3 - 2013

Программирование оборудования с ЧПУ в производстве ОАО «ОКБМ Африкантов»

Олег Андреев
Инженер по ИТ, ОАО «ОКБМ Африкантов»
Владимир Банкрутенко
Начальник отдела ИТ, ОАО «ОКБМ Африкантов»
Юрий Вытнов
Главный технолог, ОАО «ОКБМ Африкантов»
Кирилл Комиссаров
Менеджер по ИТ, ОАО «ОКБМ Африкантов»
Петр Копцевич
Начальник бюро разработки управляющих программ, ОАО «ОКБМ Африкантов»
Виталий Петрунин
Первый заместитель директора — генерального конструктора, ОАО «ОКБМ Африкантов»

ОАО «ОКБМ Африкантов» является ведущей конструкторской организацией ГК «Росатом», крупным научно­производственным центром атомного машиностроения, располагающим многопрофильным конструкторским и технологическим коллективом, собственной исследовательской, экспериментальной и производственной базой. Предметной областью предприятия является комплектная поставка реакторных установок различного назначения, которые должны обеспечивать высочайший уровень надежности, безопасности и конкурентоспособности [1].

Для достижения данных целей требуется решить ряд ключевых задач:

  • оснастить предприятие современным оборудованием с ЧПУ и системами для его программирования, подготовить квалифицированный производственный персонал;
  • использовать все преимущества современных технологий сквозного 3D­проектирования и изготовления изделий, позволяющие сокращать сроки выполнения заказов;
  • создать базу знаний и решений в области современных технологий информационной поддержки жизненного цикла изделий в целом и в области программирования оборудования с ЧПУ в частности;
  • повысить качество и производительность процессов изготовления изделий, сократить сроки изготовления и исключить брак;
  • разработать перечень необходимой нормативной документации, регламентирующей процессы информационной поддержки жизненного цикла изделий.

Без комплексной реструктуризации производства и полномасштабного внедрения самых современных технологий информационной поддержки жизненного цикла изделий, решение данных задач не представляется возможным. Это сложные и длительные процессы, осуществляемые в ОАО «ОКБМ Африкантов» в соответствии с долгосрочной программой развития предприятия и ежегодными планами по реализации функциональной стратегии «Информационные технологии» [2].

Реструктуризация производственной базы ОАО «ОКБМ Африкантов»

Курс на развитие производственной базы — стратегическое решение руководства предприятия, продиктованное состоянием станочного парка, которое ограничивало изготовление таких изделий, как, например, проточные части насосов и рабочие колеса. Подобные изделия изготавливались методом литья по выплавляемым моделям, что в условиях единичного, мелкосерийного производства было экономически необоснованно и приводило к повышению себестоимости. Всё это требовало от ОАО «ОКБМ Африкантов» отправки ряда изделий на изготовление по кооперации, отказа от выполнения ряда заказов, что в конечном счете влекло за собой потерю прибыли.

Благодаря процессу широкомасштабной реструктуризации производства, станочный парк ОАО «ОКБМ Африкантов» пополнился новым технологическим оборудованием с числовым программным управлением (ЧПУ), включая 4­ и 5­координатные обрабатывающие центры, токарно­фрезерное оборудование, 4­осевые горизонтально­расточные станки, электроэрозионное оборудование с ЧПУ. Была проведена модернизация систем ЧПУ в части замены устаревших систем ЧПУ на более современную систему FMS 3000.

Главное преимущество от использования станков с ЧПУ заключается в более высоком уровне автоматизации. Случаи вмешательства оператора в процесс изготовления детали могут быть исключены или сведены к минимуму. Большинство станков с ЧПУ могут работать автономно в течение всего процесса обработки детали, освобождая время оператора для выполнения других задач. Предприятия, применяющие технологическое оборудование с ЧПУ, получают дополнительные преимущества: сокращение числа ошибок оператора, а также предсказуемость времени обработки и более полную загрузку оборудования. Поскольку станок работает под программным управлением, квалификация оператора станка с ЧПУ может быть ниже по сравнению с квалификацией рабочего универсального оборудования [3]. Всё это позволяет решить проблему квалификации производственного персонала, остро стоящую перед многими предприятиями в результате развала системы профессионально­технических училищ.

Наряду с обновлением производственной базы необходимо было верно выбрать эффективное средство программирования технологического оборудования с ЧПУ, которое позволило бы «поднять» программирование оборудования с ЧПУ на более высокий уровень по сравнению с рутинным ручным программированием. После проведения анализа таким средством в ОАО «ОКБМ Африкантов» стали системы NX/CAM от компании Siemens PLM Software, Inc. и система EdgeCam от компании Planit.

В целом масштабы проведенной реструктуризации производства не только видны на таких масштабных примерах, как обновившиеся производственные цеха предприятия, но и могут быть проиллюстрированы, например, таким индикатором, как динамика развития бюро разработки управляющих программ, состав программистов которого в период с 2004­го по 2012 год изменился с двух до 11 сотрудников.

Развитие сквозного 3D­проектирования

Организация процесса сквозного проектирования изделий возможна только при наличии единой среды конструкторско­технологического проектирования, отсутствие которой приводит к разрыву процессов проектирования и изготовления, ошибкам в производстве, срывам сроков выполнения заказов и несоответствующему современным требованиям качеству проектов.

Для решения данной задачи на платформе PDM­системы Search разработки ОДО «ИНТЕРМЕХ» использовалась трехуровневая САПР, в которой ключевая роль отводится системе NX — САПР верхнего уровня, имеющей в своем арсенале весь спектр средств, позволяющих на выходе получить готовую деталь (а не только документацию на нее), и используемой для проектирования реакторных установок, особо сложных единиц оборудования, разработки управляющих программ для станков с ЧПУ и изготовления изделий. Уровень среднего и легкого САПР в ОАО «ОКБМ Африкантов» занимают системы Autodesk Inventor и система Cadmech разработки ОДО «ИНТЕРМЕХ» на базе Autodesk AutoCAD.

В рамках решения задачи по организации процесса сквозного проектирования изделий был предложен и реализован принцип единственности описания объекта в PDM­системе, который является основополагающим при создании единого информационного пространства предприятия и обеспечивает решение различных прикладных задач, требующих различной степени детализации данных, таких как расчетное обоснование конструкции, технологическая подготовка производства, выпуск чертежей и спецификаций [4]. Основная идея — не дублирование данных, а создание и применение различных сценариев работы с базовой конструкторской 3D­моделью на основе прямых ассоциативных связей. Этот же принцип используется и при решении такой прикладной задачи, как подготовка управляющих программ (УП) обработки изделий на станках с ЧПУ. В результате обеспечивается актуальность и достоверность конструкторской информации, передаваемой технологу, что помогает избежать ошибочных решений при производстве изделий [5].

Принцип единственности описания объекта в PDM-системе

Принцип единственности описания объекта в PDM-системе

Шаблон обработки детали типа «диск»

Шаблон обработки детали типа «диск»

Накопление базы знаний и решений в области программирования оборудования с ЧПУ

Применение самых совершенных систем не принесет желаемого эффекта без решения ряда прикладных задач, накопления опыта, формирования базы знаний и решений. Со всем этим специалистам предприятия пришлось столкнуться при внедрении CAM­систем.

Первое и самое сложное — это отсутствие постпроцессоров1 для технологического оборудования с ЧПУ предприятия. Первоначально было принято решение о заказе постпроцессоров на сложное и дорогостоящее оборудование, такое как 5­координатный обрабатывающий центр, в специализированной сторонней компании, что оправданно на начальном этапе освоения системы NX и минимизирует риск ошибок при пусконаладке оборудования. Однако, поскольку количество станков с ЧПУ постоянно увеличивается, приобретаются новые 4­координатные обрабатывающие центры, горизонтально­расточные и токарно­фрезерные станки, данное решение представляется нерентабельным и возникает проблема самостоятельной разработки постпроцессоров силами инженеров и специалистов ИТ­службы предприятия. В настоящее время разработана база постпроцессоров на производственное оборудование, включая 4­координатные обрабатывающие центры, токарные и горизонтально­расточные станки, и организован централизованный доступ к ней для всех технологов — программистов оборудования с ЧПУ.

Портал технической поддержки пользователей

Портал технической поддержки пользователей

Второе — это отсутствие знаний по методам обработки сложных криволинейных поверхностей, вследствие чего значительное количество времени уходит на формирование процесса механической обработки сложных изделий. Каждый программист работал автономно и применял собственные методы обработки, сталкиваясь со сложностями в оценке их эффективности, а следовательно, и оптимизации. Было найдено решение, заключающееся в отработке эталонной технологии обработки повторяющихся изделий (например, диск) и формировании единого шаблона обработки на ее основе. Созданный шаблон, введенный в промышленную эксплуатацию, централизованно хранится на сервере и доступен в системе NX всем технологам­программистам.

В промышленную эксплуатацию запущен портал технической поддержки пользователей NX, являющийся местом обсуждения, поиска решений, самостоятельного заочного обучения методам работы с системой NX.

Примеры траекторий обработки рабочих колес, изготовленных

Примеры траекторий обработки рабочих колес, изготовленных в 2012 году

Большинство статей содержат обучающие видеоматериалы. Ролики включают текстовые пояснения, приближения, а также паузы к особо важным элементам показываемой на видео технологии использования системы. Цель — предоставление пользователю максимально информативного материала, не требующего углубленного знания системы. На данный момент на портале создано 76 статей, 47 из которых содержат в себе видеоматериалы. Портал также полезен в случаях, когда пользователь имеет опыт работы с системой NX, но долгое время не имел с ней дела из­за специфики работ конструктора и технолога на нашем предприятии. Портал обеспечивает возможность восполнить пробелы по каким­либо приложениям системы и быстро достигнуть качественно нового уровня знаний [6].

На предприятии выстроена эффективная система обеспечения технической поддержки используемого программного обеспечения и его анализа на предмет появления новых функциональных возможностей. Именно это позволило отследить, своевременно заменить в рамках технической поддержки лицензии и внедрить в производство функционал NX по автоматизированной обработке импеллеров и моноколес — Advanced 5 Axis Machining. В результате были существенно сокращены сроки подготовки УП обработки изделий сложной пространственной конфигурации. В настоящее время запланированы работы по созданию шаблона обработки рабочих колес на базе данного модуля, аналогично описанному выше методу.

Изготовленное на 5-координатном обрабатывающем центре коническое зубчатое колесо с круговым зубом

Изготовленное на 5-координатном обрабатывающем центре коническое зубчатое колесо с круговым зубом

В последнее время специалисты ОАО «ОКБМ Африкантов» совместно с московским представительством компании Delcam и фирмой «Лапик» реализуют проект изготовления конических зубчатых колес с круговым зубом на пятиосевом обрабатывающем центре (специализированного зубофрезерного станка в ОАО «ОКБМ Африкантов» нет). С этой целью в 2012 году нами была освоена CAM­система PowerMILL (разработка Delcam), оснащенная дополнительным модулем для обработки лопаток, моноколес и импеллеров. Также нами был разработан постпроцессор на станок с ЧПУ, выполнена обработка и в настоящее время детали готовы к контролю точности изготовления.

Управление данными для подготовки управляющих программ изготовления изделий на оборудовании с ЧПУ в ОАО «ОКБМ Африкантов» реализовано средствами PDM­системы Search, разработки ОДО «Интермех», — обеспечиваются процессы регистрации и хранения УП, ассоциативность с конструкторской 3D­моделью.

Примеры виртуальных моделей 4-координатного оборудования

Примеры виртуальных моделей 4-координатного оборудования

Повышение качества и производительности процессов изготовления изделий, сокращение сроков изготовления и исключение брака

Необходимым условием нормальной работы технологического оборудования с ЧПУ является программное обеспечение, не только позволяющее создавать управляющие программы, но и осуществлять их контроль на предмет возможных ошибок. Решить задачи контроля и повышения качества процессов изготовления сложных изделий на многоосевом оборудовании способна система VERICUT, разработанная компанией CGTech. Самая важная и главная задача, решаемая данной системой, заключается в выявлении и исключении до начала реальной обработки возможных столкновений рабочих органов станка. Имитируя работу станка с ЧПУ на компьютере в полном соответствии с оборудованием предприятия, появляется возможность обнаружения ошибок и скрытых проблем задолго до начала работы непосредственно на самом станке. Система VERICUТ позволяет обнаружить столкновения и опасные сближения с любыми компонентами оборудования, такими как направляющие, инструментальные шпиндели, револьверные головки, поворотные столы, устройства смены инструмента, крепежные приспособления, заготовки, режущий инструмент, другие определенные объекты. Можно задать границы зон опасного сближения с элементами, а перемещение станочных элементов можно просматривать в пошаговом режиме и в обратном направлении [7].

Пример виртуальной модели 5-координатного обрабатывающего центра

Пример виртуальной модели 5-координатного обрабатывающего центра

Проектирование процесса измерения изделия датчиком Renishaw в NX и сравнение полученных результатов изготовления

Проектирование процесса измерения изделия датчиком Renishaw в NX и сравнение полученных результатов изготовления

Очевидно, что при смешанной многоосевой и плоской обработке, а также при многооперационных обработках возможны критические ситуации. В первую очередь это относится к обработке, требующей поворота шпинделя на разные углы от операции к операции. Самые тяжелые последствия для станка бывают от столкновения подвижных частей станка на ускоренном перемещении. Вывести станок из строя способен и удар шпинделя о заготовку или приспособление. Неприятные последствия возможны и в случае удара инструмента о заготовку или приспособление, что приведет к поломке инструмента. Во всех перечисленных случаях возможны серьезные отклонения в работе станка, например снижается точность хода узлов. Система VERICUT исключает подобные последствия. Фактически мы получаем математическую модель станка с тем же, что у реального станка, функционалом стойки. Очевидно, что все неприятные моменты гораздо проще моделировать на компьютере, нежели сталкиваться с ними в ходе реальной обработки, либо затрачивать дорогостоящее машинное время на проверку программ «по воздуху» или на обработку образцов заготовок из модельного пластика [8].

В ОАО «ОКБМ Африкантов» данная система применяется при имитации обработки изделий до изготовления на сложном и дорогостоящем многоосевом технологическом оборудовании с ЧПУ. Специалистами ИТ­службы предприятия создана и постоянно актуализируется база данных виртуальных моделей, насчитывающая в настоящий момент семь единиц — 4­ и 5­координатные обрабатывающие центры, 4­координатный горизонтально­расточной станок. В настоящее время проводятся работы по созданию виртуальных моделей токарно­фрезерного и токарно­карусельного оборудования с ЧПУ.

Схема работы пользователей с нормативно-справочной информацией на примере работы с большими сборками в системе NX

Схема работы пользователей с нормативно-справочной информацией на примере работы с большими сборками в системе NX

Наряду с изготовлением изделий не менее важным этапом является его контроль — как промежуточный оперативный, так и окончательный при приемке изделия ОТК. В ОАО «ОКБМ Африкантов» введено в промышленную эксплуатацию специализированное и стандартное ПО для оперативного контроля измерительной системой Renishaw деталей сложной пространственной конфигурации, изготавливаемых на оборудовании с ЧПУ. Оперативный контроль осуществляется непосредственно в рабочей зоне станка с использованием датчика Renishaw. Контрольные точки измерения могут находиться в любом месте поверхности, доступном для щупа. Станок получает с математической модели изделия NX информацию об идеальном положении измеряемой точки, измеряет реальное положение, вычисляет отклонения и заносит эти данные в протокол измерения [9].

 Кроме того, изучены и введены в действие стандартные средства системы NX в части программирования процесса измерения изделий датчиком Renishaw, специалистами отдела ИТ накоплен опыт в разработке постпроцессоров для преобразования траектории измерения в измерительные коды системы ЧПУ станка, а также в создании специализированных приложений для представления результатов измерений в виде графического и текстового отчетов.

Создание базы нормативно­справочной документации

По результатам опытной и промышленной отработки всех процедур информационной поддержки жизненного цикла изделий, включая процессы изготовления изделий на технологическом оборудовании с ЧПУ и разработки технологической документации, на предприятии выпущен ряд стандартов системы менеджмента качества:

  • Документооборот электронный. Разработка электронных документов в системе Unigraphics NX;
  • Документооборот электронный. Идентификация статуса электронного документа;
  • Документооборот электронный Идентификация статуса электронной модели;
  • Документооборот электронный Порядок разработки управляющих программ;
  • Документооборот электронный. Разработка технологической документации.

Службой информационно­технического сопровождения предприятия разработан ряд инструкций и регламентов по работе с автоматизированными системами проектирования и изготовления изделий, иллюстрирующих эффективные методы и описывающие правила работы с системами. Разработаны подробные программы обучения инженеров­технологов.

Работа пользователей предприятия с нормативно­справочной информацией представлена на рисунке.

Заключение

Правильная оценка преимуществ от использования современного технологического оборудования с ЧПУ и внедрения технологий информационной поддержки жизненного цикла изделий и позволила ОАО «ОКБМ Африкантов» на практике перейти к их реализации. На предприятии проводится широкомасштабная реструктуризация производственной базы предприятия, организован процесс сквозного проектирования и изготовления изделий с одновременным накоплением базы знаний и решений в области технологий информационной поддержки жизненного цикла изделий, что обеспечивает требуемое качество продукции предприятия и повышает производительность процессов ее изготовления, исключает производственный брак. Создана уникальная нормативно­справочная база, регламентирующая процессы проектирования и изготовления изделий.

В результате научно­производственный потенциал ОАО «ОКБМ Африкантов» позволяет на высоком качественном уровне выполнять весь комплекс работ по созданию различных типов реакторных установок и всей гаммы оборудования для них, включая разработку конструкторской документации, выполнение необходимых расчетов, НИР и ОКР, изготовление и испытание опытных образцов с отработкой промышленной технологии производства, изготовление и монтаж штатного оборудования, его пусконаладку и ввод в эксплуатацию, сервисное обслуживание оборудования на действующих объектах, вывод из эксплуатации.  

Использованные источники

  1. Лимаренко В. Совершенствование управления жизненным циклом сложных инженерных объектов — основа конкурентоспособности компаний на мировых рынках // Инновационное проектирование. 2011. № 3.
  2. Петрунин В.В., Банкрутенко В.В., Белокрылов П.Ю., Быстров М.И., Звягин Е.А., Комиссаров К.В., Лазарев А.А., Малиновский И.В., Мохин Д.Е. Методические материалы по дисциплине «Технология интегрированной информационной поддержки жизненного цикла изделия (ИПИ­технология)»//НГТУ ИЯЭ и ТФ. 2012.
  3. Майк Линч. Базовые концепции числового программного управления (ЧПУ) (Mike Lynch. The Key Concepts Of Computer Numerical Control).
  4. Большухин М., Кузьмин В. Управление жизненным циклом реакторной установки. Основные подходы//Инновационное проектирование. 2011. № 3.
  5. Сводный аналитический отчет. Отработка электронного документооборота при использовании электронных моделей на примере сквозного создания ПЧН // Инв. № 2805э от 29.10.2010.
  6. Пальгуев Д.С. Разработка, внедрение и промышленная эксплуатация внутреннего ресурса предприятия по использованию IT­технологий в проектировании. Сборник статей международной научно­практической конференции КОГРАФ­2012.
  7. Unigraphics + VERICUT: оптимальная формула работы со станками Mazak // CADMaster. 2006. № 2(32).
  8. Имитация работы станка с ЧПУ // CADMaster. 2010. № 5(55).
  9. Опыт использования программного комплекса NX+Vericut в ОАО «ОКБМ Африкантов» при изготовлении импеллеров // CADMaster. 2010. № 5(40).

1 Постпроцессор — это программа, считывающая данные траектории из CAM­системы и форматирующая их в коды системы ЧПУ конкретного станка с использованием его параметров и настроек.

САПР и графика 3`2013