Черепашков А.А., Носов Н.В. Компьютерные технологии, моделирование и автоматизированные системы в машиностроении

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел 7, Компьютерное моделирование и автоматизация процессов производства

а б

Рис. 7.5.4. Маршруты инструмента для фрезерования сложных форм:

а — геометрическая модель с нанесенной траекторией фрезы;

б — отфрезерованная по геометрической модели деталь

534

7.5. Моделирование механической обработки

Модуль HI-MILL 3D САМ обладает простым интерфейсом,

доступным для работающего в цехе оператора станка, а созда-

ваемые при его помощи программы достаточно эффективны

и позволяют вести обработку на высокой скорости.

Создание новых объектов позволяет добавить к геометриче-

ской модели новые плоские поверхности, параллельные плоско-

сти XY и имеющие различные формы (прямоугольная, круглая,

многоугольная). Такие поверхности можно использовать, на-

пример, для выявления любых возможных ошибок во входных

файлах, используемых для определения проекта, или для защиты

файла от любых нежелательных изменений.

Система позволяет моделировать и программировать многоо-

севую обработку (по 3 + 2 осям) и высокоскоростное фрезерование.

Автоматически создается программа обработки без резких

изменений направления, которые не годятся для высоких ско-

ростей обработки. С учётом предыдущей обработки программа

рассчитывает каждый проход таким образом, чтобы снимаемый

материал не превышал количества, указанного пользователем,

а для большого объема удаляемого материала создаёт несколько

последовательных проходов. Точность, с которой точки распре-

деляются вдоль всех маршрутов, и их высокая плотность оказы-

вают положительное влияние на время обработки и, прежде все-

го, на качество поверхности готовой детали.

Для моделирования процессов механообработки, кото-

рое осуществляется в интерактивном режиме, инициируемом

и управляемом человеком, принципиально важным является

наличие развитых графических возможностей в программном

обеспечении САМ-систем. Одной из самых востребованных

функций, необходимых для обеспечения поддержки инженер-

ных решений, является реалистическая визуализация процесса

обработки.

Модуль визуализации (эмуляции) позволяет последовательно

увидеть весь процесс получения детали из черновой заготовки.

При этом графические картины на экране (рис. 7.5.5) получа-

ются путем наложения изображений отдельных маршрутов, вы-

численных при движении инструмента. Толщина снимаемого

слоя материала выделяется цветом, который изменяется соот-

ветственно количеству остаточного материала.

535

- глубина и угол наклона боковых стенок;

- стратегия обработки (создание контура или волновая);

- вид обработки (черновая или окончательная);

- технологические параметры для создания маршрутов ин-

струмента, наиболее оптимальные приближения инструмента,

допуски на обработку сторон и дна канавки.

При этом можно также создать маршруты (траектории) без

резких изменений направления, которые годятся для высоко-

скоростной обработки. Идентификация канавки производится

автоматически в геометрических моделях изделия, импортиро-

ванных в формате IGES.

При одной ориентации инструмента можно обработать не-

сколько канавок как в режиме черновой, так и окончательной

обработки. Если файл IGES содержит описание поверхности, то

геометрию канавки можно определить непосредственно матема-

тическими расчетами, поэтому можно идентифицировать канав-

ки и управлять ими в любой секции. Любые другие внутренние

пазы можно идентифицировать и автоматически исключить из

процесса обработки.

Фрезерование сложных форм обеспечивает специальный мо-

дуль, который позволяет в интерактивном режиме в рамках

программно-аппаратной системы самого станка с ЧПУ созда-

вать сложные маршруты инструмента (рис. 7.5.4).

Раздел 7. Компьютерное моделирование и автоматизация процессов производства

На рис. 7.5.6 а—з приведены некоторые показательные при-

меры различных моделей механообработки.

7.5.2. Основные термины технологии CNC

В настоящее время большая часть современного оборудования

с ЧПУ поставляется в Россию из-за рубежа, причем чаще всего оно

оснащено англоязычными версиями программ. В книге дан пере-

чень английских терминов, которые часто встречаются при описа-

нии моделей и моделирования механообработки в программном

обеспечении и руководствах пользователей САМ-систем.

Функции преобразования позволяют пользователю в режиме

диалога с компьютерной системой управлять построением моде-

ли и соответствующей программы для станка с ЧПУ:

Trim — подгонка;

Delete — удаление;

Translate — параллельное перемещение;

Rotate — поворот;

Scale — масштабирование;

Blank — спрятать части модели, удаляя их из поля зрения (они

становятся прозрачными).

Такие спрятанные объекты сохраняются в соответствующем

файле, так что их позднее можно восстановить. Функция для

временного «удаления» некоторых объектов очень полезна для

просмотра и выбора объектов, размещенных на заднем плане.

536

7.5. Моделирование механической обработки

537

Раздел 7, Компьютерное моделирование и автоматизация процессов производства

538

7.5. Моделирование механической обработки

539

Reverse normal — реверс нормали. Для каждой выбранной по-

верхности эта функция инвертирует направление вектора нор-

мали, меняя местами роли поверхности: передняя становится

задней и наоборот, при этом автоматически изменяются цвета.

Это, конечно, влияет на операции сдвига.

Offset — сдвиг. Каждая выбранная поверхность изменяется

таким образом, что каждая её точка параллельно переносится

по соответствующему вектору нормали на заранее настроенное

расстояние. Положительное значение сдвига перемещает точки

в направлении вектора, а отрицательное значение перемещает их

в противоположном направлении.

Имеются два метода сдвига — абсолютный (указанное значе-

ние выражает сдвиг относительно исходных размеров поверхно-

сти, когда её сдвиг был равен нулю) и относительный (указанное

значение выражает сдвиг относительно эффективной формы по-

верхности). Этот режим используется чаще всего.

Entity analysis — анализ сущности элемента модели. С помо-

щью этого пункта меню можно получить дополнительную ин-

формацию относительно элементов модели.

Undo-Redo — отмена — восстановление. Благодаря механизму

отмены («отката») действия команд, поданных во время сеанса ра-

боты (удаление, вставка, изменение), можно отменить и вернуть-

ся назад в пошаговом режиме прямо к моменту начала сеанса.

Современный прототип системы ЧПУ должен воспринимать

данные из нескольких источников: автоматически от САМ си-

стемы или из электронного архива; полуавтоматически — с ис-

пользованием интерактивного интерфейса оператором или по-

средством ручного ввода программы.

В идеале комбинации типовых форм и их геометрических

описаний в совокупности с технологической информацией ав-

томатически должны определять необходимые шаги операции.

Соответственно последовательность шагов операции определяет

специфику рабочего процесса, автоматически инициируемого

интеллектуальной системой ЧПУ. Геометрическая модель изде-

лия должна быть построена на основе международного стандарта

ISO 10303 АР203. Производственные данные должны содержать

описания типовых форм, технологии и инструмента в стандартах

ISO 10303АР224иАР214.

ДЛЯ достижения таких перспектив развития систем ЧПУ,

как уже отмечалось ранее, стандарт ISO 6983 (DIN 66025) без-

надежно устарел, однако и более новый стандарт ISO 14649

в настоящее время также практически себя исчерпал. Сейчас

в развитых станах всё большее распространение получает мо-

дель системы управления станками с ЧПУ в рамках комплекса

международных стандартов STEP и происходит его дальнейшее

развитие.

7.5.3. Станларт STEP-NC

Стандарт ISO 14649 предполагает жесткую структуру про-

граммы для станка с ЧПУ (рис. 7.5.7). Согласно этому стандарту

переходы находятся на самом нижнем информационном уровне

процесса управления обработкой. Помимо прочего, там описа-

на траектория инструмента, если того требует САМ-система или

система ЧПУ.

Новый стандарт ISO 14649 STEP-NC предлагает иерархиче-

ский модульный подход. На верхнем уровне программирования

описывается только, что нужно сделать, но не подробности того,

как осуществлять векторные перемещения и выполнять коман-

ды логических переключений. Это определяет новую структуру

управляющей программы ЧПУ, которая состоит из логических

блоков и реализуется методами структурного программирования

обработки. Данный подход передает многие функции на уровень

логических блоков-модулей.

В этом случае структура не является списком типовых обра-

батываемых форм. Система ЧПУ определяет сама рабочие зоны

(поверхности), определяет последовательность (черновая, полу-

чистовая, чистовая) обработки (технология обработки заданной

зоны обработки). Кроме того, возможны свободная организация

процесса обработки, параллельные структуры, контуры, услов-

ные переходы и т.п.

Типовые формы в составе плана операции инициируют дей-

ствия станка. Существуют три типа исполняемых объектов:

- собственно план операции;

- функция ЧПУ;

- шаг операции.

Раздел 7. Компьютерное моделирование и автоматизация процессов производства

540

7.5. Моделирование механической обработки

Шаг операции связан с процессами, которые описываются

в интерполируемых координатных осях. Функции же ЧПУ сопо-

ставлены единичным событиям и с интерполяцией не связаны.

Шаг операции (переход) является важнейшим в работе управ-

ляющей программы ЧПУ стандарта ISO 14649 STEP-NC. К этой

же операции относятся нейтральные действия (ускоренные пе-

ремещения), измерительные циклы, а также технологические

операции. Реальное содержание шага операции специфициро-

вано в объекте-переходе. Существует возможность повторного

использования информации перехода (но не сам переход) для

нескольких типовых форм обработки.

Переход может быть ассоциирован со многими типовыми фор-

мами и использован в разных местах. Вместе с тем шаг операции

уникален. Дублирование шага операции в пределах плана опера-

ции в точности воспроизведет те же самые действия станка.

Переход содержит технологический алгоритм (включая стра-

тегию врезания в материал и вывода инструмента) и указания

по настройкам. Переходы имеют черновую и чистовую версии.

Предполагается, что интеллектуальные системы ЧПУ будут са-

мостоятельно рассчитывать траектории инструмента для стан-

дартных типовых форм.

Процессы и ресурсы в STEP-NC. Управляющая программа,

являясь процессом, работает в окружении ресурсов; упрощенная

схема их отношений и взаимодействия показана на рис. 7.5.8.

Цель организации рабочего процесса состоит в обработке ти-

повых форм для получения готового изделия. При этом исполь-

зуют методы, имеющие отношение к типовым формам и описа-

нию изделия в целом. Изделие получают из заготовки удалением

типовых форм и условным или безусловным выполнением ша-

гов операции, ассоциированных с типовыми формами.

Поток управления определяется исполняемыми блоками,

необходимыми допусками, типом инструмента, отвечающего

всем необходимым требованиям. Эта модель использует инфор-

мацию STEP-форматов проектирования изделия и прикладные

протоколы АР204, АР213 (Application Protocol), вплоть до этапа

интерпретации управляющей программы, т.е. она несопостави-

мо богаче существующей схемы программирования. Предпо-

лагается, что система управления способна интерпретировать

541

Раздел 7. Компьютерное моделирование и автоматизация процессов производства

подобную информацию и генерировать необходимые переме-

щения и циклы.

Стандарт ISO 14649 предоставляет системе ЧПУ обширную

связанную информацию, которая состоит из четырех разделов:

— описания задач управления;

— технологической информации;

— описания инструмента;

— описания геометрии.

Раздел задач представляет собой логическую последователь-

ность исполняемых блоков и типов данных. Детали каждого

шага операции описаны в разделе технологической информа-

ции, причем они связаны с описаниями инструмента и геоме-

трии.

Важнейшими элементами технологического процесса служат

типовые формы, которые определяют области удаляемого ма-

териала заготовки, а их внешний вид является частью внешне-

го вида изделия. Типовые формы задаются параметрически или

в виде совокупности образующей и направляющей. Особый слу-

чай представляют поверхности свободной формы, для которых

определяют область, в пределах которой размещается поверх-

ность свободной формы.

542

7.5. Моделирование механической обработки

Необязательно, чтобы переходы выполнялись последователь-

но один за другим; этот порядок определяется планом операции.

Точно так же необязательна жёсткая последовательность обра-

ботки типовых форм, которая скорее определяется критерием

минимизации смены инструмента.

Поскольку геометрия и заготовки, и готового изделия описы-

вается с использованием STEP-синтаксиса, возможен прямой

обмен информацией между САО/САМ/ЧПУ(С^)-системами.

Геометрические данные могут быть непосредственно импорти-

рованы в систему ЧПУ, и только технологическая информация

должна быть добавлена, чтобы сгенерировать управляющую

программу.

Рассматривая структуру системы ЧПУ, ориентированной на

использование STEP-NC, следует заметить, что в течение про-

должительного времени будут существовать смешанные ва-

рианты, способные воспринимать управляющие программы

в стандарте ISO 6983. В этот переходный период от ISO 6983

к ISO 14649 и САМ-системы, и системы ЧПУ будут вынуждены

поддерживать оба стандарта, причем стандарт STEP-NC будет

иметь более высокий приоритет.

7.6. Прикладное программное обеспечение

САМ-систем

Хотя современные программно-аппаратные системы станков

с ЧПУ могут включать в свой состав достаточно развитые моде-

лирующие программы, которые поставляются вместе с оборудо-

ванием и удобны для внутрицехового использования, то для ком-

плексной автоматизации технической подготовки производства

чаще всего применяются САМ-системы, разработанные ком-

пьютерными фирмами, специализирующимися на программ-

ном обеспечении для САПР. Причем ведущие «программные»

фирмы, как правило, сразу предлагают весь комплекс, состав-

ляющий современные САПР — CAD/CAM/САЕ/ PDM..., пред-

ставленный, разумеется, подсистемами собственного производ-

ства или своих ближайших партнеров по бизнесу.

543

Раздел 7. Компьютерное моделирование и автоматизация процессов производства

В этом параграфе мы более подробно поговорим о САМ-

составляющей современных САПР, их возможностях и реализо-

ванных в них методах компьютерного моделирования.

Как и конструкторские CAD-системы, технологические

САМ/САЕ-комплексы можно также условно разделить на три

категории.

«Лёгкие» системы», зачастую поставляемые разработчиками

станков. Это системы с минимальным пользовательским ин-

терфейсом и средствами, которые предназначены для выхода на

«родной» станок и решают только типовые задачи. Они практи-

чески не имеют трансляторов форматов конструкторских систем

проектирования, а средства описания обрабатываемой геоме-

трии достаточно бедны.

В результате возможности даже самого совершенного обору-

дования используются с помощью такого программного обеспе-

чения лишь частично.

Сюда же следует отнести «плоские» системы, обеспечиваю-

щие токарную и 2,50-координатную фрезерную обработку. Эти

хорошо сбалансированные системы, имеющие удобный инстру-

ментарий разработки программ и получения данных из кон-

структорских САПР, направлены на решение узкого, но самого

распространенного класса задач (контурная обработка, гравиро-

вание, выборка пазов и карманов).

Системы «среднего» уровня, как правило, специализируются

на определенных технологических процессах и моделях, напри-

мер, литье полимеров, обработка металлов давлением, созда-

ние управляющих программ для механической обработки и т.п.

К ним относятся пакеты PowerSolution (Delcam) [121], Cimatron

[115], Adem [96], T-FLEX [161], ГеММа-Зй [128] и многие другие

популярные системы технологической специализации.

Системы этой категории включают в себя весь функционал

«лёгких» систем, обладают широким набором препроцессоров

для связи с популярными CAD-системами, а с помощью генера-

тора постпроцессоров полученные программы могут быть пере-

правлены практически на любую стойку ЧПУ.

Автономные «средние» технологические системы могут даже

обладать собственными средствами создания и редактирования

геометрических моделей (геометрическое моделирование и его

544

7.6. Прикладное программное обеспечение САМ-систем

роль для решения конструкторско-технологических задач под-

робно будут рассмотрены в следующем параграфе).

Все-таки основным достоинством и главной задачей «сред-

них» САМ-систем является максимальная автоматизация ре-

шения конкретной технологической задачи. Будучи глубокими

специалистами в своей предметной области, они позволяют

добиться выдающихся результатов в моделировании, анализе,

оптимизации и информационной поддержке локальных техно-

логий и часто делают это даже лучше, чем «тяжелые» системы.

Системы «тяжелого» уровня разрабатываются ведущими ми-

ровыми производителями САПР (СATI А [95], Unigraphics [163],

Pro/Engineer [147] и т.д.). Программно-методические комплексы

этой категории включают в свой состав практически все рассмо-

тренные выше методы и средства моделирования технологиче-

ских процессов. Комплексность и системная интеграция — их

главные преимущества и залог экономической эффективности

при внедрении на предприятии.

С целью обсуждения возможностей прикладного программ-

ного обеспечения технологического моделирования для ЧПУ

еще раз, но более подробно остановимся на решениях, которые

предлагает британская фирма DelCAM, программные продукты

которой очень популярны на российских машиностроительных

предприятиях. Как видно из самого названия, фирма специали-

зируется именно на автоматизации работ в области технологиче-

ской подготовки производства.

7.6.7. Программирование станков

с ЧПУ в

PowerMill

PowerMILL, отмечаемый многими практикующими инже-

нерами как лучший специализированный пакет для 2.5-, 3-

и 5-осевой обработки, позволяет получать черновые и чисто-

вые траектории фрезерного инструмента быстро, точно и без

зарезов.

Для станков, оснащённых поворотными головками, очень

важно программировать положение осей инструментов в про-

странстве на этапе расчета маршрута инструмента. За счёт этого

при фрезеровании используются все преимущества ЧПУ: ра-

циональное использование мощности шпинделя, оптимальная

545

Раздел 7. Компьютерное моделирование и автоматизация процессов производства

546

7.6. Прикладное программное обеспечение САМ-систем

Рис. 7.6.1. Технологические модули САПР автоматизируют

широкий набор видов и стратегий обработки

резки растра не влияют на снятие припуска, а лишь удлиняют

траекторию инструмента, они будут автоматически удалены.

При обработке карманов каждый из них обрабатывается

с оптимальным углом растра. Обработка карманов: последова-

тельность обработки карманов оптимизируется для уменьшения

числа холостых перемещений инструмента.

Черновая обработка. Возможность выборки материала фре-

зой большого диаметра позволяет экономить время обработки

и создавать эффективную программу с оптимальным набором

инструментов.

Чистовая обработка. Кроме стандартных стратегий обработки

построчное фрезерование и обработка с постоянным уровнем по

Z. Используются отдельные стратегии обработки пологих и кру-

тых участков детали, обработка с постоянным шагом по поверх-

ности детали. Стратегии проекционного фрезерования: отточки

линии и плоскости позволяют выполнить обработку в сложных

участках детали. Доработка инструментом меньшего радиуса

и подчистка углов существенно снижают общее время обработки

за счёт использования нескольких инструментов.

Редактирование траекторий. Подводы и связки. Широкий на-

бор так называемых «связок» позволяет контролировать поведе-

ние инструмента в начале и в конце каждого прохода, а также

способ соединения соседних проходов, в том числе автоматизи-

руются следующие операции.

Преобразование траекторий. Операция преобразования траек-

торий позволяет создавать новые траектории путем зеркального

547

наработка инструмента, высокое качество поверхности и воз-

можность обработки зон углубления.

В системе PowerMILL предоставляются эффективные реше-

ния для такого типа обработки, позволяя, среди прочего, опреде-

лять форму заготовки (грубую модель), которая используется во

время расчёта операции черновой обработки так, чтобы оптими-

зировать маршрут обработки за счёт обеспечения постоянного

контакта инструмента. Такую модель можно обновлять после

расчёта каждого маршрута инструмента, чтобы оптимизировать

последующую обработку. Помимо сферических инструментов

программа обеспечивает оптимальное управление цилиндри-

ческими инструментами, инструментами в форме конуса и пр.

В информационное обеспечение технологической системы вхо-

дит библиотека инструментов, которая может оперативно по-

полняться.

Всегда можно отрегулировать точность расчёта прохода при

контакте с деталью таким образом, чтобы получить как можно

более постоянную толщину снимаемого слоя. При предвари-

тельной проверке размеры каждой отдельной зоны фрезерова-

ния сравниваются с геометрией указанного инструмента, чтобы

не допустить никакого повреждения. Специальный алгоритм

с высокой скоростью обработки позволяет выполнять обработку

очень мягких материалов, а также создавать операции черновой

обработки с высокой скоростью снимания материала.

Алгоритмы моделирования фрезерной обработки, реализо-

ванные в PowerMILL, нетребовательны к качеству используемых

геометрических моделей и позволяют выполнять обработку без

зарезов даже в случае наличия разрывов на поверхности модели.

В системе предусмотрены целый набор видов обработок (чер-

новая обработка, чистовая и пр.), а также полный набор стратегий

обработки — змейкой, смещением контура, с доработкой контура

в процессе обработки, до или после (рис. 7.6.1).

В PowerMILL многие функции и настройки, выполняемые

технологом, автоматизированы. Так, автоматически произво-

дится назначение угла растра; автоматически оптимизируется

длина траекторий движения фрезы, сводя к минимуму число

перемещений инструмента. Автоматически производится уда-

ление ненужных отрезков растра. В тех местах, где короткие от-

Раздел 7. Компьютерное моделирование и автоматизация процессов производства

отображения, перемещения или вращения уже существующих

при условии, что траектории могут быть ограничены по плоско-

сти, полигону или границе, созданной с помощью мыши. В каж-

дом случае создаётся новая траектория с подводами и связками.

Работа с набором траекторий. PowerMILL позволяет сохра-

нять и объединять траектории, взятые в любом порядке. В тех

случаях, когда различные части обрабатываются различным ин-

струментом, автоматически включается команда на смену ин-

струмента.

Контроль столкновений и определение минимальной длины ин-

струмента. PowerMILL выполняет контроль столкновений хво-

стовика и державки инструмента с заготовкой. В результате рас-

считывается минимальная длина инструмента, необходимая для

исключения столкновения, и определяются зоны, где найдено

столкновение. Если обнаружено столкновение, система разде-

лит траекторию на 2 части — одну без столкновений и вторую

только в зоне столкновения, которую можно использовать при

назначении более длинного инструмента.

Имитация обработки. PowerMILL содержит модуль графиче-

ской имитации фрезерования и сверления — ViewMILL, кото-

рый позволяет проверять созданные траектории до того, как они

будут переданы на станок.

После разработки модели процесса обработки и визуального

контроля модели в ViewMILL с помощью специальных постпро-

цессоров производится автоматическая генерация программы

для систем ЧПУ.

PowerMILL — поставляется заказчикам в следующих вариантах.

PowerMILL 3+2 — многоосевая обработка с поворотом осей

в координатах станка.

PowerMILL 5 Axis — пятиосевая обработка с учетом нормалей

к поверхностям.

PowerMILL Express — облегченная версия PowerMILL с огра-

ниченным набором функций. Опционально поставляются до-

полнительные модули:

PMPost — модуль кодировки программ и создания нестан-

дартных постпроцессоров;

SpIineMILL — модуль подготовки программ для систем ЧПУ,

поддерживающих NURBS-программирование;

548

7.6. Прикладное программное обеспечение САМ-систем

PSOptifeed — модуль оптимизации подач в зависимости от се-

чения среза и условий резания.

Очень важно в настоящее время иметь возможность не про-

сто изготовить изделие, а сделать это в минимальное время

и с отличным качеством. Этим объясняется интерес технологов

к высокоскоростной обработке. Помимо особых требований

к инструменту и оборудованию, работающим на высоких ско-

ростях, имеются дополнительные требования к управляющим

программам. Высокоскоростная обработка предусматривает ма-

лые сечения среза при высокой скорости съема материала, что

вызывает значительное увеличение объема вычислений и время

расчета программ.

PowerMILL на сегодня является одной из самых производи-

тельных программ, что подтверждается большим числом тестов

и сравнений с аналогичными системами. Оптимальные траек-

тории, с точки зрения высокоскоростной обработки, предусма-

тривают минимизацию движений врезания и выхода инструмен-

та, поэтому предпочтительней движения спиральной формы.

PowerMILL предлагает стратегии ЗО-смещения или ЗЭ-спирали

от любого контура и позволяет сформировать оптимальную тра-

екторию в различных зонах детали (рис. 7.6.2).

Снижение динамических нагрузок при высокоскоростной об-

работке требует исключить резкие изменения направлений дви-

жения инструмента. PowerMILL имеет широкий набор схем под-

вода и отвода инструмента и специальные стратегии обработки

в углах для создания гладкой траектории и плавного изменения

Рис. 7.6.2. Оптимизация траектории движения инструмента

549

Раздел 7. Компьютерное моделирование и автоматизация процессов производства

условий резания. Полезны такие функции, как минимизация

проходов на полную ширину фрезы, спиральная обработка от-

верстий вместо сверления, проекционная обработка.

Уникальная функция оптимизации подачи (PS-Optifeed) по-

зволяет обеспечить максимально плавную обработку в зависи-

мости от условий резания, что одновременно увеличивает время

стойкости инструмента.

7.6.2. Гравировка и изготовление рельефов в ArtCam

ArtCAM — удобная и легкая в освоении компьютерная про-

грамма для моделирования трехмерных рельефов по плоским

рисункам или чертежам и создание управляющих программ

для фрезерного станка с ЧПУ. Известен положительный опыт

ее использования даже в российских средних школах, где она

с успехом управляется школьниками на уроках по основам тех-

нологии.

Программа работает с растровыми и векторными изображе-

ниями. Рельеф создается простыми средствами работы с конту-

рами и цветом. Широкий набор функций позволяет складывать,

вычитать и сливать рельефы, формировать объем вытягиванием

контуров, вращением в различных плоскостях, наносить тексту-

ру на геометрические модели (более подробно геометрические

модели будут рассматриваться в следующем параграфе).

После подготовки геометрической модели рельефа генери-

руется управляющая программа для станка с ЧПУ. Различные

стратегии обработки позволяют обработать как весь рельеф, так

и выделенные зоны. Специальные стратегии гравировки текста

с трехмерным заострением углов позволяют получать четкие гра-

ницы букв. Настраиваемый постпроцессор позволяет получить

программу в кодах всех известных станков с ЧПУ.

ArtCAM Pro позволяет оперативно и точно выполнять гра-

вировку, изготовление эмблем и художественных рельефов на

станках с ЧПУ. Например, это существенно ускоряет работы по

проектированию пресс-форм для различных изделий.

Подводя итог обсуждения роли и задач компьютерного мо-

делирования технологических процессов, следует отметить, что

в настоящее время при решении инженерных задач, связанных

550

7.6. Прикладное программное обеспечение САМ-систем

с технической подготовкой машиностроительного производ-

ства, специализированные CAE/CAM -системы являются неза-

менимым инструментом технолога.

Применение САМ-систем позволяет проверить, отработать

и оптимизировать технологические процессы непосредственно

за компьютером, а не в ходе экспериментов на производстве,

методом проб и ошибок. Применение компьютерного модели-

рования как бы позволяет заглянуть «внутрь» технологического

процесса; проследить за течением материала; обнаружить об-

разование дефектов; получить такую жизненно важную инфор-

мацию о готовом изделии, как остаточные деформации, макро-

и микроструктура, фазовый состав; определить величину потреб-

ного усилия штамповки, напряжения на инструменте и многое

другое. На производстве эти данные можно получить, только

проведя дорогостоящие исследования в специальных лаборато-

риях. Для технологического оборудования с числовым управле-

нием применение компьютерных моделей, на основе которых

и разрабатываются программы для станков с ЧПУ, является со-

вершенно необходимым этапом, обеспечивающим само функ-

ционирование производства.

7.7. Технологии быстрого прототипирования на

основе использования компьютерных моделей

Новые технологические решения для изготовления прото-

типов и пилотных серий деталей позволяют сократить подго-

товку производства, сэкономить значительные материальные

и трудовые ресурсы. Материальные инвестиции, вкладываемые

в эти технологические процессы, быстро окупаются и позволяют

ускорить срок выпуска нового изделия.

Прототип — первый опытный и почти всегда единичный

(и в этом смысле уникальный) экземпляр, задача которого — бы-

стро и достоверно ответить на принципиально важные для кон-

структора вопросы:

- соответствует ли реальный дизайн детали (изделия) заду-

манному;

551

Раздел 7. Компьютерное моделирование и автоматизация процессов производства

- правильно ли определены взаимосвязи с окружающими де-

талями;

- выполняет ли деталь те функции, которые возложил на нее

конструктор, и, если выполняет, то как, а если нет, то почему;

- соответствует ли конструкция детали технологическим воз-

можностям серийного производства и т.д.

Общеизвестно, что опытные образцы так называемых второй

или третьей серий, а тем более изделие промышленного произ-

водства, настолько отличаются от прототипа, что использование

технологической оснастки, применяемой для изготовления про-

тотипа, практически невозможно использовать для промышлен-

ного производства изделия. Именно поэтому стоимость прото-

типов весьма значительна, поскольку в ней заложена стоимость

«потерянной» технологической оснастки.

Но кроме прямых материальных затрат на создание оснаст-

ки существуют еще и временные затраты, трудноопределяе-

мые в денежном выражении, но зачастую превосходящие

прямые затраты. Достаточно сказать, что для изготовления

традиционными методами опытных образцов таких деталей,

как, например, блок цилиндров или головка цилиндров дви-

гателя, требуется 8-10 месяцев (литьё + мехобработка), а с ис-

пользованием технологий быстрого прототипирования этот

срок сокращается до 1-1,5 месяцев. Быстрое прототипирова-

ние позволяет получать литейные модели деталей в срок от не-

скольких часов до нескольких дней (для сложных габаритных

отливок) без создания специальной технологической литей-

ной оснастки.

Развитие компьютерной техники и расчетных методов по-

степенно превращают ЗО-анализ в основную технологию ком-

пьютерного анализа. Так как опытные образцы деталей изде-

лия необходимо изготовить для испытаний и часто после этого

приходится изменять их форму, то при определении изготовле-

ния опытных и пилотных пластмассовых деталей технолог дол-

жен учитывать, что для изготовления требуется дорогостоящая

оснастка.

В настоящее время на рынке существуют различные системы

быстрого прототипирования (RP-технологии), производящие мо-

дели по различным технологиям и из различных материалов.

552

7.7. Технологии быстрого прототипирования

553

Однако все современные системы работают по схожему по-

слойному принципу построения физической модели, который

в упрощенном виде заключается в следующем:

— создается геометрическая ЗЭ-модель детали;

— производится считывание трёхмерной геометрии из CAD-

системы в формате *.STL (практически все CAD-системы твёр-

дотельного моделирования могут выдавать файлы с расширени-

ем

STL);

- трёхмерная модель разбивается на поперечные сечения

(создаются слои) с помощью специальной программы, постав-

ляемой с оборудованием или используемой как приложение;

- производится последовательное построение сечений детали

слой за слоем снизу вверх, до тех пор, пока не будет получен фи-

зический прототип модели. Каждый последующий слой «прива-

ривается» или «приклеивается» к предыдущему, и так до полного

построения модели.

Что касается литейного производства, то в западной про-

мышленности широкое распространение получили технологии

быстрого прототипирования на основе лазерной стереолитогра-

фии (фотополимеризации) и лазерного спекания.

Применение этих технологий позволяет непосредственно по-

лучать материальные модели (макеты, копии) требуемой детали,

минуя стадию традиционного изготовления деревянной оснаст-

ки. Модели «выращиваются» из синтетических материалов и за-

тем используются для получения литейных форм («уничтожае-

мые» или «теряемые» модели, например, для получения отливок

по выплавляемым или выжигаемым моделям), либо в качестве

литейной оснастки для формовки, например песчаных форм.

С помощью лазерной технологии могут быть получены также

и песчаные стержни любой сложности (машины фирм 3D Systems,

EOS, Generis). «Выращивание» моделей открывает неограничен-

ные возможности в технологии литья металлов, позволяет реа-

лизовать конструкции, ранее недоступные вследствие техноло-

гических ограничений.

Освоение и широкое распространение RP-технологий стало воз-

можным в связи с появлением достаточно мощных автоматизиро-

ванных систем по твёрдотельному трёхмерному проектированию.