10 - 2000

Реставратор виртуальных эталонов деталей

Контроль является неотъемлемой частью производства
и часто требует больших затрат, но за счет хорошей подготовки
и организации автоматизированногопроизводства
его стоимость может быть существенно снижена...

Пьер Безье

Игорь Бычков, Юрий Ващук, Владимир Комбаров

В производственной практике НПФ «АВИАМотоР» часто возникает необходимость получения математической модели детали. Существующие системы компьютерных помощников — реставраторов эталонов деталей, названные в статье «Я, Вань, такую же хочу» («САПР и графика» № 6’2000) гибридными моделировщиками, позволяют по существующей детали путем оцифровывания ее поверхности получить математическую модель интересующего объекта.

Операция реставрации может быть выполнена при помощи объемных сканеров или контрольно-измерительных машин (см. «Компьютерные технологии реверсивного проектирования», «САПР и графика» № 1’2000), на которых производят оцифровку точек поверхности детали. Аппроксимируя точки сплайновой поверхностью, получают математическую модель — портрет детали. Поскольку одну и ту же поверхность детали можно аппроксимировать различными методами, то и портретов детали может быть получено множество. Из виртуального множества аналитических портретов выбираем лучший и утверждаем его в качестве отреставрированного эталона детали (рис. 1).

Критерием выбора отреставрированного эталона из виртуальных аналитических портретов служит условие минимального отклонения последнего от аналитического эталона детали (аналитической модели, на основании которой была изготовлена деталь). Собственно говоря, реставрация этого аналитического эталона и производится ввиду несоответствия ему имеющейся детали из-за технологических отклонений, износа и т.д. Для определения точности выполнения виртуального портрета детали относительно эталона необходимо произвести измерение поверхности. Однако возникает вопрос: как измерить сложную криволинейную поверхность? Не погружаясь в сложности вопроса об эквивалентности криволинейных поверхностей, скажем, что корректные результаты можно получить, сравнив достаточный набор точек элемента детали и портрета детали, полученных при помощи тех же контрольно-измерительных машин или другим способом, удовлетворяющим критериям точности. Впоследствии, в ходе дальнейшего решения производственной задачи, реставрированный эталон детали может выступать в качестве аналитического эталона для изготовления следующих деталей, полностью вытеснив первоначальный эталон.

Разнообразие реставрационных задач и требований к точности их реализации диктует и множество виртуальных путей их решения. Например, при изготовлении детской игрушки по прототипу, описанному в указанной статье «Я, Вань, такую же хочу», требования к точности изготовления прототипа можно опустить. Главное здесь — внешнее сходство. Но если необходимо изготовить вкладыш спинки стула (рис. 2), который должен сопрягаться с закупленной у стороннего поставщика облицовкой (рис. 3), то требования к точности оснастки вкладыша являются достаточно жесткими.

Высокая точность сканирования необходима, поскольку задача состоит в увязке с внутренним контуром спинки не только наружного контура вкладыша, но и других посадочных и крепежных мест. Для обеспечения требований точного сопряжения следует выполнять сканирование сопрягаемых поверхностей детали.

Успех решения задачи оцифровки зависит от точности оцифровки, то есть выбора оборудования, точности аппроксимации, выбора алгоритма, стоимости реализации и эффективности (окупаемости) принятого варианта в нынешних экономических условиях. Закупка измерительных промышленных комплексов сегодня для большинства отечественных машиностроительных предприятий — задача трудновыполнимая, поэтому во многих случаях следует ориентироваться на имеющееся в наличии оборудование с некоторой его модернизацией.

Для оцифровки поверхностей эталонных деталей (см. рис. 3) в качестве измерительного устройства предлагаем выбрать фрезерный станок, оборудованный СЧПУ серии «Интерполятор» с приставкой «Сканер». Воспользовавшись функцией сканирования поверхности в прямоугольной области (рис. 4), получаем равномерно распределенное множество точек на оцифровываемой поверхности. Задав различное количество точек вдоль осей Х и Y, получаем различные шаги сетки DX, DY по соответствующим по осям. Измерение Z проводим в каждом узле сетки.

Необходимо различать точность обработки на фрезерном станке, когда на его элементы оказывает воздействие изменяющаяся по величине и направлению сила резания, и точность позиционирования тактильной головки, когда эта малопрогнозируемая составляющая отсутствует. Таким образом, можно ожидать, что на одном и том же фрезерном станке точность измерений будет в несколько раз выше точности изготовления. Для проверки этих предположений проведены экспериментальные исследования на фрезерном станке 6Н13ГН1, оборудованном СЧПУ серии «Интерполятор» (НПФ «Авиамотор») с приставкой «Сканер» (рис. 5). СЧПУ серии «Интерполятор» создана на базе современной микропроцессорной техники, что позволило воспользоваться всеми преимуществами компьютерной обработки данных непосредственно на рабочем месте оператора станков с ЧПУ.

Аппроксимация точечно заданной поверхности сопряжена с принципиальными проблемами, поэтому трудно выполнима даже с достаточной для практики точностью. И дело не в отсутствии алгоритмов обработки данных, а в отсутствии одной и только одной поверхности на множестве оцифрованных точек. Задача реставрации математической модели проведена в системе компьютерного помощника инженера-механика EUCLID, поскольку последняя создана при непосредственном участии П.Безье (см. эпиграф). Математический аппарат, разработанный П.Безье, наилучшим образом подходит для решения всего комплекса производственных задач реставрации аналитического эталона. В этом можно было еще раз убедиться при реализации данного проекта.

Анализ геометрии детали позволил создать технологию восстановления поверхностей по оцифрованным точкам, тем самым значительно сократив затраты времени на реставрацию ее эталона. При сканировании наиболее важных участков — внешней поверхности вкладыша, окантовки поверхности вкладыша спинки и участка узла крепления — шаг оцифровки уменьшался. На рис. 6 приведен массив оцифрованных точек поверхности вкладыша. EUCLID предоставляет отличную возможность построения гладкой поверхности по минимальному количеству точек. Процесс построения прост: сначала строятся кривые Безье, а затем по ним восстанавливается поверхность, причем во время построения как кривой, так и поверхности контролируется точность построения.

Важное условие соответствия вкладыша имеющейся облицовке — обеспечение сопряжения их окантовок. Корректное построение окантовки вкладыша подразумевает восстановление внутренней поверхности сопрягаемой детали — облицовки, для чего производится оцифровка контура последней. Затем выполняется построение окантовки облицовки и сопрягаемой с ней окантовки вкладыша спинки (рис. 7).

Проектирование вкладыша завершается построением мест крепления облицовки, что очень удобно выполнять с помощью функции построения наплывов и бобышек (рис. 8). Для производства вкладыша методом литья под давлением на термопласт-автоматах была спроектирована пресс-форма.

Создание матрицы и пуансона пресс-формы происходило при помощи топологических операций между объемными моделями элементов конструкции пресс-формы и моделями поверхностей детали (рис. 9). При этом был осуществлен переход от моделирования поверхностей к адаптивному моделированию, которое ускорило процесс создания пресс-формы. Эффективному процессу разработки конструкции пресс-формы способствовало наличие функций определения линии и поверхности разъема.

Стратегия разработки управляющих программ для изготовления пуансона и матрицы направлена на обеспечение собираемости с требуемой точностью. На имеющемся оборудовании невозможно независимо изготовить пуансон и матрицу (рис. 2 и 9), обеспечив при этом максимальный зазор между поверхностями смыкания в 0,05 мм. Потребуется большой объем доводочных операций, выполняемых вручную. Поэтому был применен способ зависимого образования размеров, при котором первостепенное значение приобретает не столько соответствие каждой отдельной детали своему аналитическому эталону, сколько величина зазоров сопрягаемых поверхностей. Изготовление пуансона сопровождалось контролем получаемой геометрии, осуществляемым путем сканирования поверхности детали после определенных этапов обработки. Сканирование производилось на том же фрезерном станке, на котором выполнялось изготовление детали (рис. 10). Это позволило избежать переустановок детали и выполнять измерения в той же системе координат, что и при механической обработке. По результатам оцифровки поверхности пуансона после завершения обработки был реставрирован его аналитический эталон (см. рис. 1). Этот эталон заменил аналитический эталон пуансона, полученный ранее при проектировании пресс-формы, поскольку точнее описывает изготовленный пуансон.

Изготовление матрицы выполнялось аналогично изготовлению пуансона, но в качестве аналитического эталона при контроле поверхностей смыкания использовался реставрированный аналитический эталон пуансона. Такой подход способствовал минимизации зазора между сопрягаемыми поверхностями.

В процессе изготовления пуансона и матрицы производилось сканирование следа фрезы при контрольном фрезеровании в алюминиевой пластине. После этого по полученному массиву точек был отреставрирован виртуальный эталон фрезы (рис. 11), который затем использовался при разработке управляющей программы (рис. 12). Данная процедура уменьшила погрешность обработки, связанную с погрешностью изготовления инструмента.

Результаты сканирования после завершения очередного этапа обработки передавались в CAD/CAM EUCLID и сравнивались с аналитическим эталоном (рис. 13), что позволило определить фактические значения припусков и внести корректировки в управляющую программу для станка с ЧПУ для последующей обработки.

Применение метода реставрации виртуального эталона сопрягаемой детали существенно сократило время на доработку пресс-формы. При традиционном методе время доработки — 112 часов, при предлагаемом — 8 часов.

Конструкция пресс-формы содержит более 200 различных деталей (рис. 14). Проектирование пуансона и матрицы, а также их изготовление производились на НПФ «Авиамотор», остальных деталей — на трех различных заводах. Сборка и испытание пресс-формы осуществлялись на АО «Красная звезда» (г. Кировоград), куда были доставлены все комплектующие. Процесс сборки и подгонки пресс-формы занял 8 часов (рис. 15). На подготовку и изготовление опытной партии (рис. 16) вкладышей спинки стула было затрачено 4 часа.

Срок, в течение которого была выполнена работа, удовлетворил опытных специалистов АО «Красная звезда»: «Авиация продемонстрировала высший пилотаж, чему незазорно и поучиться». Однако многие непосредственные участники этого проекта пока только готовятся стать дипломированными инженерами. Они не волшебники, они еще только учатся. И это еще раз доказывает правильность нашего подхода.

«САПР и графика» 10'2000