[elib.tsogu.ru]_kompjuternye-tekhnologii...83-a5 (2)

выбор стратегии обработки (алгоритма выборки основного материала и обхода контура);

выбор режущего инструмента;

выбор вспомогательного инструмента (оправки, державки и др.);

определение режимов обработки (скорость, подача, СОЖ и т.д.);

оптимизацию режимов обработки по нагрузке на режущую кромку инструмента.

Ведение технологической документации включает:

оформление текстовых технологических карт (маршрутных, операционных, карт контроля, ведомостей оснастки и др.);

оформление графических технологических карт (карт операционных эскизов);

ведение технологических баз данных (оборудование; режущий, вспомогательный и измерительный инструмент; установочные приспособления и т.д.);

выполнение расчетов по загрузке оборудования, потребности в технологической оснастке и др.

Расчет траектории движения инструмента состоит из следующих

операций:

определение базовых точек траектории;

определение мест ввода технологических команд;

формирование промежуточной информации в виде CLDATA . Формирование управляющих программ (постпроцессирование) вклю-

чает в себя следующий набор действий:

выбор системы кодирования на основании паспорта станка;

компьютерную симуляцию процесса обработки и проверку столкновений;

расчет времени обработки;

кодирование УП.

Подобные CAM-системы, организованные на основе автоматизации за-

дач, связанных с обработкой КТЭ для специфических условий применяемого оборудования, могут существенно повысить эффективность технологической подготовки для многофункциональных станков с ЧПУ. В таблице 3.1 приведены данные по решаемым задачам CAM-систем, организованных на базе автоматизации технологических переходов (традиционные CAM-системы) и на базе автоматизации обработки КТЭ.

Кспециализированным САПР технологического назначения отнесятся

итак называемые CAPP-системы (Computer Aided Process Planning), приме-

няемые в настоящее время для оформления технологической документации. Сравнивая возможности CAD/ CAM-систем, построенных по принципу автоматизации технологических переходов и по принципу автоматизации обработки КТЭ, можно отметить, что последние имеют более высокий уровень автоматизации, так как в них больше функций выполняется без участия человека. Главная отличительная черта этих САПР — автоматизированная формализация алгоритмов выборки основного материала на черновых

61

стадиях и обхода контура на чистовых стадиях обработки. Автоматизированный выбор инструмента и режимов обработки из базы данных после этого становится делом техники.

3.3.САПР в проектировании режущего инструмента

Всовременных условиях, когда сроки проектирования технологической оснастки и инструмента сокращаются и одновременно повышаются требования к их качеству, особенно актуален вопрос использования новых, более эффективных технологий проектирования и изготовления на базе использования CAD/CAM/CAE-систем. В данном подразделе показаны основные возможности САПР по проектированию и изготовлению сборного режущего инструмента с целью повышения его эффективности путем оптимизации показателей качества, как на стадии проектирования, так и в процес-

се изготовления. В общем случае концепция сквозного проектирования с использованием CAD/CAM/CAE-систем должна включать ряд этапов:

Начальный этап концептуального проектирования объединяет процедуры структурного синтеза изделия и общеинженерные расчеты, определяющие основные параметры и характеристики изделия. Как правило, современные системы проектирования универсального назначения не обладают встроенными функциями таких процедур. Однако практически все они содержат мощные средства разработки пользовательских приложений, позволяющие сформировать соответствующие расчетные модули и даже интегрировать их в базовую систему. Различная степень интеграции таких модулей (уровни внешних или внутренних процедур и функций), а также предоставляемые CAD/CAM/CAE-системами возможности обмена данными с внешними программами (базами данных, системами инженерного анализа

ит.д.) позволяют выбирать наиболее эффективные пути решения инженерных производственных задач.

Создание геометрической модели изделия. На этом этапе на основе имеющейся информации об основных параметрах изделия формируется геометрически точное описание изделия и генерируется его изображение на экране монитора. Разработанная модель позволяет не только получать во всех необходимых ракурсах реалистичную информацию о внешнем виде

иособенностях изделия, но и использовать сгенерированную геометрическую информацию в дальнейшей работе над проектом. Это касается не только данных для технологических задач изготовления изделия (размеры и формы обрабатываемых поверхностей), но и для технико-экономических расчетов (центры масс, периметры, площади и объемы), ведения проектов (наименования и количества сборочных единиц, деталей в сборках).

Инженерный анализ. На этом этапе сформированная модель подвергается расчетному исследованию на механические, тепловые, электромагнитные

ипрочие виды воздействий с целью получения сведений о прочностных, дина-

мических, теплофизических	и прочих	свойствах	изделия, имеющих связь
с выходными показателями	качества	режущего	инструмента, в частности

62

критериями работоспособности. Сочетание встроенных возможностей автоматизации подготовки данных (например, автогенерация конечно-элементных сеток, использование типовых наборов свойств материалов) с оперативностью расчета альтернативных вариантов (в том числе по задаваемым пользователем сценариям) облегчает обоснованный выбор наиболее эффективных вариантов изделия. По результатам этого этапа первоначальная модель подвергается в случае необходимости корректировке.

Выпуск конструкторской документации. На основании получен-

ной модели в полуавтоматическом режиме формируются соответствующие схемы, чертежи, эскизы, спецификации, ведомости. Выпускаются электронные или бумажные копии документов.

Разработка технологии обработки изделия на оборудовании с числовым программным управлением (ЧПУ) предусматривает создание управляющих программ для того или иного оборудования с ЧПУ и содержит следующие стадии (процедуры):

создание модели заготовки. На данной стадии может быть использована база стандартных или типовых заготовок;

интерактивное составление планов обработки и их параметризация. Здесь также обычно используются типовые процедуры и планы обработки, что существенно ускоряет и повышает качество проектирования технологических процессов;

расчет траекторий с одновременным формированием текстов управляющих программ на одном из универсальных языков технологического программирования, при необходимости позволяющий вручную скорректировать автоматически сгенерированную программу. Встроенные возможности расчета управляющих программ позволяют осуществлять его в нерабочее время

впакетном режиме, что резко ускоряет процесс подготовки управляющих программ. Обычно в системе имеются развитые средства оптимизации траекторий по нескольким критериям. Имеются также простейшие функции автоматического расчета длины траектории по отдельным участкам и общей, времени рабочих и вспомогательных ходов, объема снимаемого материала и т.д.;

визуализация и контроль выполнения управляющей программы в пошаговом или непрерывном режиме в реальном или ускоренном масштабе времени. Имитация процесса обработки изделия сопровождается визуализацией его характера и временных параметров, необработанных областей, а также особенностей оборудования, оснастки и изделия. По результатам составляется протокол обработки;

формирование в автоматическом режиме управляющих программ для конкретного станка с ЧПУ на основе использования программпостпроцессоров. Встроенные возможности создания пользователем оригинальных постпроцессоров позволяют достаточно просто адаптировать систему под имеющееся оборудование. Данная процедура может также производиться в пакетном режиме.

Сформированная технология в дальнейшем может быть передана по каналам связи непосредственно в систему ЧПУ станка и (при соблюдении

63

необходимых мероприятий по синхронизации, настройке и обеспечению безопасности) выполнена. Таким образом технически реализуется идея безбумажной технологии изготовления изделия. В полной мере идея безбумажной технологии в настоящее время вряд ли жизнеспособна по ряду технических, экономических и организационных причин. Однако интеграция конструкторско-технологических процедур в рамках сквозного проектирования уже сегодня вполне реализуема практически в рамках существующих CAD/CAM/CAE-систем. В качестве примера ее реализации рассмотрим процесс сквозного проектирования сборного режущего инструмента на базе использования CAD/CAM/CAE-системы Cimatron.

На этапе концептуального проектирования сборного инструмента решаются вопросы выбора конструкции узла крепления сменной многогранной пластины (СМП), наиболее подходящей для заданных условий резания. Критерии оптимизации узла крепления СМП могут быть выбраны разные; в частности, одними из основных критериев являются напряженнодеформированное состояние (НДС) СМП и динамическая точность инструмента. Методика включает в себя расчет сил, закрепление СМП, определение напряжений в режущей пластине и определение смещений вершины СМП в процессе резания. На основе данной методики оценки качества сборного инструмента разработана расчетная программа TOOL, позволяющая выполнить сравнительный анализ узлов крепления СМП различной формы (квадрат, ромб, шестигранник и т.д.). Проведенный сравнительный анализ трех конструкций узлов крепления (крепление СМП прихватом сверху, косой тягой и специальным винтом) показал для случая точения стали 40 (диаметр заготовки d=60 мм, глубина резания t=2 мм, подача s=0,6 мм/об, скорость резания v=220 м/мин) наиболее подходящим крепление СМП специальным винтом.

На следующем этапе разрабатывается геометрическая модель инструмента. Модель разрабатывается в системе Cimatron, которая позволяет создавать как поверхностные, так и твердотельные модели. Для моделирования сборного инструмента, имеющего сложную пространственную геометрию, удобнее использовать поверхностную модель. Для сборных резцов можно использовать библиотеку стандартных режущих пластин, элементов узла крепления и заготовок корпусов резцов. При проектировании державки резца используются макросы, позволяющие автоматически создавать типовые элементы. В рассматриваемом примере проектировался резец с режущей пластиной, имеющей на передней поверхности стружколомающие канавки. При использовании СМП с плоской передней поверхностью элементы стружкодробления проектируются совместно с державкой или используются накладные стружколомы, на которые может быть разработана соответствующая библиотека, учитывающая особенности стружкодробления для различных обрабатываемых материалов и условий резания. Использование CAD-системы при проектировании инструмента позволяет с заданной точностью и без выполнения дополнительных ручных расчетов определять геометрию паза под режущую пластину и элементы ее крепления в державке. Аналогично создается модель элементов крепления СМП (в данном случае

64

винта с конической головкой). Для проверки всей конструкции в целом выполняется сборка, что позволяет получить информацию о внешнем виде и особенностях инструмента, выполнить расчет массо-инерционных характеристик инструмента. Построенная геометрическая модель в дальнейшем используется для генерации конечно-элементной сетки и для генерации управляющих программ для обработки отдельных элементов на станках с ЧПУ.

Геометрическая модель сборного режущего инструмента, созданная в системе Cimatron в виде файла исходных данных, передавалась в препроцессор системы ANSYS для проведения инженерного анализа методом конечных элементов. Пакет ANSYS v.5.4 имеет мощные средства автоматической генерации конечно-элементных сеток и визуализации геометрической информации, поэтому формирование конечно-элементной модели в системе Cimatron в данном случае является нецелесообразным.

На этапе инженерного анализа в первую очередь оценивалось напря- женно-деформированное (НДС) состояние СМП как наиболее опасного с точки прочности элемента сборного режущего инструмента. Задача определения НДС сборного режущего инструмента в целом физически линейна (выполняется закон Гука) и геометрически не линейна (с учетом контактного характера взаимодействия элементов сборного режущего инструмента). Решение нелинейных задач осуществляется итерационными методами и требует значительно больших затрат, чем решение линейных задач. Поэтому задача решалась с использованием суперэлементного подхода. При этом для каждого элемента сборного режущего инструмента отдельно: СМП, державка, винт; в препроцессоре ANSYS формировались конечноэлементные модели, которые затем с помощью известных процедур преобразовывались в суперэлементы. Таким образом, общая конечно-элементная модель состояла из трех суперэлементов: СМП, державки, винта.

В процессе основного решения, так называемого прохода перемещений, определялись общие деформации всего сборного режущего инструмента в целом и усилия взаимодействия между его элементами. Затем выполнялось дополнительное решение для выбранного элемента, так называемый проход напряжений, в котором определялись основные компоненты напряжения в суперэлементе. По компонентам напряжений рассчитывались эквивалентные напряжения по выбранной теории прочности и оценивался коэффициент запаса прочности. В рассмотренном примере СМП разбивался на 348 конечных элементов (десятиузловые тетраэдры) и 446 узлов. Силы резания моделировались как сосредоточенные силы, приложенные в узлах на режущей кромке. Эквивалентные напряжения рассчитывались по теории прочности Мора. Максимальные эквивалентные напряжения, как оказалось, действуют на поверхностях СМП.

Возможности инженерного анализа, проводимого с помощью метода конечных элементов, не ограничиваются приведенным примером. Точно так же выполняется любой другой вид анализа: тепловой, электромагнитный, смешанный термомеханический и др.

65

Этап технологического проектирования предусматривает получение управляющих программ обработки резанием заготовки корпуса резца на фрезерном станке с ЧПУ. Корпус формируется из поковки, предварительно обработанной для создания черновых баз — плоских наружных поверхностей. Затем эти же поверхности обрабатываются начисто на фрезерном станке с ЧПУ, в том числе с целью подготовки чистовых баз под обработку паза под режущую пластину. Обработка включает фрезерование паза и сверление отверстия под винт крепления режущей пластины к корпусу. Сложность составления соответствующей программы заключается в определении координат точек, определяющих позиционирование инструмента относительно корпуса. Особенно сложно нахождение этих координат для точки центра отверстия под винт. В ручном режиме расчет этих координат занимает основную долю времени на составление программы обработки. Наличие сформированной в системе Cimatron модели инструмента, включающей отдельные подмодели на каждую сборочную единицу, позволяет решить задачу разработки программы легко и без ошибок пересчета координат.

Для операций торцового фрезерования плоских поверхностей корпуса используется 2,5-координатная обработка с помощью функции PROFILE. Для этого создаются последовательно:

система координат станка — MACSYS;

модель инструмента — торцевой фрезы диаметром 63 мм.

Затем определяются технологические параметры обработки (режимы резания, наличие или отсутствие охлаждения и т.д.), рабочие параметры инструмента (материал режущей части, скорости рабочих и холостых ходов, начальные точки и т.д.), характер и особые точки траектории движения инструмента и прочие данные.

После того, как система автоматически проверит корректность заданных параметров, можно приступать к автоматическому расчету траектории, сопровождающемуся формированием текста управляющей программы. В процессе расчета траектория отображается на экране монитора, что позволяет осуществлять визуальный контроль правильности обработки. По завершении расчета необходимо ввести команду закрытия траектории. При необходимости можно проконтролировать процесс обработки более тщательно, имитировав обработку на экране монитора с помощью команды SIMULATE. Для этого необходимо задать геометрические параметры заготовки, выбрать конкретную траекторию для ее имитации, для более удобного наблюдения за процессом задать параметры отображения (скорость, цветовую гамму).

Имитация обработки позволяет решить целый комплекс задач, связанных с контролем качества и корректности процесса обработки. В частности, системой предоставляется возможность автоматического отображения необработанных областей и областей «зарезания» обрабатываемых поверхностей. Кроме того, за счет создания (в составе заготовки) дополнительных, эквидистантных к обрабатываемым, поверхностей можно количественно отслеживать нарушение точности обработки в пределах некоторого допуска размеров, формы и расположения поверхности. При включении в состав инструмента элементов оснастки будут отслежены также особенности взаимодействия оснастки с обрабатываемой заготовкой.

66

На заключительной стадии работы модуля обработки с ЧПУ системы Cimatron с помощью вызова функции работы с постпроцессорами создается управляющая программа обработки разработанного изделия на конкретном станке с ЧПУ.

В настоящее время в качестве практической реализации идеи сквозного проектирования рассматривается проблема связи системы каналом прямой связи с УЧПУ станка. Осуществление этого шага, как ожидается, позволит реализовать практически полный цикл безбумажной технологии при автоматизированной разработке инструмента и оснастки.

3.4. САПР планировщика производственных помещений

Повышение объемов производства не всегда гарантирует рост прибыли. Если производство неэффективно, то рост объемов выпуска приводит и к росту расходов на исправление допущенных ошибок. Еще на стадии подготовки Tecnomatix позволяет предприятиям обеспечить максимальную эффективность производства и быстрее создавать прототипы изделий. Технологи могут увидеть результаты техпроцессов при их имитационном моделировании, что экономит ресурсы, расходуемые на выявление и устранение несоответствий уже на этапе производства. В Tecnomatix включено приложение Tecnomatix Factory CAD для быстрого создания интеллектуальной модели завода. При помощи трехмерных объектов отображаются все ресурсы предприятия – конвейеры, накопители, краны, контейнеры, робокары и автооператоры. Создание трехмерной планировки, компоновка и размещение оборудования происходит гораздо быстрее, чем при отрисовке двумерных планировок в САПР. Поскольку в каждый такой 3D-объект встроены интеллектуальные функции, его легко визуализировать и он содержат гораздо больший объем информации, чем 2D-чертежи.

Проектирование, планировка и строительство заводов требуют больших временных затрат. Чем больше времени требуется для запуска завода, тем большим становится влияние на итоги работы компании из-за потенциальных задержек в поступлении доходов и упущенных возможностей на рынке. Многие применявшиеся в прошлом процессы планирования предприятия подвержены ошибкам, так как использование традиционных 2D-планировок не позволяет планировщикам оценить влияние изменения места размещения оборудования. Эти просчеты могут привести к значительным потерям не только из-за вынужденного перепланирования; если они не выявлены своевременно, это может привести к еще более дорогостоящим ошибкам при установке и внедрении.

Tecnomatix FactoryCAD — приложение для планирования размещения оборудования, которое обеспечивает все необходимое для создания детальных, интеллектуальных моделей предприятий. Вместо того чтобы чертить линии, дуги и окружности, пользователь FactoryCAD может работать с «интеллектуальными объектами», представляющими все ресурсы предприятия,

67

от напольных и подвесных конвейеров, стеллажей-накопителей и кранов до контейнеров и рабочих. С помощью этих объектов можно собрать модель, не теряя времени на создание чертежа оборудования.

Благодаря FactoryCAD проектировщик получает чрезвычайно полезную возможность заглянуть внутрь планировки предприятия и процессов установки. Глубокое понимание всего предприятия и происходящих в нем процессов очень важно для правильного проектирования завода.

Сокращение расходов на транспортировку и оптимизация материальных потоков играют важную роль в повышении эффективности производства. Средства оптимизации Tecnomatix позволяют анализировать компоновки производственных участков с учетом расстояния, грузопотока и себестоимости перевозок. При этом используется информация о технологическом маршруте детали, необходимой емкости складов и требуемом подъемнотранспортном оборудовании. По результатам анализа выполняется оптимизация материального потока, сокращающая косвенные трудозатраты.

В Tecnomatix технологические процессы можно оптимизировать на основе имеющейся базы знаний. Трехмерные компоновки в системе имитационного моделирования Tecnomatix применяются для проверки функционирования технологического процесса, устранения «узких мест» и определения потенциальной производительности. Инструменты для тщательного анализа помогают технологам рассмотреть различные варианты построения процесса и быстро принимать точные проектные решения с учетом выявленных возможностей оптимизации.

3.5. Автоматизация технического документооборота

Системы электронного технического документооборота — один из важнейших компонентов автоматизации процесса проектирования и конструирования. В промышленно развитых странах они используются практически всеми компаниями, занятыми разработкой проектно-конструкторской документации. Растет интерес к таким системам и в России: многие предприятия уже работают с ними, другие планируют приобретение, выбирают подходящую систему.

Специалистов, занимающихся выбором программного обеспечения, очевидно, не удовлетворят простые ссылки на зарубежный опыт. Даже у подготовленного пользователя возникают вопросы, почему так необходимо специализированное программное обеспечение для поддержки электронного документооборота, какие функции выполняются подобными системами и в чем их польза. Чтобы понять, почему необходимы именно специализированные средства поддержки электронного документооборота, попробуем обрисовать источники возникновения проблемы: во-первых, чем выгоден переход к электронной документации, во-вторых, для чего нужна система управления документами и, наконец, каким образом внедрение подобной системы помогает выходу продукции предприятия на международный рынок.

68

Переход от бумажных документов к электронным — это способ получить прямую экономию средств. Документы, как любая вещь, использующаяся в процессе проектирования и производства, привносят свою долю расходов в операционные затраты предприятия — это расходы на разработку, распределение, хранение, печать и рассылку документов. Средства, уходящие за год на обработку бумажных документов в одних только Соединенных Штатах, например, приближаются к триллиону долларов. Так что вполне понятно желание предприятий как можно быстрее перейти к электронным документам.

Перечислим наиболее очевидные проблемы бумажного архива, исчезающие с переходом к современным технологиям электронного документооборота:

Бумажные чертежи «стареют» и портятся при хранении — электронные изображения «вечны», срок их жизни практически неограничен.

Тиражирование и рассылка бумажных чертежей — трудоемкая и не дешевая операция: за время, необходимое для копирования одного бумажного чертежа, можно разослать по сети множество бесплатных копий электронных чертежей.

Бумажные чертежи занимают много места, их хранение плохо систематизируется; зачастую в бумажном хранилище стоит больших трудов найти нужную информацию. Электронные чертежи никаких помещений не требуют, отыскиваются эффективнее и быстрее.

Бумажные чертежи теряются. По экспертной оценке, не могут использоваться от пяти до семи процентов технических материалов: они потеряны или разукомплектованы. Резервное копирование содержимого элек-

тронного архива и введение автоматизированной дисциплины доступа

кинформации избавляет от подобных неприятностей.

Бумага ограничивает возможности представления данных. Графика, текст — и всё, тогда как электронные документы могут содержать трехмерные модели, гиперссылки на связанные материалы (например, чтобы связать текстовую и графическую документацию), атрибуты и параметры, которые могут быть извлечены другой программой, звук, видео и т. п.

Переход к электронной форме хранения документов довольно сложен и дорог. Тем не менее, снижение расходов на хранение и тиражирование документов, ускорение поиска и повышение эффективности использования информации, а в итоге сокращение времени делового процесса (проектирования, согласования, ведения переговоров) и повышение качества выполнения работ столь очевидны, что перевешивают все возражения. Неудивительно, что доля электронных документов за последние три года выросла с 29 до 44 процентов. По оценкам западных экспертов, соотношение бумажных и электронных документов составит через пять лет 50 на 50 процентов, а через десять — 30 на 70. В настоящее время количество электронных документов за год удваивается, а бумажных — вырастает только на 7 процентов.

Современный документооборот предприятия, когда большое количество документов разрабатывается и хранится в виде компьютерных файлов,

69

требует и специальных программных средств, помогающих реализации процедур хранения, разработки и распределения документации.

Традиционные методы управления бумажными документами, разрабатывавшиеся в течение многих лет и регламентированные нормативными актами, не позволяют в должной мере обеспечить прохождение, согласование, сохранность и конфиденциальность электронных информационных потоков предприятия. В частности, потому, что при переходе к компьютерной технологии обработки информации предприятия сталкиваются с проблемами, которые не были и не могли быть учтены существующими инструкциями и положениями.

Использование компьютерных технологий существенно увеличивает скорость разработки документации, что во многом связано с возможностью коллективной работы над документами. С другой стороны, многократно возрастает риск несанкционированного или одновременного доступа и, следовательно, порчи, потери, несогласованности или уничтожения информации. Эта опасность особенно серьезна при наличии локальной сети, дающей возможность распределенного хранения и доступа к документам. Вторым следствием повышения производительности – особенно при внедрении сканерных технологий получения электронных документов – является все увеличивающийся поток файлов с информацией, которые необходимо учитывать, индексировать, заносить в каталоги. Преодолеть эти трудности можно, используя программные средства управления электронным документооборотом.

Если предприятие планирует выйти на мировой рынок, то помимо всего прочего оно должно быть сертифицировано на соответствие стандартам серии ISO 9000, определяющей требования к разработке, тестированию и сопровождению продукции. Только в Европе такую сертификацию прошло уже около 100 000 компаний.

Внедрение систем автоматизации технического документооборота и управления проектными данными значительно упрощает процесс сертификации предприятия на соответствие требованиям стандартов серии ISO 9000. Как известно, эта группа стандартов определяет только самые общие положения, практическая реализация которых оставляется на усмотрение предприятия.

Приведение системы управления качеством на предприятии в соответствие с требованиями ISO 9000 идет по следующим основным направлениям:

разработка набора организационных правил, которые устанавливают требования к системе качества. Это руководство дополняется вспомогательными документами, детально описывающими отдельные задачи;

выработка процедуры внедрения системы управления качеством и назначение ответственных сотрудников;

подготовка детальных должностных инструкций и определение круга задач, требующих решения;

документирование процессов разработки документации и производства изделия, результатов контроля.

70