Опыт применения САПР ADEM в изготовлении ракетно-космической техники

Сергей Шачнев, Георгий Рожанович, Михаил Ремизов, Сергей Евсеев

Состав и назначение модулей системы ADEM 7.1

Период эксплуатации и его основные этапы

Технический персонал, эксплуатирующий систему

Технологические операции, выполняемые с использованием системы ADEM

     Математическое моделирование объектов обработки и импортация

     Плоское моделирование на основе 3D-моделей и создание чертежей детали

     Визуальное макетирование процессов собираемости механически обработанных деталей и сборочных единиц

Завод экспериментального машиностроения ракетно-космической корпорации «Энергия» им. С.П.Королева (ЗЭМ РКК «Энергия») — один из лидеров мирового ракетно-космического машиностроения, специализирующийся на изготовлении пилотируемых и грузовых космических кораблей, автоматических космических аппаратов различной целевой направленности и элементов космических систем. С 1999 года перед ЗЭМ РКК «Энергия» встал вопрос реализации производственных задач с использованием новых САПР, так как к этому моменту на РКК «Энергия» в качестве основной САПР принята Pro/ E ngineer — высокоуровневая система, позволяющая успешно решать большинство проектно-конструкторских задач. В результате этого появилась необходимость подбора системы САПР широкой технологической направленности, при работе с которой было бы возможно:

• использовать в качестве исходного материала конструкторскую модель, выполненную в Pro/ E ngineer;

• осуществлять технологическое моделирование на основе имеющихся конструкторских моделей;

• создавать и редактировать собственные постпроцессоры на оборудование с ЧПУ, применяемое на ЗЭМ;

• иметь удобную систему программирования для станков с ЧПУ;

• вести сквозное проектирование всего процесса технологической обработки изделия, имея возможность создания и оформления комплектов документов.

В процессе работы по подбору САПР проводился анализ существующих на данный момент систем проектирования процессов механической обработки. В результате в качестве наиболее удовлетворяющей требованиям системы была рассмотрена система ADEM фирмы ADEM Technologies.

Цель данной статьи — дать обзор работ, выполненных в системе ADEM, участвующей в сквозном цикле создания изделия на этапе формирования технологического проекта механической обработки изделия за период опытно-промышленной эксплуатации по следующим направлениям:

• моделирование математических моделей изделий и работа с моделями, импортированными из других систем;

• проработка деталей на технологичность;

• выпуск чертежей детали на основе моделей;

• проектирование технологической оснастки;

• разработка управляющих программ на основе 2D- и 3D-моделей;

• моделирование процессов механической обработки;

• разработка постпроцессоров на оборудование, применяемое на ЗЭМ;

• создание баз данных материала, режущего инструмента и технологических переходов;

• создание и оформление комплекта документации на технологический процесс.

Состав и назначение модулей системы ADEM 7.1

Комплектация одного рабочего места CAD/CAM/CAPP-системы ADEM 7.1, поставленного на ЗЭМ, включает:

• конструкторский модуль 2D- и 3D-САD;

• модуль разработки управляющих программ САМ 4Х;

• модуль сравнения ADEM Verify;

• модуль разработки комплекта документов на техпроцесс САРР;

• модуль архива;

• библиотеки и генератор постпроцессоров GРР.

Назначение модулей приведено в таблице.

В данную лицензию включен набор наиболее необходимых модулей, которые позволяют решать большинство задач технологической подготовки механической обработки изделий.

Модульная структура системы дает возможность комплектовать рабочее место технолога в зависимости от поставленных задач.

Период эксплуатации и его основные этапы

Эксплуатация лицензии на одно рабочее место системы ADEM осуществляется в отделе главного технолога с мая 2004 года. К настоящему моменту работа с системой ADEM прошла на ЗЭМ ряд организационных этапов, отраженных на диаграмме, приведенной на рис. 1. На диаграмме показаны этапы двух основных периодов:

• работа в системе после ее приобретения, включавшая самообучение технологов, процесс адаптации баз данных и создания ТП и УП, по которым изготовлены и сданы штатные детали;

• подготовительный период до приобретения.

Технический персонал, эксплуатирующий систему

На разных этапах освоения системы ADEM на заводе к работе с ней привлекались 14 инженеров-технологов и технологов-программистов. В сентябре 2003 года четыре технолога в течение четырех дней были ознакомлены с возможностями системы на производственной базе фирмы ADEM.

Технологические операции, выполняемые с использованием системы ADEM

Математическое моделирование объектов обработки и импортация

При разработке управляющих программ (как правило, при фрезеровании) технологу необходимо пользоваться твердотельными моделями. Они нужны как в качестве основы для 3D-обработки (при задании в качестве конструктивных элементов поверхностей), так и для визуального отображения детали, когда чертеж не дает полного представления о модели. В случае, если при разработке техпроцесса технолог имеет лишь чертеж детали, он должен сам создавать 2D- и 3D-модели. Кроме того, при импорте готовых конструкторских моделей для составления программы часто требуется технологическая доработка, к примеру временная затяжка отверстия для получения однородной поверхности, необходимой для формирования обработки (рис. 2), или другие изменения в модели.

Для черчения, твердотельного, поверхностного и гибридного моделирования предназначен модуль ADEM CAD, созданный в концепции единого 2D/3D-пространства, то есть имеющий возможность одновременно работать и с чертежами, и с объемными моделями, а также совмещать 2D- и 3D-построения. Весь процесс создания изделия отображается в виде дерева проекта, в котором каждый элемент в любой момент времени может редактироваться, что во многом облегчает построение модели. Сочетание поверхностного и твердотельного моделирования позволяет создавать элементы, невыполнимые при построении каждым способом в отдельности. К примеру, создание криволинейной фаски на конической поверхности детали «крышка» при внеосевом сечении (рис. 3) стало возможным лишь после формирования поверхности по направляющей и последующего рассечения ею тела заготовки.

Совмещение 2D- и 3D-построений дает возможность использовать ADEM CAD при получении неявно заданных параметров, в частности необходимых размеров. Лишь по готовой твердотельной модели можно судить о многих размерах, не отображенных на чертеже, но нужных для формирования программы. В качестве примера можно привести держатель, для которого расчет минимального допустимого размера прутка стал возможен лишь путем 3D-моделирования (рис. 4).

На многих деталях встречается взаимное пересечение сложных криволинейных поверхностей, линию перехода которых также нельзя определить исходя из чертежа. Объемное моделирование позволило не только понять характер кривой (см. рис. 5, 6, 7 и 8), но и в дальнейшем проводить операции с линией перехода как в объемном, так и в плоском виде, в том числе снятие необходимых координат составляющих точек.

Кроме того, моделирование проводилось для создания моделей заготовок, применяемых для программной обработки в модулях ADEM CAM и ADEM NC VERIFY. В тех случаях, если выбор заготовки на деталь вызывал осложнения или требовалась предварительная модель заготовки, производилась проверка положения детали внутри модели заготовки в ADEM CAD. Объемные модели детали и заготовки накладывались друг на друга, представляя тем самым реальную картину. Например, при формировании обработки одного из кронштейнов была создана модель заготовки под программную обработку (рис. 9). При этом был проведен контроль припуска на механическую обработку детали.

В модуле ADEM CAD предусмотрена библиотека плоских и объемных стандартизированных элементов (болты, винты, кольца, втулки и т.д.), которая может быть дополнена пользователем, включая возможность создавать новые каталоги наиболее применяемых фрагментов. Также в ADEM CAD активно используется управление слоями. В любой момент 2D- и 3D-элементы могут быть перенесены в другой слой и временно погашены, что делает процесс черчения и моделирования более удобным. Использование таких функций, как построение вспомогательных линий, создание временной проекции грани, построение эквидистанты, позволяет проводить черчение и моделирование несколькими способами.

Использование инструментов булевых операций при построении 3D-элементов дает возможность говорить о различных концепциях формирования твердотельных моделей. Объемное построение может выполняться как из единого математического объема, так и путем 3D-сложения различных твердотельных элементов, что часто использовалось в процессе создания моделей сложной геометрической формы (рис. 10).

Используя булевы операции, можно легко перестроить твердотельную модель в поверхностную и наоборот, что постоянно применялось при редактировании импортированных деталей.

Система ADEM позволяет вести обмен данными с другими CAD-системами. Для импорта объемных моделей встроены интерфейсы SAT, STEP, VDA, IGES, CATIA, STL, IDF, через которые можно организовать передачу данных практически из любой современной системы (рис. 11 и 12). Чертежи, импортированные в ADEM из других систем через форматы DFX и DWG (форматы AutoCAD), приобретают новые свойства, присущие оригинальным чертежам системы. В ADEM также предусмотрена компьютерная обработка бумажных чертежей в растровых форматах (BMP, TIFF, PCX, JPEG) с использованием фильтров и растрового редактора, позволяющая создавать векторные изображения чертежей.

Отдельно нужно сказать о возможности построения параметрических 2D- и 3D-объектов. Параметризация позволяет редактировать чертежи и твердотельные модели, изменяя не все дерево построения, а лишь необходимый размер. Применение этого метода широко использовалось при создании ряда типовых деталей, сходных по геометрии и отличающихся друг от друга лишь размерами. На основе метода эвристической параметризации в модуле ADEM CAD организована работа с учетом полей допусков. При формировании размеров в таблице параметров указывается требуемый допуск и система автоматически перестраивает модель в соответствии с внесенными изменениями (рис. 13).

В период освоения и эксплуатации системы ADEM на ЗЭМ был создан ряд моделей пробных деталей (рис. 14), на которых проводилось обучение работе в модуле CAD; после обучения для выполнения производственных задач в модуле ADEM CAD создавались модели типовых изделий.

Плоское моделирование на основе 3D-моделей и создание чертежей детали

При создании объемных моделей черчение является основой всего твердотельного и поверхностного построения. Кроме объемных построений в ADEM CAD технолог должен создавать эскизы операций для техпроцессов, формировать и редактировать контуры обрабатываемых поверхностей, снимать необходимые размеры и т.д., поэтому для формирования 2D- и 3D-обработки в системе ADEM работа с плоскими элементами является необходимой.

Одной из возможностей модуля ADEM CAD является построение чертежных видов по объемной модели (дополнительных видов, сечений, разрезов), которое сводится к нанесению на поле чертежа стрелок видов и линий разрезов в режиме плоского черчения. При этом система автоматически создает необходимые изображения (рис. 15). Особо отметим, что модель и чертеж имеют ассоциативную связь, то есть при изменении модели виды и сечения меняются автоматически.

Построение дополнительных видов и сечений часто применялось как в случае сложной геометрии тел для необходимого расчета, так и для чертежного представления смоделированной в системе ADEM или импортированной 3D-модели.

Кроме создания видов, разрезов и сечений, ADEM CAD позволяет на основе объемных моделей получать развертки указанных поверхностей и твердотельных многогранников. При проектировании обработки одной из деталей возникла необходимость построения развертки конической поверхности, поскольку размеры после гибки, указанные на чертеже, отличались от размеров, нужных для создания обработки. В системе ADEM строилась модель детали, по которой была получена необходимая развертка (рис. 16), с которой были сняты размеры, ставшие расчетными для контурного фрезерования.

При проектировании обработки ложемента возникли трудности из-за отсутствия конструкторских построений под механическую обработку. Деталь представляла собой штамповку, в которой некоторые размеры отсутствовали, а геометрия была оптимизирована под метод обработки. С разработчиком была достигнута договоренность о создании измененной детали из поковки, геометрия которой была бы технологичной, а основные размеры сохранились прежними.

На основе первоначального чертежа детали с учетом необходимых доработок была создана измененная модель ложемента (рис. 17). Разработчик дал согласие на замену исходной детали, в результате чего потребовалось выпустить конструкторскую документацию. Для этой цели по полученной модели создавались нужные виды и сечения, которые послужили основой для формирования чертежа. После редактирования видов, дополнения требуемых плоских элементов и компоновки была получена конструкторская документация на ложемент (рис. 18), ставшая рабочим чертежом для проектирования механической обработки и отладки управляющей программы. На рис. 19 представлена фотография изготовленных деталей после черновой и чистовой обработки.

Визуальное макетирование процессов собираемости механически обработанных деталей и сборочных единиц

При проектировании механической обработки изделия перед технологом встает проблема создания технологической оснастки, используемой для установки заготовки на станке и ее контроля. Детали сложной конфигурации часто вызывают трудности, связанные как с общим представлением геометрии оснастки, так и с соответствием размеров оснастки и заготовки. В этом случае требуется визуализация процессов установки и контроля заготовки на станке.

Для реализации процессов собираемости изделия и технологической оснастки в среде ADEM применялся модуль ADEM CAD. В качестве исходной модели использовалась 3D-модель заготовки, на основе которой формировался весь дальнейший цикл проектирования оснастки. На рис. 20 представлена раскладка технологической оснастки для обработки основания (см. рис. 5). Геометрия детали была такова, что проектирование приспособлений вызвало затруднения. Поэтому на базе модели заготовки была создана вспомогательная оснастка, позволяющая изготовить деталь на станке.

Созданные копиры предусматривают обработку криволинейных контуров на универсальном оборудовании. В случае программной обработки копиры используются как шаблоны для контроля обработанных поверхностей.

В качестве крепежных элементов применялись штыри и винты, взятые из 3D-элементной базы системы ADEM. При создании базовых отверстий использовался метод гибридного моделирования (рассечение твердого тела цилиндрической поверхностью).

Кроме удобства визуализации процесса и возможности получения необходимых размеров, макетирование процесса собираемости позволяет достичь высокой точности соответствия прилегаемых поверхностей. В данном случае опорная поверхность приспособления, выполненная под двойным наклоном к горизонту, создана путем построения нулевой эквидистанты к исходной поверхности заготовки и последующего наращивания до нее металла. Этот способ обеспечивает точное совпадение сопрягаемых поверхностей без зазора. Таким же образом создавались и поверхности копиров.

Путем изменения режима отображения возможно временно погасить элементы оснастки или сделать их прозрачными (рис. 21). Эта функция обеспечивает удобную работу с собранной конструкцией, позволяя объективно оценить геометрию, снять невидимые размеры, получить необходимый вид требуемого 3D-элемента и т.д.

В настоящий момент спроектированная оснастка изготовлена, и с ее помощью производится обработка основания на станке.

В связи с нематериальным габаритным размером ложемента требовалось проектирование приспособления для токарной обработки, а следовательно, и моделирование объемного варианта сборки. В результате 3D-построений были получены модели токарного приспособления и вспомогательных элементов оснастки в собранном виде (рис. 22).

Приспособление было предназначено для токарной обработки конической поверхности комплекта четырех ложементов. Конструкция приспособления создавалась с учетом технологичности изготовления и удобства позиционирования детали с помощью оснастки. На основе модели приспособления создавались нужные виды; необходимые размеры снимались непосредственно с 3D-элементов (рис. 23). Формирование вспомогательных составляющих заготовки (технологических бобышек, припуска на обработку и т.д.) осуществлялось в виде отдельных твердотельных моделей, что позволяло рассматривать различные схемы базирования детали в приспособлении.

В результате моделирования были спроектированы и изготовлены токарное приспособление и вспомогательная оснастка для установки и контроля обработки изделия. В настоящий момент отлажена обработка ложементов с помощью данного приспособления. С использованием созданной в ADEM технологии детали были успешно изготовлены (см. рис. 18).

Продолжение в следующем номере

«САПР и графика» 1'2005