ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3. Проектирование сборок
1. Понятие сборки. В машиностроении сборкой называется объединение нескольких деталей в единый узел (сборочную единицу). Сборка SolidWorks представляет собой файл, содержащий модели нескольких связанных твердых тел. Как видно, сборка SolidWorks является моделью некоторой сборочной единицы (узла, механизма в целом). Именно для моделирования механизмов и создаются сборки. Отметим, что в общем случае модели в составе сборки могут быть и не связаны между собой (очевидно, что практическая ценность такой сборки мала).
Сборки могут быть простыми (две – три детали, т.е. небольшое их число) и сложными (до нескольких тысяч деталей), т.е. понятие «сложность сборки» определяется количеством входящих в нее деталей и связями, которые на эти детали накладываются. В SolidWorks объем сборки не ограничивается. Ограничения могут возникать только из-за невысокой мощности компьютера (малый объем оперативной памяти, свободного дискового пространства и др.).
В SolidWorks сборки могут быть построены одним из двух способов: «снизу – вверх» или «сверху – вниз».
Сборка «снизу – вверх» проектируется из готовых моделей деталей. Для ее построения модели деталей должны быть разработаны и сохранены в отдельных файлах. Конструкция, механизм (или узел) собираются из моделей деталей аналогично тому, как это происходит при реальной сборке. Следует отметить, что существуют и отличия от реальных сборок. В частности, в сборе SolidWorks модели могут «проникать» одна в другую, чего не может быть в реальной сборке. При этом, правда, в сборке может быть осуществлена проверка конфликтов (т. е. именно таких ситуаций) и на основе такой проверки модели деталей могут быть скорректированы. В процессе проектирования сборки «снизу – вверх» модели деталей помещаются в рабочее поле сборки и для них указываются связи (сопряжения).
Сборка «сверху – вниз» предполагает, как правило, создание компоновочного эскиза сборки, на базе которого разрабатываются модели отдельных деталей. Эти детали сразу становятся встроенными в сборку. Такой способ создания сборки удобен тем, что при изменении компоновочного эскиза сборки автоматически изменяются и размеры (и конфигурация) моделей деталей. Возможно создание сборки таким способом и без разработки компоновочного эскиза. Для этого надо поместить в поле сборки одну базовую деталь, а затем формировать эскизы для отдельных деталей и создавать их как компоненты сборки.
В обоих случаях несколько деталей могут быть объединены в сборочную единицу (узел).
2. Создание сборки «снизу – вверх». Рассмотрим создание сборки способом «снизу – вверх» на примере разработки модели вентилятора.
Как правило, для создания сборки необходимо открыть все файлы деталей. Далее создать новый файл – пустую сборку, в который мышью отбуксировать наименование детали из дерева проекта файла этой детали (очевидно, оба окна должны быть доступны; для этого их располагают каскадом или мозаикой на рабочем поле SolidWorks). Помимо указанного способа добавить деталь в сборку можно средствами операционной системы (используя проводник: достаточно отбуксировать на рабочее поле файла - сборки имя файла детали, рис. 1).
Рис. 1. Добавление файла в сборку с использованием проводника
Добавление следующих деталей осуществим в среде SolidWorks. На рис. 2 показаны открытые окна с моделями деталей (вертушка и ось).
Рис. 2. Открытые окна деталей расположены мозаикой
Теперь необходимо отбуксировать детали в окно сборки. Для этого необходимо «захватить» мышью верхний значок в дереве соответствующей детали и при нажатой левой кнопке переместить его в файл (окно) сборки. Таким образом в файл сборки помещаются все необходимые детали (рис. 3).
Рис. 3. Все детали помещены в файл сборки
Важно учитывать следующее. Все детали в сборке, кроме первой помещенной в нее, свободны. Т. е. их можно перемещать и вращать произвольным образом. Первая же деталь, как основа сборки, фиксирована. Факт фиксации или свободы детали отмечается в дереве сборки соответствующим значком около имени детали ( «ф» - если зафиксирована, «-» - если свободна). Первую деталь желательно (хотя и не обязательно) позиционировать относительно исходной точки сборки. Если первоначально такого позиционирования нет, то установить его можно, предварительно освободив эту деталь. Освобождение детали достигается щелчком правой кнопкой по значку детали и выбору режима Освободить (рис. 4). У фиксированной детали отсутствуют все степени свободы. Для свободной, напротив, доступны любые перемещения (все шесть степеней свободы).
На рис. 5 показано, как установить совпадение исходных точек детали и всей сборки. Необходимо выделить в дереве сборки два связываемых объекта (в данном случае – исходные точки) и активизировать инструмент Сопряжения (рис. 6). В данном случае связь Совпадение устанавливается автоматически, достаточно только подтвердить предложение SolidWorks.
Рис . 4. Освобождение детали в сборке
Рис. 5. Подготовка к установлению связи Совпадение исходных точек
Рис. 6. Установление связи Совпадение исходных точек
Теперь можно вернуться к фиксации детали. Это необходимо сделать, так деталь свободна, и совмещение точек не исключает все степени свободы (исключены только продольные вдоль осей, а вращательные доступны). Таким же способом, как деталь была освобождена, она может быть и зафиксирована. Единственное, что надо учесть, это факт переопределения сборки (часть степеней свободы у детали уже исключена, а фиксация устраняет все степени свободы, т.е. некоторые – два раза). Сообщение о переопределении сборки показано на рис. 7.
Рис. 7. Сообщение о переопределении сборки
Переопределение сборки устраняется удалением связи Совпадение для исходных точек. Таким образом, указанная связь выполняла служебную роль. Такие связи можно устанавливать в процессе сборки, например, в случаях, когда деталь повернута неудобным для ее позиционирования образом и т.д. После того, как деталь правильно позиционирована, служебные связи следует удалить.
Перейдем к установлению связей, определяемых логикой конструкции (механизма).
3. Сопряжение поверхностей.Важнейшей задачей, решаемой при создании сборки, является установление связей между деталями (звеньями механизма). Каждая связь двух деталей по существу есть кинематическая пара. Известно, что кинематические пары классифицируют по числу степеней свободы в относительном движении звеньев и по числу ограничений, накладываемых парой на движение одного звена относительно другого. При этом предполагается, что все связи – геометрические, налагающие ограничения только на координаты звена в его относительном движении. Такие связи, напомним, называются голономными. Именно такие связи и устанавливаются между деталями в сборке SolidWorks (в связях, устанавливаемых SolidWorks и допускающих взаимное перемещение деталей, ОТСУТСТВУЕТ ТРЕНИЕ).
На рис. 8 показаны кинематические пары (а – одностепенная вращательная; б - одностепенная поступательная; в - двухстепенная вращательно-поступательная; г - трехстепенная вращательная или сферическая; д - пара с четырьмя степенями свободы, три вращательные и одна поступательная; е - пара с пятью степенями свободы, три вращательные и две поступательные). Условия сопряжения, устанавливаемые при создании сборки, в полной мере обеспечивают все возможные кинематические пары, представленные на рис. 8.
Итак, сборка создается с учетом взаимного перемещения деталей. При этом подвижная деталь недоопределяется (полностью определенная деталь не имеет ни одной степени свободы и, следовательно, не может перемещаться).
Рис. 8. Кинематические пары и соответствующие им степени свободы
Как видно на рис. 8, кинематические пары образуются сопряжением поверхностей. Поэтому, при создании связи в сборке, необходимо указывать поверхности (сопрягаемые грани), для которых эта связь создается. Можно также устанавливать сопряжения справочных плоскостей деталей, их точек и т.д. Еще раз отметим, что устанавливаемые связи полностью определяются логикой сборки (объединения деталей в одну целостную конструкцию).
Перечислим некоторые виды сопряжений SolidWorks:
- концентрическое (соответствует 8а);
- совпадение (для сферических поверхностей - соответствует 8г; при совпадении двух плоскостей реализуется связь с тремя степенями свободы – две линейные вдоль осей координат и одна – вращательная вокруг третьей оси);
- касательное (для сопряжения объектов с цилиндрической или сферической и плоской поверхностями – исключается одна степень свободы в направлении, перпендикулярном плоскости касания, 8е);
- на расстоянии (для сопряжения с зазором);
- под углом (если необходимо расположить две плоские грани под некоторым углом) и т.д.
SolidWorks предлагает полный набор возможных сопряжений для реализации всех типов возникающих при формировании сборок связей.
Важным условием правильного создания сборки является соблюдение иерархии конструкции: желательно сопрягать детали так, как они связаны в конструкции.
В рассматриваемом случае ось надо «запрессовать» в отверстие корпуса (исключить все ее степени свободы), а между осью и вертушкой оставить только одну вращательную относительно оси степень.
Очевидно, для оси также можно оставить вращательную относительно корпуса степень свободы, и это не нарушит работоспособность механизма. Но такое сопряжение не соответствует логике сборки: в одном соединении будут две одинаковые степени свободы. Если не исследовать динамику механизма, то такое сопряжение можно устанавливать. Но если предполагается на базе сборки исследовать динамику, то одну связь надо удалить (если только это не предусмотрено в конструкции), в противном случае возникнут проблемы с включением в состав динамической модели трения.
Примем условие, что ось «запрессовывается». Это значит, что все степени свободы для оси в процессе сопряжения должны быть исключены.
На рис. 9…13 представлены иллюстрации, поясняющие процесс установления связей.
Отметим, что данная сборка находится в конфликте вследствие того, что диаметр оси больше диаметра предназначенного для установки оси отверстия (рис. 14).
Рис. 9. Концентрическая связь цилиндрических поверхностей оси и отверстия
Рис. 10. Совпадение плоскостей оси и корпуса
Рис. 11. Совпадение справочных плоскостей Справа оси и корпуса
Рис. 12. Концентрическая связь цилиндрических поверхностей оси и вертушки
Рис. 13. Совпадение плоскостей оси и вертушки
Рис. 14. Конфликт сборки оси и корпуса