3 - 2003

Обеспечение всех процессов сквозного параллельного проектирования средствами Pro/ENGINEER на примере совместного проекта компании СОЛВЕР и ФГУП «Ижевский механический завод»

Радислав Бирбраер, Олег Гаршин, Григорий Радченко, Василий Окатьев, Вячеслав Столповский

Дизайн-проект

Рабочее проектирование

Разработка конструкторской документации

Проверка моделей на правильность геометрии

Краткие выводы

Анализ размерных цепей

Инженерный анализ

Моделирование и анализ кинематики и динамики движения механизма

Расчет напряженно-деформированного состояния кольца роликового подшипника

Моделирование и анализ кинематики и динамики щеточного узла

Краткие выводы

Разработка технологий изготовления и технологической оснастки

Проектирование литейной формы

Проектирование пресс-формы

Разработка постпроцессоров

Разработка управляющих программ

Выводы по результатам проекта

СОЛВЕР предлагает

Мнения

Инженерно-консалтинговая компания СОЛВЕР (SOLVER) продолжает цикл статей по реализованным ею проектам автоматизации проектирования и производства на ведущих отечественных предприятиях различных отраслей промышленности.

Успех предприятия сегодня напрямую зависит от методов организации и использования на нем компьютерных информационных технологий. Необходимость обработки больших объемов информации, ассоциативной связи разнотипной информации, используемой при проектировании и подготовке производства изделия, привела к переходу на ведение проектных работ в электронной форме. В связи с этим были созданы новые «безбумажные» информационные объекты, заменившие, например, традиционный комплект конструкторской документации. Появился новый объект проектирования — электронная модель изделия1, в которую была интегрирована конструкторская, технологическая, производственная и управленческая информация. Электронная модель изделия стала сегодня не только объектом проектирования (описывающим разрабатываемое изделие), но и объектом управления (описывающим процессы и исполнителей разработки). Это привело к необходимости внедрения новых технологий, концепций и принципов проектирования промышленной продукции.

Разработка организационно-методологических принципов конструкторской и технологической подготовки производства, охватывающей все стадии создания изделия (создание эскизного, технического и рабочего проекта), стала одной из главных целей совместного проекта, выполненного специалистами компании СОЛВЕР и Ижевского механического завода (ИМЗ). Объектом проектирования был выбран ручной электрический лобзик. В задачи проекта также входили комплексный компьютерный анализ конструкции механизма и разработка технологий изготовления электрического лобзика. Построение системы автоматизированного проектирования и подготовка производства осуществлялись на основе программного комплекса Pro/ENGINEER. Наличие большого количества специализированных программных модулей Pro/ENGINEER обеспечило решение всех поставленных задач в формате сквозного параллельного проектирования.

В процессе конструкторско-технологической подготовки производства, основанного на методологии использования электронных моделей, особенно актуальными являются вопросы разработки процедур прохождения, согласования, утверждения, внесения изменений и передачи конструкторско-технологической документации в отдел технической документации. Обращение документации упрощается благодаря использованию систем класса PDM. Наиболее эффективно с программным комплексом Pro/ENGINEER работают системы Windchill и Pro/INTRALINK2.

Для обеспечения взаимодействия между членами проектной группы в рамках выполнения проекта была выбрана система управления инженерными данными рабочей группы Pro/INTRALINK. Она позволила осуществлять контроль версий моделей изделия (координацию всех изменений), контроль изменений (предотвращение случайных или запрещенных модификаций), распределенный доступ (эффективное и надежное запоминание информации с использованием распределенного доступа), управление конфигурацией общего проекта (формирование состава и вида изделия в любой комбинации из известных версий компонентов).

Концептуальное проектирование внешних форм изделия предпочтительно проводить в специализированных пакетах, содержащих мощные инструменты для моделирования и модификации трехмерных кривых и поверхностей любой сложности, каковыми и являются CDRS, Interactive Surface Design (модуль, входящий в состав Pro/ENGINEER) или, например, ICEM Surf3. Какой из них выбрать — зависит от сложности решаемых задач.

Все эти программные средства обеспечивают полную совместимость и ассоциативность данных с Pro/ENGINEER и предоставляют двунаправленную возможность внесения изменений на любом этапе проектирования изделия. Благодаря этим качествам оригинальные дизайнерские идеи всегда будут сочетаться с промышленной функциональностью разрабатываемых изделий.

Дизайн-проект

Дизайн-проект изделия «Электролобзик» включал:

  • разработку предварительных эскизов будущей модели в CDRS с использованием конструктивных данных, переданных из Pro/ENGINEER Foundation. Затем построенные поверхности были переданы обратно в Pro/ENGINEER Foundation для дальнейшей работы;
  • реалистичную визуализацию модели с наложением текстур на трехмерную поверхность, с использованием механизма лучевой трассировки, с размещением источников света и с использованием механизма «комната—сцена» (рис. 1г);
  • разработку дизайн-проекта в среде

Pro/ENGINEER с использованием специального модуля Interactive Surface Design (создание поверхностей).

В начало В начало

Рабочее проектирование

Рабочее проектирование трехмерных моделей деталей и узлов лобзика было выполнено по представленным рабочим чертежам и схемам. Использовался восходящий метод проектирования — проектирование сборки из отдельных деталей, как из кубиков, руководствуясь описанием конструкции лобзика, представленным в техническом задании.

После создания моделей деталей производилась их сборка. Элементы, участвующие в движении механизма, собирались с использованием модуля Mechanism Design Extension, входящего в базовый пакет Pro/ENGINEER Foundation. В результате был спроектирован механизм, с помощью которого можно проанализировать пересечение деталей в движении, проверить его на работоспособность и передать кинематическую схему в Pro/MECHANICA Motion для выполнения инженерных расчетов. Для лучшего управления общей сборкой и сложными деталями в целях повышения производительности и удобства работы применялся метод упрощенного представления Simplified Rep. Он сокращает время на открытие и регенерацию нужной конфигурации сборки и снижает требования к аппаратному обеспечению при работе с крупными сборками.

В начало В начало

Разработка конструкторской документации

Базовый модуль Pro/ENGINEER Foundation позволяет, в полном соответствии с ЕСКД, создавать и распечатывать чертежи деталей и сборочных единиц, связанные с моделями двунаправленной ассоциативной связью. При изменении размеров и других параметров модели чертеж изменяется, и наоборот — при изменении размеров и параметров в чертеже изменяется модель. Применение шаблонов чертежа сокращает время, затрачиваемое на создание видов и символов. В Pro/ENGINEER есть предустановленные таблицы допусков, что облегчает работу пользователя: достаточно выбрать квалитет, а его численное значение будет проставлено автоматически. При изменении размера значение допуска будет меняться в соответствии с таблицей. В чертежах сборок удобно показывать обстановку, скрывать ненужные детали, пользоваться упрощенными представлениями для разных видов.

Для создания спецификаций использовалось приложение к Pro/ENGINEER — PartList, разработанное специалистами СОЛВЕР. Спецификация также связана с Pro/ENGINEER двунаправленной ассоциативной связью. Часть параметров спецификации заполняется автоматически (графа «Количество»). Все параметры изменяются при изменении сборки или чертежа, и наоборот — при изменении спецификации меняются параметры сборки. Графы основной надписи чертежа тоже заполняются автоматически. Проставление позиций в чертеже также автоматизировано, и их номера изменяются при изменении сборки.

В начало В начало

Проверка моделей на правильность геометрии

Чтобы модели было удобно многократно использовать, например в других проектах и приложениях, они должны быть созданы в соответствии с общепринятой методологией проекта и содержать всю необходимую информацию. Однако пользователи часто не осознают важности соблюдения стандартов проекта или на предприятии испытывают трудности в их описании. Модуль ModelCHECK помогает проектировщикам правильно моделировать в Pro/ENGINEER и постоянно контролировать модель в процессе ее создания. Таким образом, отклонения от принятых правил могут быть обнаружены и исправлены на ранней стадии проекта, прежде чем модель будет передана для работы другим пользователям.

Model Check выдает подробную информацию обо всех найденных несоответствиях с установленными правилами. Причем эта информация может показываться как сразу после построения элемента, так и после сохранения модели или по необходимости. Средствами модуля можно контролировать соответствие диаметров отверстий, углов, уклонов установленному на предприятии ряду, проверять орфографию в чертеже и выполнять множество других полезных проверок.

В начало В начало

Краткие выводы

Pro/ENGINEER позволяет проектировать 3D-модели деталей и узлов любой сложности, проверять их геометрию, анализировать зазоры и пересечения, определять массово-инерционные характеристики. Построенную модель можно проверить на работоспособность созданием кинематических связей. Без использования дополнительного программного обеспечения можно создавать и многократно использовать параметризованные шаблоны.

В системе Pro/ENGINEER можно подготавливать документацию (чертежи, спецификации) в полном соответствии с ЕСКД. Ассоциативность объектов Pro/ENGINEER сокращает время на модификацию изделия и повышает качество документации.

Система управления инженерными данными рабочей группы Pro/INTRALINK позволяет осуществлять контроль версий моделей изделия, контроль изменений, распределенный доступ, управление конфигурацией общего проекта.

Совместное моделирование изделия требует применения единых правил проектирования, которые могут контролироваться автоматически, с помощью ModelCheck.

В начало В начало

Анализ размерных цепей

В ходе анализа и оптимизации предельных отклонений решалась задача исследования перекоса осей ведущего вала и выходного штыря (рис. 6). Для этого использовался модуль CETOL Six Sigma, синхронизированный с Pro/ENGINEER, что позволяет считывать и визуализировать данные как в одну, так и в другую сторону. CETOL имеет уникальную возможность учета технологии изготовления деталей в статистическом анализе. Динамический коэффициент, учитывающий ухудшение параметров технологического процесса с течением времени для каждого вида процесса в статистическом анализе, приближает полученные расчетные данные к реальному производству. При расчете нескольких размерных цепей в одном изделии анализ искомой геометрической величины можно проводить как автономно, так и принимая во внимание взаимные влияния отклонений других размерных цепей изделия, включив их в прокрутку «рулона спецификаций».

В начало В начало

Инженерный анализ

В рамках выполненного проекта были поставлены и решены следующие задачи:

  • моделирование и анализ кинематики и динамики движения механизма изделия;
  • расчет напряженно-деформированного состояния кольца роликового подшипника;
  • анализ щеточного узла: получение графиков движения щетки и изменения зазора между щеткой и коллектором.

Моделирование и анализ работы лобзика осуществлялись с применением программного модуля Pro/MECHANICA.

В начало В начало

Моделирование и анализ кинематики и динамики движения механизма

Трехмерная геометрия деталей, включенных в модель механизма, приведена на рис. 9. Придя в движение, вал-шестерня приводит во вращение зубчатое колесо с установленными на нем кривошипом и роликовым подшипником. Кривошип приводит в возвратно-поступательное движение шток, установленный в рамке, и рабочий инструмент, закрепленный на нем. Одновременно рамка со штоком может совершать колебательные движения (колесо приводит в колебательное движение рычаг, который через штифт передает движение на коромысло, а последнее — через шкив на пилу). Амплитуда колебаний выставляется регулировочным рычагом путем частичного или полного освобождения коромысла. Параметрическое моделирование всех деталей, их сборка в узлы и окончательная конструкция были выполнены в Pro/ENGINEER на предыдущем этапе реализации данного проекта.

Были рассмотрены два режима работы лобзика: на холостом ходу и с максимальной амплитудой колебательных движений. Взаимодействия пилы со шкивом (зеленый цвет), коромысла со штифтом (голубой цвет) и штифта с кулисным рычагом (красный цвет) представляют серию последовательных соударений (рис. 10а). Ударный характер указанных взаимодействий сказывается на реакциях в других соединениях.

В примере на рис. 10б зеленым цветом представлены величины реакций в опоре зубчатого колеса, а голубым — в подшипнике. Предполагая, что отскоки деталей не происходят, в следующей модели принимается, что кулачковые соединения являются жесткими. В данном случае рамка со штоком полностью отслеживает движение кулисного рычага. При этом в начале и в конце хода усилия в соединениях пилы со шкивом, коромысла со штифтом и штифта с кулисным рычагом имеют отрицательные значения (рис. 10б).

Помимо всестороннего анализа исходной модели, Pro/MECHANICA Motion позволяет оценить поведение механизма при изменении того или иного его параметра, добиваясь необходимых технических характеристик изделия. Такими специальными возможностями Pro/MECHANICA по совершенствованию конструкций являются исследование глобальной и локальной чувствительности и оптимизация конструкций. Первым шагом в поисках оптимальной конструкции лобзика было проведение исследования параметров пружин, обеспечивающих плавную работу механизма качания рамки. Поджатие рамки можно увеличить удлинением пружин или увеличением их жесткости. С этой целью были введены переменные проектирования, предусматривающие изменение длин пружин (с 17,5 до 27,5 мм) и их жесткости (с 5 до 20 Н/мм), и определены критерии минимальных усилий в кулачковых соединениях. В результате выполнения исследований глобальной чувствительности были получены зависимости минимальных усилий в соединениях от длины пружин (рис. 11а) и от их жесткости (рис. 11б). Зеленый цвет соответствует соединению пилы со шкивом, голубой — коромысла со штифтом, красный — штифта с кулисным рычагом. Анализ графиков показывает, что при увеличении длины пружин (жесткостью 5 Н/мм) до 20 мм или при увеличении их жесткости до 11 Н/мм (для пружин длиной 17,5 мм) реакции в кулачковых соединениях остаются положительными в течение всего хода штока — отскоки деталей прекращаются.

На следующем этапе совершенствования конструкции было проведено уравновешивание возвратно-поступательного движения штока и противовеса. Рассматривался режим холостого хода. Компенсация неуравновешенности, вызванной движущимися деталями, осуществлялась изменением массы противовеса. В качестве переменной проектирования принималась его толщина (при исходном значении 7,5 мм она изменялась от 7 до 15 мм). Для оценки динамической балансировки механизма был введен критерий максимального значения реакции в опоре зубчатого колеса. Полученная кривая общей («глобальной») чувствительности приведена на рис. 12. Максимальное значение реакции при увеличении толщины противовеса (до 12,5 мм) сначала уменьшается, а затем начинает резко возрастать. При оптимальной толщине t = 12,5 мм максимальное усилие в опоре равно 30,7 Н.

Механические нагрузки (инерционные, реакции в соединениях), полученные в результате моделирования движения механизма в модуле Pro/MECHANICA Motion, могут использоваться далее в модуле прочностного анализа Pro/MECHANICA Structure.

В начало В начало

Расчет напряженно-деформированного состояния кольца роликового подшипника

Pro/MECHANICA Structure позволяет моделировать детали в составе контактных систем. В данной работе рассматривалась контактная подсистема «кольцо-поводок и ось с роликами» (рис. 13).

Для упрощения модели принималось, что ролики с осью составляют единое целое. Рассматривались два варианта расположения роликов. По первому варианту оси двух роликов лежат в вертикальной плоскости симметрии подшипника, при этом силовой поток со стороны поводка передается на верхний ролик по кратчайшему расстоянию. По второму варианту зона взаимодействия кольца с поводком расположена между зонами его контактов с роликами.

В начало В начало

Моделирование и анализ кинематики и динамики щеточного узла

Исследование кинематики и динамики щеточного узла осуществлялось с применением модуля Pro/MECHANICA Motion.

Детали модели щеточного узла соединены связями, отражающими их реальные взаимодействия в конструкции. Для осей соединений введены силы трения и демпфирования. Воздействие пружины на щетку представлено упругой силой. Взаимодействие щетки с ламелями коллектора смоделировано контактными парами.

Было рассмотрено шесть вариантов модели узла, позволяющих оценить влияние на характер движения щетки и изменение зазора между щеткой и коллектором: ступенчатого расположения ламелей; биения якоря; податливости обоймы щеткодержателя и корпуса; новой, неприработанной щетки по сравнению со старой, приработанной; угловой скорости коллектора.

В результате проведенного исследования для каждой модели получены графики контактных сил, хода щетки и зазора между щеткой и коллектором. Всесторонний анализ графиков позволил оценить кинематические и динамические характеристики изделия и влияние на них различных недоработок конструкции.

В начало В начало

Краткие выводы

Моделирование и анализ работы лобзика и его узлов, проведенные с использованием аналитического модуля Pro/MECHANICA, позволили усовершенствовать функциональные параметры изделия, не прибегая к экспериментам с дорогостоящими прототипами.

С помощью модуля Pro/MECHANICA Motion оценены и оптимизированы кинематические и динамические характеристики механизма и определены положения, при которых в соединениях деталей возникают максимальные усилия, а также направления этих усилий.

С помощью модуля Pro/MECHANICA Structure осуществлен всесторонний прочностной анализ деталей и узлов проектируемого изделия.

В начало В начало

Разработка технологий изготовления и технологической оснастки

Проектирование литейной формы

Одной из решаемых задач по изготовлению технологической оснастки в рамках проекта было проектирование литейной формы для корпуса лобзика. Создание литейной оснастки, получение отливки и создание чертежа формообразующей детали — все эти операции производились в среде Pro/ENGINEER с использованием модуля Tool Design Option. Проектирование пресс-формы было выполнено по представленной специалистами ИМЗ трехмерной модели детали и рабочего чертежа.

На этапе проектирования решения Tool Design Option обеспечил:

  • качественное и наглядное представление процесса разработки технологической оснастки;
  • возможность анализа разработанной пресс-формы на проливаемость;
  • моделирование компонентов пресс-форм — как оригинальных, так и с использованием стандартных вариантов из библиотеки MOLD BASE.

Все это позволило значительно сократить время на разработку и внесение изменений в конструкцию литейной оснастки, добиться снижения себестоимости и сроков изготовления (при использовании полной ассоциативности всех этапов: деталь—сборка—чертеж—спецификация).

В начало В начало

Проектирование пресс-формы

В соответствии с техническим заданием специалистами СОЛВЕР совместно со специалистами ИМЗ было проведено проектирование пресс-формы детали «Рукоятка» для электролобзика (рис. 17а). Модель детали, для которой проектировалась пресс-форма, была разработана специалистами ИМЗ ранее и имела достаточно сложную поверхностную конфигурацию, для построения которой потребовалась широкая гамма инструментария Pro/ENGINEER. До начала проектирования пресс-формы деталь анализировалась в модуле Plastic Adviser на проливаемость и расположение дефектов, возможных при ее изготовлении.

Так как модель рукоятки не учитывала особенностей технологии изготовления, то возникла необходимость дополнить модель на этапе проектирования оснастки. Требуемые уклоны поверхностей были выполнены на ссылочной детали с применением проверочной функции Surface Analysis. Также была проведена оптимизация расположения впускных литников (рис. 17б). Затем было осуществлено проектирование оснастки с использованием модуля MoldDesign.

Связь с объектами дизайн-проекта и конструкцией пресс-форм позволила отслеживать изменения в дизайне и передавать их в исходные данные для изменения пресс-форм с минимальными затратами времени. При этом повторного ввода данных не требовалось, что положительно сказалось на качестве продукции.

В начало В начало

Разработка постпроцессоров

Разработка постпроцессоров осуществлялась с использованием модуля NC/GPOST и включала:

  • разработку 4-осевого постпроцессора с индексным поворотом стола по оси Y для станка STEINEL с системой управления SINUMERIK 850/880;
  • проведение консультации для специалистов ИМЗ по синтаксису, командам, функциям POSTF макроязыка FIL и их применению при создании постпроцессоров; была рассмотрена возможность диалогового ввода данных в программу, создание новых слов постпроцессора;
  • разработку постпроцессора AGIECUT-100/AGIEMATIC для электроэрозионной проволочной обработки с наклоном проволоки.
В начало В начало

Разработка управляющих программ

На этом этапе проекта специалистами СОЛВЕР были продемонстрированы возможности проектирования процесса обработки на оборудовании с ЧПУ в цепочке сквозного проектирования изделия в Pro/ENGINEER. Совместно со специалистами ИМЗ были также отработаны методы программирования ЧПУ обработки деталей в Pro/ENGINEER на примерах изготовления оснастки для изделия «Электролобзик», проверены постпроцессоры, созданные в рамках проекта.

Построение траекторий режущего инструмента и создание управляющих программ (УП) проводились в модуле Production Machining Option программного комплекса Pro/ENGINEER. УП для фрезерной обработки создавались совместно специалистами фирмы СОЛВЕР и ИМЗ с учетом требований технологов. Кроме того, была разработана методика создания УП для 2-2,5-осевой обработки. Необходимо отметить, что для 2-2,5-осевой фрезерной обработки более целесообразно использовать специализированный модуль Pro/ENGINEER — Expert Machinist.

Для электроэрозионной обработки также использовался модуль Production Machining Option. Была получена траектория движения проволоки в четырех координатах, отслеживающая геометрию косозубой шестерни. УП была сгенерирована постпроцессором, специально настроенным на 4-координатную резку на станке AGIECUT, и соответствовала формату стойки AGIEMATIC.

В начало В начало

Выводы по результатам проекта

Результаты работ, проведенных в рамках проекта Ижевского механического завода и СОЛВЕР, подтвердили, что средствами программного комплекса Pro/ENGINEER можно успешно решать все основные задачи конструкторско-технологического проектирования и подготовки производства. Использование знаний и опыта специалистов СОЛВЕР при осуществлении проекта позволило не только убедиться в этом, но и качественно и в короткие сроки решить конкретные производственные задачи.

В начало В начало

СОЛВЕР предлагает

Инженерно-консалтинговая компания СОЛВЕР предлагает машиностроительным предприятиям сотрудничество с целью повышения эффективности их бизнеса. Принципиальный подход, отличающий СОЛВЕР от других консалтинговых фирм — поставщиков программного обеспечения и оборудования, — экспериментальное подтверждение предлагаемых комплексных решений. Это позволяет при осуществлении совместных с заказчиками проектов внедрения (автоматизированных систем управления, проектирования и подготовки производства, технологий либо оборудования) сократить до предела риски достижения поставленных задач.

Мы не только поможем решить ваши конкретные производственные проблемы, но и сделаем это быстро и качественно, потому что располагаем необходимыми знаниями, опытом и средствами для выполнения подобных работ. Наша установка на долгосрочное партнерство, высокий уровень взаимопонимания позволит вам успешно развивать свой бизнес в условиях современной, быстро меняющейся экономики.

«САПР и графика» 3'2003