СУПО / Лекция 8

10

Лекция 8

CAD ( PowerMILL) в комплексной системе автоматизации «проектирование-производство»"

В последние несколько лет возрастает объем в производстве изделий формообразующей технологической оснастки (пресс-формы, штампы, литейные модели и формы, технологические макеты и эталоны и др.) для производства различных изделий машиностроения. Необходимым условием обеспечения современного уровня производства стало внедрение комплексной системы автоматизации проектирования, охватывающей все этапы выполняемых работ – от построения математической модели изготавливаемых объектов до подготовки управляющих программ обработки на станках с ЧПУ, последующего контроля точности изготовления с использованием программируемой контрольно-измерительной машины и передачи управляющей информации по созданной распределенной сети (DNC) к станкам и измерительной машине.

CAD/CAM системами на западе называют то, что в странах бывшего СССР принято было называть аббревиатурой САПР, то есть Системы Автоматизированного ПРоектирования. Впервые термин СAD прозвучал в конце 50-х гг прошлого века в Массачусетском технологическом институте в США. Распространение эта аббревиатура получила уже в 70-х гг как международное обозначение технологии конструкторских работ. С началом применения вычислительной техники под словом CAD подразумевалась обработка данных средствами машинной графики. Однако этот один

термин не отражает всего того, что им иногда называют. Например,САПР могут предназначаться для: черчения, для прочерчивания (эскизирования) или и для того, и для другого сразу. Сама же аббревиатура CAD может расшифровываться так: Computer Aided Design, или Computer Aided Drafting (проектирование и конструирование с помощью ЭВМ или черчение с помощью ЭВМ).Понятия «конструирование» и «черчение с помощью ЭВМ» - всего лишь малая часть функций, выполняемых САПР. Многие из систем выполняют су-щественно больше функций, чем просто черчение и конструирование. И существует их более точное обозначение :

САЕ - Computer Aided Engineering (инженерные расчёты с помощью ЭВМ, исключая автоматизирование чертёжных работ). Иногда этот термин использовался как понятие более высокого уровня– для обозначения

всех видов деятельности, которую инженер может выполнять с помощью компьютера.

CAM - Computer Aided Manufacturing. Программирование устройств ЧПУ станков с помощью CAD-систем отождествляют с понятием CAM (так называемые CAD/CAM системы). В иных случаях под САМ понимают применение ЭВМ в управлении производством и движением материалов.

CAQ - Computer Aided Quality Assurance. Определяет поддерживаемое компьютером обеспечение качества, прежде всего программирование измерительных машин.

САР - Computer Aided Planning – автономное проектирование технологических процессов, например, при подготовке производства.

CIM - Computer Integrated Manufacturing – взаимодействие всех названных отдельных сфер деятельности производственного предприятия, поддерживаемого ЭВМ.

При традиционном проектировании оснастки трудоёмкость работ составляет от 50 нормо-часов до нескольких тысяч, а в общем – несколько миллионов. Использование систем автоматизированного проектирования и изготовления оснастки позволяет не только снизить трудоёмкость, временные и денежные затраты, но освободить человека от большого количества однообразной работы, например, от оформления большей части документопотока.

СAD/CAM-системы находят применение в широком диапазоне инженерной деятельности, начиная с решения сравнительно простых задач проектирования и изготовления конструкторско-технологической документации и, кончая, задачами объёмного геометрического моделирования, ведением проекта, управления распределенным процессом проектирования и т.п. Современные изделия можно создать только с использованием CAD/CAM-систем на всех стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации.

Разработка и создание CAD/CAM-систем является достаточно сложным и длительным процессом, требует значительных затрат материальных и людских ресурсов. К сожалению, за последние годы государственная политика по отношению к коллективам, создающим CAD/CAM-системы, резко изменилась. Из -за отсутствия централизованного финансирования практически прекращены новые разработки в этой области. Значительное количество коллективов – разработчиков распалось. В результате, например, среди отечественных машиностроительных CAD-систем поставляемых на рынок, продавалось не более пяти 2D-систем и не более одной-двух 3D-систем. Полностью отсутствовали системы для проектирования в радиоэлектронике, строительстве и архитектуре. В то же время значительные средства расходуются организациями на закупку дорогостоящих зарубежных CAD/CAM-систем. Пользователи на местах оказываются неподготовленными к применению этих систем, и иногда случается, что в одной организации скапливаются несколько типов дублирующих друг друга систем, порой практически неэксплуатируемых.

Развитие отечественных CAD/CAM-систем и их широкое использование в промышленности позволит существенно сократить затраты на закупку таких систем за рубежом и тем самым поддержать собственные

научные разработки в этой области.

На авиастроительных предприятиях в качестве базовых средств автоматизации прежде всего используются развитые комплексные САПР высокого уровня (Unigraphics, CATIA, CADDS-5, EUCLID и некоторые другие). В состав данных систем входят средства построения математической модели поверхности создаваемого изделия, разработки внутренней компоновки отсеков и аппарата в целом, ведения базы данных проекта, разработки конструкции, технологической подготовки производства, планирования и диспетчеризации работ. Сложность изделий авиационной техники, а также необходимость проведения значительного объема расчетных исследований, обусловили использование высокопроизводительных компьютеров и, соответственно, высокую стоимость технических средств и программного обеспечения САПР.

В принципе, автоматизация процесса «проектирование-производство» аэродинамических моделей самолетов и формообразующей технологической оснастки может быть осуществлена на основе использования САПР высокого уровня для «рабочих станций». Однако анализ, учитывающий их конструктивные и технологические особенности, показывает нерациональность такого подхода.

Формообразующую технологическую оснастку (пресс-формы, литейные формы, штампы, литейные модели, мастер-макеты, эталоны) и аэродинамические модели характеризует повышенная сложность формы поверхности и особо высокие требования к точности изготовления, и одновременно — существенно ограниченные объемы конструкторских работ и малая серийность производства. Поэтому этапы формирования поверхности изделий и их отработки требуют применения наиболее развитых средств математического моделирования, обеспечиваемыми САПР высокого уровня. Разработка конструкции, в отличие от натурных изделий авиационной техники, для которых прежде всего разрабатывались САПР высокого уровня, может быть выполнена с использованием менее комплексных средств автоматизации. Целый ряд функций САПР (диспетчеризация проекта изделия; ведение базы данных обеспечивающей разработку, выполняемую коллективом исполнителей ряда организаций; управление распределенным производством и др.) останутся невостребованными. Поскольку в основе производства формообразующей

оснастки и аэродинамических моделей лежит механическая обработка сложных поверхностей, ее выполнение с повышенной точностью и производительностью требует применения специализированных средств программирования для станков с ЧПУ, а также контроля точности изготовления с применением программируемых контрольно-измерительных машин.

Принятое в результате решение построения комплексной системы из ряда компонентов, по своим характеристикам соответствующих содержанию и сложности работ, выполняемых конкретными исполнителями, позволило существенно сократить затраты на внедрение автоматизации при обеспечении необходимых условий эффективной работы специалистов.

Описанному подходу в полной мере соответствует концепция проекта Power Solution, развиваемого британской компанией Delcam plc. Разработанная в соответствии с ним трехуровневая структура программно-технических средств, включающая ограниченное число САПР высокого уровня,

специализированные конструкторские и технологические системы для ПЭВМ, управляющие ЭВМ сети DNC станочного оборудования с ЧПУ и контрольно-измерительной машины показана на рис. 1.

Для конкретизации выбора программных продуктов был проведен сравнительный анализ их характеристик. При этом учитывались такие факторы, как распространение у потенциальных заказчиков и в близких по профилю производствах, возможности поддержки со стороны производителей, условия обновления версий, а также финансовые возможности приобретения конкретных продуктов и технических средств.

В результате на верхнем уровне в системе используется комплексная САПР CATIA версия 4.1.7 (Dassoult System). В составе конструкторского обеспечения рассматривается применение систем SolidEdge (Unigraphics Solution), CADKEY 98 (Baystate Technologies), КОМПАС (АО «Аскон»), AutoCAD (Autodesk).

Программирование обработки на станках с ЧПУ выполняется в системах: CATIA – два рабочих места, ГеММа-3D версия 6.1 (разработка ЦАГИ) – восемь рабочих мест и на PowerSHAPE и PowerMILL версия Р2495 (Delcam plc) – одно рабочее место.

Для сложных изделий управляющие программы обработки готовятся одновременно во всех системах, что создает необходимые условия для их объективной оценки.

Охарактеризуем на основе накопленного опыта эффективность применения модуля PowerMILL в комплексной системе.

Реализация интерфейса пользователя, по сравнению с системой DUCT5, предшествующей системе Power Solution, представляется чрезвычайно удачной. Логическая целостность сочетается в нем с ясностью и простотой использования. Наряду с высокой наглядностью, он предоставляет специалисту все возможности подготовки управляющих программ с минимальными трудозатратами.

Применение модуля для подготовки управляющих программ в самых сложных сочетаниях поверхностей у обрабатываемых изделий подтвердило заявляемую фирмой «обработку без подрезов». Отслеживание формы поверхности для инструмента заданной геометрии, соответствующей предусмотренному в системе, оказалось безукоризненным. Спектр задаваемых параметров инструмента широк и обеспечивает все основные потребности инструментального производства.

Хорошо отработано построение сеточной модели по исходным геометрическим данным получаемых из внешних систем в формате IGES. В частности, мы использовали модели из наиболее известных систем: CATIA, Unigraphics, Pro/Engineer, EUQLID. Во всех случаях для заданной точности построения сеточной модели отсутствовали коллизии самых сложных сочетаний поверхностей, описывающих отрабатываемое изделие.

Очень важной технологической возможностью является задание заготовки, в определенной степени отслеживающей исходную форму детали и имитирующей наряду с простыми (с точки зрения геометрических параметров) поковками сложные отливки по предварительным моделям.

Расчет управляющих программ на соответствующей машине (Pentium II, 300 МГц, оперативная память 64 Мбайт) осуществляется достаточно быстро. Имеющийся аппарат поддержки со стороны производителей, условия

обновления версий, а также финансовые возможности приобретения конкретных продуктов и технических средств.

В результате на верхнем уровне в системе используется комплексная САПР CATIA версия 4.1.7 (Dassoult System). В составе конструкторского обеспечения рассматривается применение систем SolidEdge (Unigraphics Solution), CADKEY 98 (Baystate Technologies), КОМПАС (АО «Аскон»), AutoCAD (Autodesk).

Программирование обработки на станках с ЧПУ выполняется в системах: CATIA – два рабочих места, ГеММа-3D версия 6.1 (разработка ЦАГИ) – восемь рабочих мест и на PowerSHAPE и PowerMILL версия Р2495 (Delcam plc) – одно рабочее место.

Для сложных изделий управляющие программы обработки готовятся одновременно во всех системах, что создает необходимые условия для их объективной оценки.

Охарактеризуем на основе накопленного опыта эффективность применения модуля PowerMILL в комплексной системе.

Реализация интерфейса пользователя, по сравнению с системой DUCT5, предшествующей системе Power Solution, представляется чрезвычайно удачной. Логическая целостность сочетается в нем с ясностью и простотой использования. Наряду с высокой наглядностью, он предоставляет специалисту все возможности подготовки управляющих программ с минимальными трудозатратами.

Применение модуля для подготовки управляющих программ в самых сложных сочетаниях поверхностей у обрабатываемых изделий подтвердило заявляемую фирмой «обработку без подрезов». Отслеживание формы поверхности для инструмента заданной геометрии, соответствующей предусмотренному в системе, оказалось безукоризненным. Спектр задаваемых параметров инструмента широк и обеспечивает все основные потребности инструментального производства.

Хорошо отработано построение сеточной модели по исходным геометрическим данным получаемых из внешних систем в формате IGES. В частности, мы использовали модели из наиболее известных систем: CATIA, Unigraphics, Pro/Engineer, EUQLID. Во всех случаях для заданной точности построения сеточной модели отсутствовали коллизии самых сложных сочетаний поверхностей, описывающих отрабатываемое изделие.

Очень важной технологической возможностью является задание заготовки, в определенной степени отслеживающей исходную форму детали и имитирующей наряду с простыми (с точки зрения геометрических параметров) поковками сложные отливки по предварительным моделям.

Расчет управляющих программ на соответствующей машине (Pentium II, 300 МГц, оперативная память 64 Мбайт) осуществляется достаточно быстро. Имеющийся аппарат редактирования управляющих программ (подвод и отвод инструмента, деление программ, их геометрические преобразования и т.д.) нагляден и удобен.

Чрезвычайно важным, с точки зрения технологии обработки, является наличие ряда стратегий построения траекторий движения инструмента, в частности, обработка в окрестности поверхностей, близких к вертикальным по Z=const (рис. 2). Эффективно строится обработка сложных зон в окрестности углов, образованных поверхностями близким к вертикальным и горизонтальным (рис. 3). Хорошо выполняется учет сложных ограничений зон обработки в виде поверхностей обрабатываемого изделия, рабочих заготовок, эмулирующих расположение материала относительно необработанных частей изделия, а также предшествующей обработки (рис. 4). Высокой наглядностью отличаются изображения результата обработки модулем визуализации ViewMILL (рис. 5). Чрезвычайно важной с точки зрения обработки углов в изделиях является наличие так называемой «карандашной» обработки – доборка в углах фрезами ряда типоразмеров. Исключительно эффективным является аппарат оптимизации управляющих программ из условия минимизации времени обработки сложной поверхности.

Все перечисленные возможности не только не уступают известным реализациям в САПР высокого уровня, но и по целому ряду позиций оказывааются предпочтительными.

Особенно важным достижением разработчиков стала чрезвычайно высокая коммуникативность систем по форматам IGES и внутренним представлениям основных САПР высокого уровня. Передовым, с точки зрения объединения САПР, является применение механизма OLE для связи с рядом систем партнеров, в частности, с системой конструирования Solid Edge. На рис. 6 показана исходная модель корпуса редуктора в системе Solid Edge, а на рис. 7, 8 — последовательная черновая и чистовая обработка опытной детали в PowerMILL.

Наряду с выдающимися достоинствами модуля PowerMILL, отмечен был и ряд недостатков, снижающих эффективность его использования. Однако большая их часть при применении в комплексной системе совместно с САПР высокого уровня, другими конструкторскими и технологическими системами, становится несущественной

Наличие в модуле PowerMILL собственного геометрического моделлера при построении технологических и других ограничений в виде поверхностей и сложных границ затрудняет работу, требуя перехода во внешние системы, что неудобно. На практике выяснилось, что отсутствие современного обеспечения 2D-обработки чрезвычайно осложняет непосредственное применение модуля PowerMILL. Однако решенное сетевое взаимодействие элементов комплексной системы позволяет просто передать выполнение соответствующих операций в систему ГеММа-3D. Обеспечение пятикоординатной обработки в PowerMILL представляется незавершенным. Все соответствующие операции эффективно выполняются в САПР высокого уровня CATIA и системе ГеММа-3D. Аппарату построения подхода и отхода инструмента к обрабатываемой детали недостает гибкости, требуемой при программировании зонной обработки сложных поверхностей.поверхностей.

При редактировании управляющих программ иногда желательно иметь доступ к отдельным элементарным участкам и узлам траектории движения инструмента для их исключения или модификации. В комплексной системе такой доступ предоставляет редактор управляющих программ обеспечения сети «системы программирования - станки с ЧПУ». Вычислительная техника, пригодная для эксплуатации модуля PowerMILL, по-прежнему остается дорогой для использования рядовыми технологами-программистами.

В целом из нашего опыта следует, что PowerMILL является высокоэффективным средством подготовки управляющих программ самой высокой сложности. Его включение в состав программного обеспечения инструментального производства позволяет повысить сложность деталей, обрабатываемых на станках с ЧПУ, существенно сократить время подготовки управляющих программ, увеличить эффективность использования станочного парка.

Лекция 8