Оригами из металла

Джейсон Брэтт

Расположенная в самом сердце Великих равнин компания Valley Industries существует с 1978 года. За это время она стала известным производителем систем технического обслуживания, отвечающих всем потребностям заказчиков. Компания выпускает специализированные грузовые автомобили, прицепы (рис. 1) и платформы (рис. 2), предназначенные для заправки и проведения технического обслуживания сельскохозяйственного и тяжелого оборудования. Эти изделия повышают производительность и сокращают простои. Однако главная особенность компании Valley Industries — выпуск уникальной продукции, отвечающей потребностям кон­кретного заказчика, при сохранении уровня качества и производительности, характерного для массового производства.

Рис. 1. Трейлер FuelMate. Компания Valley Industries выпускает широкий ассортимент специализированных грузовых автомобилей и прицепов, предназначенных для техобслуживания и заправки топливом сельскохозяйственного и тяжелого оборудования непосредственно в местах эксплуатации. (Иллюстрация предоставлена компанией Valley Industries)

Рис. 2. Платформа технического обслуживания LubeMate, изготавливаемая компанией Valley Industries. Платформы выпускаются во множестве исполнений — с баками разного объема, с насосами и шлангами различной конструкции. (Иллюстрация предоставлена компанией Valley Industries)

Рис. 3. Кромкогибочный станок в компании Valley Industries. Установленный справа от станка экран предназначен для ввода оператором координаты заднего упора, положение которого обеспечивает выполнение сгиба в нужном месте. Вычисляемые в системе Solid Edge точные размеры повышают точность наладки станка, что сокращает время последующей сварки и сборки. (Иллюстрация предоставлена Скоттом Ликоксом)

Массовая уникальность

Применяемый процесс проектирования получил название «массовая разработка уникальных изделий». Заказчики выбирают комплектацию из огромного диапазона вариантов, создавая уникальный проект. На сайте компании Valley Industries имеется страница «Создай агрегат». На ней представлен семиэтапный процесс выбора различных вариантов исполнения платформы технического обслуживания. Заказчик выбирает топливные баки, баки для охлаждающей жидкости, емкости для отходов, насосы, компрессоры, генераторы, сварочные аппараты в точном соответствии со своими потребностями. Если требуется повышенная мобильность, платформу можно установить на прицеп или шасси грузовика. Число возможных вариантов исполнения огромно. После того как специалисты компании Valley Industries помогут заказчику выбрать оптимальный вариант, соответствующий его потребностям, технические требования передаются инженеру Скотту Ликоксу (Scott Leacox), выполняющему технологическую подготовку производства.

Проектирование в стиле оригами

«Я называю это проектированием в стиле оригами», — говорит Ликокс. Он рассказывает, что баки, ящики для инструментов и множество других деталей изготавливаются путем гибки листового металла (рис. 3). «В большинстве случаев изделия массового производства делаются из листового металла. Мы же переналаживаем станки на выпуск каждой детали и каждого нового заказа», — отмечает Ликокс. Работая в таких условиях, он создал ряд уникальных методов оптимизации производительности труда за счет применения системы Solid Edge®. В результате удалось не только существенно сократить сроки сборки и сварки, но и значительно ускорить процесс ручного внесения изменений в чертежи. «Когда я впервые создавал модель с нуля, на это ушло три дня, — вспоминает Ликокс (имеется в виду разработка типового комплекта конструкторской документации). — Сегодня для разработки документации такого же уровня сложности нужно всего четыре часа». Весь процесс редактирования, в ходе которого изменяются размеры и конфигурация модели, занимает от 30 мин до одного дня — в зависимости от сложности проекта.

Удобство параметрического моделирования

Когда Ликокс пришел в компанию Valley Industries, он уже был опытным пользователем CAD­систем. С момента окончания Университета Брэдли в 1990 году по специальности «Технология машиностроения» он постоянно работал в CAD­системах над самыми разными проектами, включая пусковые платформы NASA, котлы, баржи, конвейеры, а также системы лазерного сканирования и обработки информации. В то время компания Valley Industries уже применяла бесплатную версию Solid Edge 2D Drafting. Позже Ликокс решил перейти на параметрическое 3D­проектирование в Solid Edge. Результаты оказались впечатляющими. «Solid Edge стала первой системой параметрического проектирования, которая мне понравилась, — отмечает он. Для решения наших задач я пробовал и другие системы. Может, они и работоспособны, но их нельзя даже сравнивать с тем, что мне удается делать в Solid Edge».

Речь идет о задаче расчета важнейших размеров модели, по которым на производстве выполняется высокоточная гибка листового металла. При этом все размеры должны автоматичес­ки обновляться. По чертежам Ликокс должен вычислить два важнейших размера: координату заднего упора гибочного станка и длину вылета листа. Положение заднего упора определяет глубину загрузки заготовки в гибочный станок, а следовательно, задает место сгиба. Длина вылета нужна для проверки правильности загрузки заготовки оператором перед включением станка. «Большинство наших деталей не слишком сложные: они имеют от двух до четырех сгибов, — поясняет Ликокс. — Но есть и детали, требующие девяти сгибов. В этом случае задача становится еще более интересной».

Гибка деталей сложной формы

Чтобы показать всю сложность задачи, Ликокс создал простую деталь с двумя изгибами (рис. 4). Расчет координаты зад­него упора для первого сгиба очень прост: это всего лишь расстояние от края листа до линии сгиба. Однако после первого сгиба состояние заготовки меняется. Когда оператор станка приступает к выполнению второго сгиба, необходимо вычислить координату заднего упора с учетом уже имеющегося на заготовке сгиба.

Рис. 4. Простая деталь с двумя сгибами. Таблица сгибов в правом нижнем углу чертежа содержит важнейшие параметры технологической операции: координаты заднего упора и длину вылета. Ликокс разработал методику автоматического расчета этих параметров в Solid Edge. (Иллюстрация предоставлена Скоттом Ликоксом)

Если лист тонкий, а радиус сгиба мал, то наличие первого сгиба практически не оказывает влияния на расчеты. Однако компания Valley Industries применяет стальные листы толщиной порядка 3 мм при минимальном радиусе сгиба также около 3 мм. В результате, если не учитывать геометрию в месте сгиба, то возникает заметная погрешность.

На создание такого решения Ликоксу потребовалось немало времени, но он и сегодня продолжает его совершенствовать. «Я понял, как заполнять таблицы сгибов (включающие координаты заднего упора и вылета), используя чертеж развертки и переменные, содержащие толщину металла и радиус сгиба», — поясняет он. При сложных сгибах для получения правильных результатов необходимо учитывать еще и коэффициент, задающий положение средней линии материала. На рис. 5 показаны расчеты, необходимые для создания таблицы параметров второго сгиба в рассматриваемом примере. Координата заднего упора при втором сгибе является суммой расстояния между линиями сгиба, радиуса сгиба и толщины листового металла.

Рис. 5. На основе геометрии детали Ликокс получает данные, вносимые в таблицу сгибов (координаты заднего упора и длины вылета). Solid Edge рассчитывает положение линий сгиба, а инженер на их основе вносит поправки с учетом толщины металла и радиуса сгиба. Хотя в приведенном простом примере расчет очевиден, с ростом числа сгибов задача существенно усложняется. Ликокс разработал уникальную методику автоматизации таких расчетов. (Иллюстрация предоставлена Скоттом Ликоксом)

Быстрый и точный расчет

В сложных деталях приходится учитывать все больше радиусов сгиба и толщин металла. Хотя многие детали, выпускаемые компанией Valley Industries, имеют схожую форму, они сильно различаются по размеру и изготавливаются из материалов разной толщины и состава. Ликокс проектирует модели так, чтобы их положение в сборке задавалось плоскостями. Если в сборке используется нестандартная деталь, достаточно переместить плоскость, а чертежи обновятся автоматически. «Именно так и формулируется определение параметрического моделирования», — отмечает Ликокс. Когда он проектирует бак или ящик для конкретного заказчика, все стандартные креп­ления и разъемы обновляются автоматически. Благодаря оригинальному применению переменных ему удалось настроить Solid Edge так, что одновременно обновляются также таблицы сгибов и рабочие чертежи. Окончательный вид конструкции может оказаться весьма сложным, но проектируется он очень быстро (рис. 6). Ликокс объясняет необходимость в быстром и точном создании чертежей: «Больше всего мне приходится работать с такими чертежами, которые уже завтра передаются в цех».

Рис. 6. Баки из листового металла, выпускаемые компанией Valley Industries. Техпроцесс изготовления этой детали занимает 10 страниц чертежей и параметров. Ликокс вводит размеры бака, а затем автоматизированный процесс создает таблицы сгибов, по которым работают в цехе. Применение Solid Edge повысило точность измерений, а также ускорило сборку и сварку готовых изделий. (Иллюстрация предоставлена Скоттом Ликоксом)

Присоединяйтесь к сообществу

При создании собственного автоматизированного решения, отвечающего потребностям компании, Ликокс воспользовался не только гибкостью Solid Edge. Применение этой системы имело и другие положительные аспекты. Ликокс стал активным участником сообщества Siemens PLM Community. Его ник там — «12Gage». Это обозначение толщины листового металла, с которым он имеет дело чаще всего. «Siemens — единственная компания среди разработчиков параметрических CAD­систем, которая прислушивается к мнению пользователей, — отмечает он. — У них отлично налажена обратная связь». Данный факт очень важен для Ликокса, так как у него есть немало идей по добавлению новых функций в Solid Edge.

Инженер Скотт Ликокс выполняет технологическую подготовку производства в компании Valley Industries

Скотт Ликокс, несомненно, гордится собственной работой и продукцией своей компании. «Существует множество компаний, аналогичных нашей. Мы не делаем чего­то уникального — мы просто правильно работаем». Немаловажная составляющая такой правильной работы — применение Solid Edge для автоматизации «проектирования в стиле оригами». Это сокращает сроки подготовки чертежей и ускоряет сборку, так как размеры разверток и параметры в таблицах сгибов задаются более точно. Хотя Ликокс и говорит, что его компания не уникальна, это, несомненно, не относится к разработанным им решениям! 

С оригиналом статьи можно ознакомиться по адресу: http://www.engineering.com/DesignSoftware/DesignSoftwareArticles/ArticleID/11360/Doing­Origami­with­Metal.aspx.

САПР и графика 5`2016