1 - 2003

Миниатюрное машиностроение — дело серьезное!

Андрей Быков

Кто из нас не играл в солдатики, машинки и самолетики? Игрушки были и остаются одним из самых востребованных продуктов. Их стоимость — от нескольких рублей до миллиона долларов, размеры — от десятых долей миллиметра до десятков метров. Число комплектующих некоторых игрушек может превышать тысячу единиц.

Для разработки и производства игрушек применяют различные технологии, в том числе и самые современные и наукоемкие. Сегодня, например, трудно представить себе проектирование и производство игрушек без применения систем объемного моделирования и станков с ЧПУ.

Самым распространенным видом технических моделей являются модели копий. Это стационарные модели, повторяющие своим внешним видом образцы техники. Модели-копии выпускаются как в готовом виде, так и в разобранном — для последующей сборки и раскраски.

Как же проходит современный процесс их проектирования и изготовления? Начнем с исходных данных. Иногда изготовители моделей имеют возможность получать от производителя изделия-прототипа некоторые исходные данные. Как правило, это внешний дизайн обводов самолета, автомобиля и т.п. в виде объемной модели. В этом случае первая задача состоит в том, чтобы CAD/CAM-система воспринимала на входе формат исходной модели и однозначно воспроизводила ее облик в своей базе данных.

Вторая задача состоит в том, чтобы изготовитель модели мог производить с нею все необходимые действия: масштабировать, расчленять на детали, модифицировать детали для создания необходимых технологических объектов, таких как штамповочные уклоны, замковые соединения и т.п. Более того, теоретические обводы изделия могут не содержать в себе информации о реальной поверхности изделия: заклепочных и сварных швах, крепеже и пр. Система должна позволять имитировать эту фактуру на поверхности модели.

Более сложный случай — когда исходными данными являются чертежи или эскизы прототипа. Этот вариант вынуждает изготовителя модели восстанавливать трехмерную модель изделия по плоским контурам. Здесь уже требуется полная функциональность построения трехмерных объектов всеми существующими методами: смещением, движением, затягиванием по каркасу. Плюс еще необходима и функциональность поверхностного моделирования типа склейки, выравнивания и т.п.

Ну а если нет ничего, кроме самого изделия или его фотографий? Изделие, конечно, можно сканировать объемным сканером, но где взять такой сканер, чтобы обработать самолет Ту-204 или танк Т-90? Остается либо натурное эскизирование, либо художественно-техническая переработка визуальных данных в соответствии с известными численными параметрами (длина, размах, вес и др.). Если для натурного эскизирования CAD-система вряд ли может чем-то помочь, то при художественно-технической переработке она может оказаться весьма полезным инструментом.

Художник в процессе работы над полотном после каждого мазка сверяет изображение с оригиналом. То же самое происходит и при техническом рисовании, и при эскизировании. Но если производить эскизирование сразу в объеме, то изготовитель модели получает удивительный аппарат, позволяющий ему рассматривать свое произведение с разных ракурсов, сверяя его, например, с фотографиями реального изделия.

Итак, в зависимости от типа исходных данных, для обеспечения процесса создания виртуальной модели требуются системы с различными уровнями возможностей, но в целом они должны иметь современный и полный аппарат объемного моделирования, иногда даже превосходящий тот, что используется для создания прототипа.

Одним из самых распространенных видов массового производства игрушек является штамповка из пластмассы. Сам процесс штамповки недорогой, а вот подготовка этого процесса является довольно сложной и трудоемкой. Наибольшие затраты идут на проектирование и изготовление пресс-форм, внутри которых и происходит формирование изделия из пластмассы. Кроме того что эта оснастка должна точно повторять форму изделия, она должна обеспечивать ее равномерное заполнение жидкой пластмассой и извлечение штампуемой детали после затвердевания без повреждения.

Пресс-формы и их составляющие изготавливаются, как правило, методами механообработки резанием: фрезерованием, точением и др. — на станках с ЧПУ. Для формирования траектории движения режущего инструмента обойтись без CAM-систем, позволяющих создавать программы для станков по исходной модели, уже нельзя.

Нередко для производства пресс-форм применяют электроэрозионную технологию, когда форма изделия «выжигается» в матрице графитовым или медным электродом, повторяющим форму изделия. В этом случае CAD/CAM-системы применяются для проектирования и производства этих сложных электродов.

Электроэрозионная обработка используется также для вырезания контурных окон в пластинах, из которых состоит пресс-форма. В этом случае CAD/CAM-системы обеспечивают программирование траектории движения проволочного электрода.

В общем, без CAD/CAM-систем качественную пресс-форму, а значит, и пластмассовую игрушку сделать проблематично, а порой — практически невозможно.

Есть и другой класс технических игрушек — действующие модели. Кстати, среди них тоже есть копии, но, в отличие от обычных игрушек, они умеют ездить, плавать и летать.

Наверное, читатель помнит, как он был разочарован в детстве, когда красивый и очень похожий на настоящий корабль безнадежно тонул в ванной, а самолет вместо плавного полета кувыркался в небе подобно яблочному огрызку. Так вот, действующая модель отличается от обычной копии наличием тактико-технических характеристик, которые имеются и у ее прототипа.

Для обеспечения этих свойств в действующих моделях присутствует внутренняя структура, очень похожая на структуру реальных изделий: двигатель с системой питания, система управления с рулевыми механизмами, корпус с силовым набором (стрингеры, лонжероны, шпангоуты, нервюры, обшивка), а в ряде случаев даже система ориентации модели в пространстве.

Известно, что простое масштабирование геометрических пропорций реального изделия не может обеспечить модель соответствующими летными характеристиками (см. курс аэродинамики, критерии подобия). Поэтому создание действующей модели включает практически все аспекты реального проектирования самолета: аэродинамические, массово-инерционные, прочностные, энергетические и другие характеристики.

Возросшие требования к характеристикам моделей заставляют разработчиков применять новые конструкции. Теперь обшивки моделей являются, как правило, элементами, несущими силовую нагрузку. Некоторые элементы изготавливаются многослойными с сотовым или пенистым заполнителем. Для крыльев используются «сандвичи» из различных материалов. Получить массово-инерционные характеристики и центровку модели, состоящей из деталей различной формы и разной удельной плотности, без виртуального моделирования можно лишь приближенно. А любые погрешности — это потеря времени или ухудшение характеристик изделия.

На заре моделирования для конструкции корпуса и крыльев применялись березовая фанера, бальза (вальса), липа, длинноволокнистая бумага и т.п. Для их обработки использовали столярные инструменты. Сегодня авиамоделисты работают с углепластиками, стеклотканью, пластмассами, алюминиевыми сплавами и, естественно, применяют иные технологии изготовления: механообработку, штамповку, намотку, литье под давлением и даже пэт-технологию.

Авиамоделизм стал профессиональным и наукоемким видом спорта. Конечно, каждая фирма, производящая спортивные модели, держит свои технологии в секрете, но очевидно одно: для обеспечения качества корпусов изделий необходима довольно сложная технологическая оснастка, сродни той, что применяют на авиационных предприятиях. Нужны штампы и пресс-формы, стержни и матрицы для намотки и выклейки, контрольные шаблоны и еще многое другое, что довольно сложно спроектировать и изготовить без современных CAD/CAM-технологий.

Первыми движителями авиационных моделей были резиномоторы — резиновые жгуты, накапливающие в себе энергию за счет скручивания, а также лееры — приспособления, разгоняющие планеры. Сегодня мини-авиация стала моторной. В основном это поршневые двигатели (иногда даже с турбонаддувом) и более экзотичные пульсирующие воздушно-реактивные двигатели — аналог первых воздушно-реактивных устройств для беспилотной авиации. Кроме того, на экспериментальных образцах авиационных моделей можно встретить ракетные твердотопливные ускорители.

Резко возросли требования по тяговооруженности и надежности двигателей. Для воздушного боя и пилотажных моделей двигательные системы должны обеспечивать бесперебойную работу при любых направлениях перегрузки, не говоря уже о быстром пуске и малом потреблении топлива. Но самое главное — производитель двигателя должен обеспечить широкий спектр изделий и быструю переналадку своего производства, чтобы иметь успех на рынке. А как здесь обойтись без сквозной автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства?

Все авиамодели принципиально делятся на свободнолетающие и кордовые. Кордовые модели летают по кругу, а точнее сказать, по поверхности сферы и управляются посредством двух или более тонких стальных корд. Свободнолетающие модели бывают неуправляемыми, таймерными и радиоуправляемыми. Таймерные модели, подобно стиральной машине, выполняют заранее заложенную в них программу действий. Кстати сказать, одним из первых прототипов таймерных устройств был кусок сахара, постепенно растворяющийся в воде.

В наши дни широко распространены системы радиоуправления. Они состоят из передатчика, находящегося на земле у «пилота», бортового приемника, управляющих приводов и систем передачи усилий на рули модели. Команд управления может быть несколько: управление рулем высоты, рулем направления, элеронами, подачей топлива, выпуском шасси, сбросом вымпела и т.п. Подобный класс моделей уже вплотную подходит к беспилотным военным аппаратам, применяемым для разведки и наведения. В настоящее время популярны многие виды спортивных соревнований по радиоуправляемым моделям: пилотаж, воздушный бой, соревнования на точность сброса вымпела, рекордные соревнования на высоту и время полета и т.п.

В целях экономии энергоресурсов и повышения надежности система механизмов управления должна быть спроектирована и изготовлена таким образом, чтобы исключить повышенное трение и заклинивание. Отсюда высокие требования по жесткости и качеству изготовления к миниатюрным шарнирам и кронштейнам крепления подвижных частей. При сложных обводах поверхностей проектирование примыкающих к ним силовых элементов конструкции требует объемной провязки. Аэродинамические качества не позволяют портить форму, а прочностные требуют полного примыкания к оболочечным конструкциям. Всё — как на настоящих машинах! Таких сложных деталей в действующих моделях становится все больше.

А как, собственно, все эти детали изготовить? Даже в единичном экземпляре напильником это сделать проблематично. Заказывать на стороне малой серией будет крайне невыгодно. Упрощать конструкцию — это приведет к утяжелению модели и сделает ее менее надежной. Однако выход есть — малогабаритные фрезерные станки с числовым программным управлением. В мини-авиации CAD/CAM-системы и станки c ЧПУ играют такую же революционную роль, как и в большой авиации, решая ранее невозможные конструкторско-технологические задачи.

Итак, мы привели некоторые примеры, любезно предоставленные нам пользователями интегрированной CAD/CAM-системы ADEM, которые показывают сложность и наукоемкость процесса проектирования и производства копий и действующих моделей. Независимо от того, мелкосерийное это или массовое производство, применение сквозного цикла, включающего плоское и объемное моделирование и программирование станков с ЧПУ, является залогом высокого качества выпускаемых моделей.

«САПР и графика» 1'2003