Software & Systems

Интеллектуальная система проектирования поковок ступенчатых валов должна формировать геометрические модели поковок ступенчатых валов на основе чертежей деталей. При этом решаются задачи нанесения размеров ступеней, назначения припусков на механическую обработку и термообработку, припусков на образцы для механических испытаний и макроконтроля, а также напусков, упрощающих исходную геометрию в зависимости от технологических возможностей ковки. В результате решения каждой из перечисленных задач изменяется геометрия вала и цепочка его размеров. Это обстоятельство накладывает повышенные требования к графической части системы – графическому редактору, предназначенному обеспечить необходимый интеллектуальный интерфейс между пользователем и компьютером. Разработанная ранее система проектирования поковок ступенчатых валов [1] была основана на процедурном подходе, использовала операционную среду DOS и имела упрощенный графический интерфейс.

На каждом этапе проектирования к графическому интерфейсу предъявляются свои, специфические требования, вытекающие из содержания работы и обеспечивающие пользователю комфортность графического диалога. В процессе разработки были выделены основные функциональные требования, которым должен удовлетворять графический редактор поковок:

-         удобный табличный и графический ввод исходной информации;

-         формирование и графическое отображение информации о проектируемой поковке на различных этапах разработки;

-         широкие возможности редактирования;

-         стандартный интерфейс в стиле Windows.

Интеллектуальные возможности редактора определяются тем, что пользователь работает с ним на уровне желаемых действий, а все необходимые расчеты и изменения геометрической информации редактор делает сам.

Для создания графического редактора, удовлетворяющего всем этим требованиям, был применен объектно-ориентированный подход [2] на основе компонентной модели проектируемого вала. Ступень вала рассматривается в качестве объекта-класса, наделенного определенными свойствами, методами и управляемого событиями. К основным свойствам отнесены тип ступени (бурт, фланец, выемка, уступ), ее размеры и объем, наличие галтелей, торцевых скосов и разрывов на чертеже. Представление ступени в виде объекта позволяет осуществить программирование поведения ступени в процессе проектирования: изменение размеров, перестановку и копирование ступеней, быструю вставку новых ступеней.

Формирование информации для системы проектирования поковок ступенчатых валов начинается с ввода параметров вала, который получается после термической и механической обработки отковываемой поковки. Каждая ступень вала, ее длина и диаметр могут быть введены таблично. Разработан также графический способ ввода информации о детали, при котором каждый новый прямоугольник, нарисованный на любом месте экрана, “приклеивается” к последней ступени вала. Изменение размеров любой ступени осуществляется операцией вытягивания прямоугольника за его маркеры.

При вводе очередной ступени для нее сразу проставляются размеры в соответствии с выбранным масштабом. Размеры, проставляемые на эскизе поковки, должны удовлетворять требованиям стандарта [3], в котором для ступенчатых валов разработана лишь одна схема простановки размеров с назначением базы на торце наибольшего сечения. В то же время допускается применение других схем. Разработанный графический редактор обеспечивает простановку размеров в автоматическом и диалоговом режимах, возможность выбора баз для задания способа построения размерной сетки, а также измене- ния значений размеров и расположения размерных линий.

Для этих целей ввели объект Размеры, который наделили следующими основными свойствами: тип, схема, категория, привязка, видимость, положение, габарит (рис. 1). Значения этих свойств определяют их функциональность. Например, значение линейный соответствует размеру длины ступени (или ступеней) вала, а диаметральный – диаметру ступени.

Нанесение диаметральных размеров затруднений не вызывает, так как для всех ступеней базой для их простановки является ось вала. Для нанесения линейных размеров разработаны 4 схемы (рис. 2): разомкнутая (Р); замкнутая (З); разомкнутая с дополнительными базами (РДБ) и замкнутая с дополнительными базами (ЗДБ). Схема нанесения размеров может быть изменена в любой момент выбором соответствующей опции в меню системы. Приведенные схемы не являются конструкторскими и не охватывают всех возможных комбинаций простановки размеров, которые могут быть на чертеже детали. Это технологические размеры, которые обеспечивают выполнимость назначенных припусков на поковке при проведении операций ковки.

Свойство категория размера определяет его поведение в процессе проектирования. Все размеры разбиты на 5 категорий: габаритный, связанный, свободный, базовый и свободно-базовый.

Категория габаритный определяет габаритный размер вала от левого свободного торца детали до правого свободного торца.

Категория связанный определяет линейный размер одной ступени.

Категории свободный соответствует линейный размер одной ступени, вычисляемый через другие линейные размеры и замыкающий габаритный размер. Этот размер не отображается на экране.

Категория базовый задает линейный размер группы ступеней от базы.

Категория свободно-базовый определяет линейный размер одной ступени, замыкающий базовый размер. Данный размер не отображается на экране.

Видимость размеров является внутренним свойством и не имеет прямого отношения к визуализации размерной сетки. Если размер невидимый, то он никогда не наносится на чертеж. В то же время предусмотрена возможность отключать визуализацию видимых размеров.

Свойство положение характеризует, с какой стороны располагается свободный размер. Это свойство учитывается только в схемах Р и РДБ. В схемах З и ЗДБ оно хотя и задается, но не влияет на конечный результат.

Каждая компонента объекта РАЗМЕРЫ в свойстве привязка содержит номер базовой ступени nб, которой является ступень с наибольшим диаметром поперечного сечения. К базовой ступени в схемах РДБ, ЗДБ привязан обычный связанный размер, слева и справа от которого обязательно располо- жены еще две ступени со связанными размера- ми (см. рис. 2 в,г).

Взаимосвязь свойств линейных размеров для вала, имеющего N ступеней, показана в таблице, где n обозначает номер ступени (n=1,2,…,N); k – количество ступеней, охватываемых базовым размером.

Стандартные методы управления визуальными объектами дополнены новыми методами в соответствии со специфическими задачами проектирования геометрической модели ступенчатого вала. Изменение размеров ступени и перестановка являются событиями, которые обрабатываются программой, и она, анализируя последовательность действий проектировщика, выдает наилучшие визуальные решения в зависимости от размеров и количества ступеней вала. Поскольку отдельная ступень является частью всего вала, то ее поведение в процессе проектирования зависит от наличия и свойств остальных ступеней. В связи с этим применение типовых компонент, используемых при проектировании в стандартных графических пакетах, например [4], не отвечает предъявляемым требованиям к функциональности этих компонент. Графическим компонентам приданы совершенно новые свойства и методы, реализующие интеллектуальный интерфейс, что в конечном итоге намного облегчает процесс проектирования. Например, в фигуре (прямоугольник или трапеция), которая изображает ступень вала (рис. 3), изменено количество угловых и серединных маркеров и их функции. Вместо двух маркеров удлинения ступени применен один – со стороны, противоположной базе, а также изменены свойства угловых маркеров, что дает возможность вводить конические ступени.

Представление размеров в виде класса объектов и задание свойств позволяет создать методы реализации диалога и управления изменением размеров в процессе проектирования. Такой подход является практической реализацией концепции управления данными.

В качестве примера рассмотрим, каким образом происходит изменение размеров для различных схем. Каждая категория размера, кроме габаритного, обладает логическим свойством габарит, которое определяет, будет ли изменяться габаритный или базовый размер при изменении какого-либо связанного размера. Если свойству габарит свободного или свободно-базового размера установлено значение false, то данный размер является демпфером, изменяющим свое значение при изменении связанных размеров, и не позволяет изменяться тому размеру (габаритному или базовому), который он замыкает. В этом случае при изменении связанного или базового размера в схемах Р, РДБ, ЗДБ никакие другие размеры, в том числе и габаритный, не изменяются. Сама ступень при этом изменяет свои размеры. Задание свойству габарит значения true делает ступень "жесткой", то есть неизменяемой, но при этом будет изменяться габаритный или базовый размер вала. Наличие четырех схем позволяет решить практически любую задачу по изменению размеров как отдельных ступеней, так и габаритного размера всего вала.

Процесс проектирования поковки включает в себя этап ввода исходных размеров детали, автоматическое назначение припусков и напусков, корректировку самой детали и спроектированной поковки.

На этапе ввода размеров исходного контура объектом является отдельная ступень вала. При вводе очередной ступени сразу формируются и отображаются ее размеры. Окончательно в чертеже вала используется комбинированный способ простановки размеров, вследствие чего он, как правило, не содержит длину каждой отдельной ступени.

В чертеже поковки отображаются припуски на механическую обработку, назначенные согласно нормативно-технической документации, а также дополнительные припуски на образцы для механических испытаний, макроконтроля, на подвешивание вала при термообработке и другие, требуемые по технологии изготовления детали.

Размерная цепь поковки может значительно отличаться от размерной цепи исходной детали. Рабочий чертеж поковки содержит внешний контур поковки и внутренний контур детали с соответствующими размерами. Поэтому в системе использованы две переменные класса РАЗМЕРЫ: одна для размеров детали вала, другая для размеров поковки вала. Графический редактор позволяет располагать на экране две размерные сетки: одну для детали и другую для поковки или одну по выбору пользователя. На рисунке 4 представлена спроектированная поковка ротора турбины. Светлым тоном показана исходная деталь. Темным фоном выделены назначенные припуски и напуски. Поскольку конические ступени отковывать сложно, они объединены в поковке вместе с центральной ступенью. На торцах вала добавлены припуски для вырезки образцов на испытания механических свойств и контроль структуры металла. Сверху от изображения вала расположена размерная сетка детали, а снизу – размерная сетка поковки. В обоих случаях у объекта РАЗМЕРЫ свойство схема имеет значение замкнутая.

Применение концепции объектно-ориентированного проектирования для разработки графического редактора интеллектуальной системы проектирования поковок ступенчатых валов позволило решить многие из задач, которые трудно было реализовать при обычном процедурном подходе. Выделение размеров в особый класс объектов подготовило условия для создания интеллектуального интерфейса, который значительно облегчает работу проектировщика. Разработанная компонента может быть легко перенесена в другие графические системы, что позволит создавать их в более короткие сроки и на более качественном уровне.

Список литературы

1.   Канюков С.И., Арзамасцев С.В. Проектирование технологии ковки ступенчатых валов//Кузнечно-штамповочное производство. - 1995. - № 9. - С. 13-14.

2.   Буч, Гради. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на C++. / Пер. с англ. со 2-го изд. - М., СПб.: Бином: Невский диалект, 1998. - 560 с.

3.   ГОСТ 7062-90. Поковки из углеродистой и легированной стали, изготовляемые ковкой на прессах. Припуски и допуски. - М.: Изд-во стандартов.

4.   AutoCAD 2002 для конструкторов. Искусство проектирования / Пер. с англ.: Дэвид Харрингтон, Билл Барчард, Дэвид Питцер – К.: ООО "ТИД"ДС", 2002.–944 с.