Чертежи

Чертеж — документ, содержащий изображение детали или сборочной единицы и другие данные, необходимые для их изготовления и контроля.

Чертеж относится к основным конструкторским документам и является наиболее важной частью документации для производства. В нем заключена информация о геометрии изделия и технические требования, а также отражен замысел конструктора и определена мера ответственности служб, участвовавших в разработке.

В условиях применения сквозных компьютерных технологий, когда информация с компьютера передается непосредственно на станок по локальной сети, чертежи теряют то ведущее положение, которое они занимали в традиционном конструировании. Однако во всех программных пакетах есть средства разработки чертежно-конструкторской документации.

Исторически сложившиеся способы создания чертежей:

1. Классический способ — с использованием традиционных конструкторских инструментов: линеек, циркулей, лекал и пр.

Базой для формирования чертежей является конструкторская провязка, выполненная указанными инструментами. Это геометрическая модель изделия, реализованная с максимально возможной точностью построений (до 0,1 мм). В простейшем варианте провязкой может служить сборочный эскиз-чертеж. Каждый чертеж разрабатывается автономно, как отдельный документ. Единственное, что связывает все чертежи в процессе разработки, — это провязка, а также устная информация, исходящая от создателя провязки.

Если в модель-провязку вносятся изменения, то требуется переделка наследованных от нее документов, либо, как аварийный вариант, — выпуск извещений о будущих изменениях.

Недостатки бумажных чертежей:

• Бумажные чертежи "стареют" и портятся при хранении -- электронные изображения "вечны", срок их жизни практически неограничен.

• Тиражирование и рассылка бумажных чертежей -- трудоемкая и не дешевая операция: за время, необходимое для копирования одного бумажного чертежа, можно разослать по сети множество бесплатных копий электронных чертежей.

• Бумажные чертежи занимают много места, их хранение плохо систематизируется; зачастую в бумажном хранилище стоит больших трудов найти нужную информацию. Электронные чертежи никаких помещений не требуют, отыскиваются эффективнее и быстрее.

• Бумажные чертежи теряются. По экспертной оценке, не могут использоваться от пяти до семи процентов технических материалов: они потеряны или разукомплектованы. Резервное копирование содержимого электронного архива и введение автоматизированной дисциплины доступа к информации избавляет от подобных неприятностей.

• Бумага ограничивает возможности представления данных. Графика, текст -- и всё, тогда как электронные документы могут содержать трехмерные модели, гиперссылки на связанные материалы (например, чтобы связать текстовую и графическую документацию), атрибуты и параметры, которые могут быть извлечены другой программой, звук, видео и т. п.

2. Компьютеризированный способ — с использованием плоских CAD-систем.

Снижена доля физических действий конструктора, а также повышена точность геометрических построений до одного микрона и более. В основе процесса лежат те же плоские графические примитивы: отрезки, дуги, сплайны. Родительскую функцию для чертежных документов, как и ранее, выполняет провязка, но уже в электронном виде. Процесс заимствования информации из провязки в чертежи упрощается; появляется возможность хранения вместе с моделью комментариев и другой информации, ранее передаваемой устно.  Становится возможным группирование примитивов в смысловые блоки.

Как и традиционный, данный способ имеет существенный недостаток — в его основе лежит неоднозначная геометрическая модель, выполненная по правилам начертательной геометрии и проекционного черчения. Эта модель содержит не геометрические объекты, эквивалентные материальным предметам, а только их проекции, составленные из графических примитивов. Существуют библиотеки 2D моделей.

Для пакетов нижнего уровня функция вычерчивания является основной, и подготовка чертежа на компьютере мало чем отличается от работы на кульмане.

3. Создание чертежа по 3D модели. Объемная модель дает однозначное представление о геометрии объекта, независимое от субъективных факторов, таких как традиции исполнения чертежей и способность индивидуума к распознаванию и восстановлению образа изделия по чертежу. Если модель создана, то это однозначно говорит о том, что материальный объект с такой геометрией существовать может.

В CAD-системах среднего и верхнего уровней, работающих с объемными моделями, также присутствуют модули, позволяющие автоматически получать чертежи и другую документации на основе 3D-моделей в соответствии с существующими российскими и международными стандартами. При этом обеспечивается ассоциативная связь между моделью и чертежами, сделанными на ее основе, позволяющая в автоматическом режиме отслеживать изменения, т.е. при изменении формы, размеров и топологии модели изменяются и все связанные с ней виды. Однако, в случае необходимости, ассоциативная связь может быть разорвана. В этом случае все линии чертежа становятся самостоятельными объектами и перестраиваются вручную с помощью функций редактирования плоской геометрии.

Обычно пользователю предоставляются возможности создания стандартных и произвольных видов, местных видов, разрезов и сечений; поддерживаются любые типы размеров: линейные, угловые, радиальные, цепочки размеров и т.д. (рис.9). На чертеж также могут быть нанесены допуски формы и расположения поверхностей, шероховатости, надписи, тексты.

Рис.9

Формирование спецификаций также происходит автоматически на основе данных о деталях сборки, которые могут быть получены либо из форматки, либо введены пользователем, либо взяты из данных для спецификаций (при вставке стандартных изделий). Между спецификацией и чертежом или сборочной моделью также существует ассоциативная связь. Это, в частности, проявляется в том, что при удалении детали из сборки, она удаляется и из спецификации. При этом происходит перенумерация последующих позиций спецификации и соответственно изменение позиций на чертеже.

Инженерный анализ в машиностроении

Выше уже упоминалось, что построение пространственной геометрической модели проектируемого изделия является центральной задачей компьютерного проектирования. Именно эта модель используется для дальнейшего решения задач формирования чертежно-конструкторской документации и т.д. Кроме того, эта модель передается в САЕ-системы и используется там для проведения инженерных исследований.

Функции САЕ-систем связаны с проектными процедурами анализа, моделирования, оптимизации проектных решений. Средства CAE могут осуществлять множество различных вариантов анализа. Программы для кинематических расчетов, например, способны определять траектории движения и скорости звеньев в механизмах. Программы динамического анализа с большими смещениями могут использоваться для определения нагрузок и смещений в сложных составных устройствах типа автомобилей. Программы верификации и анализа логики и синхронизации имитируют работу сложных электронных цепей. Следует заметить, что исследоваться могут не только проектируемые изделия или детали, но и проектируемые технологические процессы, например процесс горячей штамповки, гибки, литья из пластмассы и т.д.

Достоинство методов анализа и оптимизации конструкций заключается в том, что они позволяют конструктору увидеть поведение конечного продукта и выявить возможные ошибки до создания реальных прототипов, избежав определенных затрат. Поскольку стоимость конструирования на последних стадиях разработки и производства продукта экспоненциально возрастает, ранняя оптимизация и усовершенствование (возможные только благодаря аналитическим средствам CAE) окупаются значительным снижением сроков и стоимости разработки.

По всей видимости, из всех методов компьютерного анализа наиболее широко используется метод конечных элементов (МКЭ). Первоначально МКЭ применялся главным образом в строительной механике. Однако вскоре стало ясно, что он имеет более широкую область применения. С его помощью рассчитываются напряжения, деформации, теплообмен, распределение магнитного поля и т.д.

На рис.10 приведены некоторые элементы, которые могут присутствовать в библиотеке конечно-элементного пакета. Необходимо отметить, что выбор элементов определяется областью задачи, ее типом, а также конкретным пакетом анализа.

Метод конечных элементов работает на основе расщепления геометрии объекта на большое число (тысячи или десятки тысяч) элементов (рис.11). Эти элементы образуют ячейки сети с узлами в точках соединений. Поведение каждого малого элемента стандартной формы рассчитывается на основе математических уравнений. Суммирование поведения отдельных элементов дает ожидаемое поведение объекта в целом. При этом результаты компьютерного моделирования могут быть представлены в виде таблиц, графиков или в виде реалистичных изображений положений и состояний объектов в разные моменты времени и при различных условиях (нагрузках, температурных режимах и т.д.) (рис. 12). Например, объемная модель раскрашивается разными цветами в соответствии с текущими значениями температур в каждой точке детали.

Рис.10

Рис.11

В результате проведенных исследований оптимизируются соответствующие прочностные или тепловые характеристики, повышается ресурс и долговечность объекта.

В качестве «недостатка» МКЭ можно назвать повышенные требования к мощности компьютера при увеличении числа конечных элементов, используемых для анализа модели.

Рис. 12