного проектирования обусловлена необходимым повышением числа проектных решений, реализуемых развивающимися предприятиями. Однако большинство предприятий, если и используют САПР, то не для автоматизации процессов проектирования изделий, а для более удобного оформления конструкторской документации. К тому же системы автоматизированного проектирования нацелены на какую-либо предметную область - машиностроение, приборостроение и др.

Для автоматизации полностью или частично формализованных задач, реализацию которых можно автоматизировать, не составляет большой сложности создать программное обеспечение для их решения.

Такими задачами являются расчеты деталей машин. Можно выделить расчеты гидроцилиндров, насосных станций, мультипликаторов, редукторов, т.е. большой круг машин и механизмов. Расчет гидравлических домкратов разных типов и конфигураций является формализованной задачей.

Проектирование гидравлических домкратов является трудоемкой задачей, включающей в себя расчет силовых параметров гидравлического домкрата, расчет его геометрических параметров, проверочные расчеты и т.д. Поэтому создание системы автоматизированного проектирования гидравлических домкратов является в настоящий момент актуальной задачей.

На данный момент не существует систем, реализующих все стадии проектирования гидравлических домкратов с пружинным возвратом. Большинство из реализуемых систем позволяют рассчитать только основные геометрические параметры домкрата, а весь процесс проектирования реализуется инженерами-конструкторами.

Разработка системы автоматизированного проектирования состоит в проработке семи видов обеспечения: математического, информационного; лингвистического, программного, технического, организационного, методического.

При разработке системы автоматизированного проектирования гидравлических домкратов математическое обеспечение было условно поделено на трехмерные геометрические модели и методы и алгоритмы расчета проектируемых домкратов.

186

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

В ходе работ были созданы трехмерные геометрические модели следующих деталей и сборочных единиц: поршень; букса; гильза; пружина; верхний и нижний фиксаторы пружины; уплотнение и направляющее кольцо поршня; грязесъемник и направляющее кольцо штока; несколько видов опор.

Также были реализованы следующие алгоритмы расчета:

- общий расчет основных геометрических параметров гидравлического домкрата;

- расчет геометрических параметров буксы;

- расчет геометрических параметров поршня;

- подбор подходящих уплотнений;

- подбор пружин и расчет их геометрических параметров;

- расчет геометрических параметров фиксаторов пружины;

- расчет геометрических параметров гильзы, а также, по возможности, подбор подходящей заготовки;

- расчет параметров внешней и внутренней метрической резьбы;

- подбор параметров канавок для выхода внешней и внутренней метрической резьбы;

- инженерный расчет резьбы на срез и смятие витков.

Реализация твердотельных геометрических моделей осуществляется в системе геометрического моделирования Компас-3Б. Принцип разработки моделей состоит в постепенном наложении размерных зависимостей и параметров на элементы модели, строящиеся в системе, это могут быть эскизы, геометрические операции и т.д.

Изменение параметров моделей производится по данным, предоставляемым другими модулями, с помощью внутренних функций САПР.

Доступ к внутренним функциям САПР обеспечивается тремя путями:

- через экспортные функции, оформленные в виде dll-модулей;

- через использование СОМ-объектов;

- с помощью технологии Automation, реализованной через API САПР [1].

Для реализации САПР гидродомкратов целесообразной является разработка структурно-функциональной схемы работы программы (рис. 1). С помощью данной схемы можно показать взаимодействие модулей разрабатываемого программного обеспечения.

После анализа был составлен список необходимых модулей:

1) управляющий модуль;

2) модуль взаимодействия с пользователем;

3) модуль генерации отчетов;

4) расчетный модуль, который составляют:

- модуль расчета основных геометрических параметров;

- модуль расчета пружин;

- модуль подбора опор;

- модуль расчета держателей пружины;

- модуль подбора уплотнений;

- модуль расчета буксы;

- модуль расчета конструктивных элементов;

Engineering sciences. Machine science and building

187

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

- модуль проверочного расчета.

5) модуль работы с CAD-системой:

- модуль работы с API;

- модуль обновления моделей;

- модуль обновления чертежей.

Рис. 1. Структурно-функциональная схема САПР гидравлических домкратов

Управляющий модуль разработанной САПР является главным модулем системы. Он контролирует работу всех модулей, входящих в ее состав. Модуль взаимодействия с пользователем решает задачи ведения диалога с пользователем для ввода исходных данных. Ввод исходных данных может проводиться несколькими способами. При обычном вводе параметров управляющий модуль передает их расчетному модулю, проверяя работоспособность

188

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

модулей. При вводе заявки модуль взаимодействия с пользователем контактирует с управляющим модулем не напрямую, а через сервисный модуль, производящий разбор поступившей заявки. После ввода данных любым способом управляющий модуль подает управляющее воздействие на расчетный модуль. С управляющим воздействием расчетному модулю передаются также исходные данные, а также данные, являющиеся сервисными. В расчетном модуле его составляющие модули передают исходную и выходную информацию между собой. При необходимости в данных, хранящихся в базе данных (БД), управляющему модулю передается запрос на работу с системой управления базой данных (СУБД). Управляющий модуль передает управление модулю работы с СУБД, которому от расчетного модуля передается запрос на необходимую информацию. Модуль работы с системой управления базой данных отправляет запрос напрямую СУБД и получает извлеченные из БД данные. Данные передаются запросившему их подмодулю расчетного модуля, управление также переходит к расчетному модулю. По окончании работы расчетного модуля данные заносятся в блок расчетных данных, а управление передается модулю взаимодействия с пользователем через управляющий модуль. При необходимости выдачи отчета управление передается модулю генерации отчетов, который использует данные из блока расчетных данных. По окончании выдачи отчетов происходит передача управления обратно модулю взаимодействия с пользователем. При необходимости перестроения моделей и обновления чертежей управление передается модулю работы с CAD-системой, которая, в свою очередь, через интерфейсы контролирует работу CAD-системы. Через управляющий модуль проходят все управляющие воздействия, тем самым данный модуль всегда производит контроль работы системы автоматизированного проектирования.

Также был проведен анализ данных и файлов, используемых в проекте. Данные были разбиты на следующие группы:

1) пользовательские данные, являющиеся входными; будут получены при взаимодействии пользователя с САПР;

2) расчетные данные, полученные в результате работы расчетного модуля;

3) внешние данные, являющиеся стандартами, хранящимися в файлах и используемые расчетным модулем;

4) файлы параметрических моделей и чертежей, которые необходимо обновлять при построении домкрата.

Порядок расчета домкрата, а также кнопки перестроения моделей, обновления чертежей, генерации отчетов также находятся на главном окне (рис. 2).

Это также позволяет пользователю не отвлекаться от алгоритма проектирования на открытие дополнительных окон приложения. Окно вывода графического отчета представляет собой чертеж рассчитанного элемента домкрата с нанесенными на него размерами (рис. 3).

Данное окно обладает наглядностью, особенно для инженера-конструктора, так как размеры представлены не в текстовом формате, а нанесены на чертеж.

Engineering sciences. Machine science and building

189

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

'

О HydraulidackCAD Файл Опции Справка Выберите тип ввода исходных данных © Ввод заявки © Ручной ввод параметров Ввод исходных данных

Заявка Давление, МПа

70

КПД домкрата

Грузоподъемность, т 0,96

Коэффициент запаса прочности

„ 1/5

Ход поршня, мм

Материал гильзы Сталь 30ХГСА

[ Ввести данные ~~|

Порядок расчета Работа с моделями

Г Расчет основных параметров домкрата 1 | Перестроить модели |

L 1 Подбор уплотнений штока и поршня Расчет буксы J 1 Работа с чертежами | Обновить чертежи ||

L Расчет поршня J

L Подбор пружин J Работа с отчетами

1 Расчет фиксаторов 1 | Сгенерировать отчет |

1 Расчет гильзы 1 Работа с документацией

L Расчет стандартных изделий J [ Открыть паспорт домкрата |

Рис. 2. Порядок работы с программой

Рис. 3. Окно графического отчета Список литературы

1. Кидрук, М. И. Компас-3Б V10 на 100 % : учеб. пособие / М. И. Кидрук. -Изд. 2-е, перераб. и доп. - СПб. : Питер, 2009. - 560 с.

190

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

2. Норенков, И. П. Основы автоматизированного проектирования : учеб. пособие для вузов / И. П. Норенков. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. - 336 с.

3. Капустин, Н. М. Автоматизация производственных процессов в машиностроении / Н. М. Капустин, П. М. Кузнецов, А. Г. Схиртладзе ; под общ. ред. Н. М. Капустина. - М. : Высш. шк., 2004. - 415 с.

References

1. Kidruk M. I. Kompas-3D V10 na 100 %: ucheb. posobie [One hundred per cent of KOMPAS-#D V10: tutorial]. Saint Petersburg: Piter, 2009, 560 p.

2. Norenkov I. P. Osnovy avtomatizirovannogo proektirovaniya: ucheb. posobie dlya vuzov [Basic computer-aided design: tutorial for universities]. Moscow: Izd-vo MGTU im. N. E. Baumana, 2002, 336 p.

3. Kapustin N. M., Kuznetsov P. M., Skhirtladze A. G. Avtomatizatsiya proizvodstvennykh protsessov v mashinostroenii [Automation of mechanical engineering production]. Moscow: Vyssh. shk., 2004, 415 p.

Терехов Максим Владимирович

кандидат технических наук, доцент, кафедра компьютерных технологий и систем, Брянский государственный технический университет

E-mail: malt86@mail.ru

Колякин Владислав Валерьевич аспирант, Брянский государственный технический университет

E-mail: Vladislavkol93@mail.ru

Леонов Юрий Алексеевич кандидат технических наук, доцент, кафедра компьютерных технологий и систем, Брянский государственный технический университет

E-mail: yorleon@yandex.ru

Terekhov Maksim Vladimirovich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of computer technology and systems, Bryansk State Technical University

Kolyakin Vladislav Valer'evich Postgraduate student, Bryansk State Technical University

Leonov Yuriy Alekseevich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of computer technology and systems, Bryansk State Technical University

УДК 658.512.22 Терехов, М. В.

Автоматизация проектирования гидравлических систем с использованием параметрического моделирования / М. В. Терехов, В. В. Колякин, Ю. А. Леонов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. - № 4 (32). - С. 185-191.

Engineering sciences. Machine science and building

191