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Esamuele Santoro » 10.Assemblaggio e Modellazione CAD


Assemblaggio e Modellazione CAD

Un assemblaggio è definito come una collezione di n parti, inizialmente indipendenti tra di loro.

L’assemblaggio è una delle fasi del processo di progettazione di un prodotto, e coi i sistemi CAD è possibile simulare il processo di assemblaggio per eliminare interferenze e difficoltà di assemblaggio, così da poter ridurre i costi di produzione del prodotto e il time-to-market.

In alcuni settori industriali, come quello aerospaziale, il costo di assemblaggio è una parte significativa dei costi di produzione, per cui il progettista deve escludere soluzioni progettuali che possano comportare delle difficoltà di assemblaggio del prodotto.

Esistono alcune procedure DFM (Design for Manufacturing) e DFA (Design for Assenbly), che permettono di valutare i costi di fabbricazione e assemblaggio e di orientare il progettista verso scelte di progetto aventi come obiettivo la riduzione dei costi di fabbricazione e di assemblaggio. Ad esempio, uno dei criteri del DFA è quello di ridurre il numero delle parti di un prodotto.

L’assemblaggio di un prodotto, in un sistema CAD, è rappresentato da un modello di assemblaggio, che deve contenere le informazioni sia sulle singoli parti che costituiscono il prodotto sia le relazioni e vincoli che devono esistere tra le parti.

Le posizioni spaziali e i vincoli tra le parti possono essere date sia specificando le posizioni dei sistemi di riferimento cartesiani associati alle singoli parti, sia da condizioni di accostamento e accoppiamento tra le parti.

Assemblaggio e Modellazione CAD

Quando si assegnano le posizioni relative tra le parti si riducono i gradi di libertà (dof), che per una parte rigida sono sei (tre rotazioni e tre traslazioni).
Un sistema meccanico è isostatico se sono stati vincolati tutti i suoi gradi di libertà, mentre è sovravincolato se i vincoli imposti sono sovrabbondanti, viceversa è sottovincolato se i vincoli permettono un movimento relativo tra le parti come nei cinematismi.

Alcuni modelli di assemblaggi, basandosi sui concetti della feature-based design, che venne introdotta agli inizi degli anni del 1980 per meglio organizzare e semplificare la fabbricazione con macchine a controllo numerico (CNC), utilizzano le assembly features per definire le posizioni relative tra le parti.

Una feature contiene diverse informazioni di tipo geometriche, di produzione, ecc.. e l’insieme delle features può essere diviso in classi, che a loro volta sono suddivise in sottoclassi. Ad esempio, la feature foro (hole) contiene come sottoclasse la feature foro filettato (threaded hole).

Molti modelli geometrici di CAD si basano sulle features per cui se a tali features associamo anche delle informazioni riguardanti la posizione relativa tra le parti di un assemblaggio, esse diventano delle assembly features.

È possibile definire, tra le parti, anche delle relazioni di gerarchia, che sono importanti se si vuole definire una sequenza di assemblaggio o disassemblaggio del prodotto.

Il numero delle parti che compongono un prodotto può variare da due fino a diverse migliaia di parti, così anche la geometria delle parti può essere semplice, come un perno o una piastra, o molto complessa e costituita da diverse superfici.

Assemblaggio e Modellazione CAD

È possibile classificare gli assemblaggi in:

  1. sistemi e/o impianti di distribuzione, come le reti idriche, ecc..
  2. sistemi meccanici, come i motori, che sono sottoassemblati di strutture complesse
  3. complesse strutture, come i velivoli, navi , automobili, ecc..

Il modello di assemblaggio può richiedere poche informazioni se esso è semplice, ma se esso è costituito da molte parti, avremo un database più complesso in cui sono contenute tutte le informazioni e le relazioni tra le parti.

In alcuni settori, come quello aerospaziale, per poter meglio eseguire l’assemblaggio vengono realizzati oltre ai disegni di fabbricazione anche dei disegni per l’assemblaggio.

Relazioni di gerarchia
In un prodotto, costituito da più parti, è possibile stabile una relazione di gerarchia tra le parti, che può essere rappresentata da un grafo, che può avere una struttura ad albero, dove la radice è il prodotto assemblato mentre le foglie sono le singole parti o dei sotto-assemblati.

La struttura ad albero può essere suddivisa in livelli, dove il livello Zero corrisponde alla radice.
Possono esserci differenti grafi di uno stesso prodotto assemblato, come possono esserci differenti sequenze di assemblaggio.

Assemblaggio e Modellazione CAD

Grafo (struttura ad albero) di un assemblato

Grafo (struttura ad albero) di un assemblato


Assemblaggio e Modellazione CAD

Sistemi di riferimento globale e locali e relazioni tra le parti

Le singole parti, che vengono create da un sistema CAD, hanno un loro sistema di riferimento (MCS). Durante l’assemblaggio occorre definire dei vincoli tra le parti, che possono essere: la posizione relativa dei sistemi di riferimento delle singole parti, il tipo di accoppiamento meccanico, ecc…

Rispetto ad un sistema globale, ogni parte presenta sei gradi di libertà, perché l’MCS può posizionarsi e orientarsi in qualsiasi modo nello spazio 3-D.

È preferibile assumere come sistema globale un MCS di una parte, il che equivale a fissare una parte, così il suo MCS diventa il sistema di riferimento globale dell’assemblato (GCS).

Rispetto al sistema globale (GCS) il sistema locale MCS_imo è definito dall’origine Oi e dall’orientamento dei suoi tre assi principali.

Se si vogliono annullare i gradi di libertà di un MCS rispetto al sistema GCS, occorre fissare l’origine del sistema di riferimento e l’orientamento dei suoi assi, viceversa se non si annullano tutti i sei gradi di liberta di un MCS, significa che la parte associata al sistema MCS, può muoversi e quindi siamo in presenza di un collegamento mobile.

Ad esempio, se l’asse z del MCS deve essere parallelo all’asse z del GCS occorre fissare solo due gradi di libertà (non sono ammesse rotazioni attorno gli assi x e y), così restano quattro gradi di libertà, che sono: le tre traslazioni e la rotazione attorno all’asse z.

Assemblaggio e Modellazione CAD

Esistono due approcci per definire i vincoli di assemblaggio, che permettono di stabilire la posizione relativa tra le parti di un prodotto:

  • specificare la posizione del MCS rispetto al GCS, mediante una matrice di trasformazione
  • specificare le condizioni di accostamento/accoppiamento (mating conditions)

Generalmente col primo approccio si fissa la posizione relativa dei sistemi di riferimento, così si vincolano dei gradi di libertà.

Con il secondo approccio, che è quello più utilizzato nei sistemi CAD, perché è più intuitivo e non richiede molte conoscenze geometriche, si possono vincolare i gradi di libertà utilizzando più condizioni di accostamento.

Col primo approccio si perviene ad una matrice di trasformazione, che è utilizzata dal sistema CAD per calcolare le coordinate della parte rispetto al GCS.

Col secondo approccio ad ogni condizione di accostamento corrisponde una matrice di trasformazione e alla fine il sistema CAD calcola la matrice come prodotto tra le matrici ottenute dalle condizioni di accostamento.

Assemblaggio e Modellazione CAD

Sistemi di riferimento globale e delle parti

Sistemi di riferimento globale e delle parti


Assemblaggio e Modellazione CAD

Le condizioni di accostamento e/o accoppiamento tra le parti

Esistono diverse condizioni di accoppiamento e/o accostamento (mating conditions) tra le parti in un assemblaggio.
Ogni
mating condition vincola due features geometriche appartenenti a due parti distinte, riducendo così i loro gradi di libertà.
È opportuno che una parte del prodotto venga considerata come fissa e le altre parti vengono accostate a tale parte utilizzando le mating conditions . Le mating conditions più utilizzate dai sistemi CAD sono:
againist (superficie/superficie);

  • fits, (coassialità)
  • tight fits , (incastro)
  • contact
  • complanar (piano/piano)
  • offset
  • inclinazione

Assemblaggio e Modellazione CAD

Le features geometriche possono essere punti, curve e superfici. Generalmente, le curve e superfici che si considerano sono, rispettivamente, segmenti rettilinei (spigoli) e superficie quadriche (cilindro, sfera) e piani.
Infatti, le possibili condizioni di contatto tra superfici possono essere tra cilindro, piano e sfera.

Nella Tabella sono riportati i le condizioni di contatto tra le precedenti superfici e i gradi di libertà (dof) che restano dopo aver fissato tali condizioni.

La condizione di aganist si può imporre tra due superfici piane o tra un piano e una superficie cilindrica (albero) e comporta che i versori normali delle due features geometriche devono essere opposti.

Queste condizioni sono anche condizioni di contatto, perché nei punti di contatto tra superfici i vettori normali devono essere opposti.


Assemblaggio e Modellazione CAD

In figura è riportato un esempio di condizione di againist tra due superficie piane. La parte a, associata al sistema (0;X,Y,Z), presenta una faccia avente versore normale N, a tale faccia si impone la condizione di againist con una faccia della parte b, associata al sistema (01;X1,Y1,Z1), e avente versore normale N1. Dopo aver eseguito la condizione di againist il sistema (O1;X1,Y1,Z1) si orienta e posiziona rispetto al sistema (O;X,Y,Z) in modo tale che i due versori N e N1 risultino opposti e le due facce risultino complanari.


Assemblaggio e Modellazione CAD

Ogni sistema CAD utilizza dei vincoli per definire le mating conditions, che possono essere differenti e avere nomi diversi.

Il modulo ASSEMBLY DESIGN del CATIA utilizza i seguenti Assembly Constraints per vincolare le parti di un prodotto:

Coincidence, allinea gli assi, superficie piane , piani e punti

Contact, accoppia due superficie piane. Può anche forzare il contatto tra due superficie curve

Offset, specifica un distanza di offset tra due piani

Angle permette di assegnare un angolo tra elementi piani

Fix vincola tutti i sei gradi di libertà di una parte nello spazio 3D

Fix Together fissa due o più parti tra di loro

Quick Constraint vincola automaticamente le parti utilizzando i vincoli precedenti secondo una priorità che può essere modificata

Assemblaggio e Modellazione CAD

Dopo aver creato un prodotto col CATIA è possibile eseguire delle analisi sui vincoli e sulle relazioni tra le parti, che sono date da una struttura ad albero. È possibile eseguire una vista esplosa dell’assemblaggio, così come mostrato nelle seguenti figure riguardanti un regolatore di flusso a valvola a farfalla

Dopo aver creato un prodotto col CATIA è possibile eseguire delle analisi sui vincoli e sulle relazioni tra le parti, che sono date da una struttura ad albero. È possibile eseguire una vista esplosa dell'assemblaggio, così come mostrato nelle seguenti figure riguardanti un regolatore di flusso a valvola a farfalla


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