В прошлом номере журнала на примере системы ADEM мы рассмотрели применение CAD/CAM к задаче сквозного проектирования и производства деталей методами механо-обработки на станках с ЧПУ. Мы попытались убедить конструктора в том, что в его распоряжении находится инструмент, насыщенный технологическими знаниями, которые приближают процесс проектирования к реальному производству. В этой статье речь пойдет о других положительных эффектах работы с интегрированными системами CAD/CAM .
Технолог-конструктор
Итак, интегрированная система позволяет конструктору использовать инструментарий технолога для проникновения на территорию "материализации виртуальной реальности". Что же принципиально нового дает CAD/CAM для технолога по сравнению с применением чистого CAM-продукта? Первым, наиболее очевидным преимуществом является стопроцентное соответствие геометрических моделей в конструкторской и технологической частях.Пользователи CAM-систем прекрасно знают проблему передачи данных. Файлы могут не читаться полностью или частично, модели или их фрагменты могут не иметь адекватного восприятия и даже если внешне все в порядке, могут возникать проблемы точности. Нередко, несмотря на то, что две сопрягаемые системы имеют единую основу объемной математики (например, NURBS), можно получить погрешности, соизмеримые с характерными размерами моделей. В CAD/CAM - системах соответствие моделей однозначно гарантированно.
Вторым, не менее важным свойством интегрированных систем является то, что для задания технологических особенностей производства деталей, технолог может использовать геометрический редактор (CAD-часть). Суть данной возможности состоит в том, что множество технологических параметров, связанных с механообработкой являются геометрическими по своей природе или могут иметь геометрическую интерпретацию. Например, вам нужно произвести обработку колодца не полностью, а какой-либо его части. Специальной функции, позволяющей произвести выделение части колодца для механообработки ,может быть в системе не предусмотрено. Но, воспользовавшись геометрическим редактором, вы можете, например, разобрать колодец, собрав затем необходимую вам часть.
Не менее часто встречающийся случай. Необходимо учесть и не испортить фрезой механические прижимы, которыми крепится заготовка к столу. Решение может быть найдено очень просто. Начертите прижимы или их габариты на проекции колодца и включите их в конструкционный элемент как необрабатываемые бобышки.
В системе ADEM есть и более эффективная возможность редактирования - аппликация, которая позволяет изменять плоскую модель без уничтожения фрагментов. При этом геометрические элементы, начерченные поверх чертежа, скрывают лежащую под ними геометрию. Если верхние элементы удалить, изменить или передвинуть, то открывшиеся детали чертежа автоматически восстанавливаются (рис. 1).
Рисунок 1.
Изменения геометрической модели
с использованием аппарата аппликации
На практике иногда возникает необходимость обработки элемента с переменным припуском. Прямой возможности задания переменного припуска в системах, как правило, не предусмотрено, но пользователь может начертить геометрию, необходимую для обработки, с применением аппарата построения эквидистант, тримирования и сборки, которыми располагает CAD-часть.
Для токарной обработки нередко применяют резцы со специальным профилем режущей части. В системе ADEM достаточно начертить резец и система будет генерировать траекторию его движения с учетом данной геометрии.
Список примеров использования технологом аппарата геометрического моделирования можно продолжать бесконечно. Ограничимся последним примером, связанным с обработкой группы одинаковых деталей. Используя процедуры конформных отображений (копирование, поворот, сдвиг), можно расположить детали на поле заготовки. По завершению данной операции, задав технологические переходы, технолог-конструктор получит управляющую программу механообработки группы деталей (рис.2).
Рисунок 2.
Механообработка группы деталей
Итак, современные CAD/CAM - системы предоставляют технологу весь аппарат геометрического моделирования и редактирования для доработки исходной модели с учетом технологических особенностей изготовления и для ввода технологической информации.
Элементы типа "Поверхность", или имею-щие дно в виде поверхности (колодец, уступ и т.п.), принципиально отличаются от остальных тем, что для их полного описания уже недостаточно плоского моделирования .
В системе ADEM под элементом типа "Поверхность" понимается объемная модель, состоящая из неограниченного количества поверхностей различных типов. Эти модели могут быть созданы в модуле объемного моделирования системы или конвертированы из других систем через файлы стандартов VDA, SAT, BSF, ADM.
На практике объемные модели редко обрабатывают за один проход. В первую очередь производят черновую обработку, которая по стратегии формирования траектории движения инструмента похожа на многоуровневую плоскую обработку. В результате этой обработки получается ступенчатая поверхность, пригодная для последующей чистовой обработки.
Чистовая обработка, как правило, также бывает многопроходной. Это связано с тем, что для отдельных участков модели подходят различные типы обработки (вспомним, что различным конструкционным элементам также соответствуют различные стратегии обработки) (рис.3).
Рисунок 3.
Некоторые типы фрезерования поверхности
Некоторые из данных стратегий могут быть осуществлены на 2,5-координатных станках (непрерывное управление по осям X и Y и холостой ход по оси Z). Другие требуют применения трехкоординатных станков (одновременное управление по X,Y,Z). Наиболее сложными и редко применяемыми считаются методики, позволяющие управлять пятью и более координатами. В системе ADEM реализовано двенадцать типов фрезерования поверхностей на трехкоординатных и три специальные стратегии для обработки на 2,5 - координатных станках.
При движении режущего инструмента необходимо учитывать как обрабатываемые, так и контрольные поверхности. Контрольными называют поверхности, с которыми в процессе обработки не допустим контакт режущего инструмента. При этом необходимым условием формирования траектории движения инструмента является предохранение от "зареза" обрабатываемой и контрольных поверхностей (рис.4).
Рисунок 4.
Контроль "зарезов" поверхность - область особого
внимания
Одним из основных параметров, обеспечивающих качество обрабатываемой поверхности, является максимальная высота гребешка. Появление гребешков на поверхности связано с тем, что невозможно обеспечить обработку каждого участка поверхности инструментом с профилем режущей кромки равной профилю поверхности. В производстве применяют, как правило, сферические, торовые, конические и цилиндрические фрезы (рис.5).
Рисунок 5.
Возникновение гребешков при фрезеровании поверхности
сферической фрезой
Как было указано выше, система ADEM автоматически формирует траекторию движения инструмента так, чтобы обеспечить качество поверхности не хуже заданной высоты гребешка.
Существует ряд проблем, связанных с некорректностью объемного моделирования . 3D - модели могут иметь некоторые дефекты, например, щели в местах стыковки поверхностей. Исправить или даже определить наличие этих ошибок, используя визуальный контроль, не представляется возможным, поэтому алгоритмы CAM - части должны автоматически вносить поправки в траекторию движения режущего инструмента (рис.6).
Рисунок 6.
Некоторые методы обработки щелей объемных моделей
в CAD/CAM ADEM
Как часто встречаются элементы типа "поверхность"? Это зависит от специфики производства. Наибольший объем обработки сложных поверхностей встречаются в авиа-, автостроении и производстве пресс-форм. Наименьший - в машиностроении и приборостроении.
Следует отметить, что даже в авиастроении и при производстве пресс-форм 3-координатное фрезерование составляет не более 10% общего объема механообработки.
О взаимном влиянии конструкции и технологии
 |
|
|
Выше были описаны некоторые непривычные для конструктора технологические аспекты и необычные для технолога конструкторские возможности работы в интегрированной системе. На самом деле в действиях конструктора, например, при создании чертежа, много общего с действиями технолога при подготовке производства. В качестве примера приведем конструкцию корпусной детали. Для полного описания данной детали конструктору необходимо выполнить чертежи с изображениями видов на каждую из граней детали (рис.7).
При обработке корпусных деталей возникает необходимость в переустановке деталей на станке. Это достигается поворотом стола, на котором крепится деталь, шпиндельной головки или сменой паллеты. При этом, все обрабатываемые элементы разносятся по различным технологическим зонам. Технологическая зона обработки - это набор конструкционных элементов, обрабатываемых с одной установки детали при неизменном положении нулевой точки управляющей программы (рис.8).
Рисунок 8.
Некоторые технологические зоны корпусной детали с
траекториями движения инструмента
Как вы успели заметить, в данном примере понятие вида на чертеже полностью совпадает с технологическим понятием зоны обработки. Иногда конструктор автоматически учитывает технологические особенности изготовления, однако в большинстве случаев это зависит от его квалификации и знаний технологии. Нередко часть параметров детали конструктор выбирает без каких-либо существенных причин. Как показывает опыт, таких параметров может быть довольно много, так как не все они определятся расчетами (прочность, устойчивость и т.п.) и геометрическими построениями. Очевидно, имеет смысл выбирать эти параметры, исходя из технологичности.
|
|
|
|
| до | после |
|
| 2 года | 1,5 | 0,8 |
| 10 лет | 1 | 0,7 |
Omega Technologies Ltd. проводила исследования по влиянию внедрения CAD/CAM - системы на технологичность разрабатываемых конструкций. Среди измеряемых параметров присутствовали: время обработки деталей, количество сменного инструмента, количество технологических переходов, масса детали.
Эксперимент проводился следующим образом. Конструктор проектировал деталь в CAD/CAM ADEM, после чего технолог создавал в этой же системе управляющую программу для механообработки. Время процесса обработки и другие параметры заносились в первую колонку таблицы. После этого конструктору предлагалось самому разработать процесс механообработки и затем внести изменения в конструкцию для улучшения технологии. Измененная конструкция попадала к технологу, который разрабатывал новую управляющую программу. Контролируемые параметры заносились во вторую колонку таблицы. Данные по времени обработки имели в среднем следующий вид:
Исходя из этих показателей, можно производить оценку экономии средств на изготовление детали. Однако в ряде случаев конструкция изменялась таким образом, что отпадала необходимость в применении многокоординатной обработки, что является еще более существенным фактором экономии .
Из данного опыта можно сделать вывод, что возможность анализа технологичности конструкции на этапе ее проектирования с использованием интегрированных CAD/CAM - систем приводит к снижению стоимости изготовления деталей.
Выводы
Мы рассмотрели некоторые аспекты применения интегрированных CAD/CAM - систем при проектировании и технологической подготовке производства. При этом, автор старался ограничиться только теми особенностями и примерами, которые объяснили бы высокую стоимость интегрированных систем и рост минимальных рыночных цен на продукты, позволяющие автоматизировать "простые" способы механообработки.В результате можно сделать следующие выводы:
1. Высокая эффективность применения CAD/CAM достигается при сквозном проектировании и механообработке деталей, потому что:
- при конструировании имеется возможность предварительного анализа технологичности изготовления детали;
- при технологической подготовке производства есть возможность применения всех возможностей аппарата геометрического моделирования ;
- в действие вступают три типа ассоциативности (размер - геометрия, геометрия - технология , технология - технология). Плоское моделирование играет большую роль для производства деталей, потому что:
- любую деталь для механообработки можно представить системой тринадцати типов конструкционных элементов, из которых лишь один - поверхность - требует объемного моделирования ;
- плоские модели (чертежи) содержат в себе элементы технологической проработки, например, разбивку на технологические зоны;
- плоское моделирование является частью объемного моделирования .
- из тринадцати типов конструкционных элементов лишь поверхность требует фрезерования высоких степеней (3- х координатное и выше);
- довольно широкий класс поверхностей может быть обработан на 2,5 - координатном оборудовании;
- применение CAD/CAM - систем для анализа технологичности конструкции на этапе проектирования позволяет снизить требования к оборудованию для механообработки.
Ускорение процесса отладки и особенно повторной отладки после внесения изменений в конструкцию принесет еще большую экономию средств. Экономия средств в случае отказа от приобретения сложного оборудования , за счет улучшения технологичности конструкции и других возможностей, интегрированных CAD/CAM - систем, в комментариях не нуждается.
Задача проектирования и изготовления деталей на станках с ЧПУ является далеко не единственной, где интегрированный CAD/CAM может приносить существенный экономический эффект. Одним из важнейших вопросов, например, является "программирование" технологических процессов, основанных на универсальном оборудовании. Однако данной проблеме имеет смысл посвятить отдельную статью.