Прототипирование детали с помощью CAD -системы

 

Цель работы: Ознакомить студента с принципами прототипирования и получения цифрового макета (прототипа) детали средствами САD-системы.

Последовательность выполнения работы:

Перед началом построения целесообразно провести анализ детали и планирование ее построения. В ходе этого в модели выделяются основные поверхности, определяются методы их построения и характер сопряжения.

1. Изучить чертеж детали. Произвести анализ ее конструктивной формы, выявить асимметричные элементы, определить их положение.

2. Выявить методы (операции) получения выявленных элементов в 3D-модели, и объединить элементы в группы по возможности формирования за одну операцию. На основе анализа построить эскизы, определяющие основные размеры модели и форму элементов детали.

3. Выявить плоскости, на которых будут строиться эскизы, с учетом преобразования в последующем 3D-модели детали в проекционный чертеж и в управляющую программу для станка с ЧПУ.

4. Выполнить 3D-модель детали.

5. Определить МЦХ детали.

6. Выполнить проекционный чертеж детали с выполнением необходимых разрезов и сечений.

Комментарии.

Бы́строе прототипи́рование, сокр. БП — технология быстрого «макетирования», быстрого создания опытных образцов или работающей модели системы для демонстрации заказчику или проверки возможности реализации. Прототип позже уточняется для получения конечного продукта. Термин используется как в информационных технологиях для обозначения процесса быстрой разработки программного обеспечения, так и в технологиях, связанных с изготовлением физических прототипов деталей. Прототипирование (англ. prototyping) — это быстрая «черновая» реализация базовой функциональности объекта для анализа работы системы в целом. После этапа прототипирования в большинстве случаев следуют этапы пересмотра объекта, разработки, реализации и тестирования конечного продукта.

Цель создания качественного прототипа заключается в точном повторении геометрической формы, собираемости, внешнего вида детали и поиска материалов, максимально похожих на заданные. Очень удобны технологии быстрого прототипирования - послойного синтеза макета по компьютерной модели изделия. Такой прототип позволяет оценить внешний вид детали, проверить элементы конструкции, сделать необходимые испытания, получить мастер-модель для последующего литья. RP-технологии в прототипировании значительно сокращают сроки подготовки производства, разрешают отказаться от длительного и трудоемкого этапа изготовления опытных образцов вручную или на станках с ЧПУ. Кроме того, на готовой модели можно проводить различные тесты еще до того, как будет готов окончательный вариант изделия или те тесты, которые на готовом изделии провести невозможно.

Современные технологии позволяют чрезвычайно оперативно получить точный макет или прототип с минимальными трудозатратами. Одной из таких самых простых и доступных технологий, получающих всё более широкое распространение, является быстрое прототипирование (3D-выращивание) с применением 3D-принтеров. Она позволяет создавать модели любой сложности. 3D-прототипирование изделий с применением 3D-принтеров в общем случае представляет собой послойное построение физической конструкции на основе разработанной математической 3D-модели. Прототип строят, используя твердотельную модель из CAD-систем или модель с замкнутыми поверхностными контурами. При этом модель рассекают на тонкие слои в поперечном сечении, используя специальную программу. Каждый слой имеет толщину, равную разрешающей способности оборудования по z-координате. Обязательно оставляется припуск на механическую обработку. Так деталь послойно строят до получения физического прототипа.

Быстрое прототипирование включает несколько этапов, первым из которых является компьютерное 3D-моделирование. Данный этап может быть выполнен практически в любом пакете 3D-моделирования, позволяющем выполнить последующий экспорт модели в формат STL, который «понимают» все 3D-принтеры. Большинство современных САПР обеспечивают экспорт моделей в стандартном для быстрого прототипирования формате STL. Далее компьютерная 3D-модель открывается в поставляемом с 3D-принтером программном обеспечении, где, в зависимости от используемой технологии выращивания, можно выполнить позиционирование модели в рабочем пространстве (для минимизации затрат материала и времени), выбрать необходимое качество выращивания, материал, тип поверхности и т.п., получить прогноз на затраты материала и времени. На следующем этапе производится выращивание модели на 3D-принтер. На заключительном этапе, при необходимости, производится механическая доработка и покраска выращенной модели. Для выращивания модели в 3D-принтере могут использоваться различные технологии, которые можно разделить на две большие группы: лазерные и струйные. Некоторые из установок БП называют трёхмерными принтерами.

Говоря о технологии быстрого прототипирования, обязательно стоит помнить, что те же самые средства, применяемые в ней, позволяют организовать единичное производство. Например, возможно изготовление литейных форм, выплавляемых (выжигаемых) моделей, а также за сравнительно небольшое время можно получить готовое изделие сложной конфигурации, даже состоящее из набора подвижных относительно друг друга деталей.

Рассмотрим пример построения прототипа детали "Сектор".

 

Рисунок 2.1. Чертеж сектора

 

1. Деталь типа кронштейна. Имеется гладкое отверстие, соосное с наружной поверхностью, и секторная часть. Наружная поверхность является фасонной и состоит из цилиндрических, плоских, радиусных элементов.

2. Основное тело детали может быть получено выдавливанием сечения втулки вдоль оси Y, поэтому в один эскиз (эскиз а) объединяем элементы, описывающие наружный контур и контур соосного ему отверстия. С учетом преобразования в последующем 3D-модели детали в проекционный чертеж и в управляющую программу для станка с ЧПУ выбираем для первого эскиза координатную плоскость XOY, ось детали должна совпадать с осью ОZ.

 

Рисунок 2.2. Эскизы для прототипирования детали «Сектор».

 

3. Далее выполняем скругление на отверстиях секторной части.

4.На плоскости XOZ выполняем эскиз б (рисунок 2.2), в котором должна быть ось. И получаем тело (втулку) за одну операцию вращения.

 

5. Далее выполняем эскиз шпоночного паза (эскиз в на рисунке 2.2) и при помощи операции вырезания выдавливанием получаем паз.

6.Далее выполнем фаску и скругления.

7. Для получения МЦХ детали вводим в соответствующее окно «Свойства модели» наименование, номер детали, материал детали Сталь 25Л ГОСТ 977-88 и получаем расчетные параметры: массу детали, ее объем, координаты центра масс и др.:

МЦХ

Втулка

Заданные параметры

Материал                   Сталь 25Л ГОСТ 977-88

Плотность материала                 Ro =0.007830 г/мм3

 Расчетные параметры

Масса                         M = 61526.706920 г

Площадь                       S = 664016.688723 мм2

Объем                         V = 7857816.975790 мм3

Центр масс                   Xc = 245.165690 мм

                             Yc = -0.093186 мм

                             Zc = -0.031427 мм

Моменты инерции

В глобальной системе координат:

Осевые моменты инерции       Jx = 694754561.999406 г*мм2

                             Jy = 4978756453.528367 г*мм2

                             Jz = 4978316074.769515 г*мм2

Центробежные моменты инерции Jxy = -1024726.014480 г*мм2

                            Jxz = -684526.276050 г*мм2

                            Jyz = -264130.591102 г*мм2

В центральной системе координат:

Осевые моменты инерции       Jx = 694753966.959726 г*мм2

                             Jy = 1280618896.951417 г*мм2

                             Jz = 1280178044.686156 г*мм2

Центробежные моменты инерции Jxy = 380910.914932 г*мм2

                            Jxz = -210476.306343 г*мм2

                            Jyz = -264310.774274 г*мм2

В главной центральной системе координат:

Осевые моменты инерции       Jx = 1280742745.022116 г*мм2

                             Jy = 1280054520.067293 г*мм2

                             Jz = 694753643.507890 г*мм2

 

Рисунок 2.3. Дерево построения модели

 

8. Выбираем "Файл - Создать - Чертеж". Далее выбираем "вставка - Вид с модели – Стандартные – Вид спереди" и получаем заготовку проекционного чертежа. Выполняем разрез детали вертикальной плоскостью. Проставляем размеры и оси на чертеже, вводим неуказанную шероховатость и технические требования (чертеж условно не показан).

 

Практическая работа № 3