Трехмерное моделирование — стандарт современного машиностроения

Евгений Подугольников, Сергей Ерин, Александр Ерин, Александр Сущих

Опыт трехмерного моделирования горно-шахтного оборудования

ОАО «Анжеромаш» — одно из градообразующих предприятий г.Анжеро-Судженска (Кемеровская обл.). Свою историю предприятие ведет с 1907 года, с «Механических мастерских», занимавшихся ремонтом проходческого оборудования шахт угледобывающего региона. Спустя почти сто лет бывшие мастерские выросли в ОАО «Анжеромаш» — крупнейшее предприятие в городе, обеспечивающее значительный вклад в местную экономику. Заказчиками завода являются шахты Воркуты, Хакассии, Казахстана, а в первую очередь, конечно, Кузбасса.

Первые серьезные шаги в области автоматизации проектно-конструкторских работ на ОАО «Анжеромаш» были предприняты в 2000 году. К выбору систем подошли основательно. Ознакомились с несколькими доступными в то время САПР, для чего пришлось посетить ближайшие города (Томск, Кемерово, Новосибирск), и остановили свой выбор на системах семейства T-FLEX российской компании «Топ Системы». Выбор был обусловлен тем, что уже тогда системы семейства T-FLEX позволяли обеспечить комплексную автоматизацию — конструкторскую, технологическую подготовку, программирование ЧПУ, документооборот. Кроме того, система конструкторской подготовки T-FLEX CAD 3D имела возможности трехмерного моделирования. В 2000 году это была практически единственная отечественная система твердотельного моделирования, предлагавшаяся на рынке программного обеспечения САПР в России. Как вскоре выяснилось, очень удачным решением при приобретении программного обеспечения оказалось то, что ставка была сделана сразу на системы трехмерного моделирования. В 2000 году очень немногие конструкторы предприятий машиностроения имели представление о твердотельном моделировании. Даже если конструкторы на предприятиях работали с использованием персональных компьютеров, они все равно занимались традиционным чертежным проектированием, используя компьютер в качестве электронного кульмана. Тем более примечательно, что, несмотря на гораздо б о льшую стоимость системы T-FLEX CAD 3D, главным конструктором было интуитивно принято решение о приобретении в основном именно систем трехмерного моделирования.

Осенью 2000 года молодые конструкторы отдела главного конструктора приступили к освоению новых для себя технологий проектирования. Времени на раскачку не было. Чтобы стимулировать освоение новых технологий, главный конструктор распорядился вынести кульманы в коридор. Первым «компьютерным» проектом был заказ «Шахты им. Ленина» (г.Междуреченск). Чтобы лучше представить предметную область проектирования, вкратце расскажем об основной продукции предприятия.

ОАО «Анжеромаш» специализируется на проектировании и изготовлении забойных конвейеров с навесным оборудованием, перегружателей скребковых, дробилок угля и другого горно-шахтного оборудования. Современное горное оборудование представляет собой сложное машиностроительное сооружение (рис. 1 а), сочетающее в себе множество технических решений. Действительно, необходимо обеспечить монтаж и надежную работу многотонного оборудования с электрическими и гидравлическими приводами на глубинах до 800 м и в условиях повышенной искробезопасности и взрывозащищенности. Чтобы наглядно представить масштаб продукции завода, достаточно сказать, что типичная масса забойного транспортировочного конвейера составляет 2-3 тонны на погонный метр длины, а общая длина транспортной линии равна ширине забоя и может достигать двух-трех сотен метров. Одна из возможных схем работы очистного комбайна представлена на рис. 1 б.

Так сложилось, что уже в первом «компьютерном» проекте представилась возможность оценить преимущества технологий трехмерного проектирования. В конструкции скребкового конве­йера довольно много деталей, которые состоят из достаточно простых элементов, но в то же время имеют сложную пространственную конфигурацию (так как эти элементы развернуты сразу в нескольких плоскостях). Даже опытным конструкторам не сразу удавалось правильно отобразить ортогональные проекции на чертежах деталей. Возникла идея использовать для этих целей новые электронные инструменты. T?FLEX CAD 3D, как и любая современная система трехмерного проектирования, позволяет автоматически получать чертежные проекции по построенным в модельном пространстве трехмерным моделям. Создав с помощью операций трехмерного моделирования в модельном пространстве геометрически сложную трехмерную модель (рис. 2 а), конструктор с помощью специальной команды выбирает нужные ему для чертежа проекции изделия, и T-FLEX CAD 3D автоматически генерирует нужные виды, а также разрезы и сечения, в том числе местные и выносные. Затем конструктор завершает оформление конструкторского документа, проставляя с помощью специальных команд размеры и технологические обозначения. В итоге получается рабочий чертеж изделия (рис. 2 б). Новая технология оказалась очень удобной, особенно для геометрически сложных элементов конвейера.

Другой интересной функцией объемного моделирования является построение в T-FLEX CAD 3D законченных композиций, состоящих из большого количества трехмерных моделей деталей — трехмерных сборок. Конструкторы получили возможность создавать полную электронную объемную модель конечного изделия в целом или отдельных сборочных единиц (рис. 3 а). По этой электронной трехмерной сборке также может быть сгенерирован и оформлен сборочный чертеж узла или изделия (рис. 3 б). При этом, помимо исключения из процесса проектирования ручного вычерчивания, можно достичь еще более важных и полезных в плане проектирования результатов. Во-первых, в процессе создания трехмерной сборки конструктор-проектировщик получил уникальную возможность проверить собираемость конструкции — визуально или с помощью специальных инструментов T-FLEX CAD 3D, контролируя взаимное расположение входящих в сборку деталей. Во-вторых, поскольку сборка состоит из моделей реальных деталей, помимо сборочного чертежа автоматически получается спецификация на сборку (рис. 4). В-третьих, по трехмерным моделям автоматически рассчитываются массы, моменты инерции, площади деталей — весьма немаловажное обстоятельство, если учитывать высокую металлоемкость основной продукции ОАО «Анжеромаш». В-четвертых, удалось значительно сократить время на этапы контроля-проверки конструкторской документации, а также ее копирования.

Отметим также, что наличие трехмерной сборочной модели изделия позволило вывести на новый технологический уровень процесс подготовки сопроводительной документации. Специальная функция T-FLEX CAD 3D «Разборка» предоставляет возможность легко получать информативные иллюстрации устройства и состава изделия для инструкций по эксплуатации, технических руководств и т.п. (рис. 5).

Результат не заставил себя долго ждать. Забойный конвейер для «Шахты им. Ленина» был собран с первого раза — не было ошибок проектирования, поэтому при сборке доводочные работы не потребовались.

Дальнейшее изучение функционала T-FLEX CAD 3D позволило применить в технологии проектирования изделий ОАО «Анжеромаш» методики типового, или так называемого параметрического, проектирования. T-FLEX CAD 3D обладает развитым инструментом геометрической параметризации, позволяющим конструктору создавать объемные модели, геометрия которых может изменяться под управлением набора заранее определенных проектировщиком переменных параметров. Любой конструктор может средствами системы создать собственные библиотеки типовых конструкторских решений для деталей или узлов, заложить в них известные ему зависимости. Осознав подобные возможности, в отделе главного конструктора создали библиотеки трехмерных моделей приводов, а также библиотеки стандартных элементов, используемых на предприятии. Эти библиотеки теперь применяются во всех новых проектах с участием типовых узлов и элементов.

Внедрение в процесс проектирования новых информационных технологий сопряжено с необходимостью изменения существовавших в «докомпьютерную» эпоху традиций движения документов, этапов проектирования и т.п. В конструкторских подразделениях ОАО «Анжеромаш» это поняли своевременно. На рис. 6 показана структура аппаратно-технического оснащения конструкторского подразделения. В полном соответствии с принципами единого информационного пространства CALS-технологий вся проектная информация, а также библиотеки стандартных и типовых элементов хранятся в единой базе данных на сервере. Каждый работающий в T-FLEX CAD конструктор использует в своей деятельности данные только из этой базы. Это позволяет исключить дублирование проект­ной информации и путаницу в документах, столь знакомую многим пользователям САПР. Более того, главным конструктором введено понятие так называемого электронного подлинника — то есть в качестве исходного для всех копий («подлинника» — в соответствии с ГОСТ 2.102-68) принят электронный документ с последней утвержденной версией разработки. Примечательно, что подобная организация электронных документов была достигнута исключительно средствами операционной системы (Windows 2000), без использования специализированных систем электронного документооборота, только за счет грамотной организации и структуризации файлового хранилища документов. Поясним это на следующем примере. Любая разработка нового изделия начинается с составления соответствующего дерева каталогов, воспроизводящего структуру изделия по нисходящей (рис. 7). Каждая сборочная единица хранится в своей папке, имя которой совпадает с ее обозначением в соответствии со стандартом предприятия. Входящие в сборочную единицу подсборки располагаются во вложенных папках и т.д. Доступ к папкам с документацией может контролироваться средствами операционной системы. Очень простая схема, которая, тем не менее, оказалась вполне работоспособной. В будущем, по мере увеличения количества рабочих мест, предполагается, конечно, использование специализированных систем электронного документооборота (T-FLEX DOCs).

Кроме того, как уже отмечалось, есть возможность организовать средствами T-FLEX CAD 3D упорядоченное хранение часто используемых чертежей и моделей в специальные библиотеки (рис. 8). Доступ к элементам библиотеки осуществляется из специального окна T-FLEX CAD 3D («Меню документов»), непосредственно из системы моделирования. Это оказалось очень удобным в плане использования стандартных и типовых элементов конструкций в повседневном проектировании.

Таким образом, на примере АО «Анжеромаш» следует признать, что трехмерное моделирование прочно завоевало свои позиции в машиностроительном проектировании. Новые современные инструменты компьютерного моделирования коренным образом меняют технологии проектирования, выводя их на уровень недостижимых ранее качественных и количественных результатов. Примечательно, что столь весомые результаты достигаются с помощью отечественных систем моделирования.

«САПР и графика» 8'2004