Пильов В.О., Шеховцов А.Ф. Двигуни внутрішнього згоряння: Серія підручників. Том 4. Основи САПР ДВЗ

Подождите немного. Документ загружается.

7.3. Автоматизація синтезу геометричних моделей деталей ДВЗ

На сьогодні найбільш поширеним режимом створення геометричних

ММ об’єкта проектування вважається графічний інтерактивний режим.

Цей режим, як основний, підтримують усі без винятку системи машинної

графіки. Водночас впровадження виключно цього режиму для виконання

креслень та об’ємних геометричних моделей деталей ДВЗ слід розглядати

як удосконалення методів традиційного (“ручного”) виконання креслярсь-

ко

-графічних робіт на основі використання комп’ютерних методичних,

програмних, лінгвістичних, інформаційних та технічних засобів.

Необхідно мати на увазі, що методи комп’ютерних технологій у та-

ких випадках використовуються не в повному обсязі. Це зменшує потен-

ційні можливості і ефективність використання САПР. Пояснимо вказане.

Основною відзнакою інформації, яка використовується в розрахун-

кових блоках САПР, від інформації графічних підсистем є те, що приклад-

ні програми оперують геометричними параметрами об’єктів моделювання

(топологічною моделлю), а графічна підсистема – певними типами графіч-

них елементів, координатами цих елементів і набором додаткових даних,

необхідних для організації процесу виготовлення та контролю технічного

виробу, тобто геометричною моделлю ЦС. При

цьому, коли за допомогою

прикладних програм знайдено оптимальне конструктивне рішення

опт

, а

надалі відповідні креслярсько-графічні роботи виконує проектувальник, то

маємо неузгоджене ПЗ розрахункового блока САПР і системи машинної

графіки. Таким чином, використання графічного інтерактивного режиму

роботи проектувальника може суперечити принципу узгодженості програ-

много забезпечення САПР.

Можливим способом подолання цього недоліку є використання

програм-конверторів, які розробляють на основі лінгвістичного забезпе-

чення САПР, а саме апарату внутрішніх та проміжних мов (див. рис.4.14,

4.15). З цього приводу важливою є задача

розробки програм-конверторів

для автоматичної передачі даних з розрахункових блоків САПР у графічну

підсистему

з урахуванням особливостей певних деталей двигуна. Інакше, в

САПР ДВЗ необхідно мати засоби обміну інформацією між топологічною і

геометричною математичними моделями об’єкта проектування.

Аналіз сукупності деталей ДВЗ з точки зору можливості синтезу їх

геометричних моделей дозволяє виділити наступні чотири групи:

310

1. Деталі, що мають оригінальні елементи, автоматизація синтезу

яких неможлива. Насамперед, це відноситься до об’єктів, розробка яких

ведеться на рівні винаходів. Функціональний аналіз і конструктивна опти-

мізація цих деталей можлива не завжди. Через відсутність необхідних мо-

делей основний метод дослідження – експеримент. При наявності необ-

хідних аналітичних або алгоритмічних моделей розробляють

відповідні

програми аналізу, здійснюють типізацію нових елементів, а деталь відно-

сять до другої або третьої групи.

2. Деталі з оригінальними елементами, топологія яких може бути

отримана за допомогою програм синтезу. Тут в підсистемі аналізу врахо-

вується вплив геометрії на стан даної деталі, на елементи конструкції, що

взаємодіють з нею, на показники

функціонування двигуна. Можливо ство-

рення підсистеми конструктивної оптимізації деталі.

До оригінальних елементів деталей цієї групи можна віднести форму

КЗ та профіль бокової поверхні поршня, канали газоповітряних трактів го-

ловки циліндрів, головку циліндрів в цілому, геометрію і кількість лопаток

турбіни, компресора, водяного насоса, профілі кулачків паливного насоса,

механізму газорозподілу тощо. Синтез вектора

конструктивних параметрів

оригінальних елементів деталей тут здійснюється за адаптивними тех-

нологіями проектування.

3. Деталі, всі елементи яких являють собою типові проектні рішення.

Інформація про такі деталі легко обробляється в системах математичного

моделювання, можливим є виконання їх синтезу, аналізу і оптимізації. Як

приклади таких деталей можна привести клапан, його сідло і направляючу,

елементи форсунок

, поршневий палець, інші деталі двигуна, які не відне-

сено до перших двох груп.

В цілому для синтезу креслярсько-графічної інформації щодо дета-

лей першої-третьої груп використовують каркасні, аналітитчні, алгебро-

логічні та канонічні геометричні моделі.

4. Уніфіковані деталі і вузли. Вони використовуються в незмінному

вигляді при проектуванні різних модифікацій двигунів. Етапи їхньої роз-

робки в даному випадку виключаються. Потрібно лише узгодження харак-

теристик відзначених деталей з характеристиками деталей першої - третьої

груп. Для синтезу геометрії уніфікованих деталей і вузлів використовують

геометричні макромоделі.

311

Виходячи з наведеної вище класифікації, можна виконати оцінку до-

цільності геометричного моделювання деталей тієї або іншої групи, після

чого вибрати необхідні режими роботи програмного забезпечення, яке

сполучає прикладні програми і графічну підсистему, топологічні і геомет-

ричні структурні ММ.

Таку оцінку виконаємо на основі даних щодо витрат

на проектуван-

ня, виробництво й експлуатацію двигуна залежно від коефіцієнта застосо-

вності уніфікованих деталей. Ці дані подано на рис.7.2. Тут коефіцієнт за-

стосовності

відповідає двигуну, який теоретично розроблено виня-

тково з оригінальних елементів (група 1),

, – з уніфікованих (група

4), а при

має місце

оптимальне значення цього ко-

ефіцієнта за сумою усіх витрат у

виробника і споживача.

опт

зз

KK =

Очевидно, що викорис-

тання мінімальної кількості уні-

фікованих деталей теоретично

дозволяє одержати конструкцію

двигуна з найкращими техніко-

економічними показниками що-

до запитів конкретного кола

споживачів. Це приводить до

мінімальних витрат на експлуа-

тацію. З іншого

боку, викорис-

тання уніфікованих деталей і вузлів зменшує витрати на проектування,

підготовку виробництва і виробництво. Водночас вибір певного числа уні-

фікованих деталей і вузлів може привести до небажаного ефекту, коли

зниження витрат на проектування і виробництво двигуна не перекриває

підвищення витрат на його експлуатацію. При цьому заздалегідь не зав-

жди можна

сказати, які з деталей четвертої групи визначають цей ефект.

Таким чином,

остаточне рішення щодо використання тієї або іншої

уніфікованої деталі в загальному випадку приймається після проведення

відповідного аналізу й оптимізації, коли відомо, що

конструктивні пара-

метри уніфікованої деталі не погіршують експлуатаційні показники ДВЗ

опт

исунок 7.2 – Залежність статей витрат

від ступеня уніфікації двигуна:

– питомі, віднесені на один двигун, витрати

на розробку; S

– на виробництво; S

– на

експлуатацію; S

– сума витрат

312

З точки зору виконання автоматизованого проектування двигунів це

означає, що збереження інформації про деталі четвертої групи в базі даних

САПР повинно бути організовано не тільки у вигляді креслень і об’ємних

макромоделей, а і у формі, що дозволяє виконувати процедури аналізу й

оптимізації. Отже, для уніфікованих деталей ДВЗ необхідно мати їх

топо-

логічні моделі, як і для оригінальних та типових деталей другої і третьої

груп.

Для вибору ефективного способу сполучення програм розрахунково-

го блока САПР і графічної системи розглянемо можливість використання

різних режимів роботи програмного забезпечення з погляду максимальної

ефективності генерації креслень та дво- і тривимірних зображень деталей

різних груп. Відповідно

до лінгвістичного забезпечення САПР до цих ре-

жимів належать графічний інтерактивний, діалоговий і найбільш ефектив-

ний – пакетний.

Автоматичний синтез геометричних моделей деталей першої групи

неможливий. Для виконання їх нарисно-графічної документації передба-

чено використання графічного інтерактивного режиму роботи (див. блок

14, рис.2.2).

При проектуванні в САПР деталей другої групи, незважаючи на

те,

що створення їх геометричних моделей можливо в повному об’ємі, генера-

ція креслярсько-графічної документації в пакетному режимі роботи про-

грам не завжди є доцільною. Це зв’язано з тим, що геометрія оригінальних

поверхонь на кресленні часто задається не повно, у вигляді окремих пере-

тинів (наприклад, профілі газоповітряних каналів) або

таблично (профілі

поршнів, кулачків). Таким чином, вибір геометрії оригінальних елементів

деталей і визначення способу завдання їх складних поверхонь варто зали-

шати за користувачем САПР.

Отже, математичне забезпечення генерації нарисно-графічної інфор-

мації деталей другої групи повинно забезпечувати діалоговий режим робо-

ти програм. У пакетному режимі при цьому можуть бути отримані

ті еле-

менти деталей, що не є оригінальними.

Для деталей третьої групи, усі елементи яких представляють собою

типові проектні рішення, існує можливість генерації креслень цілком у па-

кетному режимі, без участі конструктора. Наявність засобів ведення діа-

логу необхідна винятково для надання можливості зміни точки огляду

об’ємного зображення.

313

Таким чином, можна укласти, що математичне забезпечення САПР

ДВЗ повинно мати в своєму

розпорядженні засоби автоматичного синтезу

геометричних моделей деталей тільки другої і третьої груп. Основним ре-

жимом роботи програм при цьому слід вважати діалоговий режим, окре-

мим випадком якого розглядається пакетний.

Структурна схема математи-

чного забезпечення синтезу креслярсько-графічної і геометричної інфор-

мації в САПР ДВЗ подана на рис.7.3.

Сукупність

топологічних

параметрів

геометричної

моделі деталі

Параметричний

графічний елемент –

параметричний образ

типової (уніфікованої)

деталі або типової

частини оригінальної

деталі

Вибір способу

задання складних

поверхонь,

характерних перетинів

деталі, точки огляду

об’ємного зображення,

сукупності обраних

графічних примітивів

оригінальних частин

деталі

Розрахунок

координат графічних

примітивів

типових

елементів деталі

Розрахунок

координат графічних

примітивів

оригінальних

елементів деталі

Формування

набору примітивів, який

визначає типову

частину геометричної

моделі

Формування

набору примітивів,

який визначає

оригінальну частину

геометричної моделі

Поєднання

примітивів,

які визначають

креслення

Поєднання

примітивів,

які визначають об’ємну

геометричну модель

Візуалізація зображення в графічній підсистемі

Рисунок 7.3 – Структура математичного забезпечення синтезу

креслярсько-графічної і геометричної інформації в САПР ДВЗ

314

З рисунку видно, що має місце два потоки перетворення геометрич-

ної інформації. Перший потік (блоки 1 – 3, 7 або 8) використовується для

формування креслень або об’ємних моделей типових і уніфікованих дета-

лей, типових елементів оригінальних деталей. Режим роботи програми-

конвертора при реалізації першого потоку перетворення інформації – паке-

тний. Другий потік (блоки 4 – 6, 7 або 8) використовується для

формування

оригінальних елементів креслень і об’ємних геометричних моделей. Режим

роботи програм – діалоговий.

В цілому подана схема забезпечує автоматизовану передачу даних з

розрахункових блоків САПР в графічну підсистему. При цьому розроблен-

ню програми-конвертора для генерації зображення конкретної деталі по-

винна передувати робота з типізації всіх елементів цієї деталі, а

для гене-

рації креслення – додатково з типізації елементів креслення.

Слід підкреслити, що поданий підхід до питань автоматизованої гра-

фічної обробки даних суттєво підвищує ефективність САПР по відношен-

ню до інтерактивних засобів взаємодії конструктора з системою. При цьо-

му з рис.7.3 видно, що математичне забезпечення, яке підлягає розробці,

повинно оперувати такими лінгвістичними

поняттями інженерної графіки,

як графічний примітив (блоки 1,3 – 8) та параметричний графічний еле-

мент (блок 2).

7.4. Приклади автоматизованого синтезу геометричних

моделей ДВЗ

7.4.1. Синтез креслень типових і оригінальних деталей ДВЗ

Синтез креслярсько-графічної документації здійснюється на основі

використання канонічних геометричних математичних моделей. В загаль-

ному випадку на основі топологічної інформації, яку подано в значеннях

складових вектора конструктивних параметрів деталі

),...,,(

xxxx

здійснюється розрахунок значень сукупностей атрибутів усіх графічних

примітивів, що складають креслення цієї деталі.

Зрозуміло, що кожна окрема типова деталь або типова частина ори-

гінальної деталі, що проектується, має неповторний набір графічних при-

мітивів. Саме сукупність цих примітивів утворює окремий типовий пара-

метричний графічний елемент. Опис цього елемента відповідає блоку 2

315

рис. 7.3. Інші графічні примітиви, які відтворюють оригінальні елементи

деталі, задаються в блоці 4. З цього приводу відповідне математичне за-

безпечення розробляється за принципом “окрема деталь – окремий конвер-

тор синтезу нарисно-графічної інформації”.

Щодо генерації креслярсько-графічної інформації для типових дета-

лей ДВЗ програми-конвертори в своєму складі відповідно до рис.7.3 мають

блоки

1,2,3 і 7. У блоці 1 залежно від типу конкретної деталі виконується

опитування значень усіх параметрів її вектора

і здійснюється розрахунок

значень атрибутів потрібного набору графічних примітивів. Синтез графі-

чних примітивів на проміжній мові графічної системи реалізується в блоці

3, а генерація зображення (запис даних у файл) – в блоці 7.

Як приклад генерації креслення типової деталі в додатку 3 наведено

текст програми-конвертора направляючої клапана VTULKA_SF. Синтез

здійснюється проміжною мовою графічної системи

КОМPАS. Програму

реалізовано мовою Turbo Pascal з використанням бібліотеки Tpedit пакета

Turbo Professional. З аналізу програми можна побачити, що вхідними є 12

геометричних і 6 технологічних параметрів: довжина направляючої; зов-

нішній, посадковий і внутрішній її діаметри; положення посадкової повер-

хні, параметри фасок, відомості про шорсткість поверхонь, величини допу-

сків на виготовлення тощо. Після опрацювання цієї інформації

має місце

визначення 18 параметрів креслення. Варто зауважити, що в дійсності гео-

метричних координат, що визначають положення і розміри графічних

примітивів істотно більше, ніж 18. Решта параметрів є залежною від ви-

значених при описі типового геометричного образу. Цей образ (відповідно

до блока 2 рис.7.3) безпосередньо включено в текст розглянутої програми.

Результатом роботи конвертора

є генерований файл VTULKA.SF,

який являє собою опис повністю сформованого креслення втулки на про-

міжній мові графічної підсистеми. Текст згаданого файла також подано в

додатку 3. Його опрацювання, перетворення в графічне зображення з виве-

денням на екран і друк здійснюються відповідно до схеми функціонування

графічної підсистеми, яку було наведено на рис.2.2 (блок 8).

На

рис.7.4 подано зовнішній вигляд отриманого за текстом файла

VTULKA.SF фрагменту креслення направляючої клапана та фрагмент кре-

слення цієї втулки при декількох змінених параметрах. Фрагменти крес-

лень клапана і сідла клапана, які являються результатами роботи

316

исунок 7.4 – Приклади синтезованих в САПР фрагментів

реслень направляючих клапана (НТУ “ХПІ”):

, б – варіанти виконання

317

аналогічних програм-конверторів, подано відповідно на рис.7.5 і 7.6. Вид-

но, що при використанні таких підходів конструктор значною мірою звіль-

няється від рутинних операцій, а ефективність проектування зростає.

Одним із характерних прикладів оригінальної деталі двигуна з по-

гляду генерації її креслення є колесо водяного насоса. Тут за основним па-

раметром, – кількістю лопаток

колеса, до проведення відповідних розраху-

нків образ деталі не є визначеним. Тому, залежно від одержуваних у блоці

синтезу результатів, формування геометрії лопаток здійснюється з викори-

станням блоків 4 – 7 (див. рис.7.3). Інші елементи креслення є типовими і

формуються в блоках 1, 2, 3 і 7. Програму, що реалізує формування фраг-

менту креслення колеса насоса NASOS_SF написано мовою Turbo Basic

подано в додатку 3. У даному випадку вона містить розрахунковий блок,

який реалізує алгоритм визначення конструктивних параметрів колеса,

блок-конвертор, результатом роботи якого є сгенерований файл

NASOS.SF, і додатковий блок, який реалізує автоматичну передачу даних

у графічну підсистему. Внаслідок особливостей розрахункового алгорит-

му, режим роботи програми – пакетний, тобто обробка інформації здійс-

нюється цілком в автоматичному режимі. Результат роботи програми по-

дано на рис.7.7.

Відповідно до загальної схеми взаємодії розрахункового блока

САПР з графічною підсистемою (див. рис.2.2) існує можливість редагу-

вання отриманого зображення в графічному інтерактивному режимі. Вико-

ристання останнього дозволяє одержати цілком закінчене робоче креслен-

ня деталі і креслення її заготовки.

Фрагменти цих креслень надано на

рис.7.8, 7.9.

Іншим прикладом оригінальної деталі ДВЗ може служити газоповіт-

ряний канал головки циліндрів.

При генерації креслення каналу робота програмного комплексу пе-

редбачає проходження декількох етапів:

1. Автоматизоване формування осі каналу з візуальним контролем

одержуваних результатів на екрані монітора.

2. Опис осі каналу сплайнами.

3. Синтез об

’ємної моделі, тобто математичного уявлення геометрії

каналу.

318

исунок 7.5 – Приклад автоматичного синтезу фрагмента

креслення клапана швидкохідного дизеля (НТУ “ХПІ”)

319