Разведка боем: передовые технологии SolidWorks в ГУП «КБП» (г. Тула)

В.Дудка, А.Морозов, Н.Моисеев, Г.Колесников, Е.Мурованная, А.Куликов

Реализация сквозного процесса «проектирование — производство» на примере «Изделия», созданного в SolidWorks по чертежам «КБП»

   Создание модели

   Оформление конструкторской документации

   Создание литейной оснастки

   Создание программы для станка с ЧПУ

   Создание модели

   Доработка чертежа

   Доработка литейной формы

   Доработка программы для станка с ЧПУ

Результаты геометрического моделирования узла изделия в SolidWorks

   Выявление типовых ошибок чертежей деталей и сборок, изготовленных «ручным» способом

   Выявление типовых ошибок чертежей деталей, выполненных с использованием систем двухмерного черчения

Конструкторское бюро приборостроения (г. Тула) является одним из лидеров отечественной промышленности в области разработки и производства новых видов вооружений. Основными направлениями работы предприятия являются: комплексы управляемого вооружения объектов бронетанковой техники, противотанковые ракетные комплексы, зенитные, ракетно-пушечные комплексы, стрелковое оружие.

Продукцию КБП характеризуют:

• высокий научно-технический уровень разработок, причем ряд образцов и систем не имеют мировых аналогов, а некоторые опережают западные по срокам разработки и освоения производства;
• возможность использования для широкой модернизации ранее выпущенных и проданных за рубеж систем вооружения (танков, артиллерийских орудий, вертолетов и самолетов);
• сравнительная простота конструкции и технологичность, что делает привлекательным приобретение лицензий на их производство;
• большое количество потенциальных потребителей.

Сохранение высоких научно-технических показателей, стабильное повышение конкурентоспособности, упрочение и расширение рынка сбыта производимой продукции в современных условиях невозможны без перехода на качественно новый уровень разработки изделий, базирующийся на применении передовых компьютерных технологий, обеспечивающих решение коллективом специалистов в сквозном итерационном цикле следующих взаимоувязанных задач:

• управление конфигурацией и составом разрабатываемого изделия;
• формирование внешнего и внутреннего облика изделия, дизайнерская проработка изделия и его компонентов;
• геометрическое параметрическое моделирование сложных деталей и сборочных конструкций (не менее 1000 деталей), геометрических расчетов (расчет масс-центровочных и инерционных характеристик, площадей поверхностей, величин взаимного пересечения и др.);
• размерный анализ с получением качественных и количественных характеристик для обеспечения в итерационном цикле отработки собираемости изделия на этапе его изготовления;
• кинематический и динамический анализ сложных многозвенных пространственных механизмов, реализующих различные законы движения на всех этапах полного цикла своего функционирования;
• прочностной анализ методом конечных элементов на основе созданных геометрических моделей с возможностями: автоматического разбиения на конечные элементы, прочностного расчета сборок, задания разных материалов для различных деталей, взаимодействующих в узле, задания нелинейных свойств материалов для тепловых расчетов, моделирования различных видов закреплений и нагружения, включая температурные задачи, моделирования воздействия среды (ускорения, температуры);
• разработка конструкторской документации в соответствии с требованиями ЕСКД;
• проектирование технологических процессов с учетом требований опытного и серийного производства;
• проектирование средств технологического оснащения (режущего инструмента, штампов, пресс-форм для литья под давлением деталей из металла и пластмассы);
• подготовка управляющих программ на основе геометрических моделей деталей сложной формы для изготовления их на оборудовании с ЧПУ;
• управление техническим документооборотом.

В качестве примера реализации современной автоматизированной технологии при разработке технически сложного изделия на этапе конструкторско-технологического проектирования предлагаем вниманию читателей информацию об интегрированном программном комплексе на базе SolidWorks, позволяющем воплотить на практике вышеперечисленные требования.

Работа велась на изделии по тематике предприятия. Поскольку изначально ставилась задача отработать сквозную технологию процесса проектирования, изготовления и т.д. в рамках единой информационной среды, объем работ по ее реализации оказался весьма значительным. Так как рассказать обо всем в рамках одной статьи не представляется возможным, мы предполагаем серию публикаций на эту тему. Вашему вниманию будут предложены следующие темы:

• Реализация сквозного процесса «проектирование — производство» на примере конкретного «Изделия» по тематике предприятия;
• Геометрическое моделирование узла «Изделия» в SolidWorks;
• Технологическая подготовка производства;
• Расчет размерных цепей;
• Кинематический анализ полного цикла работы механизма;
• Обеспечение параллельной работы в рамках системы управления проектом и электронным документооборотом.

Реализация сквозного процесса «проектирование — производство» на примере «Изделия», созданного в SolidWorks по чертежам «КБП»

При формировании и отработке комплекса программно-технических средств для реализации технологии сквозного проектирования — производства изделия использовался проект изделия, стоящего на производстве. В процессе работы по чертежам была создана модель «Изделия». На ее примере был сформирован программный комплекс для реализации сквозного процесса «проектирование — производство».

Схема работы изделия:

1. коробка ствольная — является направляющей для движения затвора;

2. снижатель — извлекает патрон 6. из звена патронной ленты 8. и фиксирует его в затворе;

3. затвор — досылает патрон в ствол;

4. боек — в момент запирания затвора производит удар по капсюлю;

5. лодыжка — в заключающей фазе работы механизма взаимодействует с упором 7., проворачивается и приводит в движение боек.

Большинство деталей, входящих в данный проект, изготавливались непосредственно по существующим чертежам. В процессе работы были обнаружены и исправлены неточности, неизбежно возникающие при традиционном двухмерном проектировании.

Создаваемые детали помещались в сборку, где сразу проявляются все неточности. Так, например, в сборку помещаются затвор, лодыжка и боек и устанавливаются сопряжения, имитирующие реальную работу механизма, причем для помещения этих деталей в сборку использовалась уникальная возможность SolidWorks — SmartMate (Автосопряжения), позволяющая помещать детали в сборку из проводника. Естественно, что в этом случае сопряжения добавляются полностью автоматически.

При имитации движения механизма SolidWorks предупреждает о возникающих конфликтах. В данном примере хорошо видно, что при отклонении лодыжки на 6° (конструктивно) происходит конфликт между лодыжкой и бойком. Непосредственно в сборке вносятся необходимые изменения в лодыжку.

Наиболее интересная деталь в плане моделирования — снижатель — была выбрана для отработки параллельной работы над ней специалистов разного профиля.

Работа над снижателем велась одновременно следующими специалистами: конструктором, техником по оформлению конструкторской документации, конструктором по литейной оснастке и технологом по механообработке.

Создание модели

Основой для работы специалистов является твердотельная модель, создаваемая конструктором.

Работа начинается с создания заготовки снижателя. На этом этапе создается только исходный блок, где формируются направляющие, по которым должен проворачиваться снижатель. После этого заготовка может быть добавлена в общую сборку.

Дальнейшая работа над снижателем ведется в контексте общей сборки в различных положениях снижателя (до срабатывания механизма, в промежуточных положениях и после срабатывания механизма). Для упрощения работы и быстрого переключения между различными положениями механизма в сборке создаются дополнительные конфигурации, отражающие предполагаемые состояния механизма (снижатель до начала движения — угол наклона 30°, промежуточное состояние — в нем снижатель можно подвигать мышью и снижатель после поворота — угол наклона 0°).

Привязываясь к обстановке общей сборки в необходимых конфигурациях «Изделия», снижатель дорабатывается.

Несмотря на то что изделие и снижатель еще не готовы, к работе подключаются другие специалисты. Следует отметить, что при выполнении этой работы каждый специалист находился на своем рабочем месте, а работа велась одновременно по локальной сети.

Оформление конструкторской документации

Специалист по оформлению конструкторской документации создает чертеж и спецификацию на изделие, а также чертеж на снижатель. Создание проекционных видов в SolidWorks осуществляется достаточно просто: пользователю необходимо при помощи мыши (drug-and-drop) перетащить модель в окно чертежа, причем абсолютно все равно, откуда осуществляется этот перенос — из другого окна SolidWorks, проводника Windows или Internet Explorer. При этом система автоматически создает основные проекционные виды. Создаются дополнительные виды — разрезы выносные, местные виды и отображаются размеры модели. Последующее оформление чертежа заключается в переносе размеров в приемлемое положение.

В дальнейшем, когда конструктор закончит свою работу, чертежи и спецификация изменятся автоматически.

Создание литейной оснастки

Конструктор-технолог проектирует оснастку. Создание оснастки для отливания детали ведется сразу в контексте сборки. Для этого конструктор формирует сборку и помещает в нее отливаемую модель (снижатель). При этом, поскольку деталь еще не закончена, нет смысла создавать литейные уклоны и усадку, их можно создать в последнюю очередь, когда работа над моделью будет полностью завершена.

Создание программы для станка с ЧПУ

Технологу по созданию программ для станков с ЧПУ также нет необходимости дожидаться полной готовности снижателя и литейной формы. Он может включиться в работу над деталью уже на ранней стадии и создать большинство управляющих программ для обработки литейной формы.

Впоследствии, когда будут полностью готовы и деталь, и литейная форма, произойдет автоматическое обновление этих управляющих программ.

Более подробно работа технолога будет освещена в разделе «Технологическая подготовка производства».

Дальнейшая работа всех специалистов над проектом ведется параллельно. При этом изменения снижателя, осуществляемые конструктором, отражаются и у специалистов другого профиля.

Создание модели

Переключаясь между конфигурациями, отражающими различные моменты срабатывания механизма, конструктор ведет работу над снижателем. Ввиду того, что деталь сразу находится в сборке, конструктор привязывается непосредственно к конструктивным элементам сборки. При такой работе, во-первых, исключаются возможные ошибки, во-вторых, экономится время на рисовании, поскольку конструктор просто производит выбор уже существующих объектов, а в-третьих, существует возможность провести все необходимые расчеты непосредственно в сборке (кинематический, прочностной, динамический, расчет размерных цепей и др.).

Все специалисты, работающие параллельно с конструктором, могут вызвать обновление модели, и в этом случае их работа обновляется автоматически. Специалистам остается только провести небольшую доводку, и работа выполнена.

Доработка чертежа

Чертеж снижателя сразу после обновления модели и после доработки

Чертеж и спецификация после обновления модели. Изменения чертежа произведены в автоматическом режиме. В спецификации проведена сортировка и зарезервированы номера позиций

Доработка литейной формы

Для внесения изменений в литейную форму необходимо обновить модель снижателя. Теперь, когда снижатель полностью готов, можно наложить литейные уклоны и усадку. При этом для предотвращения повреждения снижателя создается вторая конфигурация, в которую и вносятся необходимые изменения. После выполнения этой работы можно переходить к литейной форме. В данном случае обновление литейной формы произошло полностью автоматически.

Доработка программы для станка с ЧПУ

Так же как и вышеперечисленным специалистам, технологу остается только провести обновление модели. Управляющие программы изменяются автоматически, остается лишь внести изменения там, где это необходимо.

Результаты геометрического моделирования узла изделия в SolidWorks

В рамках Технического задания на формирование комплекса программно-технических средств для реализации технологии сквозного проектирования — производства изделий «КБП» средствами SolidWorks было выполнено геометрическое моделирование деталей и сборок (сборочных единиц) предложенного тестового узла изделия. В ходе построения моделей в полной мере выявились преимущества использования системы трехмерного моделирования по сравнению с традиционными способами проектирования изделий и подготовки конструкторской документации.

Исходными данными являлись чертежи деталей и сборочных единиц узла «Изделия», выполненные ранее вручную или с применением AutoCAD. Использование для решения тестовой задачи уже проверенных и отработанных в процессе изготовления и доводки опытного экземпляра изделия конструкторских решений позволило одновременно оценить также и адекватность работы в SolidWorks. Ниже приведены основные результаты проделанной работы.

Выявление типовых ошибок чертежей деталей и сборок, изготовленных «ручным» способом

В процессе моделирования деталей проявились недостатки в оформлении чертежей, присущие, как правило, традиционному способу разработки конструкторской документации, основанному на технологии 2D-рисования: пропуски или ошибки в простановке размеров, неоднозначность прочтения чертежей, задание «невозможной» геометрии, наличие такого взаимного проникновения деталей в составе сборки, которое трудно или даже невозможно выявить при выполнении проектных работ традиционными методами.

Подобные ошибки неизбежно вызывают досадные приостановки и задержки на этапе запуска в производство нового изделия. Более того, своевременно невнесенные (например, по забывчивости) в конструкторскую документацию, они могут повлечь за собой в будущем и возникновение брака.

Взаимозависимые параметры и размеры деталей, такие, например, как длины разверток листовых деталей, параметры пружин (длина, шаг и число витков) и т.п., система SolidWorks вычисляет автоматически, что исключает саму возможность появления ошибок конструктора. Рассчитанные на калькуляторе и вставленные в чертеж вручную, подобные производные параметры и размеры не только могут оказаться неточно определенными, но и ни при каких условиях не станут «сами» отслеживать изменения задающих размеров детали.

Что касается «невозможной» геометрии, то при попытке выполнить подобные построения на этапе моделирования деталей либо система SolidWorks сама предупреждает пользователя об этом, просто отказываясь построить очередной элемент, либо конструктор вообще не сможет привязать свои очередные построения к уже введенным элементам геометрии детали.

При использовании на этапе проектирования в SolidWorks чертежи получаются в полуавтоматическом режиме уже после моделирования деталей, причем конструктору остаются в основном «косметические» операции, такие, например, как разнесение размеров на видах чертежа для лучшего их понимания, простановка шероховатости, допусков формы и расположения поверхностей, вставка технических требований и т.д.

Все возникающие в процессе проектирования изделия «конфликты» деталей, например взаимные проникновения деталей друг в друга, появление недопустимых зазоров между деталями и т.п., могут быть легко отслежены при использовании системы SolidWorks с помощью возможностей, включенных в ее базовую конфигурацию. При этом могут быть определены зоны и объемы интерференции деталей при любом их взаимном расположении в составе сборки, минимальные зазоры между деталями в процессе имитации их движения и многое другое. Для устранения подобных конфликтов могут быть изменены модели составляющих данную сборку деталей, причем возможно задание размеров деталей в контексте (в составе) сборки, то есть возможно задание зависимости каких-либо размеров одних деталей от геометрии других. При этом можно просто приравнять отдельные размеры друг к другу, задать размеры через какие-то параметры, указать зазоры между смежными деталями, а также взаимно увязать размеры различных деталей посредством уравнений любой сложности. Так, в ходе работы над моделью узла изделия некоторые вырезы в деталях, которые при традиционных методах проектирования неизбежно выполняются на этапе сборки «по месту», были перенесены в модели деталей с привязкой геометрии этих вырезов к соседним деталям. Само собой разумеется, что были исправлены и все взаимные проникновения составляющих узел деталей.

Таким образом, весь ход и результаты проделанной работы показывают, что использование системы трехмерного параметрического моделирования SolidWorks, поддерживающей полную двухстороннюю ассоциативность моделей деталей, сборок и чертежей, позволяет избежать появления ошибок, характерных для «традиционного» проектирования, уже на ранних стадиях разработки изделия.

Выявление типовых ошибок чертежей деталей, выполненных с использованием систем двухмерного черчения

Три чертежа из числа исходных были выполнены в системе двухмерного черчения. Системы, подобные «электронному кульману», несмотря на длительное использование их в промышленности и, казалось бы, отлаженность до предела, все же обладают одним существенным недостатком, а именно, они допускают внесение в чертежи размеров, не соответствующих реальной геометрии деталей.

При использовании SolidWorks система самостоятельно переносит во все или выбранные виды чертежа размеры, использованные при моделировании детали, а значения любых дополнительных размеров проставляет самостоятельно, что полностью исключает появление ошибок в чертежах, неизбежных в случае «ручной» простановки размеров. Более того, механизм двухсторонней ассоциативности чертежа и модели обеспечивает изменение геометрии модели при изменении размеров чертежа, что позволяет отследить и исключить ошибочные и недопустимые модификации размеров, приводящие к появлению не стыкующихся между собой элементов геометрии.

«САПР и графика» 2'2001