Исходные понятия

БАЗИРОВАНИЕ И БАЗЫ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Исходные понятия

Базированием называют взаимное ориентирование элементов конструкции в изделиях и в технологическом оснащении, придание им определенности пространственного положения относительно выбранной системы координат.

Базирование необходимо для всех этапов создания изделия. При проектировании, конструировании, измерении необходимо однозначное определение положения поверхностей, ограничивающие материал деталей и сборочных единиц, входящих в состав изделия.

Выбранная система координат представляет собой правостороннюю прямоугольную декартову систему координат, принятую в машиностроении. Возможны и другие системы координат, отличающиеся от декартовых.

Выбранная система координат поверхностей та, в которой однозначно определяются точки этой поверхности. Точки несимметричной поверхности однозначно задаются в ее собственной системе координат. Поверхности с осевой или центральной симметрией (цилиндр, сфера) могут иметь множество систем координат, в которых поверхность задаётся одной и той же системой уравнений. Например, для цилиндра, ось которого совпадает с одной из осей выбранной системы координат поверхности, положение начала и направление двух других осей могут быть произвольными. Для сферы с центром в начале системы координат положение осей по отношению к поверхности также может быть произвольно. Каждая поверхность может быть «привязана» к собственной системе координат.

Выбранной системой координат элемента конструкции (детали, сборочной единицы) и изделия в целом может быть система координат, построенная на любых других элементах: трех точках; двух точках и направлении, проходящем через одну из них. В качестве направлений используют оси симметрии, а в качестве точек – точки пересечения с поверхностями характерных линий (например, осей симметрии).

Результат базирования можно представить как положение точки M, направления a ₀ или собственной системы координат элемента конструкции X₁, Y₁, Z₁ в выбранной системе координат X₀, Y₀, Z₀ (рис. 3.12). Определенность пространственного положения точки М задается радиус-вектором R _M0, начало которого совпадает с началом выбранной системы координат, а конец находится в точке с координатами X_M0, Y_M0, Z_M0:

R _M0 =

Направление вектора а ₀ – направляющими косинусами l₀ m₀ n₀ углов между направлением вектора а ₀ и осями координат X₀, Y₀, Z₀.

Определенность пространственного положения собственной системы координат элемента конструкции О₁ X₁, Y₁, Z₁ в выбранной системе координат О₀ X₀, Y₀, Z₀ задается параметрами расположения начала системы координат элемента конструкции О₁ радиус-вектором R ₁₀ и матрицей A ₁₀ направляющих косинусов li, mi, ni, осей X₁, Y_1, Z₁ относительно осей X₀, Y₀, Z₀:

R ₁₀ = A ₁₀ = .

Здесь i = 1, 2, 3. Индекс 10 означает, что первая система координат (X₁, Y₁, Z₁) располагается в выбранной системе координат (X₀, Y₀, Z₀).

Рис. 3.12. К определению результата базирования точки М₀, направления а ₀, системы координат O₁ X₁ Y₁ Z₁

Особенность ракетно-космического машиностроения заключается в том, что от формы, размеров и положения поверхностей зависят силы и моменты, действующие на поверхности; объемы и, следовательно, масса, координаты центра масс, величина и направление главных центральных осей инерции. Сведения о всех перечисленных параметрах необходимы для формирования алгоритма управления изделием при эксплуатации в соответствии со служебным назначением.

Формирование номинальных объемов элементов конструкции и их адекватное представление может быть осуществлено размещением собственных систем координат номинальных поверхностей в выбранной системе координат заданием положений их начал векторами R _0i с координатами x_0i, y_0i, z_0i и направлений осей матрицами направляющих косинусов А _0i

А _0i = ,

которые могут быть представлены углами _0i, _0i, _0i между одноименными осями собственной системы координат поверхности и осями выбранной системы координат. После пересечения поверхностей они ограничивают объем элемента конструкции.

Базами называют поверхности или выполняющие ту же функцию сочетания поверхностей, точек, линий, осей, принадлежащих элементам конструкции и используемых для формирования их собственных выбранных систем координат. По этапам создания изделия базы делят на проектные и действительные. К первым относят базы, выбранные при проектировании изделия, ко вторым – фактически используемые при изготовлении конструкции, измерении, эксплуатации и ремонте. Среди разновидностей баз выделяют конструкторские, измерительные и технологические базы. Первые используются для определения положения деталей или сборочных единиц в изделии при проектировании. Вторые – для определения относительного расположения поверхностей деталей и сборочных единиц после их изготовления. Третьи для определения положения объектов производства (заготовок, деталей, сборочных единиц) в процессе изготовления или ремонта.

Системы координат элементов конструкции и изделия формируются комплектами баз. Из всей совокупности поверхностей объекта производства и технологического оснащения, а также их составных частей выделяют базовы е поверхности, используемые на всех этапах создания изделия: при проектировании, конструировании, измерении и изготовлении. Комплекты баз на разных этапах создания изделия не одинаковы и не всегда напрямую связаны с поверхностями элементов конструкции. Так, например, для ракетно-космических систем оси Х направлены преимущественно в направлении полета вдоль их продольной оси и одной из главных осей инерции. Две другие (Y и Z) могут быть главными центральными осями инерции, параллельны плоскостям стабилизации системы управления или лежат в них. Начало системы координат при аэродинамических расчетах связывают с носком обтекателя ракеты, при баллистических – с центром масс, а при технологических – с центром стыка корпуса ракетной системы с двигательной установкой.

На этапе проектирования облика изделия в качестве проектных баз выбирают функционально значимые базы, которые называют главными конструкторскими базами.

Так, при проектировании для ракетно-космических систем в качестве главных конструкторских баз используются взаимно перпендикулярные плоскости стабилизации системы управления полетом. Линия пересечения этих плоскостей формирует проектную базовую ось изделия (ось X). Две другие оси лежат в плоскостях стабилизации. Начало отсчета выбирается на базовой оси и переносится вдоль нее в зависимости от решаемых проектных задач. В системе координат главных конструкторских баз формируется номинальный облик изделия на этапах технического предложения и эскизного проекта. По мере проектирования начало координат главных конструкторских баз совмещают с центром масс, а направления осей – с направлениями главных центральных осей инерции.

Конструкторские базы подразделяют на основны е, используемые для определения положения детали или сборочной единицы в изделии и вспомогательные - для определения положения присоединяемого к ним элемента конструкции. Основными и вспомогательными конструкторскими базами изделий агрегатов, сборочных единиц, деталей чаще всего бывают присоединительные (стыковочные, привалочные) поверхности, которые имеют плоскую форму (плоские стыки) и реже более сложную (конус, цилиндр, сфера). В конструкциях ракетно-космических систем, например, в качестве баз используют контролируемые сечения, задаваемые реперными знаками, наносимыми на наружную поверхность элемента конструкции. Каждый элемент конструкции изделия (поверхность, деталь, сборочная единица) отображается в собственной системе координат, связанной с главными конструкторскими базами положением начала отсчета каждой системы координат и направлением ее осей.

В зависимости от требований, предъявляемых к определенности пространственного положения элементов конструкции, базирование может быть полным, когда отслеживается положение системы координат элемента, и неполным, когда фиксируется только одно из направлений, определяющих положение элемента конструкции (например, нормаль к плоскости, или ось вращения). Однозначная полная привязка системы координат к поверхностям осуществляется только при полном базировании. При неполном базировании такая привязка выполняется введением реальных или воображаемых характерных точек или осей, задаваемых по правилам, определенным соглашениями. Неполное базирование выполняется по элементам собственной системы координат номинальной поверхности. Например, у поверхности вращения определяется только положение оси, у плоскости – положение нормали и т.п.

Измерительные базы служат для отображения и определения относительного расположения реальных поверхностей объектов производства. С помощью измерительных баз устанавливают относительное положение систем координат поверхностей деталей в деталях; деталей, сборочных единиц и их поверхностей в составе изделия по завершении их изготовления, а также заготовок в технологическом оборудовании. Отличие измерительных баз от конструкторских состоит в том, что измерительных базы опираются на реальные поверхности и точки, а конструкторские – на воображаемые. В большинстве случаевизмерительные базы это реальные поверхности, реперные знаки на поверхности элементов ракетно-космической системы. Реже измерительные базы представляют собой математические образы. Например, оси отверстий при определении межосевого расстояния.

В качестве выбранной системы координат при измерениях применяют систему координат технологического оснащения, используемого для измерений. Контроль точности формы, размеров и расположения сложных поверхностей ракетно-космической системы может быть осуществлен двумя способами.

По первому способу он осуществляется сопоставлением с поверхностью жесткого носителя формы и размеров универсальными и специальными средствами технического контроля (плоскими шаблонами или пространственными эталонами).

По второму – по координатам точек реальных поверхностей, полученным при измерении на координатно-измерительных машинах с помощью специальных вычислительных программ определяют размеры, параметры формы, положения отображающих поверхностей и отклонений формы реальных поверхностей от отображающих.

Существует два способа базирования отображающей поверхности в совокупности точек реальной поверхности. По первому положение номинальной отображающей поверхности однозначно определяется в чертежно-технической документации, и задача сводится только к вычислению расстояний от точек реальной поверхности до нее. Полученные отклонения являются следствием суммарного проявления отклонений расположения и формы.

По второму положение отображающих поверхностей не задано. Оно определяется вписыванием в массив точек реальной поверхности отображающей поверхности, связанной с собственной системой координат, по критерию близости – минимуму среднеквадратического отклонения. В этом случае одновременно определяются как параметры расположения отображающей поверхности в массиве точек реальной поверхности, так и отклонение её формы. После завершения определения положения отображающей поверхности в массиве точек реальной поверхности положение ее системы координат отождествляют с действительным для данной поверхности. При втором способе формирования измерительных баз отклонения формы будут существенно меньше и появляется возможность судить о расположении поверхностей, в то время как в первом способе положение совпадает с заданным в документации.

Положение собственной системы координат средней или номинальной отображающих поверхностей отождествляется с положением собственной системы координат номинальной поверхности.

Погрешность положения средней или номинальной отображающей поверхности в системе координат номинальной поверхности, положение которой было задано в выбранной системе координат, может быть представлена вектором D R и матрицей D A погрешности.

Если в выбранной системе координат X₀Y₀Z₀ (см. рис. 3.13) номинальное положение системы координат номинальной поверхности X_НY_НZ_Н задано параметрами R _Н0 и A _Н0 а фактическое положение системы координат поверхности, отображающей реальную X_ФY_ФZ_Ф определено параметрами R _Ф0 и A _Ф0, то погрешность фактического положения X_ФY_ФZ_Ф относительно номинального X_НY_НZ_Н определяется вектором R _НФ и матрицей A _НФ. Следовательно, погрешность положения отображающей поверхности относительно номинальной в выбранной системе координат будет иметь следующий вид:

Рис. 3.13. К определению погрешности базирования

D R = R _НФ = A ^Т_Н0 (R _Ф0 – R _Н0)

D A = A _НФ = A ^Т_Н0 A _Ф0

где A ^Т_Н0 – транспонированная матрица A _Н0.

Погрешности формы, размеров и расположения поверхности во всем множестве точек реальной поверхности на множестве объектов производства представляют собой область пространства, расположенного между предельными контурами поверхностей, эквидистантными номинальной поверхности, расположенной в системе координат элемента конструкции. Величина области между предельными контурами обусловлена совокупностью эксплуатационных требований к параметрам реальной поверхности и ограничена допусками.

Ввиду случайного расположения точек внутри предельных контуров существует вероятность выхода параметров взаимного расположения из поля допуска. Чтобы этого не происходило, отклонения формы реальной поверхности относительно отображающей поверхности ограничиваются специальными указаниями, согласованными со степенями относительной точности (нормальной, повышенной, высокой и особо высокой). На них выделяется часть интервала погрешности поверхности, соответственно 60%, 40%, 25%, 15% и менее. Выделенная часть интервала распределяется поровну между отклонениями формы и расположения, если нет специальных указаний по требованиям к каждой из них.

Конструкторские и измерительные базы относятся к классу скрытых, поскольку отображаются воображаемыми поверхностями, линиями (осями), точками (пересечения осей с отображающими поверхностями).

Система координат, используемая при контроле погрешностей формы, размеров и расположения поверхностей задается совокупностью точек и направлений, которые назначаются произвольно и специально оговариваются в конструкторской и технологической документации.

Технологические базы это реальные поверхности объекта производства (детали, сборочной единицы), которые используются для его нужной ориентации в системе координат технологического оснащения или ракетно-космической системе при сборке. Все технологические базы явные. Определенность пространственного положения объекта производства в системе координат технологического оснащения обеспечивают ориентированием системы координат, образованной комплектом технологических баз.

Расположение и обозначение осей координат технологического оснащения, в которых задается положение объекта производства и перемещение рабочих органов оборудования, принимается в соответствии с международным стандартом ISO-R841. Ось X всегда расположена горизонтально. Направление оси Z вертикально и его совмещают с осью вращения инструмента при фрезеровании и лишь в токарных станках – с осью вращения заготовки. Ось Y достраивает систему координат технологического оснащения до правосторонней. Оси XYZ указывают направления поступательных перемещений инструмента относительно неподвижной заготовки. За положительные направления принимают такие, при которых инструмент и заготовка удаляются друг от друга. Вращательные перемещения инструмента относительно заготовки считаются положительными при движении против часовой стрелки, если смотреть со стороны направления соответствующей оси вращения, и обозначают буквами латинского алфавита A, B, C для осей X, Y, Z.

В процессе изготовления базы как поверхности объекта производства разделяются на основные и вспомогательные.

Основные базы принадлежат объекту производства и ориентируют его в системе координат технологической оснастки или в системе координат изделия, а вспомогательныебазы предназначены для ориентации в системе координат объекта производства, монтируемых на нем других сборочных единиц.

Технологические базы, используемые в процессе сборки, называются сборочными. Сборочные базы совпадают с конструкторскими базами. Однако в отличие от конструкторских баз сборочные базы являются реальными поверхностями со своими погрешностями.

С точки зрения достаточности баз для ведения технологического процесса базы можно разделить на естественные и искусственные.

Естественными базами называются поверхности, предусмотренные чертежами объекта производства. Естественными сборочными базами в ракетно-космической системе являются, например, стыковочные плоскости и сборочные отверстия под стыковочные болты в контурах фланцевых стыков.

Рис. 3.14. Пример применения центрового отверстия в качестве искусственной базы при обработке наружной поверхности корпуса на токарном станке

Условные обозначения:

- нерегулируемая опора (упор);

- разжимная оправка;

- вращающийся центр.

Искусственные базы это непредусмотренные задачами функционирования поверхности. Характерными примерами искусственных баз являются шпоночные канавки, центровые отверстия, хвостовики, бобышки, выступы и т.п. При производстве ракетно-космической системы в качестве искусственных баз, ориентирующих детали при сборке, используются координатно-фиксирующие отверстия, наличие или отсутствие которых не влияет на работу деталей. Если эти поверхности не предусмотрены чертежом изделия, то на начальной стадии технологического процесса эти базы создаются, на завершающей стадии базы удаляются. Например, для обработки наружной поверхности полого вала, изображенного на рис. 3.14, предусматривается бобышка, в которой сверлится центровое отверстие (вид I на рис. 3.14). Если бобышка мешает функционированию вала, то на завершающей стадии она удаляется. В противном случае бобышка может быть сохранена. Искусственные базы обычно выполняются с более высокой точностью, чем это требуется для поверхностей объекта производства.

Дата добавления: 2015-07-17