2 - 2001

Компьютеризация инструментального производства — приоритетная задача промышленности

Лилия Губич, Григорий Иванец, Валерий Поздняков

Одним из основных направлений развития отечественной индустрии является решение вопросов применения компьютерных технологий в инструментальном производстве. Инструментальное производство сегодня во всем мире является основным потребителем рынка (до 30%) CAD/CAM-систем и услуг. Это положение требует повышенного внимания к проблемам компьютеризации инструментального производства, которая, на наш взгляд, должна проводиться опережающими темпами в целях выпуска новой, конкурентоспособной продукции. Указанные проблемы стоят перед всеми государствами — бывшими республиками Советского Союза. В этой статье мы хотим обратиться к опыту специалистов Белоруссии.

Работниками научно-инженерного предприятия «Системы автоматизации», входящего в состав НИО «Кибернетика» Национальной академии наук Белоруссии, совместно с рядом белорусских предприятий накоплен достаточно обширный опыт решения различных проблем применения компьютерного проектирования и запуска в производство новых изделий.

Анализируя особенности производства тех белорусских предприятий, которые в нынешних экономических условиях смогли сохранить, а иногда и расширить производство своей продукции, прежде всего необходимо отметить наличие у них следующих материально-технических и программно-информационных предпосылок для развития компьютеризации инструментального производства:

  • наличие довольно значительного парка станков с ЧПУ различных модификаций;
  • проведение модернизации станков прошлых лет выпуска для обеспечения на них 3-, 4- и 5-координатной обработки;
  • приобретение современной вычислительной техники (ПК, рабочие станции) и развитие ее сетевого использования;
  • распространение в инструментальном производстве систем геометрического моделирования как среднего (SolidWorks, Solid Edge, Mechanical Desktop), так и высокого (CATIA, Unigraphics) уровней;
  • освоение в составе систем CAD/CAM высокого уровня модулей разработки программ ЧПУ для обработки деталей сложнофасонной оснастки;
  • создание локальных цеховых вычислительных сетей для прямой передачи данных от компьютера к станкам, минуя перфоленту;
  • наличие специалистов, имеющих определенный опыт работ на различных стадиях компьютерного проектирования (проектировщики, технологи-программисты, рабочие высокой квалификации).

Однако практика запуска в производство изделий сложной формы выявила ряд проблем, от решения которых во многом зависит способность предприятий выпускать конкурентоспособную продукцию.

Во-первых, возможности компьютерного проектирования с использованием современных CAD/CAM-систем позволяют получить математические модели изделий сложных дизайнерских форм. Для производства этих изделий необходима сложнофасонная оснастка (штампы и пресс-формы). Изготовление такой оснастки требует, в свою очередь, как многокоординатной механической, так и эрозионной обработки. С этой целью в процессы компьютерной технологической подготовки инструментального производства необходимо включить разработку компьютерных моделей заготовок, электродов, наладок и обеспечить документирование этих компонентов технологии изготовления деталей оснастки в инструментальном производстве.

Во-вторых, поскольку эрозионная обработка требует значительных финансовых затрат вследствие удорожания электроэнергии, цветных металлов, графита, предприятия все больше увеличивают долю механической обработки. Это влечет за собой увеличение дополнительных переходов для обеспечения возможности механической обработки участков деталей с малым радиусом вогнутой кривизны поверхности. При этом существенно растет общий объем программ ЧПУ по обработке одного изделия. В итоге возникает необходимость обеспечить ускорение процесса разработки управляющих программ за счет повышения эффективности использования имеющихся программных средств — путем разработки типовых технологий обработки в компьютерной среде и создания специализированных программных средств автоматизации работ технолога-программиста.

В-третьих, увеличение сортамента используемого инструмента приводит к росту количества программ, сокращая при этом время обработки на станке данным инструментом. Следовательно, время разработки программы становится больше машинного времени обработки детали на станке. Кроме того, имеющееся на предприятии оборудование с ЧПУ во многих случаях не обладает дополнительным объемом оперативной памяти для ввода в стойку ЧПУ всей программы целиком, и на стадии разработки программы приходится следить за оптимальным ее размером. Поэтому ускорение разработки управляющих программ может быть достигнуто за счет применения специальных, полностью автоматизированных средств деления программ на части, за счет размножения и выполнения аффинных преобразований траектории, за счет постпроцессирования программ и присвоения имен в соответствии с принятым стандартом предприятия по использованию сетей управления станками и архивированию программ.

В-четвертых, существующая нормативная база по стандартизации процесса технологической подготовки инструментального производства явно отстала от требований современности. Сейчас, для обеспечения ускорения наладки станка — при наличии огромного количества управляющих программ обработки одного изделия, уже мало дать в цех карту наладки инструмента. Необходимо представить точные операционные эскизы по каждой программе ЧПУ для оптимального подбора длины инструмента, для закрепления детали на станке, для обеспечения максимальной жесткости системы «станок — приспособление — инструмент — деталь», чтобы гарантировать производительность и качество обработки. Следует разработать методические рекомендации по использованию современных графических технологий подготовки технологических документов и нормированию станочных работ.

И наконец, в-пятых, традиционная технология подготовки производства практически не регламентирует работы, связанные с обработкой на станках с ЧПУ, так как она ориентирована на обработку на универсальных станках деталей и электродов. Переход к изделиям сложной формы значительно увеличивает время разработки программ в общем цикле запуска изделия в производство. Отсутствие стандартов предприятий по запуску деталей в компьютеризированном производстве влечет за собой дополнительные затраты при повторном запуске деталей из-за случайной потери информации. Следовательно, необходимо перейти к новому уровню организации технологической подготовки инструментального производства — с использованием средств компьютерных технологий и промышленной информатики.

Специалисты НИП «Системы автоматизации» совместно с инженерно-техническими работниками Минского завода шестерен, ПО «Витязь» (г. Витебск), Барановичского станкостроительного завода ЗАО «Атлант», Минского производственного объединения вычислительной техники, Минского автомобильного завода получили положительные результаты в организации обработки на станках с ЧПУ деталей сложной формы, в разработке управляющих программ в системах высокого уровня (CATIA и ГеММа-3D) и достигли успехов в решении перечисленных вопросов при запуске в производство изделий на этих предприятиях (рис. 1, 2, 3, 4).

Под сквозным компьютерным проектированием и производством новых изделий следует понимать как минимум среду, в которой:

  • имеются компьютерные геометрические модели изделия и оснастки для его производства;
  • на оборудовании с программным управлением обрабатываются либо детали изделия и оснастки, либо главные их поверхности, например формообразующие поверхности пресс-форм, штампов;
  • организовано движение электронных конструкторских и технологических моделей и документов между различными службами предприятия.

Можно рассматривать сквозные компьютерные технологии более широко, включая в них дизайнерскую подготовку изделий, оптимизацию рабочих характеристик изделий, систему контроля качества изделий с применением программных продуктов, АСУ предприятия и другие составляющие полного цикла жизни изделия. Но для технологической подготовки инструментального производства главными, на наш взгляд, являются три элемента: электронная геометрическая модель детали оснастки, оборудование с ЧПУ и электронный документооборот. Рассмотрим взаимосвязи этих компонентов для обеспечения эффективной работы в компьютерной среде.

Для оптимизации временных затрат технолога-программиста компьютерная модель детали, полученная на этапе конструирования, должна быть соответствующим образом подготовлена, с учетом взаимосвязи особенностей геометрии детали и требуемых видов обработки для ее изготовления.

Конструктор и технолог рассматривают электронную модель детали по-разному и пользуются для ее построения разными средствами системы геометрического моделирования. Конструктора интересует функционирование детали в составе проектируемого устройства, размерные связи с другими деталями, а технолога — возможность изготовления детали на имеющемся в его распоряжении оборудовании. Поэтому при передаче электронной модели от АРМ конструктора на АРМ технолога должен существовать этап превращения конструкторской модели детали в технологическую.

Электронная геометрическая модель детали изделия или оснастки с точки зрения технологии ее изготовления является иерархически сложноструктурированным объектом. Представление технологической модели детали может происходить по нескольким уровням. Первый уровень — твердотельная модель детали, второй — поверхностная модель детали в виде совокупности граней, третий — каркасная модель как множество линий, четвертый — компьютерное представление чертежа детали, полученного по перечисленным выше моделям. Такое структурирование электронной технологической модели детали обеспечивает оптимальный вариант подсистемы технологической подготовки производства с точки зрения достаточности входной информации — как для выбора вида обработки и соответствующего станка, так и для написания программ ЧПУ в процессе изготовления деталей оснастки.

Если перед запуском в производство требуется получить натурный образец изделия методом послойного синтеза (Laminate Synthesis) или быстрого прототипирования (Rapid Prototyping), то здесь главной является твердотельная модель. При этом указанные современные методы формообразования не исключают дальнейшей механической доработки полученных изделий.

В случае механической обработки достаточным может быть один из более низких уровней геометрических моделей деталей либо их комбинация. Если деталь представляет собой совокупность огибающих поверхностей инструмента при его движении одновременно по трем координатам, то необходима поверхностная модель детали. К данному виду обработки относится фрезерование шаровой и тороидальной фрезами (работу концевой фрезы при движении по поверхности можно рассматривать как частный случай тороидальной фрезы). При этом может осуществляться как фрезерование непосредственно самой детали (например, гребной винт), так и оснастки для ее изготовления (формообразующая поверхность штампа, поверхность электрода для прожига пресс-формы). Обычно подобная обработка является 3D-обработкой (три координаты в программе для оборудования полностью определяют положение инструмента) или 4D- и 5D-обработкой (инструмент или стол имеет возможность вращаться под управлением так называемых четвертой и пятой координаты — один из углов Эйлера).

Как известно, движение инструмента можно разделить на рабочее и вспомогательное. Если рабочее движение осуществляется в одной плоскости, то для подготовки программы достаточно плоского контура. Такой способ обработки называется 2D-обработкой, например лазерная резка листового материала, токарная обработка. Если же при этом оборудование обеспечивает движение инструмента по расположенным в различных плоскостях контурам, параллельным координатным плоскостям инструмента, то получается 2,5D-обработка, к которой относится, например, обработка корпуса редуктора на обрабатывающем центре: выборка карманов, торцовка поверхностей, предварительное фрезерование под растачивание, растачивание и сверлильная обработка. Для 2D-обработки вполне достаточно контурной модели, для 2,5D-обработки, кроме контура, в целях осуществления настройки станка чаще всего дополнительно требуется чертеж детали.

Чтобы оптимизировать затраты на разработку управляющих программ для перечисленных выше типов обработки, следует выбрать соответствующую CAD/CAM-систему. Системы типа CATIA, Unigraphics, Pro/Engineer могут работать со всеми уровнями геометрической модели детали, но, поскольку они достаточно дорогие, их целесообразно применять только для 3D-обработки. С поверхностными моделями могут работать CAM-системы среднего уровня, например ГеММа-3D. Система ГеММа-3D хорошо воспринимает поверхностные модели в формате IGES, STEP, полученные в системах более высокого уровня, а также модели, полученные в пакете Solid Edge, совместимом через Parasolid-интерфейс с моделями Unigraphics и SolidWorks. С нашей точки зрения, для работы с контурными и поверхностными моделями, в виде которых может быть представлено большинство деталей технологической оснастки, оптимальной является система ГеММа-3D, так как она обеспечивает удобное программирование многослойной обработки карманов, ввод коррекции инструмента для концевых фрез, оптимальную траекторию при гравировке и плазменной резке заготовок. Эта система позволяет обрабатывать детали в поверхностном представлении, разгружая при этом рабочие места с CAD/CAM-системами верхнего уровня. Поскольку ГеММа-3D воспринимает файлы в формате DXF, то можно организовать конструкторско-технологическую подготовку производства, проектируя часть деталей непосредственно в системе AutoCAD.

Перейдем теперь к программному оборудованию. Идеальный вариант — иметь станки от одной фирмы-изготовителя, с однотипной стойкой ЧПУ и управляемые от единого компьютера. К сожалению, такую роскошь не могут позволить себе даже промышленные гиганты. Как правило, на предприятии функционируют станки различных фирм, изготовленные в разные годы, а это значит, что у каждого станка — своя, в чем-то отличная система кодирования информации, проще говоря, «своя стойка ЧПУ» (имеются в виду, конечно, особенности кодирования, а не электронного устройства станка). Поэтому во всех системах CAD/CAM существует этап постпроцессирования NC-программ, то есть CAM-система сначала выдает программу в каком-либо промежуточном формате, а затем полученный файл перекодируется в коды конкретного станка. Обычно программное обеспечение, именуемое постпроцессором, стоит довольно дорого, особенно если постпроцессор имеет возможность настройки на особенности сразу многих стоек ЧПУ. Согласно международным стандартам все CAD/CAM-системы обязаны генерировать NC-программы на языке APT (Automatically Programmed Tool). Далее этими файлами занимается система ГеММа-3D, имеющая язык генерирования постпроцессоров, библиотеку постпроцессоров и позволяющая создать программные средства автоматического постпроцессирования огромного количества программ на различные стойки ЧПУ, в зависимости от конкретной производственной загрузки оборудования (рис. 5). Кроме того, обычно станочник вносит коррективы в программу, оптимизируя режимы резания, подключение охлаждения и т.п. Для нормальной организации производства необходимо иметь архив уже отлаженных программ. Эта проблема решается установкой в цехе системы прямого управления станками, в которой архивы NC-программ можно организовать как в формате APT, так и в машинном коде, причем любая программа может быть откорректирована в текстово-графическом диалоге (исправляем текст и тут же видим изменение траектории на экране). Опыт ПО «Витязь» и Барановичского станкостроительного завода показал, что затраты на организацию сетевого управления станками через персональный компьютер полностью оправдали себя и в итоге предприятия смогли перейти к комплексной автоматизации проектирования и производства (рис. 6).

В условиях административно-плановой экономики производство шло по пути укрупнения, то есть увеличения количества изделий одной партии. Это было обусловлено не только стремлением к уменьшению времени переналадки оборудования, но и прежде всего большой длительностью цикла технологической подготовки производства нового изделия. Существовала довольно стройная система стандартов для оформления технологической документации. В технологических картах, казалось бы, было учтено все: припуск, инструмент, подача, скорость оборотов шпинделя, поверхности обработки. За одним исключением — отсутствовала последовательность проходов обработки конкретной поверхности. Считалось, что решение этой задачи определяется либо самим технологическим оборудованием, либо достаточной квалификацией станочника. Но чем сложнее была форма изделия, тем больше требовалось подготовить бумаг, чтобы уменьшить зависимость качества изделия от квалификации рабочих. При мелкосерийном производстве практически все изделия изготовлялись на универсальном оборудовании станочниками высокой квалификации, которые по чертежу детали были способны выполнить необходимую работу. С приходом на производство станков с ЧПУ произошел качественный скачок в технологической подготовке производства: программа управления станком включает в себя значительную часть технологической информации, а именно номера инструментов в магазине, режимы резания и т.д. Однако эта информация является абсолютно бесполезной, если не приложить к программе карту наладки инструмента и последовательность запуска управляющих программ (рис. 7). С появлением компьютеров стали проводиться работы по архивированию этой информации на персональных компьютерах — посредством либо создания специальных систем управления базами данных, либо использования доступных средств работы с файлами (например, архива системы ГеММа-3D).

Опыт совместной работы авторов статьи с ПО «Витязь» для единичного инструментального производства показал эффективность представления технологического процесса в виде графических технологических карт. В комплект документации входят эскиз заготовки для операции на станке с ЧПУ, карта наладки для различных установок (рис. 7), карты с фотографиями технологических переходов, содержащих дополнительную текстовую информацию — характеристики инструмента, имя программы (рис. 8). Конечно, для внедрения подобной графической технологии в промышленном масштабе следовало бы, наверно, провести экономические исследования и научно обосновать оптимальный состав информации. Так, на наш взгляд, форму 2 ГОСТ 3.1404-86, регламентирующую оформление операционной карты на технологическую операцию, выполняемую на станке с ЧПУ, следует дополнить формой 2а, отражающей последовательность технологических переходов в виде как текстовой, так и графической информации (рис. 9).

Чрезвычайно важен вопрос ускорения технологической подготовки компьютеризированного инструментального производства. Компьютеризация инструментального производства усиливает требования к квалификации технолога-программиста и значительно повышает его роль в процессе запуска в производство новых изделий. Интенсификация труда технолога-программиста должна сопровождаться удобством его работы с компьютером и автоматизацией рутинных работ. Главным достоинством CAD/CAM-систем высшего уровня автоматизации является то, что они не только содержат технологическую информацию в удобном для обзора виде и позволяют отделить процесс формирования NC-программ на языке APT от формирования технологической информации как таковой (этим свойством обладает и система среднего уровня ГеММа-3D), но и выполняют расчет необработанных зон, дают возможность реализовать практически любую технологию обработки за короткий срок. Однако каждый час работы CAD/CAM высшего уровня в несколько раз дороже работы системы ГеММа-3D. Следовательно, нужно создавать и применять программные средства автоматического размножения симметричных технологических переходов, деления программ на части, приемлемые по объему оперативной памяти имеющихся станков, рационально распределять детали между системами высшего уровня и системой ГеММа-3D, перенести этап постпроцессирования из систем высшего уровня в систему ГеММа-3D.

Опыт внедрения системы CATIA на автомобильных заводах Германии показал, что время разработки программ значительно снижается при наличии типовых технологических процессов разработки NC-программ (рис. 10). К тому же эти процессы не «зашиты» внутри алгоритмов системы CATIA, а оформлены в виде файлов, легко доступны для чтения и внесения изменений как в текстовом редакторе, так и в диалоге с технологом при разработке NC-программ в среде системы CATIA. Такие техпроцессы, создаваемые совместно с опытными технологами-производственниками, проходят апробацию при внедрении программ в производство и хранятся отдельно от моделей деталей. При их использовании снижается не только стоимость разработки NC-программ, но и количество допущенных технологических ошибок, а значит, и стоимость переделки брака. Существенно облегчает работу и наличие в данных процессах элементов описания технологии обработки необработанных зон предыдущим инструментом. При разработке NC-программы остается только запустить автоматический расчет кривых, ограничивающих эти зоны, по которым система CATIA автоматически определит дальнейшие зоны работы следующего инструмента. В связи с этим особую актуальность приобретает задача использовать данные возможности системы CATIA для условий отечественного (как белорусского, так и российского) инструментального производства.

Время разработки программ значительно сокращается за счет создания макропроцедур, то есть одних и тех же последовательностей строк, повторяющихся в различных NC-программах. Макропроцедуры создаются заранее, и при разработке NC-программ нужно только сослаться на них и назначить значения параметрам. Макропроцедурами можно описать требования подхода к детали, отхода от нее, перемещения между различными зонами обработки, перемещений начала и конца обработки на конкретном станке.

Четырехлетняя практика сквозного компьютерного проектирования в НИП «Системы автоматизации» Национальной академии наук Белоруссии в творческом и производственном союзе с ПО «Витязь» продемонстрировала хорошее взаимодействие систем CATIA и ГеММа-3D на этапе технологической подготовки производства. Имеются также примеры положительного взаимодействия системы ГеММа-3D с системами Unigrahpics и Pro/Engeneer (ПО «Витязь», ПО «Горизонт»). Таким образом, можно сделать вывод, что главным фактором в компьютеризации технологической подготовки инструментального производства является не столько выбор системы высшего уровня, сколько организация взаимодействия компонентов компьютерной технологии в целом. Экономию требуемых капитальных вложений в компьютеризацию инструментального производства можно получить посредством как рационального подбора компонентов для организации сквозной компьютерной технологии изготовления деталей оснастки, так и комплексного подхода к решению всего круга методических, организационных, программных и информационных задач реализации указанной технологии.

«САПР и графика» 2'2001