Возможности сквозного конструкторско-технологического проектирования в среде САПР Pro/Engineer на примере решения конкретной задачи Конструкторского бюро приборостроения

Радислав Бирбраер, Андрей Колмаков, Иван Радченко, Евгений Чучукин, Николай Моисеев

Этап 1. Анализ и синтез основных функциональных параметров кулачка

Этап 2. Трехмерное проектирование геометрии управляющего кулачка

Этап 3. Проектирование технологической оснастки для изготовления управляющего кулачка

Этап 4. Подготовка управляющих программ обработки оснастки на оборудовании с ЧПУ

Этап 5. Изготовление оснастки на станках с ЧПУ

Результаты проекта и выводы

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

На ГУП «Конструкторское бюро приборостроения (КБП)» (г. Тула) при технической поддержке инженерно-консалтинговой фирмы SOLVER осуществлено сквозное конструкторско-технологическое проектирование одного из функционально основных элементов механизма специального назначения — управляющего кулачка.

Цель работы: продемонстрировать возможности комплексного подхода к автоматизации проектирования и производства на основе САПР Pro/Engineer.

Этапы проектирования должны охватить все стадии подготовки производства: от анализа и синтеза основных функциональных параметров кулачка до практического изготовления необходимой оснастки (пресс-формы) и получения в ней модели отливки.

Этап 1. Анализ и синтез основных функциональных параметров кулачка

Цель работы: осуществить синтез, анализ и оптимизацию основных параметров кулачка.

Использованные модули комплекса Pro/Engineer: модуль инженерного анализа Pro/MECHANICA (Structural Simulation Option и Motion Simulation Option).

• Построение траектории движения управляющих кулачков.

Для построения направляющих кривых профиля кулачка был смоделирован механизм, состоящий из цилиндрического тела кулачка и двух роликов. Для кулачка задается условие его вращения вокруг оси, для роликов — условие их перемещения по прямым линиям, параллельным оси вращения.

В данной работе в моделируемую систему была введена дополнительная плоскость (рис. 1), касательная к цилиндрической поверхности тела кулачка. Эта плоскость обкатывается по цилиндрической поверхности за счет придания поверхностям свойств зубчатого зацепления. На вспомогательной плоскости средствами модуля Motion Simulation и строятся направляющие кривые.

• Синтез и анализ кулачка.

Синтез кулачка осуществлялся по четырем шагам:

• создание приводов, обеспечивающих необходимые движения ведущего и ведомого звеньев кулачковой пары;
• анализ работы механизма;
• определение траектории движения роликов относительно тела кулачка (относительно вспомогательной плоскости);
• создание модели пары «паз — ролик».

Для кулачка создан привод, обеспечивающий его равномерное вращение вокруг оси. Задано условие: за одну секунду кулачок делает полный поворот (рабочий участок около 350°, входной и выходной участки — по 60°). Для роликов созданы приводы согласно табличным значениям. Исходные зависимости перемещений первого и второго роликов от времени приведены на рис. 2.

По результатам моделирования получены траектории движения роликов относительно вспомогательной плоскости, которые и определяют направляющие кривые для получения необходимого профиля кулачка.

Основная проблема моделирования заключается в том, что направляющие кривые в начале и конце рабочих зон имеют радиусы кривизны менее 3 мм, что не позволяет получить профиль кулачка без перехлестов огибающих поверхностей, а значит, и без подрезов.

В процессе анализа были скорректированы значения перемещений первого ролика на начальном участке (рис. 3) и конечный угол поворота кулачка (рис. 4), что позволило получить минимальный радиус кривизны обеих направляющих.

В результате моделирования движения получены зависимости углов наклона направляющих от угла поворота кулачка (рис. 5). Углы наклона направляющих не превысили допустимых значений.

Для получения зависимостей угла поворота кулачка от времени по заданным значениям перемещений роликов была решена обратная задача. Модель была изменена следующим образом: были созданы соединения «паз — ролик», базирующиеся на ранее полученных направляющих кривых. Приводы, обеспечивающие вращение кулачка и перемещение первого ролика, были удалены, а приводу второго ролика табличным способом задан закон движения, соответствующий изделию. Для отслеживания угла поворота кулачка введен соответствующий критерий. Искомые зависимости от времени угла поворота кулачка были найдены посредством анализа движения механизма.

Полученные значения угловой скорости кулачка (выраженные в шагах в секунду) показаны на рис. 6. В начальный момент движения угловая скорость вращения превышает предельную скорость для выбранного шагового двигателя. Путем сглаживания зависимостей, описывающих привод кулачка, удалось снизить максимальное значение угловой скорости до требуемого значения. Отклонения перемещений роликов от исходных значений, обусловленные проведенным сглаживанием, приведены на рис. 7. Как следует из графиков, отклонения наблюдаются только в начальный момент движения, для которого и была проведена корректировка угловой скорости.

Результаты и выводы. С использованием модуля инженерного анализа Pro/MECHANICA были осуществлены синтез, анализ и оптимизация основных функциональных параметров, удовлетворяющих условиям технического задания.

Этап 2. Трехмерное проектирование геометрии управляющего кулачка

Цель работы: создание трехмерной модели управляющего кулачка.

Использованные модули комплекса Pro/Engineer: базовый модуль Pro/Engineer Foundation и модуль проектирования сложных трехмерных поверхностей Advanced Surface Extension.

На этом этапе работы (после построения в Pro/Engineer направляющих кривых движения управляемых роликов) осуществлялось построение геометрической модели собственно управляющего кулачка. При моделировании канавки была использована одна из основных функций ядра Pro/Engineer — SWEEP — протяжка сечения по трехмерной траектории (рис. 8).

Результаты и выводы. Средствами Pro/Engineer создана трехмерная модель управляющего кулачка с параметрами, соответствующими техническому заданию.

Этап 3. Проектирование технологической оснастки для изготовления управляющего кулачка

Цель работы: спроектировать трехмерные модели пресс-формы для изготовления кулачка.

Использованные модули комплекса Pro/Engineer: базовый модуль Pro/Engineer Foundation, модуль проектирования технологической оснастки Tool Design Option.

В КБП кулачок традиционно изготавливался из прутка путем механической обработки на станке с ЧПУ. В качестве альтернативного решения была предложена и реализована более прогрессивная технология изготовления кулачка — из литой заготовки с последующей механической обработкой только стенок управляющей канавки.

При проектировании отливки (литой заготовки) по технологическому чертежу были наложены следующие условия усадки: по оси X — 0,8%, по оси Y — 1,0%, по оси Z — 1,0%. Заглушены отверстия и зоны, получаемые механической обработкой, наложены припуски под механическую обработку, добавлены технологические приливы.

Отдельный этап работы — определение литейных уклонов. Согласно техническому заданию были рассмотрены два варианта изготовления пресс-формы для восковой модели: с разъемом на две и четыре части.

При моделировании пресс-формы с разъемом на две части получились значительные литейные уклоны на внешних поверхностях направляющей канавки, которые необходимо удалять дополнительной механической обработкой (рис. 9). Поэтому в качестве основного рабочего варианта была принята конструкция с двумя перпендикулярными плоскостями разъема пресс-формы на четыре части.

Было выполнено моделирование литейных уклонов таким образом, чтобы исключить поднутрения и дать положительный угол наклона (не более 1°) на вертикальных стенках для свободного выхода восковой модели из пресс-формы (рис. 10).

На рис. 11 показана спроектированная пресс-форма. Для наглядности одна из разъемных частей показана полупрозрачной.

На рис. 12 показаны четыре части пресс-формы. Каждая из них имеет сложную трехмерную формообразующую поверхность.

Изготовление формообразующих пресс-формы слесарным способом потребует больших затрат времени и не даст необходимой точности. Поэтому эффективнее изготавливать их на фрезерном станке с ЧПУ.

Результаты и выводы. Средствами Pro/Engineer спроектированы формообразующие элементы пресс-формы, определены оптимальные литейные уклоны и оптимальная конструкция пресс-формы.

Этап 4. Подготовка управляющих программ обработки оснастки на оборудовании с ЧПУ

Цель работы: создание управляющих программ обработки пресс-форм на оборудовании с ЧПУ.

Использованные модули комплекса Pro/Engineer: базовый модуль Pro/Engineer Foundation, модуль проектирования управляющих программ для станков механической и электроэрозионной обработки NC Machining Option и генератор постпроцессов Pro/NCPOST.

Геометрия формообразующих поверхностей элементов пресс-формы имеет малые (0,8-1,0 мм) внутренние радиусы на глубине 10,5 мм. Изготовить их фрезерными операциями весьма сложно. Поэтому было решено удалить основную часть материала на фрезерном станке с использованием операции послойной черновой обработки (рис. 13), затем сферической фрезой диаметром 6 мм выполнить получистовую (с припуском) обработку поверхностей (рис. 14). Для этого средствами программного модуля NC Machining Option была смоделирована необходимая управляющая программа для фрезерного станка.

Окончательную чистовую обработку было решено произвести на электроэрозионном оборудовании. Обычно обработку такого рода проводят двумя электродами — черновым и чистовым, которые отличаются друг от друга режимами обработки, величинами искрового зазора и, следовательно, геометрией. Так как в данном случае деталь была предварительно подвергнута фрезерованию, то потребовался только один электрод — чистовой.

Прожигной электрод (инструмент второго порядка) был смоделирован средствами ядра системы Pro/Engineer (рис. 15) и обработан по управляющей программе, созданной средствами NC Machining Option (рис. 16). На нем малые радиусы (0,8-1,0 мм) являются внешними и не представляют сложности для обработки. При изготовлении электрода была учтена величина искрового зазора.

Результаты и выводы. Средствами программных модулей Pro/Engineer Foundation, NC Machining Option и NCPOST были созданы и отлажены управляющие программы для металлорежущего и электроэрозионного оборудования с ЧПУ.

Этап 5. Изготовление оснастки на станках с ЧПУ

Цель работы: изготовить пресс-форму для отливки управляющего кулачка.

Используемое оборудование и инструмент: вертикальный обрабатывающий центр VMC3020 фирмы FADAL (поставляется фирмой SOLVER), составные концевые фрезы системы Minimaster фирмы SECO (поставляются фирмой SOLVER), электродный электроэрозионный станок фирмы SODICK.

Черновая и получистовая обработка пресс-формы проводилась на фрезерном станке. Окончательная чистовая обработка — на электроэрозионном.

Результаты и выводы. Полностью изготовленные элементы пресс-формы были переданы в инструментальное производство КБП, где пресс-форма была окончательно собрана и испытана. Пресс-форма (рис. 17) и отливка из модельной массы (рис. 18) признаны удовлетворяющими требованиям предприятия.

Результаты проекта и выводы

• На примере решения конкретной задачи Конструкторского бюро приборостроения продемонстрированы возможности комплексного подхода к конструкторско-технологическому проектированию и производству с применением современных программных средств САПР Pro/Engineer, которые позволили полностью и эффективно решить задачи конструкторской и технологической подготовки изделия, необходимого предприятию.
• Реализована полная адекватность технологически обеспеченных параметров исполнительного звена расчетным параметрам.
• Разработан и внедрен новый эффективный технологический процесс изготовления малых серий управляющих кулачков.

«САПР и графика» 11'2000