Структура объекта проектирования

Структура – это множество элементов и отношения, определенные между этими элементами. Данное определение позволяет декомпозировать конструирование на две задачи: определение множества элементов (1) и определение отношений между этими элементами (2).

В среде геометрического моделирования элементами структуры будут геометрические модели деталей и узлов, а отношениями между ними – отношения сопряжения между гранями этих моделей. Таковым должен быть результат проектирования, так сказать, терминальное состояние. В программу следует закладывать структуру более общего вида. В должны быть не элементы, а классы элементов. Участниками сопряжений должны быть не конкретные грани, а свойства, значениями которых будут грани.

Структуру приспособления можно представить в следующем обобщенном виде (Рисунок 3.1). Главный элемент – деталь, объект оснащения. Непосредственно с деталью контактируют функциональные элементы – установочные и фиксирующие. Несмотря на то, что детали технических объектов отличаются значительным геометрическим разнообразием для установки любой из них необходимо и достаточно только три поверхности – три базы. В приспособлении базы контактируют с установочными поверхностями установочных элементов. То есть, отношения между установочными функциональными элементами и оснащаемой деталью – это отношения сопряжения (совпадения) базовых поверхностей детали и установочных поверхностей установочных элементов.

Рисунок 3.1 – общая структура проектируемого приспособления

Функциональные элементы объединяются несущей системой, структура которой обусловлена следующими соображениями. У каждого функционального элемента имеются основные базы – грани, посредством которых он сам устанавливается в конструкции приспособления. Среди этих основных баз, как правило, есть одна плоская, которой элемент опирается на корпус (Рисунок 3.2). Эта грань называется привалочная грань элемента.

Рисунок 3.2 ‑ Привалочные грани элементов

Привалочные грани функциональных элементов могут быть спроецированы на единую плоскость. На этой плоскости строится контур, охватывающий все проекции привалочных граней элементов. В результате получается привалочная грань корпуса. Привалочные грани функциональных элементов сопрягаются с привалочной гранью корпуса. В некоторых случаях это сопряжение устанавливается непосредственно (элемент «опора»,Рисунок 3.1). В других случаях для установки сопряжения функциональный элемент удлиняется на недостающую величину (элемент «упор», Рисунок 3.1). Третий вариант – сопряжение опосредованное, через специальный переходной элемент (элемент «фиксатор», Рисунок 3.1). Таким образом, основные структурные элементы несущей системы – это привалочные грани элементов и привалочная грань корпуса.

Итак, структуру приспособления, как объекта проектирования, можно представить как комбинацию двух частей:

, (3.1)

где УЭ_j.Г_У – установочная грань j-го элемента, – n-я привалочная грань (привалочная грань n‑го элемента), – привалочная грань корпуса.

Первая часть – это схема установки детали в приспособлении, вторая ‑ несущая система. Таким образом, проектирование делится на две задачи: синтез схемы установки и синтез несущей системы.

Схема установки

Схема установки – это часть общей структуры приспособления (выражение 3.1), включающая базовые поверхности и установочные элементы, а также сопряжения установочных элементов с базовыми поверхностями.

Согласно теории базирования базовых поверхностей может быть не более трех. Каждая из них имеет определенный статус. Таких статусов пять – установочная, направляющая, опорная, двойная направляющая, двойная опорная база. Статус базы определяется ее геометрией – формой и размерами, соотнесенными с размерами других баз. С другой стороны, каждому статусу соответствует определенная функциональная нагрузка, выражаемая количеством и качеством ограничиваемых степеней свободы (Таблица 4.1).

Таблица 4.1 – Геометрия и функциональное назначение баз

Статус базы	Геометрия	Функция
Форма	Размерная характеристика	Количество опорных точек базы	Степени свободы
Поступательные	Вращательные
Двойная направляющая	Цилиндр	Длина превосходит размеры др. баз
Установочная	Плоскость	Габариты превосходят габариты др. баз
Направляющая	Плоскость	Длинная
Двойная опорная	Цилиндр	Минимальная длина (по сравнению с др. базами)
Опорная	Цилиндр, плоскость	Минимальные размеры (по сравнению с др. базами)

Размерные характеристики, приведенные в таблице, носят качественный характер и определяются сопоставлением размеров. Сопоставление основано на экспертных оценках.

Некоторые сочетания статусов недопустимы. Например, двойная направляющая не сочетается с установочной: каждая из них ограничивает по две вращательные степени свободы, в то время, как суммарное количество таких степеней ‑ три. Не сочетается двойная направляющая база и с направляющей. В принципе, количество допустимых сочетаний ограничено. Их вполне можно перечислить и просто проверить заданный комплект баз на соответствие одному из них, решив, таким образом, задачу определения статуса каждой базы.

Статус базы позволяет определить набор подходящих для нее классов установочных элементов. В качестве исходного предлагается положение о том, что каждой опорной точке должна соответствовать установочная поверхность. Носители установочных поверхностей ‑ установочные элементы. Более того, установочная поверхность – это главное классовое свойство установочного элемента, признак, на основании которого элемент может быть отнесен к этому классу и по которому установочные элементы разделяются на подклассы. Таких подклассв предлагается четыре: опора, упор, палец, призма(Таблица 4.2).

Таблица 4.2 – Основные классы установочных элементов

Класс установочных элементов	Установочная поверхность	Внешний вид и установочные поверхности
опора	Плоскость, горизонтальная
Упор	Плоскость вертикальная
Палец	Цилиндр, внутренний (отверстие)
Призма установочная	Две сходящиеся плоскости

Установочная база – плоскость, ориентирована, как правило, горизонтально. Соответственно, необходимы элементы с горизонтальной установочной поверхностью. Таковыми являются элементы класса «опора» (Таблица 4.2) Установочная база устанавливается на три опорных точки. Соответственно, необходимы три опоры (Рисунок 4.1а).

Двойная опорная база – цилиндрическая поверхность, две опорных точки. Если эта поверхность внешняя, для нее подойдет элемент класса «призма установочная». У каждой призмы две установочные плоскости. Контакт внешней цилиндрической поверхности с плоскостью – прямая. Если толщина призмы мала по сравнению с длинной базы, эти контакты можно считать точечными. Таким образом, призма установочная обеспечивает для внешней цилиндрической поверхности две опорные точки (Рисунок 4.1г).

Если двойной опорной базой является внутренняя цилиндрическая поверхность, установку следует производить на элемент класса «палец» (Рисунок 4.1а отверстие слева).

Двойная направляющая база может рассматриваться как две двойные опорные. Соответствующим образом следует планировать ее установку(Рисунок 4.1д).

Направляющая база – плоскость, возможна только в схемах базирования с установочной базой. Установочная база горизонтальна, тогда направляющая – вертикальна (или почти вертикальна). Для вертикальной плоскости следует применять упор – элемент с вертикальной установочной плоскостью (Таблица 4.2). Поскольку опорных точек на направляющей базе две, то и упоров должно быть два (Рисунок 4.1б, вертикальная плоскость справа).

Опорнаябаза, плоская поверхность. Такая база, в некоторой степени, аналогична базе направляющей. Соответственно, для ее установки подходит элемент класса «упор». Однако, поскольку опорной базе соответствует только одна опорная точка, то и упор должен быть только один (Рисунок 4.1б, вертикальная плоскость слева).

Опорная база, цилиндрическая поверхность. Такая база аналогична двойной опорной базе. Соответствен, для ее установки также необходим палец. Однако опорная точка на опорной базе только одна. Соответственно, палец должен быть, так сказать, неполноценный. Таким неполноценным пальцем является «палец срезанный» (Рисунок 4.1а, отверстие справа).

При установке детали по отверстиям, возможна ситуация, когда установка на неподвижные пальцы невозможна физически. Например, если оси базовых отверстий непараллельны (Рисунок 4.1в). В такой ситуации один из пальцев должен быть подвижным (Рисунок 4.1, внизу справа).

а) б) в) г) д)

Рисунок 4.1 - Типовые схемы установки