Power Solution — решение для инструментального производства

Павел Ведмидь, Владимир Власов

Каждая система имеет свою историю, и истоком ее является главная идея, под которую она создавалась. В основу программных систем фирмы Delcam plc положена ориентация на изготовление деталей сложных форм в инструментальном производстве. Это не столь массовый рынок, как проектирование изделий, где разворачивается главная борьба между фаворитами рынка CAD/CAM. Вместе с тем он имеет свою специфику, где ценится профессионализм. Трудно выделить какие-то отдельные функции, которые определяют выбор системы именно для инструментального производства. Но Delcam plc — единственная фирма среди разработчиков программного обеспечения, имеющая в своем составе современный инструментальный цех, оборудованный по последнему слову техники. Возможно, именно в содружестве производственников и программистов и заключен секрет создания систем от инструментальщиков для инструментальщиков. А в подтверждение приведем данные из ежегодного отчета самого авторитетного источника в сфере анализа рынка CAD/CAM/PDM-систем — CIMdata — NC Software & Related Service Market Assessment, 2000. Delcam plc стала в Европе и Америке ведущей фирмой среди поставщиков программного обеспечения для производства пресс-форм и штампов (рис. 1).

Базовой системой комплекса Power Solution является моделировщик PowerSHAPE, который имеет целый ряд специальных функций, ориентированных на технолога оснастки, а именно:

• развитые средства создания уклонов и разъемов;
• средства распределения поверхностей на матрицу и пуансон;
• мощные команды создания скруглений (в том числе переменного радиуса, с разветвлениями, с вырождением радиуса, с острой кромкой на перегибах и т.д.);
• средства анализа модели (поиск дубликатов, проверка гладкости, допустимого уклона, предельного радиуса кривизны).

Являясь гибридным инструментом для моделирования, PowerSHAPE сочетает в себе возможности мощного поверхностного моделировщика (доступ на уровне точки, управление касательными в точках, специальные методы сглаживания) и твердотельного моделировщика (логические операции сложения, вычитания, пересечения тел, операции создания бобышек, вырезов, отверстий). Среди твердотельных функций имеется чисто технологическая (электрод), представляющая собой сочетание операций создания тела, вычитания тела и смещения, учитывающего межэлектродный зазор. Причем тела в PowerSHAPE могут быть незакрытыми (не образующими замкнутый объем) и даже состоять из одной поверхности. Тела можно многократно преобразовывать в поверхности и обратно.

PowerSHAPE имеет прямые интерфейсы к основным системам конструкторского направления и может использоваться для технологической проработки изделий.

Фирма «Делкам-Урал» могла в полной мере проверить эти возможности в процессе проектирования корпуса парового утюга для Уфимского агрегатного производственного объединения (УАПО). Описывая некоторые этапы этого проекта, особое внимание мы уделим именно специфическим функциям, использованным в процессе работы. Исходными данными служили чертежи корпуса утюга (всего девять деталей), криволинейные поверхности которого были заданы сечениями с шагом 10 мм. При этом в технических требованиях говорилось, что для обеспечения гладкости можно перемещать любую точку на ±1 мм. Вместе с тем необходимо было обеспечить совпадение контуров сопрягаемых деталей с достаточной точностью. Вследствие этого перемещение точек и корректировку контуров можно осуществлять только путем работы с поверхностью (а не с телом).

На рис. 2 показана модель корпуса утюга в окончательном виде. Ниже мы подробнее проиллюстрируем некоторые этапы работы.

Поскольку корпус и крышки в сборе должны образовывать единое целое (обеспечивать гладкое сопряжение), вначале моделируется внешняя поверхность — общая для корпуса и крышек (рис. 3). На этой стадии используются такие функции, как сглаживание образующих. Возможны автоматическое сглаживание касательных в опорных точках, сплайн аппроксимации поверхности с автоматическим перемещением точек, перераспределение позиций и количества опорных точек при сохранении формы кривой.

При этом обычная окраска часто не позволяет увидеть неровности или складки на поверхности. Для контроля гладкости используется специальный вид цветовой окраски — окраска изофотами (линиями равной освещенности). На рис. 4 и 5 показан участок поверхности в режиме окраски изофотами до и после сглаживания.

Шаг сечений 10 мм для моделирования является избыточным. Известно, что чем меньше в поверхности образующих, тем она более гладкая. Тем не менее дизайнер изделия для задания формы использовал именно этот шаг, но оцифровка была сделана грубо. В связи с этим необходимо было не только сглаживать образующие, но и в разумных пределах уменьшить их количество без заметного отклонения от требуемой формы.

Простые формы были созданы твердотельными операциями. Будучи гибридным моделировщиком, PowerSHAPE позволяет эффективно работать с твердыми телами и многократно преобразовывать их в поверхности и обратно. На рис. 6 представлены ручка (основную деталь корпуса), сделанная в поверхностях, и накладка (серого цвета), полностью сделанная твердотельными операциями. Элементы типа бобышек и ребер также добавляются как твердотельные элементы, однако ручка перед этим была преобразована в тело.

Как будет показано далее, при создании оснастки тело снова будет разбито на поверхности, а границы поверхностей будут перестроены.

Функция динамического сечения позволяет лучше отслеживать расположение сопрягаемых деталей (рис. 7). Эта же функция полезна при сравнении вариантов сглаженной и исходной поверхностей. Именно в динамическом варианте расхождение между сечениями весьма наглядно. При желании любое сечение можно сохранить как кривую.

Теперь о стадии создания формообразующих поверхностей пресс-форм. Для перехода от модели изделия к моделям оснастки в PowerSHAPE имеется целый ряд специализированных функций: автоматическое разделение поверхностей на матрицу и пуансон, автоматический поиск линии разъема, создание уклонов (в том числе до криволинейных поверхностей и от пространственной линии), разные виды технологической окраски. Автоматическое разделение поверхностей осуществляется следующим образом. Для заданного направления разъема определяются видимые и невидимые поверхности, одна группа будет оформлять матрицу, другая — пуансон. Для поверхностей, формирующих и матрицу и пуансон, осуществляются автоматический поиск линии разъема и разделение этих поверхностей по найденной линии. Затем поверхности усекаются до найденной линии, причем механизм границ в PowerSHAPE позволяет в случае необходимости работать с неусеченной поверхностью без перестройки модели — перестраиваются только границы.

Рассмотрим разные модели, получаемые в процессе работы над пресс-формой для главной детали корпуса — ручки (рис. 8). Золотистым цветом выделена модель, которую получает конструктор инструментального производства от конструктора изделий, серым — выделенные из модели и отредактированные формообразующие поверхности пресс-формы, синим — дополнительно построенные поверхности разъема.

Форма имеет пять формообразующих элементов: правая и левая матрицы, пуансон, верхний и задний ползуны. В данном случае поверхности разъема создаются из кромок изделия, некоторые из них криволинейные, трехмерные. Усадка материала на этой стадии учитывается путем масштабирования модели. Элементы изделия, не требующие числовой обработки (бобышки, ребра, вырезы), из модели оснастки необходимо исключить. Здесь может возникнуть вопрос: а зачем мы их моделировали? Причины как минимум три: во-первых, чтобы проверить соосность бобышек и отверстий, заданных на разных чертежах, иногда от разных баз; во-вторых, некоторые ребра используются при создании технологических разъемов; в-третьих, для привязки этих элементов при создании технологических эскизов на универсальных операциях (рис. 9).

Далее поверхности надо проверить на наличие технологического уклона. Для этого в PowerSHAPE имеется специальный вид окраски, где цветом выделены участки допустимого (зеленый), предельного (желтый) и недопустимого (красный) уклона. В нашем случае уклон не был выдержан на заднем ползуне, так как при моделировании изделия еще не ясна была конструкция оснастки (рис. 10). На рис. 11 изображен задний ползун после решения проблемы с технологическим уклоном. Проверить уклон (и другие параметры) в любой точке поверхности можно простым указанием курсором, который скользит вдоль выбранной поверхности (рис. 12).

Еще один вид технологической окраски — анализ радиуса кривизны. На рис. 13 — матрица задней крышки утюга в режиме анализа радиуса, красным цветом показаны участки поверхности, имеющие вогнутый радиус менее 2 мм (эта величина, естественно, регулируется), а на рис. 14 — та же матрица, но для радиуса кривизны 1 мм. Такой вид анализа помогает подобрать инструмент для обработки поверхности или выявить зоны, где обработка резанием невозможна и необходимо применить электрод для электроэрозионной доработки). Анализ минимального радиуса на стадии проектирования изделия позволяет выявить возможные технологические проблемы.

PowerSHAPE имеет встроенный чертежный модуль, позволяющий очень быстро создавать чертежи и технологические эскизы по трехмерной модели. Образмеривание криволинейных поверхностей, как правило, при таком подходе не требуется, поскольку обработка этих поверхностей рассчитывается непосредственно по объемной модели. Эскизы необходимы для настройки станков, доработки на универсальном оборудовании. Обычно это габаритные размеры, межосевые расстояния, отверстия, уступы и т.п. На рис. 15 приведен пример технологического эскиза для настройки станка с ЧПУ.

Расчет управляющих программ для станков с ЧПУ для системы управления 2С42 выполнялся в пакете PowerMILL фирмы Delcam plc, имеющем много мощных и гибких функций. Перечислим некоторые из них:

• В черновой обработке: поддержка заготовки произвольной формы, автоматический выбор угла растра, фильтр зоны обработки (например, не обрабатывать зоны размером менее двух диаметров фрезы), черновая доработка — последовательная доработка инструментом меньшего диаметра и др.
• В чистовой обработке: постоянный шаг по поверхности (3D offset), «карандашная» обработка (поиск и обработка острых вогнутых углов), проекционная обработка (оригинальный способ задания зоны обработки, используемый в том числе и для обработки поднутрений при трехкоординатной обработке), работа по шаблонам пользователя.
• Использование автоматически рассчитываемых границ для уточнения зоны обработки, в том числе пологой (для участков поверхности с уклоном не более (или более) заданного и необработанной (при доработке меньшим инструментом или инструментом другой формы). Возможно гибкое редактирование границ.
• Рекордная скорость счета программ, скорость пересчета (при смене параметров) существенно выше первоначального счета, режим отложенного счета (пакетный режим).
• Оптимизация холостых ходов с поддержкой разных связок между проходами, в том числе связки по поверхности, подводы и отводы по дуге и касательной.
• Гибкие способы разбивки траектории на части: по длине траектории, по времени работы, по размеру программы, по направлению (отдельно подъемы, отдельно спуски).
• Поддержка сплайн-интерполяции.

В качестве иллюстрации к вышесказанному на рис. 16 показана траектория обработки только пологих участков поверхности, автоматически выполненная в PowerMILL, на рис. 17 — результат имитации обработки.

Важной чертой пакета PowerMILL является нетребовательность к входным данным. Не секрет, что многие системы гарантируют приемлемое качество программ только при хорошем качестве входной модели. Имеется в виду отсутствие даже небольших зазоров, замкнутость модели в твердое тело и т.д. Необходимость доработки и сшивки модели иногда отодвигает этап обработки на дни и даже недели. PowerMILL корректно обрабатывает проблемные места, никогда не опуская фрезу в зазор и таким образом исключая зарез формы. Стоимость даже одной испорченной формы может превысить экономию, полученную при покупке более дешевой системы, не ведущей проверку зарезов.

«САПР и графика» 11'2000