1 - 2020

Прямое 3D-редактирование и автоматическая разработка технологии в системе ADEM. Заметки об искусственном интеллекте САПР

Андрей Быков, Константин Карабчеев

Прямое 3D­редактирование

Ценность технологии прямого редактирования цифровых моделей состоит в том, что она позволяет вносить изменения независимо от того, какие средства применялись и какие возможности по редактированию были заложены при создании модели.

Конструкторские модели (КМ) и конструкторская документация (КД) являются отправной точкой для технологических моделей (ТМ) и документов, без которых производство не работает. Причем объем производной технологической документации и технологических моделей может в десятки раз превосходить объем исходных КД и КМ.

Единственный способ внесения изменений в исходные КМ, в отсутствие прямого редактирования, — иметь на производстве всё разнообразие CAD­систем, которыми пользуются заказчики. Однако это само по себе очень затратно, а особенно с учетом расходов на поддержку и обновление ПО, а также на обучение персонала.

Но даже наличие одинаковых CAD­систем на конструкторских и технологических рабочих местах не гарантирует превращение КМ в ТМ, так как возможности редактирования, заложенные конструктором в модель, могут не соответствовать задачам технолога.

Поэтому на практике данная ситуация решается в технологических подразделениях, как правило — построением моделей заново. При этом нарушается принцип сквозного проектирования, а следовательно, резко снижается эффективность подготовки производства.

Мы уже рассказывали о методах прямого редактирования в ADEM. Продолжим эту тему, тем более что аппарат прямого редактирования в системе постоянно совершенствуется. Этому способствует большой практический опыт работы Группы компаний ADEM со многими отраслями промышленности в России и за рубежом.

Несколько слов о самой задаче. В принципе любая CAD­система позволяет вносить изменения в импортированный объект. Например, можно сделать скругление на ребре, можно просверлить отверстие, можно добавить материал и т.п.

Сложность возникает, когда нужно изменить радиус уже существующего скругления, убрать, передвинуть или изменить диаметр отверстия и т.д. Вот с такого рода задачами дело обстоит куда сложнее. С точки зрения истории построения модели данное редактирование относится не к добавлению новых этапов в дереве построений, а к изменению тех, что уже в нем есть. И это нужно решать при отсутствии самого дерева!

С позиции пользователя прямое редактирование в ADEM подразделяется на два вида: работа с группами вершин и работа с группами поверхностей модели.

Для справки: в упрощенном виде твердотельная модель имеет такую иерархию (сверху вниз): тело — грани — ребра — вершины. Некоторые манипуляции с ними могут совершать практически все современные CAD­системы. Например, построить гладкое сопряжение в вершине, на ребре или между гранями.

В ADEM спектр возможностей гораздо шире.

Работа с группой вершин применяется в тех случаях, когда возможно изменение геометрии детали без нарушения топологии твердого тела. Проще говоря, этот способ хорош там, где не меняются число объектов и взаимосвязи между объектами детали (рис. 1). В ADEM это в основном изменение различными способами положения вершин и безразрывные деформации модели в соответствии с новым положением.

Рис. 1. Прямое редактирование группы вершин: смещение

Работа с группой граней дает возможность менять не только геометрию, но и топологию детали, позволяя удалять, заменять, добавлять объекты (рис. 2).

Рис. 2. Прямое редактирование группы граней: 
удаление и добавление фрагментов

Рис. 2. Прямое редактирование группы граней: удаление и добавление фрагментов

В стандартный перечень функций прямого редактирования группы поверхностей в ADEM входят: удаление, смещение, копирование, зеркальное отражение группы поверхностей с автоматическим исключением и добавлением в твердое тело детали. С точки зрения пользователя это похоже на работу с группами тел в сборке.

Возьмем, например, копирование фрагмента в твердом теле (рис. 3): достаточно выбрать грани, входящие во фрагмент, и применить стандартную процедуру копирования. Фрагмент будет целиком вмонтрирован в тело с учетом всех добавлений и вычитаний материала детали.

Рис. 3. Прямое редактирование группы поверхностей: копирование фрагмента в твердом теле (показано в разрезе)

Рис. 3. Прямое редактирование группы поверхностей: копирование фрагмента в твердом теле (показано в разрезе)

К новым возможностям прямого редактирования группы поверхностей в системе ADEM можно отнести функцию безразрывного эквидистантного смещения (рис. 4). В простейшем случае это эквидистантное изменение объекта в твердом теле. Например, изменение диаметра отверстия или радиуса гладких сопряжений, расширение и сжатие выбранной части и т.п.

Рис. 4. Прямое эквидистантное редактирование

Рис. 4. Прямое эквидистантное редактирование

Очень интересное и востребованное применение эквидистантного прямого редактирования — изменение модели с учетом полей допусков. Для конструктора вполне естественно построение модели в номинале размеров. Для изготовления же важна модель, построенная по центрам полей допусков. Эквидистантное прямое редактирование позволяет решить эту задачу.

Отметим, что оба метода (на основе вершин и на основе граней) в системе ADEM развиваются практически с самого начала разработки, так как задача редактирования «чужих» моделей была поставлена как один из наивысших приоритетов для CAD/CAM/CAPP­системы конструкторского, технологического и производственного сектора.

Несколько слов о выборе объектов редактирования.

Если выбор в группу вершин носит довольно простой характер, то с группой поверхностей есть свои сложности (рис. 5). Чтобы стало проще выбрать такой фрагмент для редактирования, были разработаны специальные способы фильтрации и распознавания. Среди них: выбор валов, отверстий, скруглений, поверхностей заданной кривизны, закрытых полостей, «аномалий» и пр. Заметим, что часть алгоритмов была заимствована из модуля ADEM CAM Expert, предназначенного для распознавания технологических конструктивных элементов.

Рис. 5. Выбор закрытых полостей 
для прямого редактирования

Рис. 5. Выбор закрытых полостей для прямого редактирования

Ряд операций прямого редактирования объединен в комплексные процедуры и составляет функционал нового модуля — ADEM CAD Expert. В частности, к ним относится комплексное удаление отверстий для получения исходной модели заготовки (рис. 6). Для достижения результата достаточно задать диапазон диаметров отверстий, которые нужно удалить.

Рис. 6. Комплексное прямое редактирование: 
удаление отверстий

Рис. 6. Комплексное прямое редактирование: удаление отверстий

Приведем еще ряд полезных комплексных операций CAD Expert. Аналитическое описание поверхностей, входящих в тело, позволяет с заданной погрешностью упростить модель детали для дальнейшей конструкторской или технологической проработки. Объединение цилиндров также упрощает работу с моделями, где цилиндрические поверхности представлены сегментами (некоторые системы имеют такое не совсем рациональное представление). Модификация модели с учетом механообработки помогает понять различие между исходной моделью и результатом изготовления и заранее оценить добавку к теоретической массе детали.

Возможности системы ADEM в части прямого редактирования на этом не заканчиваются. Большой круг задач может решаться в рамках работы с методами поверхностного моделирования. К ним относятся удаление поверхности, зашивка, слияние, затяжка и другие процедуры построения поверхностей с учетом граничных условий.

Даже если не удается решить задачу на уровне комплексных процедур или с помощью группы граней или вершин, то всегда можно заняться ею на самом низком уровне локального редактирования. Присутствие в системе такого широкого спектра функций позволяет решать задачи прямого редактирования цифровых моделей практически любой сложности.

Интересно, что операции прямого редактирования в системе ADEM заносятся в дерево истории и могут впоследствии подвергаться параметрическому редактированию.

Напомним, что именно в системе ADEM функционал прямого редактирования приобретает особую прикладную значимость потому, что ADEM — это интегрированная CAD/CAM/CAPP­система для конструкторско­технологической подготовки производств, которые могут иметь широкий круг заказчиков, оснащенных разнообразными САПР.

Автоматическая разработка технологии

Основное назначение модуля — автоматическое представление детали системой технологических объектов и создание технологических маршрутов и управляющих программ механообработки.

Модуль ADEM CAM Expert довольно бурно развивается и за последнее время претерпел существенные изменения и дополнения.

Изначально он был разработан для плоской (2,5x) фрезерной механообработки. На втором этапе он уже включал электроэрозионную и лазерную обработки, а также сверлильно­расточные технологии. Чуть позже появилась токарная обработка.

Сегодня реализованы многопозиционная фрезерная и токарно­фрезерная обработки.

Чем же отличается работа технолога­программиста при традиционном проектировании и при работе с CAM Expert?

При обычном программировании технологических операций и переходов технолог должен указывать все обрабатываемые контуры и поверхности, а также все контрольные контуры и поверхности. При работе с моделями, состоящими из сотен и тысяч поверхностей, подобный процесс становится сверхтрудоемким.

Более того, требуется вводить большой объем числовых данных для каждого технологического перехода: режимы резания, параметры инструмента и т.д.

Модуль CAM Expert значительный объем «рутинной» работы берет на себя, снижая при этом фактор риска внесения ошибок.

В основе модуля лежит методика распознавания технологических объектов и их параметров по трехмерным моделям деталей.

Так как наши пользователи работают не только с моделями, созданными в ADEM, но и с проектами из других CAD­систем, то указанная методика обладает свойством инвариантности к способам и истории построения 3D­моделей. Здесь уместно также напомнить, что ADEM — это интегрированный CAD/CAM, который обладает уникальной возможностью независимого от истории прямого редактирования моделей из других систем.

Начнем описание работы CAM Expert с примера многопозиционной фрезерной обработки.

Как правило, под эту технологию подходят конструкции, описываемые стандартными технологическими элементами типа «уступ», «паз», «стенка», «колодец», «окно», «отверстие», «поверхность». Но, в отличие от обычных объектов для фрезерования, располагаются эти конструктивные элементы по отношению к направлению шпинделя станка под разными углами.

Во времена, когда еще не было поворотных столов и шпинделей, для обработки каждой зоны (направления) требовалась переустановка детали на станке. Сегодня этот процесс автоматизирован.

На рис. 7 приведена простейшая модель детали для многопозиционной фрезерной и сверлильной обработки.

Рис. 7. Деталь для многопозиционной обработки

Рис. 7. Деталь для многопозиционной обработки

Если пользователь включит опцию Зона, которая инициирует многопозиционный способ, то первое, что сделает CAM Expert, — предложит список рекомендуемых для обработки зон. Список можно просмотреть совместно с автоматической визуализацией положения детали в пространстве. Можно удалить лишние зоны, добавить новые, указывая курсором на плоские и криволинейные грани модели.

Следующее действие — запуск распознавания. Есть возможность настройки параметров распознавания, но не будем на этом останавливаться. Перейдем сразу к результатам.

Рис. 8. Предварительный просмотр результатов распознавания

Рис. 8. Предварительный просмотр результатов распознавания

Предварительный просмотр позволяет увидеть комбинацию конструктивных технологических элементов, которыми CAM Expert представил деталь (рис. 8). Если пользователь не согласен с результатом (а мы с вами знаем, что сколько технологов, столько и будет вариантов техпроцесса изготовления), то можно совершить следующие действия:

  • изменить таблицу зон;
  • изменить параметры распознавания;
  • удалить ненужные технологические объекты.

При получении требуемого результата можно перейти к следующей стадии — автоматического получения маршрута изготовления. На этом этапе тоже возможно внесение изменений в предполагаемый результат. Например, технолог может переопределить инструменты, которые модуль CAM Expert подобрал по результатам распознавания, а также может дополнить базу данных инструментов, из которой происходит выбор инструмента. Если модуль не обнаружил подходящий инструмент в базе инструментов, то в списке найденных инструментов появится пометка такого инструмента, например: «New! Фреза D13R1».

Маршрут обработки формируется в виде дерева проекта технологических переходов с операциями, командами, инструментами и режимами. Дерево это доступно для ручного редактирования.

Перейдем теперь к получению траектории движения инструмента и управляющей программы (рис. 9). Эту процедуру выполняет CAM­модуль, используя один из лучших в мире математических аппаратов для решения подобных задач.

Рис. 9. Получение траектории движения инструмента и управляющей программы

Рис. 9. Получение траектории движения инструмента и управляющей программы

Теперь самое время приступить к симуляции процесса механообработки. Это очень полезный этап, позволяющий произвести визуальный анализ взаимных перемещений заготовки и инструмента на всех этапах обработки (рис. 10). Более того, можно сравнить полученную модель с исходной.

Рис. 10. Симуляция процесса механообработки

Рис. 10. Симуляция процесса механообработки

Если пользователя всё устраивает, то процесс программирования ЧПУ, в общем, завершен!

А что делать, если возможности настроек и редактирования параметров в CAM Expert не позволяют удовлетворить искушенные потребности опытного пользователя? Ответ очень простой. Если пользователь настолько хорошо разбирается в технологии, что видит моменты, которые можно улучшить, то ему прямая дорога поработать с параметрами модуля ADEM CAM. Уж там­то он всегда сможет найти нужные ему «рычаги и кнопочки» для программирования нюансов ЧПУ.

При этом технологу не придется создавать весь маршрут заново. Он может пользоваться уже сгенерированным в CAM Expert проектом, лишь изменяя необходимые ветви.

Заметим, что CAM Expert может иметь дело не только с плоской многопозиционной обработкой. Возможно программирование и трех­, и более координатного фрезерования. В качестве примера приведена модель на рис. 11.

Рис. 11. Трехкоординатная многопозиционная обработка

Рис. 11. Трехкоординатная многопозиционная обработка

Теперь несколько слов о токарно­фрезерной обработке. Понятно, что это комбинированная обработка: на одном и том же станке производится и точение детали, и за счет фрезерной головки делаются выборки колодцев, пазов, уступов и т.п.

Распознавание в модуле CAM Expert также происходит поэтапно: вначале — точение (рис. 12). При этом в схему включаются такие объекты, как «область», «канавка», «торец». Потом распознаются элементы фрезерной обработки (рис. 13).

Рис. 12. Распознавание токарной обработки

Рис. 12. Распознавание токарной обработки

О взаимодействии CAM Expert с модулями CAD и CAM мы уже упомянули. Следует также отметить, что полученное дерево проекта механообработки полезно и для модуля CAPP, который предназначен для выпуска технологической документации. На его основе может быть сгенерирован комплект ТД, включая техпроцессы, карты, ведомости, эскизы и т.п. Ведь созданное дерево содержит практически всю необходимую для этого информацию.

Рис. 13. Распознавание фрезерной четыреxкоординатной обработки

Рис. 13. Распознавание фрезерной четыреxкоординатной обработки

Одним из направлений развития модуля CAM­Expert является автоматическое формирование документации, в частности формирование технологического процесса в формате PDF (Portable Digital Format). После автоматического формирования CAM­Expert операции в маршруте обработки запускается алгоритм формирования технологической документации в формате PDF (рис. 14).

Рис. 14. Формирование технологического процесса в формате PDF

Рис. 14. Формирование технологического процесса в формате PDF

Мы рассмотрели основные приемы работы с модулем ADEM CAM Expert на простейших примерах механообработки. Возможности этого интеллектуального программного продукта гораздо шире. Экспертная система постоянно развивается, охватывая всё больше стратегий и нюансов современных технологий. Но об этом в следующей статье.