Исследование CAM-систем. 
Разработка имитационной модели

• Введение
• Раздел 1. Исследование CAM систем
• 1.1 Анализ целей моделирования
• 1.2 Структура и принципы работы системы Unigraphics
• Раздел 2. Разработка процесса изготовления изделия «Ключ»
• 2.1 Описание объекта и цели моделирования
• 2.2 Разработка имитационной модели
• 2.3 Пробный эксперимент
• Заключение
• Список литературы

В условиях экономического кризиса к предприятиям предъявляются особо жесткие требования по эффективности производства. В свою очередь, производство невозможно сделать эффективным без соответствующего оснащения. Оснащение — это не только технологическое оборудование, но и программные средства, обеспечивающие работу этого оборудования. Одними из таких средств являются средства для построения твердотельных моделей и разработки процесса их механической обработки.

Применение информационных технологий в промышленном производстве позволяет в значительной степени повысить качество выпускаемой продукции, уменьшить сроки ее изготовления, а так же изготавливать сложные по своей конструкции изделия за счет полной и качественной технологической проработке на этапе разработки проекта.

Если углубиться в историю написания программ для станков с программным управлением, то выясняется, что раньше эти программы писались вручную и все расчеты проводились также вручную. Это не позволяло создавать сложные программы, длинные программы и в результате ручного написания допускалось множество ошибок, которые могли привести к серьезным авариям, поэтому требовались проверки, и это занимало достаточно много времени. Все это потребовало создания методов автоматизации процесса разработки программ. Начали появляться первые подобные программные средства. Они были достаточно примитивными и не позволяли разрабатывать сложные программы, однако были достаточно наглядными и простыми в использовании. Современные средства CAM позволяют выполнять сложные разработки, достаточно быстро. Размер современных программ может достигать сотен тысяч кадров.

Раздел 1. Исследование CAM систем

CAM-системы (computer-aided manufacturing компьютерная поддержка изготовления) предназначены для проектирования обработки изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) и выдачи программ для этих станков (фрезерных, сверлильных, эрозионных, пробивных, токарных, шлифовальных и др.). CAM-системы еще называют системами технологической подготовки производства. В настоящее время они являются практически единственным способом для изготовления сложнопрофильных деталей и сокращения цикла их производства. В CAM-системах используется трехмерная модель детали, созданная в CAD-системе.

1.1 Анализ целей моделирования

По мнению ведущих мировых аналитиков, основными факторами успеха в современном промышленном производстве являются: сокращение срока выхода продукции на рынок, снижение ее себестоимости и повышение качества. К числу наиболее эффективных технологий, позволяющих выполнить эти требования, принадлежат так называемые CAD/CAM/CAE-системы (системы автоматизированного проектирования, технологической подготовки производства и инженерного анализа).

За почти 30-летний период существования CAD/CAM/CAE-систем сложилась их общепринятая международная классификация:

— чертежно-ориентированные системы, которые появились первыми в 70-е гг. (и успешно применяются в некоторых случаях до сих пор);

— системы, позволяющие создавать трехмерную электронную модель объекта, которая дает возможность решения задач его моделирования вплоть до момента изготовления;

имитационная модель трехмерная

— системы, поддерживающие концепцию полного электронного описания объекта (EPD Electronic Product Definition).

EPD это технология, которая обеспечивает разработку и поддержку электронной информационной модели, на протяжении всего жизненного цикла изделия, включая маркетинг, концептуальное и рабочее проектирование, технологическую подготовку, производство, эксплуатацию, ремонт и утилизацию. При применении EPD-концепции предполагается замещение компонентно-центрического последовательного проектирования сложного изделия на изделие — центрический процесс, выполняемый проектно-производственными командами, работающими коллективно. Вследствие разработки EPD-концепции и появились основания для превращения автономных CAD-, CAM — и CAE — систем в интегрированные CAD/CAM/CAE-системы.

Традиционно существует также деление CAD/CAM/CAE-систем на системы верхнего, среднего и нижнего уровней. Cледует отметить, что это деление является достаточно условным, т.к. сейчас наблюдается тенденция приближения систем среднего уровня (по различным параметрам) к системам верхнего уровня, а системы нижнего уровня все чаще перестают быть просто двумерными чертежно-ориентированными и становятся трехмерными.

Примерами CAD/CAM-систем верхнего уровня являются Pro/Engineer, Unigraphics, CATIA, EUCLID, I-DEAS (все они имеют расчетную часть CAE).

CAD/CAM/CAE-системы занимают особое положение среди других приложений, поскольку представляют индустриальные технологии, непосредственно направленные в наиболее важные области материального производства. В настоящее время общепризнанным фактом является невозможность изготовления сложной наукоемкой продукции (кораблей, самолетов, танков, различных видов промышленного оборудования и др.) без применения CAD/CAM/CAE-систем. За последние годы CAD/CAM/CAE-системы прошли путь от сравнительно простых чертежных приложений до интегрированных программных комплексов, обеспечивающих единую поддержку всего цикла разработки, начиная от эскизного проектирования и заканчивая технологической подготовкой производства, испытаниями и сопровождением. Современные CAD/CAM/CAE-системы не только дают возможность сократить срок внедрения новых изделий, но и оказывают существенное влияние на технологию производства, позволяя повысить качество и надежность выпускаемой продукции (повышая, тем самым, ее конкурентоспособность). В частности, путем компьютерного моделирования сложных изделий проектировщик может зафиксировать нестыковку и экономит на стоимости изготовления физического прототипа. Даже для такого относительно несложного изделия, как телефон, стоимость прототипа может составлять несколько тысяч долларов, создание модели двигателя обойдется в полмиллиона долларов, а полномасштабный прототип самолета будет стоить уже десятки миллионов долларов.

Например, широко известен проект разработки компанией Shorts Brothers фюзеляжа для самолета бизнес-класса Learjet 45 при помощи современных CAD/CAM/CAE-систем. Результаты выполнения проекта просто впечатляют.

Ранее компания Shorts использовала в проектно-конструкторских работах проволочное моделирование деталей. В создаваемых Shorts Brothers фюзеляжах самолетов обычно насчитывалось до 9500 структурных деталей. Подобные проекты могли потребовать более 440 000 человеко-дней (до 4-х лет для завершения проекта).

Фюзеляж Learjet 45 оказался не только наиболее сложным среди существующих, но и был разработан в значительно меньшие сроки (на 40%), чем его предшественники. Кроме того, примерно в 10 раз было улучшено качество деталей и самой сборки фюзеляжа, а общее число деталей сокращено на 60% (при снижении объема основных переделок на 90% по сравнению с предыдущими проектами). В целом, компания Shorts смогла уменьшить число компонентов с 9500 до 3700 (на 60%). Полное время на проектирование и технологическую подготовку производства было сокращено до 125 000 человеко-дней. Общее время разработки и технологической подготовки производства до 60 000 человеко-дней, а весь цикл разработки типового фюзеляжа сократился с 4-х лет до 1,5−2 лет.

1.2 Структура и принципы работы системы Unigraphics

Эта система построена на ядре твердотельного математического моделирования Parasolid от фирмы Unigraphics Solutions (UGS).

UGS предлагает «непрерывную цепочку процессов», которая состоит из серии ассоциативно связанных между собой этапов проектирования и производства, которые имеют дело с общей цифровой моделью. Каждая цепочка процессов простирается от концепции до изготовления. Такой подход дает возможность построить цифровую модель, которая может использоваться на всех этапах без передачи данных из одной системы в другую.

Рисунок 1 - Пример модели

Версия NX обладает мощными и функциональными инструментами, интегрируя все аспекты процессов от проектирования до производства в единое высокотехнологичное решение для создания полного цифрового макета изделия (рисунок 1). NX предлагает неограниченные возможности для достижения максимальной производительности на всех этапах создания изделия:

— промышленный дизайн;

— проектирование;

— инженерный анализ;

— создание технической документации;

— создание оснастки;

— подготовка производства.

Управляемая среда разработки NX. Управляемая среда разработки NX включает полностью объединенное, синхронизированное управление всеми данными изделия и процессов, чтобы согласовать разработку изделия со структурированной средой предприятия. Используя автоматизацию на основе базы знаний NX, компании могут применять знания об изделие и процессе для значительного ускорения разработки изделия, чтобы максимально автоматизировать процессы проектирования и производства, а так же максимизировать повторное использование накопленных знаний.

NX структурирует концептуальные модели, стандартизирует методы проектирования и позволяет быстрое создание вариантов, преобразуя систему разработки проекта на основе компонент в систему, которая использует концептуальный подход.

Раздел 2. Разработка процесса изготовления изделия «Ключ»

2.1 Описание объекта и цели моделирования

Изделие обладает рядом поверхностей сложной геометрической формы, а, следовательно, не может быть обработано на универсальном оборудовании с достаточной степенью точности. Также в изделии имеется отверстие квадратного сечения, поэтому для снижения себестоимости целесообразно обработку произвести по заранее написанной программе на электроэрозионном станке. Это позволит сократить время наладки и обработки изделия, а также значительно повысит его качество, отказавшись от специальных методов обработки, типа долбления и протягивания.

Для разработки программы обработки изделия, будет применена система Unigraphics NX2.

2.2 Разработка имитационной модели

Создание проекта в среде Unigraphics NX2 проходит в 2 этапа: создание трехмерной твердотельной модели объекта проектирования, и подготовка производства, для его изготовления. При создании твердотельной модели система позволяет пользоваться множеством средств, которые определяют несколько основных подходов к решению этой проблемы. Первый подход — создание геометрических тел путем вращения и вытягивания контуров вдоль направляющих кривых. Второй подход — использование уже готовой, стандартной геометрии. В данной работе целесообразно применить смешанный подход, так как изделие имеет как достаточно простые геометрические формы, так и достаточно сложные. Разработка начинается с создания двухмерного эскиза. Для этого выбирается плоскость, в которой должен располагаться эскиз (рисунок 2).

Рисунок 2 - Создание плоскости эскиза

Далее создается сам эскиз детали (рисунок 3).

Рисунок 3 - Создание эскиза

Теперь, имея эскиз, можно построить объемную модель сложной формы. Для этого необходимо воспользоваться инструментом «вытягивание», в котором эскиз приобретает объем (рисунок 4).

Рисунок 4 - Тело вытягивания

Рисунок 5 - Создание цилиндра

Далее, необходимо создать основание объекта. Для этого можно использовать стандартную функцию «цилиндр» (рисунок 5).

Рисунок 6 - Объединение тел

Теперь, оба этих тела необходимо объединить (рисунок 6).

Рисунок 7 - Создание параллелепипеда

Для получения отверстия квадратного сечения можно воспользоваться еще одной стандартной фигурой — параллелепипед (рисунок 7). Путем вычитания параллелепипеда из тела, получаем необходимое нам отверстие (рисунок 8).

Рисунок 8 - Твердотельная модель

При наличии готовой твердотельной модели можно начинать создание обработки.

Первым шагом является настройка припусков и точности обработки. Под точностью обработки понимают максимальное отклонение геометрии движения инструмента от реального профиля. Этот параметр важен, когда происходит описание сложных криволинейных поверхностей, или описание простых дуг прямолинейными перемещениями.

Фрезерование будет проводиться послойно, что значительно уменьшает нагрузку на инструмент, поэтому необходимо выдать программу без припуска металла. Тогда необходимо выставить припуск на обработку равный 0, а допуск внутрь и наружу по 0,01 мм это достаточный параметр для данной детали (рисунок 9).

Рисунок 9 — Настройка припусков и допусков обработки

После этого необходимо задать инструмент обработки (рисунок 10).

Рисунок 10 — Выбор заготовки и модели обработки

Для создания обработки необходимо выбрать стратегию обработки (алгоритм движения инструмента), по которой будет обрабатываться деталь. От выбора стратегии в значительной степени зависит качество обработанной поверхности.

Рисунок 11 — Обработка бобышки

Для обработки бобышки нужно выбрать

Теперь необходимо выбрать весь инструмент, участвующий в обработке.

Необходимо создать сверла диаметрами 5, 9, 11, 26, 35 мм. Не смотря на то, что отверстия диаметрами 26 и 35 мм будут обрабатываться расточным резцом, суть обработки от этого не меняется и для большей наглядности можно их представить в виде сверел.

Рисунок 12 — Создание инструмента обработки

Для обработки пазов создается две фрезы 20 и 10 мм в диаметре и плоским торцом. Фрезы выбраны заведомо меньше минимальных радиусов скруглений для лучшей обработки геометрии.

Создание обработки начинается с создания блоков, в которых будут содержаться операции отдельные операции, этих блоков будет три: сверление, фрезерование с первого установа, фрезерование со второго установа.

Обработка будет начинаться со сверления, первой операцией будет сверление четырех самых маленьких отверстий диаметров 5 мм. Для этого необходимо выбрать тип операции (сверление) и указать наименование инструмента, геометрии обработки и типа обработки, после чего появится дополнительное окно, в котором можно указать конкретные отверстия, а так же начальные и конечные точки, и режимы резания (рисунок 13).

Рисунок 13 — Создание обработки

Рисунок 14 — Генерация траектории обработки

После настройки всех параметров необходимо нажать кнопку для генерации траектории обработки (рисунок 14). Траектория резания изображается голубыми линиями, а траектория ускоренных перемещений пунктиром.

Рисунок 15 — Копирование обработки

Так как последующие операции являются типовыми, то заново создавать их не обязательно, а достаточно копировать имеющуюся, поменять ряд параметров и сгенерировать заново (рисунок 15).

Рисунок 16 — Сверление всех отверстий

Аналогично создается обработка всех остальных отверстий (рисунок 16).

Для создания фрезерной операции необходимо выбрать новый тип обработки «послойная обработка» и аналогично сверлильной в новом окне задать все необходимые параметры (рисунок 17).

Рисунок 17 — Создание фрезерной операции

Чтобы обозначить область, которую надо обработать, выбирается граница обработки по средствам кривых, после чего задаются шаг резания в двух плоскостях, и дается команда на генерацию (рисунок 18).

Рисунок 18 — Генерация фрезерной обработки

Также путем копирования необходимо создать обработку на колодцы с обратной стороны (рисунок 19).

Рисунок 19 — Второй установ

На этом этапе деталь оказывается полностью обработанной.

Необходимо скомпилировать программный текст [приложение А].

2.3 Пробный эксперимент

Для проверки правильности принятых решений необходимо обязательно провести проверку. Среда Unigraphics позволяет это сделать методами, встроенными в саму систему.

Рисунок 20 — Симуляция обработки

В процессе симуляции обработки можно выявить все недочеты, полученные при создании обработки. Здесь можно отследить все участки недоработки и зарезы. Также можно увидеть врезание фрезы в материал на ускоренной подаче, каким образом происходит обработка.

Заключение

В результате проделанной работы можно сделать вывод, что применение CAD/CAM систем позволит не только сократить время на разработку проекта, но средства производства на создание пробной модели. Все необходимые исследования будущей конструкции можно провести средствами самой системы и получить достаточно точный и объективный результат.

Тоже самое и с моделированием обработки. С помощью данных систем можно строить обработку сложных криволинейных поверхностей и проводить ее полную проверку без использования пробной заготовки.

Такие системы выгодно применять не только в серийном и массовом производстве, но в единичном, где производят уникальные и весьма сложные изделия. Цена ошибки в таких производствах может превышать несколько миллионов.

1. Быков А. В., Гаврилов В. Н., Рыжкова Л. М., Фадеев В. Я., Чемпинский Л. А. Компьютерные чертежно-графические системы для разработки конструкторской и технологической документации в машиностроении: Учебное пособие для проф. образования / Под общей редакцией Чемпинского Л. А. — М.: Издательский центр «Академия», 2002.

2. Куралесова Н. О. Моделирование процессов и систем. Методические указания. — Тольятти: Изд. ВУиТ, 2004.

3. Гольдштейн А. И., Молочник В. И. О внутренней структуре постпроцессоров. — В кн.: Повышение эффективности использования станков с ЧПУ. — Киев: Знание, 2006, с.25−26.

4. Интернет источник. Развитие станков с ЧПУ. www.spectraservices.com.

5. Интернет источник. Справочные материалы к системе Unigraphics. http://infocad. dd. vaz.ru.