Материал: Технологическая подготовка модели корпуса гидравлического насоса к материализации на установке селективного лазерного спекания

Технологическая подготовка модели корпуса гидравлического насоса к материализации на установке селективного лазерного спекания

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ХАРЬКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧСКИЙ ИНСТИТУТ»

Кафедра «Интегрированные технологии машиностроения» им. М.Ф. Семко

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

«Технологическая подготовка модели корпуса гидравлического насоса к материализации на установке селективного лазерного спекания»

по дисциплине «Специальные технологии инструментального производства»

Выполнила студ. Замышляева И.В. гр. МШ-69

Харьков 2014

Содержание

Введение

. Характеристика изделия, CAD-модель и ее триангуляция

1.1 Описание CAD-модели детали изделия

.2 Триангуляция CAD-модели

2. Морфологический анализ триангуляционной модели

2.1 Морфологический анализ триангуляционной модели

.2 Топологический анализ модели

.3 Морфометрический анализ триангуляционной модели

.4 Интегральные характеристики триангуляционных 3D моделей изделий

.5 Цветовая визуализация топологических и морфометрических характеристик модели

3. Прогнозирование полного цикла создания изделия

3.1 Обобщенная модель времени полного цикла изготовления изделий генеративными технологиями макроуровня

.2 Обобщенная модель технологического времени генеративных технологий макроуровня

3.2.1 Структурная модель технологического времени

.2.2 Параметрическая вероятностная модель

3.3 Система статистического моделирования рабочих процессов интегрированных технологий

.4 Прогнозирования времени создания изделий

Заключение

Список использованных источников

Введение

Современное машиностроение характеризуется высокими требованиями к техническому уровню и качеству выпускаемых изделий в совокупности с необходимостью гибкости ресурсосберегающего производства [1894]. Интегрированные технологии послойного выращивания (Rapid Prototyping) в последние десятилетия получили мощное развитие в технически развитых странах [2842]. Такие технологии позволяют создавать промышленные изделия на базе компьютерной 3D модели без применения технологической оснастки и инструмента. Основным их достоинством является резкое сокращение времени полного цикла изготовления изделий в зависимости от степени их сложности на 30÷70%, а иногда и в несколько раз.

Выбор стратегии материализации 3D модели промышленного изделия существенно определяет трудоемкость, материалоемкость, энергоемкость и себестоимость изготовления с использованием как традиционных, так и генеративных технологий послойного выращивания (Rapid Prototyping) [1949].

Такой выбор в основном предопределяется конструкционными особенностями изделия [1606, 2592].

Для автоматизации выбора стратегии материализации по компьютерной триангуляционной 3D модели промышленного изделия целесообразно использовать топологический и морфометрический анализ на базе системы безразмерных критериев. Применительно к предметной области машиностроения морфологический анализ можно определить как структурно-количественный анализ строения твердотельного изделия представленного в виде системы элементарных поверхностных объектов, которые ограничивают пространство тела. Морфологический анализ базируется на предыдущей триангуляции, которая унифицирует поверхности изделия и последующем комплексном анализе полученной системы составляющих треугольников. Анализ 3D модели изделия должен представлять собой определение комплекса статистических показателей позволяющих оценивать ее топологию и прогнозировать технологичность создания интегрированными ресурсосберегающими технологиями.

Целью работы является технологическая подготовка модели изделия к последующей материализации интегрированными генеративными технологиями послойного построения.

В курсовом проекте использованы следующие компьютерные системы, разработанные на кафедре «Интегрированные технологии машиностроения» им. М.Ф. Семко:

• Система морфологического анализа триангуляционных моделей;

• Система статистического моделирования рабочих процессов.

1. Характеристика изделия, cad-модель и ее триангуляция

1.1 Описание CAD-модели детали изделия

Особенности современных CAD-систем состоят в том, что результаты проектирования 3D CAD-моделей хранятся в специальных структурах данных, формат которых зависит от особенностей архитектуры и реализации конкретного программного приложения.

В качестве анализируемой модели выбран корпус гидравлического насоса (рис. 1.1), который является составной частью гидравлического привода.

Рисунок 1.1 - CAD-модель корпуса гидравлического насоса

Гидравлический привод включает в себя насос, гидроцилиндр или гидромотор, аппаратуру регулирования и управления, трубопроводы. Насосы шестеренные, лопастные (пластинчатые) и плунжерные (поршневые) характеризуются: подачей - количеством рабочей жидкости (масла), нагнетаемой в единицу времени, и развиваемым давлением.

Гидравлический привод (гидропривод) - это совокупность устройств, предназначенных для приведения в движение машин и механизмов посредством гидравлической энергии. Обязательными элементами гидропривода являются насос и гидродвигатель. Гидропривод представляет собой своего рода «гидравлическую вставку» между приводным двигателем и нагрузкой (машиной или механизмом) и выполняет те же функции, что и механическая передача (редуктор, ремённая передача, кривошипно-шатунный механизм и т. д.). Основное назначение гидропривода, как и механической передачи, - преобразование механической характеристики приводного двигателя в соответствии с требованиями нагрузки (преобразование вида движения выходного звена двигателя, его параметров, а также регулирование, защита от перегрузок и др.). Приводным двигателем насоса могут быть электродвигатель, дизель и другие, поэтому иногда гидропривод называется соответственно электронасосный, дизельнасосный и т. д. В курсовом проекте рассмотрен корпус гидравлического насоса (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 - Корпус гидравлического насоса

.2 Триангуляция CAD-модели

Данная модель была открыта с помощью программы MeshLab.

При обмене данными между различными системами моделирования могут возникать ситуации, связанные с отсутствием поддержки тех или иных форматов, поэтому применительно к интегрированным генеративным технологиям, для унификации исходных данных при построении на установках послойного выращивания в настоящее время используется триангуляционная модель в STL-формате (*.stl).

Переход от CAD-модели изделия к триангуляционной, осуществляется в системах 3D моделирования с помощью экспорта в STL-формат. STL-файлы представляют собой исходные данные для систем материализации твердотельных моделей генеративными технологиями Rapid Prototyping, анализа конструкции изделия и др.

Триангуляция анализируемой детали корпуса гидравлического насоса (рис 1.3).

Рисунок 1.3 - Триангуляционная модель корпуса гидравлического насоса

Полученная модель (рис. 1.3) состоит из системы следующих топологических элементов: N_Vert = 24,065 вершин, N_Face = 48,218 граней и N_Edge = 72,327 ребер.

моделирование послойный триангуляция материализация

2. Морфологический анализ триангуляционной модели

После получения в качестве исходных данных для систем послойной материализации триангуляционных 3D моделей промышленных изделий, требуется обеспечить их верификацию и контроль качества.

При разработке системы морфологического анализа решались следующие основные задачи [2930]:

создание базовых элементов поверхностей (плоских и объемных геометрических фигур) для отработки методологических подходов по формированию триангуляционных элементов и созданию сложных математически заданных поверхностей;

преобразование STL-файлов моделей промышленных изделий в DBF-образы;

топологический анализ моделей;

морфометрический анализ моделей;

регрессионный и корреляционный анализ взаимосвязи исследуемых признаков;

анализ разнообразия элементов триангуляционных моделей;

экспорт данных (DBF-образов моделей) в форматы: STL (для материализации с использованием традиционных технологий или Rapid Prototyping) и PLY/OBJ/OFF (для визуализации многоцветной модели).

.1 Морфологический анализ триангуляционной модели

Главная форма системы морфологического анализа триангуляционных моделей представлена на рис. 2.1.

На экранной форме представляется список моделей (расчетов) с возможностью перехода к работе со следующими подсистемами:

преобразование STL-файла в DBF-образ с заданной точностью округления координат вершин;

Рисунок 2.1 - Главная форма системы морфологического анализа триангуляционных моделей

- топологический анализ (определение характеристики Эйлера, рода поверхности и анализ смежности граней и ребер).

интегральные характеристики (определение координатных характеристик, направляющих косинусов нормалей, площадей проекций модели и описывающего параллелепипеда, объемов модели и описывающего параллелепипеда);

морфометрический анализ модели (определение характеристик для вершин, ребер, граней составляющих треугольников и их статистический анализ);

корреляционный и функционально-регрессионный анализ взаимосвязи исследуемых признаков с использованием заданного набора уравнений регрессии;

анализ разнообразия составляющих элементов модели;

экспорт данных (DBF образа) модели в формат STL или PLY/OBJ;

создание базовых элементов в формате STL для наиболее распространенных модельных поверхностей;

настройки системы.

Система морфологического анализа предоставляет пользователю следующие основные возможности для работы:

создавать модели промышленных изделий (до 9999);

редактировать описания моделей;

просматривать модели с использованием внешних программ (NotePad, Alteros 3D, MeshLab, Capvidia 3D, STL Viewer, Geomagic Studio, GLC Player, Deep Exploration CAD, TurboCAD Pro, Magics RP, SolidWorks и др.) и встроенного специального редактора;

использовать примечания и закладки к моделям и вариантам расчетов;

редактировать программный код процедуры описания триангуляционной модели;

автоматически выполнять корреляционный и регрессионный анализ для заданных исследуемых признаков;

задавать количество интервалов гистограмм исследуемых признаков (с возможностью использования рекомендаций по его выбору);

выполнять просмотр результатов статистического анализа с визуализацией гистограмм относительных частот исследуемых признаков;

выводить комплекс статистических характеристик (используемых в прикладной статистике) для заданного исследуемого признака с возможностью получения справочной информации по определению каждой из них;

одновременно представлять гистограммы набора выбранных исследуемых признаков;

получать интерактивную справку по каждому элементу экранных форм.

Подсистема топологического анализа ориентирована на задачи подготовки модели к материализации (обнаружение и устранение дефектов триангуляционной модели).

Система морфометрического анализа - на предварительную оценку конструкционных особенностей изделия на основе статистических характеристик геометрических свойств составляющих элементов модели

На начальном этапе морфологического анализа выполняется импорт STL-файла в DBF-образ (рис.2.2).

Рисунок 2.2. - Экранная форма импорта STL-файла в DBF-образ

2.2 Топологический анализ модели

Триангуляционная модель как топологический объект представляет собой систему взаимосвязанный граней, ребер и вершин. Основные требования к триангуляционной модели твердотельного объекта - замкнутость и связность. Замкнутость поверхности триангуляционной модели - топологическое понятие, означающее отсутствие ребер с числом смежности A_Edge ≠ 2 и вершин A_Vert < 3. Связность объекта означает, что от любой произвольной вершины можно перейти к любой заданной вершине двигаясь по ребрам. Смежностью ребра называют количество его вхождений в треугольники триангуляционной модели. Числом смежности вершины называют количество ее вхождений в ребра триангуляционной модели.

В рамках топологического анализа [2929] определяется эйлерова характеристика χ, которая выражает топологические свойства поверхности триангуляционной 3D модели изделия. В общем случае, для триангуляционных моделей изделий, содержащих сквозные отверстия, эйлерова характеристика будет определяться зависимостью:

,   (2.1)

где g - число, называемое родом поверхности, s - общее число оболочек модели.

Для нашего случая: .

На основании анализа (2.1) можно сделать вывод о том, что эйлерова характеристика χ поверхности должна быть целым числом χ £ 2 и кратным двум. Иначе род поверхности будет дробным, т. е. модель незамкнутая. Род поверхности g должен принадлежать диапазону от 0 до любого натурального числа.

.       (2.2)

Число оболочек s характеризует количество объектов не связанных между собой. Экранная форма подсистемы топологического анализа представлена на рис. 2.3.

Топологические данные модели позволяют выполнять верификацию твердотельных моделей изделий. Согласно показателям эйлеровой характеристики исследуемая модель замкнута и подлежит материализации.

В триангуляционных моделях промышленных изделий (STL-файлах) возможны дефекты, даже при условии корректной исходной трехмерной модели, созданной в CAD системе [1949]. Такие характеристики как смежность ребер и смежность вершин позволяют обнаруживать и количественно оценивать дефекты поверхности по количеству составляющих треугольников у которых не обеспечиваются условия смежности ребер А_Edge = 2 и смежности вершин A_Vert ≥ 3. Поэтому данные характеристики следует также рассматривать при подготовке моделей к их материализации.

Рисунок 2.3. - Экранная форма подсистемы топологического анализа

Такая возможность обеспечивается в экранной форме «Топологический анализ: Данные и результаты» (рис. 2.4).

Рисунок 2.4 - Данные и результаты топологического анализа

2.3 Морфометрический анализ триангуляционной модели

Выполнение морфометрического анализа триангуляционной модели выполняется в соответствующей подсистеме (экранная форма представлена на рис. 2.5) по трем комплексам характеристик для вершин, ребер и граней.

Рисунок 2.5 - Экранная форма подсистемы морфометрического анализа

Предусмотрен анализ по следующим комплексам характеристик:

вершин (координаты по осям X, Y, Z; расстояние от начала координат; смежность вершин);

ребер (длина ребер; смежность ребер);

граней (периметр; площадь; радиусы описанной, вписанной окружностей и их отношения; направляющие косинусы нормали по осям X, Y, Z; площади ортогональных проекций на плоскости XY, XZ, YZ; наименьшие, средние и наибольшие значения длин ребер, медиан, биссектрис и высот и их отношения; координаты замечательных точек - центров вписанной и описанной окружностей, центроида, ортоцентра и расстояния между ними).

В подсистеме предусмотрено построение гистограмм и определение статистических характеристик распределения выбранного исследуемого признака (рис. 2.6).