1 - 2008

Проектирование элементов авиационного шлема на основе прототипа и изготовление матриц для опытного производства

Построение геометрических моделей элементов шлема по прототипам

Моделирование и редактирование элементов шлема в PowerShape

Моделирование оснастки для изготовления шлема

Подготовка управляющих программ для обрабатывающего центра с ЧПУ

Заключение

Представленная работа выполнена на базе Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ), где проходят практику студенты факультета аэромеханики и летательной техники (ФАЛТ) Московского физико-технического института (МФТИ). Эта работа студента Михаила Медведева, выполненная под руководством докт. техн. наук, профессора В.Д.Вермеля и канд. техн. наук А.В.Кажана, заняла призовое место на VIII ежегодном конкурсе студенческих работ на именные премии компании Delcam plc.
В НИО-10 ЦАГИ программные продукты фирмы Delcam plc успешно используются уже более десяти лет: с их помощью проводятся работы по геометрическому моделированию (PowerShape), созданию программ для станков с ЧПУ (PowerMill) и контролю качества изготавливаемых деталей (PowerInspect).

Рис. 1. Конструктивные элементы шлема: а — корпус шлема; б — шлем в сбореa

Рис. 1. Конструктивные элементы шлема: а — корпус шлема; б — шлем в сбореb

Рис. 1. Конструктивные элементы шлема: а — корпус шлема; б — шлем в сборе

Заказчик, разработавший конструкцию авиационного шлема нового образца, поставил перед нами непростую задачу — требовалось разработать технологическую оснастку для опытного производства изделия. Проблема заключалась в том, что пластиковые элементы прототипа авиационного шлема были изготовлены вручную, включая сам шлем, стекло, забрало, наушник и элементы крепления стекла, а также забрала к шлему. Переданные заказчиком элементы шлема представлены на рис. 1. Для решения поставленной задачи нам прежде всего требовалось создать трехмерные геометрические модели всех элементов. Помимо разработки вместе с заказчиком технологии обработки технологической оснастки, нам требовалось внести в конструкцию изделия изменения, связанные с функциональным назначением и повышением производственной технологичности. В итоге мы должны были изготовить формы для опытного производства.

Работа выполнялась в несколько этапов. Во-первых, с помощью координатно-измерительной машины нами был выполнен реверсный инжиниринг всех элементов шлема. Во-вторых, были созданы математические модели элементов шлема и проведена их модификация для повышения технологичности. В-третьих, нами были разработаны математические модели матриц. И в-четвертых, были созданы управляющие программы обработки на станке с ЧПУ, после чего изделия были изготовлены на обрабатывающем центре. Далее мы подробно рассмотрим перечисленные этапы.

Построение геометрических моделей элементов шлема по прототипам

Для определения базовой геометрии прототипов шлема применялась координатно-измерительная машина типа манипулятор CimCore Infinite 5028 и программа PowerI nspect (версия 4016). Поскольку большинство поверхностей элементов шлема являются параметрическими, при определении геометрии широко использовалось измерение геометрических примитивов, таких как плоскость, сфера, цилиндр. В областях, имеющих сложную форму, в PowerI nspect замерялись облака точек в виде опорной сетки каркасных линий поверхности.

На рис. 2 для различных частей шлема представлены полученные в результате измерений геометрические элементы и каркасные линии (в точечном представлении).

Рис. 2. Моделирование деталей шлема

a

Рис. 2. Моделирование деталей шлема

б

Рис. 2. Моделирование деталей шлема

в

Рис. 2. Моделирование деталей шлема

г

Рис. 2. Моделирование деталей шлема

д

Рис. 2. Моделирование деталей шлемае

Рис. 2. Моделирование деталей шлема: а — корпус шлема; б — забрало; в — стекло; г — наушник; д — замок; е — прокладка

В начало В начало

Моделирование и редактирование элементов шлема в PowerShape

На данном этапе работы в системе PowerS hape (версия 7111) были созданы математические модели элементов шлема.

В результате измерений прототипов деталей шлема нами были получены элементы, описывающие геометрию как простых примитивов (сферы, цилиндры, плоскости), так и сложных поверхностей, заданных в виде сетки сплайнов. Сложные поверхности моделировались «по сети кривых». После построения множества поверхностей, описывающих геометрию каждого из элементов шлема, выполнялась их обрезка, построение скруглений и сшивка поверхностей. В результате нами были получены полные математические модели элементов шлема. Далее по требованию заказчика в некоторые математические модели нами были внесены модификации, учитывающие размеры технологических скруглений, отверстия крепления элементов шлема, места посадки специального оборудования и т.д. На данном этапе нашей задачей являлось создание твердотельных моделей для всех деталей шлема.

На рис. 3 показаны построенные твердотельные математические модели элементов шлема.

Рис. 3. Твердотельные модели элементов шлема

а

Рис. 3. Твердотельные модели элементов шлема

б

Рис. 3. Твердотельные модели элементов шлема

в

Рис. 3. Твердотельные модели элементов шлемаг

Рис. 3. Твердотельные модели элементов шлема: а — корпус шлема; б — наушник; в — забрало; г — замок
В начало В начало

Моделирование оснастки для изготовления шлема

По результатам анализа построенных моделей элементов шлема заказчиком было принято решение сделать формы для производства корпуса шлема. Изготовление должно было выполняться на высокоскоростных обрабатывающих центрах с ЧПУ. Для подготовки производства в программе PowerS hape были смоделированы наружная и внутренняя формы, а также их общая сборка (рис. 4).

На рис. 5 показана сборка правого и левого комплектов матриц в системе Solid Edge, готовая для передачи заказчику. Экспорт геометрии в Solid Edge производился при помощи программы-конвертора PS-Exchange.

Рис. 4. Моделирование оснастки для производства корпуса шлема

а

Рис. 4. Моделирование оснастки для производства корпуса шлемаб

Рис. 4. Моделирование оснастки для производства корпуса шлема: а — наружная матрица; б — внутренняя матрица

 

Рис. 5. Сборка матриц

Рис. 5. Сборка матриц

В начало В начало

Подготовка управляющих программ для обрабатывающего центра с ЧПУ

Заказчиком были поставлены условия изготовления матрицы шлема в самые сжатые сроки без дополнительной ручной доводки на слесарном участке основных формообразующих поверхностей. Такую задачу можно было решить только с использованием современного высокоскоростного оборудования с ЧПУ, твердосплавного режущего инструмента и современного программного обеспечения для подготовки управляющих программ, в качестве которого была выбрана система PowerM ill (версия 7.0). Основные достоинства этой системы: высокая гибкость, которая выражается в возможности быстрого формирования управляющих программ, и практически не ограниченные возможности редактирования траекторий движения инструмента, что позволяет создавать эффективные траектории и проводить их глубокую оптимизацию. Также отметим наличие в PowerM ill большого выбора вариантов подвода/отвода инструмента к детали, переходов инструмента между участками траектории и обеспечение высокоскоростной обработки (сглаживание траекторий, контроль шага и направления обработки, величины припуска и ряд других функций). Именно достоинства системы PowerM ill позволили создать траектории, полностью реализующие возможности современного высокоскоростного оборудования с ЧПУ, и тем самым значительно сократить время обработки на станке; при этом обеспечивалось предельно высокое качество, что практически исключило необходимость ручной доработки.

Рис. 6. Построение траекторий обработки матриц в PowerMill

Рис. 6. Построение траекторий обработки матриц в PowerMill

Изготовление матриц проводилось на станках MATEC 30L и DMU 70. На рис. 6 показаны траектории финишной обработки наружной и внутренней матриц формы в программе PowerM ill, а на рис. 7 и 8 — результаты работы станков.

Рис. 7. Обработка полуформ матрицы на высокоскоростном станке с ЧПУ

Рис. 7. Обработка полуформ матрицы на высокоскоростном станке с ЧПУ

 

Рис. 8. Готовая форма

Рис. 8. Готовая форма

В начало В начало

Заключение

В результате комплексной работы, включающей измерение прототипов деталей в системе PowerI nspect, моделирование геометрии в системе PowerS hape, создание управляющих программ обработки для станков с ЧПУ в системе PowerM ill, в достаточно короткие сроки заказчику были предоставлены матрицы для изготовления авиационного шлема. Сроки этапов выполнения работы приблизительно следующие:

  • оцифровка прототипов — 2 дня;
  • построение и обработка геометрических моделей — 10 дней;
  • подготовка управляющих программ (параллельно изготавливались заготовки деталей форм) — 4 дня;
  • изготовление на оборудовании с ЧПУ — 2 дня.

Особо отметим, что с учетом согласования математических моделей с заказчиком на всю работу у нас ушло менее месяца, а именно — 18 рабочих дней. Таким образом, описанная технология реверсивного инжиниринга, базирующаяся на возможностях программных продуктов компании Delcam plc, позволила нам в сжатые сроки качественно выполнить интересный производственный проект. Естественно, что данная технология может применяться для изделий самого широкого назначения.

В начало В начало

САПР и графика 1`2008