Комплексные подходы к решению задач конструкторско-технологической подготовки машиностроительных предприятий

Радислав Бирбраер, Олег Гаршин, Лидия Кочергина, Сергей Бараш

Конструкторское проектирование

Инженерный анализ

Технологическая подготовка производства

Результаты проекта

Инженерно-консалтинговая компания СОЛВЕР (SOLVER) продолжает цикл статей о реализованных ею проектах автоматизации проектирования и производства на передовых отечественных машиностроительных предприятиях.

ОАО «Корпорация “Фазотрон-НИИР”» — ведущий российский разработчик и производитель современных бортовых радиолокационных станций и систем управления вооружением для самолетов и вертолетов. Продукция корпорации эксплуатируется более чем в 40 странах мира. В «Фазотрон-НИИР» созданы такие современные радары, как «Копье», «Жук», «Арбалет» и др., успешно конкурирующие на мировом рынке. Предприятие также широко известно и своей продукцией гражданского назначения — это радары для метеорологических целей и для аэрокосмического мониторинга земной и морской поверхности, медицинская аппаратура для магнитотерапии, экологически чистые термоэлектрические холодильники.

Для успешного осуществления деятельности руководство корпорации предпринимает последовательные шаги по совершенствованию технологий и производства. На предприятии накоплен определенный опыт автоматизации конструкторской и технологической подготовки производства. Специалисты предприятия уже освоили программное обеспечение (ПО), позволяющее решать задачи проектирования изделий, разработки конструкторско-технологической документации (КТД) и управляющих программ (УП) для станков с ЧПУ. Однако, поскольку конструкторские и технологические подразделения использовали в своей работе различные САПР, это не позволяло осуществлять сквозное проектирование, при котором изделие проходит все стадии подготовки производства в единой информационной среде: конструкторское проектирование — инженерный анализ — проектирование оснастки — разработка УП.

Кроме того, переход к сквозному проектированию позволяет обеспечить двунаправленную ассоциативность, когда любые изменения, внесенные на каком-либо этапе разработки изделия, автоматически переносятся на все этапы конструкторско-технологической подготовки производства, а также возможность параллельного проектирования, при котором конструкторы и технологи одновременно могут работать над изделием, что, в свою очередь, позволяет сократить цикл проектирования изделия.

Одним из принципиальных отличий СОЛВЕР от других фирм — поставщиков оборудования и ПО является комплексный подход к работе с клиентами. Компания не просто осуществляет поставку программных средств и станков (с такими задачами могут успешно справиться и многие другие фирмы), а предоставляет предприятиям законченные решения насущных производственных проблем. Предлагаемые решения охватывают весь спектр задач подготовки производства и непосредственно производства современного машиностроительного предприятия:

• проектирование деталей и конструкций, штампов и пресс­форм, технологической оснастки; подготовку КТД в полном соответствии с ЕСКД;

• инженерный анализ деталей, узлов и механизмов;

• быстрое прототипирование;

• разработку технологических процессов и УП для оборудования с ЧПУ;

• поставку, внедрение, гарантийное и послегарантийное обслуживание поставленного технологического оборудования, средств измерения и контроля, станочной оснастки, режущего и вспомогательного инструмента;

• обучение и сертификацию специалистов.

Другой отличительной особенностью компании является то, что перед внедрением программных средств и оборудования СОЛВЕР осуществляет экспериментальные проекты, в ходе которых демонстрирует, как и какими средствами можно оптимально решить конкретную производственную задачу. По результатам таких проектов заказчики получают обоснованную спецификацию на поставку необходимого ПО и технологического оборудования.

Компания СОЛВЕР прежде уже выполнила для «Фазотрон-НИИР» экспериментальный проект, а затем и проект внедрения действующего прототипа технологической подготовки производства на базе программного комплекса Pro/ENGINEER и вертикальных фрезерных центров FADAL. Задачей же проекта, о котором пойдет речь в этой статье, было распространение положительного опыта этих проектов на конструкторскую подготовку производства. Кроме того, большой интерес у специалистов предприятия вызывало проведение инженерных расчетов в Pro/ENGINEER.

Объектами экспериментального проекта были выбраны несколько изделий, на примере которых компания СОЛВЕР продемонстрировала возможности современных программных средств и комплексные методы конструкторско-технологической подготовки производства.

Конструкторское проектирование

Конструирование

В рамках проекта наиболее полно по этапам конструкторско-технологической подготовки производства было проведено изделие «Жук-М». Проектирование щелевой антенны, входящей в состав этого изделия, выполнялось средствами Pro/ENGINEER с использованием метода восходящего проектирования (рис. 1) на основе рабочих чертежей и компоновочных схем.

Характерной особенностью этой антенны было наличие большого количества повторяющихся элементов: отверстий, штырей и волноводных щелей. Pro/ENGINEER предоставляет широкие возможности для построения массивов элементов, сходных по форме, но различающихся по размерам. А последняя версия Pro/ENGINEER — Wildfire, помимо создания размерных (Dimension), табличных (Table) и ссылочных (Reference) массивов, предлагает и новый метод их построения — посредством заполнения одинаковыми элементами (Fill) области выбранной формы (рис. 2).

При проектировании изделия в качестве границы, определяющей его контур, использовалась окружность, а для построения массива штырей был выбран тип заполнения по узлам сетки с квадратными ячейками. Кроме этого типа, конструктор мог располагать элементы по круглому, треугольному или другому типу сетки, по спирали и по кривой; задавать расстояния между элементами и расстояния от границ до крайних элементов, угловой поворот сетки и т.д. Для исключения из массива ненужных деталей (они показаны на рис. 2 белыми точками) достаточно было кликнуть на соответствующем элементе.

Для построения массива волноводных щелей (рис. 3) использовался табличный тип массива, данные для которого (координаты расположения щелей, их длина, ширина и угол наклона) были переданы в Pro/ENGINEER в формате Microsoft Excel.

При моделировании крышек, закрывающих волноводные тракты, применялся метод нисходящего проектирования (рис. 4): из уже спроектированной модели антенны была скопирована геометрия волноводного тракта, на основе которой и разрабатывались модели крышек. А с помощью ассоциативной связи моделей была обеспечена возможность при последующем изменении геометрии волноводов автоматически переносить изменения на геометрию крышки.

Моделирование сборки антенны проводилось посредством метода упрощенных представлений, благодаря которому можно достичь более высокой производительности при работе с большими сборками вследствие сокращения времени на открытие и регенерацию их конфигураций, а также снизить требования к аппаратному обеспечению.

На этом этапе моделирования были выявлены ошибки, вызванные неточностями в чертежах и компоновочной схеме. Анализ изделия на собираемость показал наличие пересечений между компонентами сборки, одной из причин возникновения которых являлось то, что при проектировании не была учтена расклепка штырей при сборке. Благодаря применению опции Настройка гибкости (Flexible) комплекса Pro/ENGINEER, позволившей изменить размеры, отклонения, параметры и подавить ненужные элементы без изменения геометрии модели, все недопустимые пересечения были устранены.

Подготовка КТД

Для спроектированного изделия и входящих в него деталей средствами базового модуля Pro/ENGINEER были разработаны полностью соответствующие ЕСКД рабочие чертежи и спецификации, связанные с моделями ассоциативной связью. При изменении размеров и других параметров в модели изменялся чертеж, и наоборот — при изменении размеров и параметров в чертеже изменялась модель.

Применение шаблонов чертежа позволило сократить затраты времени на создание видов, размеров и других условных обозначений. Из таблиц допусков конструктору было достаточно выбрать квалитет, и численное значение отклонения проставлялось автоматически. Графы основной надписи чертежа также заполнялись автоматически на основании параметров модели (рис. 5). Спецификации на сборочную единицу, также связанные с моделью двунаправленной ассоциативной связью, были подготовлены с использованием приложения PartList, разработанного специалистами СОЛВЕР.

Как уже отмечалось, многие детали указанного изделия имели большое количество повторяющихся элементов. При оформлении чертежей было необходимо, чтобы координаты расположения отверстий, штырей и волноводных щелей, а также их изменяющиеся размеры (диаметры штырей и отверстий, ширина, длина и угол наклона щелей) были заданы в таблицах. А поскольку каждый элемент в таблице имеет свой порядковый номер, этот номер должен быть нанесен на виде чертежа рядом с этим элементом. Для формирования таких таблиц использовалось разработанное специалистами СОЛВЕР приложение MakeDrawTable (рис. 6), позволившее значительно сократить время на оформление чертежей.

Инженерный анализ

При работе над изделием «Гукол-1» в рамках проекта основной акцент был сделан на проведении инженерных расчетов. Моделирование щелевой антенной решетки проводилось в Pro/ENGINEER (рис. 7) по представленным рабочим чертежам. За исключением узла крепления (фланец отмечен на рисунке красным цветом) изделие представляет собой тонкостенную конструкцию, поэтому ее моделирование выполнялось с использованием тонкостенных элементов. Массивные же участки были смоделированы объемными элементами. Для поверхностей фланца были введены граничные условия, моделирующие условия закрепления и исключающие их перемещение.

При проведении инженерного анализа изделия использовался аналитический пакет Pro/MECHANICA и были выполнены следующие работы:

• моделирование напряженно-деформированных состояний (НДС) антенны при статическом нагружении;

• моделирование поведения конструкции при гармонических возмущениях основания;

• моделирование поведения конструкции при ударном воздействии.

По каждому из видов нагружения рассматривалось три варианта нагрузки (по числу координат). Приведем результаты анализа только для направления Z, как наиболее критичного с точки зрения жесткости. На рис. 8 представлено НДС антенны при статическом нагружении 5G в направлении оси Z: эквивалентные напряжения по Мизесу достигают максимальных значений в традиционных зонах их концентрации — в зонах резкого изменения геометрии.

Исследование поведения конструкции при гармонических возмущениях основания (зоны фланца) проводилось в интервале частот 10-500 Гц. Согласно техническому заданию, при этом в диапазоне 10-40 Гц воздействие на основание было задано гармоническими колебаниями амплитудой 0,5 мм, а в диапазоне 40-500 Гц — колебаниями с перегрузкой 3G. На рис. 9 приведены графики значений максимальных перемещений и максимальных эквивалентных напряжений в антенне в зависимости от частоты возмущения основания (по оси Z).

На рис. 10 показана картина распределения эквивалентных напряжений в антенне при возмущении основания с такой частотой, при которой наблюдаются максимальные напряжения и перемещения.

Графики значений максимальных перемещений и эквивалентных напряжений в антенне при ударном воздействии на основание, направленном вдоль оси Z, и данные о НДС антенны на момент максимальных эквивалентных напряжений даны на рис. 11.

По результатам моделирования и анализа НДС изделия «Гукол-1» были сделаны следующие выводы:

• наибольшие напряжения и перемещения в конструкции как при статических, так и при динамических видах нагружения возникают в случае действия нагрузок в направлении минимальной жесткости (в данной ситуации с учетом условий закрепления — по нормали к зеркалу антенны);

• максимальные напряжения характерны для зон сопряжения тонкостенных и массивных частей конструкции вблизи узла крепления;

• аналитический модуль Pro/MECHANICA программного комплекса Pro/ENGINEER позволяет определить отклик системы на заданное возмущение как статического, так и динамического характера, то есть получить картины распределения напряжений, деформаций, ускорений и других характеристик анализируемого изделия.

Технологическая подготовка производства

Модели, разработанные в Pro/ENGINEER, содержат всю необходимую информацию для их изготовления: размеры с предельными отклонениями, допуски формы и расположения, чистота поверхностей, а также технические требования и т.д. Благодаря этому, а также за счет возможности параллельного проведения работ, специалисты «Фазотрон-НИИР» одновременно с разработкой рабочей документации на изделия приступили к проектированию оснастки, разработке УП и маршрутно-операционных технологий, что позволило значительно сократить циклы проектирования и изготовления изделия.

Разработка пресс-формы

В рамках проекта для детали «Корпус» (рис. 12) была разработана двухместная пресс-форма для литья под давлением с использованием модулей Pro/MOLDDESIGN и Expert Moldbase Extension комплекса Pro/ENGINEER.

При проектировании формообразующих деталей использовалась ссылочная (технологическая) модель, а основой для ее геометрии служила конструкторская модель. На ссылочную модель были наложены технологические уклоны, припуски, радиусы, усадка. Изменения никак не затрагивали конструкторскую модель, внесение же изменений в конструкторскую модель влекло за собой изменение технологической (благодаря ассоциативной связи моделей).

Модель была проанализирована на разницу по толщине и на наличие отрицательного угла при разъеме (поднутрения). Далее ссылочная модель была помещена в рабочее пространство будущих формообразующих компонентов, а получившаяся полость заполнялась отливкой, после чего был проведен анализ на пересечение компонентов при разъеме пресс-формы.

Проектирование модельного блока выполнялось в модуле Expert Moldbase Extension (рис. 13) при помощи библиотек моделей плит, втулок, колонок, фланцев, крепежных элементов, дополнительных механизмов с соблюдением необходимых стандартов. При проектировании был определен тип конструкции модельного блока (рис. 14), выбраны стандартные компоненты (колонки, фланцы, литниковая втулка и т.д.), создана система охлаждения, размещены толкатели. Для извлечения бокового знака использовался библиотечный механизм подвижного стержня.

Для проверки спроектированной пресс-формы были проведены:

• анализ усилия, создаваемого на клин, при перемещении ползуна;

• сопоставление сжатия машины и усилия, создаваемого внутри формы;

• моделирование режимов работы модельного блока с использованием анимации;

• анализ на наличие взаимного пересечения компонентов.

Для пресс-формы и входящих в нее компонентов был подготовлен комплект КТД в полном соответствии с ЕСКД (рис. 15), а на формообразующие детали были разработаны управляющие программы.

Разработка УП

При разработке УП удалось добиться существенной экономии времени за счет построения обработки волноводных трактов, щелей и отверстий по уже созданным массивам данных. В тех случаях, когда конструкция имеет множество повторяющихся элементов (в изделии «Жук-М» их число доходило до 500), Pro/ENGINEER предоставляет возможность строить обработку только для первого элемента массива, а для всех остальных она строится автоматически. Все разработанные программы были проверены и оптимизированы до их передачи на станок средствами программного комплекса Vericut, который позволяет выявить ошибки программирования, столкновения инструмента с оснасткой на стадии разработки УП, а также обладает функциями моделирования работы конкретного станка и конкретной стойки управления.

Разработка маршрутно-операционных технологий

Разработка маршрутно-операционных технологий выполнялась средствами программного комплекса TechCard фирмы ИНТЕРМЕХ, который позволяет разрабатывать технологические процессы обработки деталей для различных видов производств (механообработки, гальваники, термообработки, сварки, литья, сборки, холодной штамповки и др.) в диалоговом режиме, а при необходимости — и с применением типовых техпроцессов.

Проектирование операционных эскизов в TechCard выполнялось на основе математических моделей, разработанных в Pro/ENGINEER и переданных в TechCard через буфер обмена данными или на основе рабочего чертежа. Дерево обработки (рис. 16) было сформировано с помощью классификаторов операций и переходов, библиотеки типовых наборов операций и переходов, а также каталога оборудования и оснастки.

В рамках каждой операции проводился автоматизированный расчет межоперационных размеров, назначались рекомендуемые режимы резания, осуществлялось попереходное и пооперационное нормирование работ. Выбор из базы данных оборудования для каждой операции можно было выполнять как вручную, так и автоматически — по заранее заданным параметрам и условиям (рис. 17).

После завершения проектирования был автоматически сформирован комплект технологических документов, причем вид и состав комплекта, а также форма бланков определялись пользователем (рис. 18).

Результаты проекта

Работа, проведенная специалистами СОЛВЕР, показала, что система сквозной конструкторско-технологической подготовки производства на основе комплекса программных средств Pro/ENGINEER — Pro/MECHANICA — Vericut — TechCard позволяет эффективно решать весь комплекс задач по сокращению времени и затрат на подготовку изделий к производству, повышению их качества, снижению материалоемкости и себестоимости, обеспечению предприятия конкурентными преимуществами.

Результаты проекта, а также использованные компанией СОЛВЕР методы работы способствовали тому, что «Корпорация “Фазотрон-НИИР”» заключила с СОЛВЕР договоры на проекты внедрения.

СОЛВЕР предлагает

Инженерно-консалтинговая компания СОЛВЕР предлагает машиностроительным предприятиям комплексные технологии и оборудование для построения так называемого умного производства, под которым подразумевается производство высокоэффективное и высокорентабельное.

Главное, чем отличается СОЛВЕР от других консалтинговых фирм и поставщиков программного обеспечения и оборудования, — экспериментальное подтверждение предлагаемых решений. Это позволяет при осуществлении совместных с заказчиками проектов внедрения (автоматизированных систем управления, проектирования и подготовки производства, технологий либо оборудования) снизить до минимума все возможные риски.

Специалисты СОЛВЕР не только помогут решить конкретные производственные проблемы, но и сделают все быстро и качественно, поскольку они располагают знаниями, опытом и средствами для выполнения подобных работ. Установка СОЛВЕР на долгосрочное партнерство и высокий уровень взаимопонимания позволяют промышленным предприятиям успешно развивать свой бизнес в условиях современной экономики.

«САПР и графика» 5'2004