1. Выполнение компоновки элементов конструкции.

1.1. Факторы, влияющие на выполнение компоновки

Работоспособность вновь создаваемых ТО в определяющей степени формируется на

стадии разработки конструкторской документации (КД). При разработке КД работоспо-собность ТО обеспечивается: правильно выбранной конструктивной схемой, оптималь-ным выполнением компоновки, корректно проведенными техническими расчетами и тех-нологичностью узлов и механизмов входящих в него. Поиску технического решения направленному на выбор оптимальной конструктивной схемы создаваемого ТО посвяще-но достаточно много работ, также как и методам выполнения различных технических рас-четов, подтверждающих работоспособность конструкции. Примеры компоновки деталей в узлах, механизмах и агрегатах машин приводятся в работе [6] П. Ф. Дунаева, в работе [14] Я.З. Миндлина, в работе [16] П. И. Орлова. Однако, авторы указанных работ не предла-гают методики, содержащей обоснованную последовательность этапов выполнения ком-поновки, которые должны обеспечивать создание ТО, отвечающего функциональному назначению, а также техническим требованиям и ограничениям, изложенным в ТЗ на про-ектирование. Практика показывает, что отсутствие грамотной, технически обоснованной компоновки узлов и механизмов в изделии, даже при удачно найденном техническом ре-шении задачи на проектирование и грамотной разработке входящих в него узлов, меха-низмов и деталей, может привести к созданию конструкции ТО, которая в дальнейшем неизбежно потребует значительной доработки.

Рассмотрим факторы, влияющие на компоновку узлов в ТО, а также деталей в меха-низмах, последовательность этапов выполнения компоновки, роль компоновки при поиске решения задачи на проектирование, а также примеры выполнения различных компоновок

В общем случае на выбор компоновки узлов и механизмов в составе ТО оказывают влияние следующие факторы:

функции, выполняемые ТО и его конструктивная схема, позволяющая их реализо-вать,

функциональное назначение, конструктивные особенности и необходимые взаимо-связи между механизмами и узлами, входящими в ТО,

требования и ограничения, предъявляемые к ТО и его элементам. К ограничениям, которые необходимо учитывать при проектировании ТО, относятся:

технические критерии оценки ТО в части его массы, габаритных размеров, мощно-сти привода и т. п.,

место расположения ТО, или его элементов при эксплуатации,

ограничения, определяемые нормативными документами, в том числе требованиями

техники безопасности и экологии.

Важную роль при выполнении компоновки создаваемого ТО играет наличие у раз-

работчика способностей в области зрительной комбинаторики, позволяющей ему в более

короткий срок разместить узлы и механизмы в составе изделия оптимальным образом, с

точки зрения выполнения ими функционального назначения и учета прочих факторов,

влияющих на компоновку. При выполнении компоновки необходимо учитывать так назы-

ваемый «масштабный фактор». Он заключается в том, что при выполнении общей компо-

новки, создаваемого ТО, в уменьшенном масштабе, может возникнуть визуальный эф-

фект, при котором в расположении узлов и механизмов скрадываются определенные недо-

статки однозначно проявляющиеся если она выполнена в масштабе, максимально прибли-

женном к натуральной величине ТО. Особенно существенное влияние оказывает «масштаб-

ный фактор» при нахождении разработчиком технического решения не путем логического

анализа конструктивных схем аналогичных ТО, а путем использования абстрактного мыш-

ления для создания зрительных образов, которые практически сложно умозрительно связать

с их фактическими размерами. Именно поэтому, основным недостатком использования при

проектировании персонального компьютера является то, что при выполнении на нем ком-

поновки вновь создаваемого ТО, имеющего значительные габаритные размеры и высокую

степень насыщенности входящими в него элементами, габарит монитора не позволяет вы-

полнить анализ всей конструкции в масштабе близком к натуральной величине ТО. А это,

как раз, способствует проявлению негативного влияние «масштабного фактора».

1.2. Этапы выполнения компоновки.

Компоновка элементов вновь создаваемого ТО, в общем случае, осуществляется в

следующей последовательности. ПЕРВЫЙ ЭТАП. Выбор главных осей координат ТО, относительно которых будет

производиться размерная увязка основных (базовых) деталей, входящих в него элементов (узлов и механизмов). Для токарного станка главными осями координат являются коорди-наты оси шпинделя и к ним привязываются все его остальные механизмы. Для сборочного полуавтомата, рассмотренного в разделе 6.10 главными осями координат являются оси координат гибочной оправки. Как правило, выбор главных осей при выполнении компо-новки проектируемого ТО не вызывает у конструктора осложнений и всегда однозначен.

ВТОРОЙ ЭТАП. Определение места расположения и размерная привязка к выбран-ным главным осям координат основного (исполнительного) механизма ТО, в соответствии с выбранной на этапе поиска технического решения конструктивной схемой. Для механи-ческого пресса или холодновысадочного автомата это выбор места расположения и при-вязка кривошипно-шатунного механизма. Для сборочного полуавтомата это выбор места расположения и привязка механизма завивки стяжки (см. работу [8]). Для токарного стан-ка это место расположения шпинделя.

ТРЕТИЙ ЭТАП. Определение места расположения и размерная привязка остальных узлов и механизмов ТО к главным осям координат, в соответствии с выбранной конструк-тивной схемой. Как показывает опыт, это самый сложный и ответственный этап компо-новки, поскольку именно сейчас должно быть конкретно обеспечено выполнение:

расположения элементов ТО в соответствии с выполняемыми ими функциями,

взаимосвязи между узлами и механизмами ТО,

требований и ограничений, предъявляемых к ТО,

размерной увязки элементов ТО,

равномерное заполнение ТО его узлами и механизмами (для оборудования, это еще и обеспечение минимально необходимого количества элементов ТО в рабочей зоне). Как правило, при проектировании новых сложных ТО их компоновка, отвечающая

всем требованиям и ограничениям получается у разработчика с «N-го» раза. При этом для выполнения удовлетворительной компоновки проектируемого ТО разработчик вынужден менять:

габаритные размеры узлов и механизмов,

место расположения узлов и механизмов (выносить в другое место),

взаимное расположение узлов и механизмов,

компоновку, или даже конструкцию узлов и механизмов, включая форму и способ крепления на станине базовых деталей,

кинематику, а иногда и тип привода механизмов. Основным моментом размерной привязки узлов и механизмов ТО является опреде-

ление расстояния от главных осей координат до их основной или базовой детали, которые, как правило, в процессе дальнейшего проектирования остаются неизменными. Для меха-низма привода вращения винтоверта сборочного полуавтомата (см. работу [8]) таким раз-мером является расстояние от оси собираемого хомута находящегося на гибочной оправке (оси винтоверта), до базовой плоскости станины полуавтомата.

ЧЕТВЕРТЫЙ ЭТАП. Компоновка деталей входящих в узлы и механизмы ТО. На выбор компоновки деталей входящих в состав механизма оказывают влияние

следующие факторы:

Р

и

с

.

6

.

1

.

О

б

щ

выполняемые механизмом функции и его конструктивная схема позволяющая их ре-ализовать,

конструктивные особенности деталей входящих в механизм,

требования и ограничения, налагаемые на механизм ТО,

удобство доступа к деталям механизма подлежащим регулировке.

В результате выполнения данного этапа должны быть назначены номинальные ве-

личины размеров звеньев размерных цепей, определяющих предварительную собирае-

мость узлов и механизмов ТО.

Размерные цепи, определяющие предварительную собираемость узла, показаны на

примере редуктора механизма привода винтоверта, полуавтомата для сборки хомута (см.

Рис. 57 и Рис. 58).

В большинстве узлов и механизмов средней сложности (содержащих от 50 до 150

наименований оригинальных деталей) эти размерные цепи составляются разработчиком в

двух и даже трех координатах, при этом могут иметь место и параллельные размерные це-

пи. Указанные размерные цепи не надо путать с размерными цепями, определяющими со-

бираемость узлов и механизмов с учетом допусков входящих в них размеров деталей, по-

скольку эти размерные цепи не всегда совпадают. Составление и расчет последних, выпол-

няется предварително на этапе ТП при разработке общего вида узла и окончательно на эта-

пе РП при разработке сборочного чертежа узла и рабочих чертежей входящих в него дета-

лей. по методике, содержащейся в работе [9]. Выполнение расчета этих размерных цепей,

как правило, приводит к уточнению, определенных на стадии компоновки, номинальных

размеров деталей, входящих в размерные цепи и их допусков. Правильность результатов вы-

полненных расчетов этих размерных цепей в значительной степени зависит от того насколько

грамотно они были составлены. Компоновка узлов и механизмов ТО теснейшим образом

связана с их конструированием и выполняются эти два процесса во времени, как правило,

параллельно. При этом, зачастую, разделить процесс конструирования и компоновки узла

или механизма невозможно из-за их большой взаимозависимости (компоновка механизма

влияет на конструкцию деталей, а изменение конструкции детали, связанное, например, с

Рис. 57 Размерные цепи определя-

ющие собираемость.

Рис. 58 Общий вид механизма привода

вращения винтоверта

расширением выполняемых ею функций, может привести к определенному изменению

компоновки). После выполнения рассмотренных выше четырех этапов компоновки создаваемого

ТО разработчик имеет всю необходимую исходную информацию, для разработки черте-жей общих видов узлов, механизмов и ТО в целом, поскольку:

определены места расположенияузлов и механизмов,

выполнена размерная привязка основных деталей узлов и механизмов к главным осям координат,

определены размерные цепи в узлах и механизмах опре- деляющих их собираемость.

1.3. Роль компоновки в процессе проектирования

Известно немало случаев в практике конструирования, когда изменение компоновки

позволяло решать задачи на проектирование при поиске конструктивной схемы вновь со-

здаваемого ТО. Рассмотрим несколько таких примеров показывающих актуальность поис-

ка оптимальной компоновки проектируемого изделия. ПРИМЕР 1. Классическим примером решения стоящей перед разработчиком задачи, за счет изменения компоновки узлов и механизмов в составе ТО, является создание кон-струкции карусельного станка. Обработка на токарном станке (см. Рис 59) крупногаба-ритных, тяжелых деталей типа шкивов и маховиков, имеющих большой наружный диа-метр и значительную высоту даже на больших токарных станках (лобовых) затруднен по ряду причин. Основными из них, являются следующие:

сложность обеспечения точной установки тяжелой, крупногабаритной цилиндриче-ской заготовки типа шкива или маховика в горизонтальном положении в патрон то-карного станка и проблематичность выполнения ее гарантированного зажима,

большая нагрузка на передний подшипник шпинделя токарного станка (см. Рис 60)

и кулачки патрона, создаваемая, большим весом и дисбалансом заготовки, невоз-

можность поджима заготовки центром пиноли токарного станка из-за наличия в за-

готовке центрального отверстия сравнительно большого диаметра.

Рис 33

Рис 59 Общий вид токарного станока

Все эти проблемы исчезают, если изменить положение оси вращения обрабатывае-

мой заготовки с горизонтального, как в токарном станке, на вертикальное, как в карусель-

ном станке (см. Рис 61). В этом случае деталь легко и достаточно точно устанавливается

на планшайбу карусельного станка, а поскольку он имеет диаметр намного больше, чем

патрон токарного станка, то естественно его легко оснастить и более мощным механизмом

зажима заготовки и увеличенными опорными подшипниками, в которых вращается

планшайба (см. Рис 62). Однако изменение компоновки станка, как правило, и этот при-

мер яркое тому подтверждение, существенным образом влияет на конструкцию функцио-

нальных элементов (узлов и механизмов) станка.

В карусельном станке в отличие от токарного появляется вертикальная стойка и по-

перечная траверса, вместо одного суппорта два и два механизма подачи. Он состоит из

станины 1, стойки 2, стола (планшайбы) 3, поперечины 4, вертикального револьверного

суппорта 5 с пятипозиционной револьверной головкой 6, бокового суппорта 7, механиз-

мов подачи 8, бокового и вертикального суппорта, коробки скоростей 9 для привода

планшайбы 3.).

Рис 177 Конструктивная схема прототипа и схема

гибки плоской зигзагообразной пружины

Рис 60 Конструкция шпинделя токарного станка

Рис 61 Общий вид карусельного станка

ПРИМЕР 2. После определения конструктивной схемы полуавтомата для изготовле-

ния плоских зигзагообразных пружин, эскизной проработки конструкции гибочных моду-

лей и выбора типа их привода, необходимо было определить их компоновку относительно

станины, обеспечивающую удобный доступ к элементам настройки при переходе с одного

типоразмера изделия (пружины) на другой и быструю точную и удобную установку ис-

ходной заготовки. Горизонтальная плоскость гибки и соответственное расположения

гибочных модулей, предлагаемая в прототипе а.с. СССР № 665972 (конструктивная схема

прототипа и схема гибки пружины показаны на Рис. 63) значительно ухудшала доступ к

регулировочному винту и гибочному ролику нижнего гибочного модуля.

На Рис 63 показаны следующие конструктив-

ные элементы:

1 поворотная дисковая плита,

2 реверсивный привод дисковой плиты

3 сквозной паз в дисковой плите 1,

Рис 62 Конструкция стола карусельного станка

Рис 63 Конструктивная схема прототи-

па и схема гибки плоской зигзагооб-

разной пружины

Рис. 64 Общий вид полуавтомата

для изготовления плоских зигза-

гообразных пружин

4 центральный полукруглый паз в дисковой плите,

5, 6 оси гибочных роликов,

7, 8 гибочные ролики,

9,10 рычаги гибочных роликов.

Поэтому при компоновке создаваемого ТО, совершенно очевидно, был сделан выбор

вертикальной плоскости гибки вместо горизонтальной, что позволило обеспечить удоб-

ный доступ к элементам регулировки обоих гибочных модулей (описание конструкции

полуавтомата приведено в разделе 1). При этом, оба конца исходной заготовки хорошо

просматривались, что делало возможным ее быструю и точную установку, как в механизм

шаговой подачи, так и между гибочными роликами. Таким образом, компоновка преду-

сматривающая замену горизонтальной плоскости гибки на вертикальную и соответствующее

распложение гибочных модулей, позволила обеспечить удобный доступ к местам регулиров-

ки необходимый при эксплуатации и обслуживании полуавтомата для изготовления плоских

зигзагообразных пружин (см. Рис. 64)

ПРИМЕР 3. При проектировании ножниц для резки углового проката, после выпол-

нения прочностных расчетов станины 1 выяснилось, что необходимо уменьшить высоту

Н1 верхней перемычки. Поскольку при таком ее размере заготовку не возможно было вы-

резать из стандартного проката при ее расположении по ширине листа. Таким образом,

возникла задача, требовавшая разгрузки верхней перемычки станины 1. Сложность стоя-

щей задачи заключалась в том, что ползун 2, перемещаясь в направляющих 3, восприни-

мал усилие реза напрямую, без каких либо передаточных механизмов, конструкцию кото-

рых можно было изменить, разгрузив верхнюю перемычку станины 1,. Уменьшить техно-

логическое усилие реза заготовки также не представлялось возможным так, как ее типо-

размер был оговорен в техническом задании на проектирование ножниц. Однако было

найдено простое техническое решение задачи за счет изменения компоновки силового

гидроцилиндра ножниц относительно станины, при котором гидроцилиндр переворачи-

вался на 180° вокруг вертикальной оси ножниц, при этом с перемычкой станины 1 контак-

тировал его корпус 4, а шток 5 взаимодействовал с ползуном 2 (см Рис 65).

Ри 5

Рис 7

Рис. 401 Общий вид полуавтома-

та для изготовления плоских зиг-

загообразных пружин

Рис. 65. Два варианта компоновки силового гидро-

цилиндра сортовых ножниц

Найденное техническое решение, заключающееся в изменении компоновки силового

гидроцилиндра, позволило разгрузить перемычку станины 1 в опасном сечении за счет

уменьшения величины изгибающего момента ( р𝒍

𝟖 >

𝒒 𝒍𝟐

𝟏𝟐 ) путем замены практически со-

средоточенной нагрузки, при ее контакте со штоком 5 гидроцилиндра, на распределенную

нагрузку при ее контакте с корпусом 4 гидроцилиндра. При этом высота верхней пере-

мычки станины Н1 была уменьшена до требуемой величины Н2. При изменении компо-

новки гидроцилиндра в составе ножниц условия работы ползуна 2, при его контакте со

штоком 5 гидроцилиндра, практически не ухудшились, поскольку он работал на сжатие и

имел значительный запас прочности. Данный пример наглядно показывает, как, на первый

взгляд, простое изменение компоновки силового гидроцилиндра в составе ножниц, позво-

лило найти решение задачи на проектирование. Однако не будем забывать, что для вы-

полнения такого «простого» изменения компоновки разработчик должен был фундамен-

тально знать и уметь применять на практике «Сопромат».

ПРИМЕР 4. В отдельных случаях, компоновка ТО может быть определена на преды-

дущих этапах проектирования, или может быть задана определенными исходными доку-

ментами, например техническим заданием, технологическим процессом, для реализации

которого создается оборудование, а также результатами моделирования процесса или ме-

ханизма. Примером такого изначального определения компоновки ТО является ее выпол-

нение для автоматизированного комплекса оборудования для резки, пробивки отверстий и

маркировки углового проката. В данном случае, компоновка оборудования в сосаве ком-

плекса была практически определена в технологическом процессе, для реализации кото-

рого и создается комплекс и который определял функциональное назначение входящего в

него оборудования. Технологический процесс, являющийся неотъемлемой частью техни-

ческого задания на проектирование комплекса оборудования, содежал следующий пере-

чень выполняемых операций:

укладка исходной заготовки на подающий рольганг,

подача исходной заготовки в рабочую зону,

маркировка деталей,

пробивка отверстий в полках заготовки из углового проката,

мерная резка заготовки на детали,

отвод готовых деталей из рабочей зоны и их укладка в тару.

В такой последовательности по такой «технологической цепочке» и была выполнена ком-

поновка комплекса показанная на Рис. 66, 67

Состав оборудования входящего в

комплекс и его основные конструктив-

ные элементы :

1. автоматизированный стеллаж для

укладки исходной заготовки на по-

дающий рольганг,

2. подающий рольганг,

3. каретка для подачи исходной заготовки в рабочую зону,

Рис. 67. Общий вид комплекса

оборудования

Рис. 66. Планировка оборудования входя-

щего в комплекс

4. маркировочный пресс с механизмом выбора клейма,

5. дыропробивной пресс с механизмом выбора инструмента,

6. ножницы для резки углового проката,

7. отводящий рольганг.

Продолжение статьи см. в части 2

Статья написана на основе соответствующего раздела учебно – методического

пособия Н. П. Игнатьева «Основы проектирования» Азов 2010г. В пособии также со-

держатся:

общая методика проектирования,

методика проектирования механизмов и систем,

исходная информация, необходимая для проектирования всех видов приводов и

механизмов, включая расчеты, а также большое количество примеров ориги-

нальных приводов и механизмов,

большое количество примеров основных элементов конструкции гидравличе-

ского привода и системы пневмоавтоматики и прежде всего гидро- и пневмо-

цилиндров.

информация необходимая для определения: уровня автоматизации проекти-

руемого оборудования, выбора типа его привод и отработки конструкции на

технологичность, а также примеры выполнения указанных работ(

Кроме того в пособии приводится пример поэтапного выполнения

компоновки узлов и механизмов в составе сборочного полуавтомата, имеющего

оригинальную конструкцию, а также компоновка деталей в составе его улов и меха-

низмов, которая выполнятся с учетом влияния факторов, изложенных в разделе 1.1

этой статьи.