CC BY
30УДК 67.02
АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ
ПРОИЗВОДСТВА АВИАЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Бехметьев Вячеслав Иванович, кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский авиационный институт (Национальный исследовательский университет)», Москва, РФ.
Аннотация: приведены результаты прикладного исследования эффективности применения лазерных технологий в процессах автоматизации технологической подготовки серийного производства авиаконструкций из полимерных композиционных материалов. Ключевые слова: выкладка; слой; композиционные материалы; ЧПУ; электронная модель; лазерная система; оснастка.
AUTOMATION OF TECHNOLOGICAL PREPARATION OF PRODUCTION OF AVIATION STRUCTURES FROM POLYMER COMPOSITE MATERIALS
Bekhmet'yev Vyacheslav Ivanovich, PhD (Cand. Tech. Sci.), associate professor, Moscow Aviation Institute (National Research University), Moscow, Russia
Summary: Results of applied research of efficiency of application of laser technologies in processes of automation of technological preparation of serial production of aircraft structures from polymer composite materials are given.
Keywords: facing; coat; composition materials; an electronic analog; CNC; laser system; equipment.
В настоящее время для выкладки деталей из композиционного материала (далее - КМ) используется следующая технология: на спецоснастку, имеющую вмонтированную вакуумную систему, устанавливают шаблон по базам, производят разметку границ слоя, снимают шаблон, размечают направление слоя по линейке ±45°, укладывают слой, обрезают по линии разметки, прикатывают слой [1].
Для указанных операций технологического процесса требуется оснастка, шаблон, линейка, ножницы для раскроя, рулон стеклоткани, рулон угле-
родной ленты, рулон облицовочной ткани.
Такая технология имеет ряд недостатков:
1. Низкий коэффициент использования материала (далее - КИМ);
2. Неточная укладка слоев;
3. Высокая трудоемкость, низкая скорость выполнения работ;
4. Высокие требования к квалификации рабочего персонала;
5. Вредность производства узлов и агрегатов из КМ.
С целью оптимизации перечисленных показателей и повышения уровня
качества всего процесса подготовки цировании выкладываемых контуров
производства авиационных изделий материала на оснастку, с использовани-
из КМ была проанализирована техно- ем современной системы «CAD-PRO»
логия, основанная на лазерном прое- (рис. 1).
1 2 3 4
7 Ь Ь
Рис. 1. Вид лазерной проекционной системы:
1 - первый лазерный проектор; 2 - второй лазерный проектор; 3 - распределительный шкаф со шлюзом Ethernet/RS485; 4 - ПК с «PRO-SOFT»; 5 - плоскость проекции; 6 - проекция второго лазерного проектора; 7 - проекция первого лазерного проектора.
При помощи проецированных кон- Оператор управляет проекционной
туров пользователь получает возмож- системой, используя интерфейс управ-
ность точного позиционирования за- ления и дистанционное управление на
готовок и материалов на плоскости инфракрасных лучах (рис. 2). проекции.
Рис. 2. Совмещение материала с соответствующим контуром
проецирования
При этом, сам технологический зиционных материалов (далее - ПКМ), маршрут довольно простой и состоит уменьшение вредности производства, из установочной операции, калибровки увеличение коэффициента использова-проекционной системы, запуска файла ния материала. Но необходима серьез-проецирования, выкладки и прикатки ная конструкторская проработка элек-слоя (табл. 1). тронной модели детали и составление
Такой технологический процесс по- технологических электронных моделей зволяет обеспечить высокую повторя- (далее - ТХЭМ) изделия, слоев ПКМ и емость деталей из полимерных компо- оснастки для выкладки этих слоев. Все
Таблица 1
№ этапа Эскизы процесса выкладки ПКМ
Этап 1
Этап 2 '__-
Этап «n»
—
эти процессы выполняются посредством прикладной компьютерной системы Fibersim, интегрированной с системами CAD высокого уровня - Creo Elements/Pro, Siemens NX и CATIA [2, 3, 4]. Являясь комплексным решением, Fibersim охватывает большинство задач, связанных с проектированием и производством изделий из ПКМ.
Для работы с ПО Fibersim необходим начальный файл NX, в котором должны находиться (рис. 3):
1) Поверхность начала выкладки детали;
2) Точка (или точки) начала выкладки, заданная в чертеже детали;
3) Нулевое направление, заданное в чертеже детали;
4) Конструкторская граница детали (выделена желтым цветом);
5) Технологическая граница детали (выделена белым цветом);
6) Линии сбега слоев (выделены синим цветом);
7) Линии для создания сечений, выполненные с целью проверки правильности создания пакета детали (выделены голубым цветом). Весь последующий необходимый конструктор-ско-технологический анализ проводится с использованием модулей NX [2, 3].
На этапе создания электронной модели слоев изделия определяется метод их формирования. Послойный метод применяется для производства несложных деталей (в авиастроении это закрылки,
Рис. 3. Электронная модель детали под программное обеспечение Fibersim
элероны и др.), для чего задействует-ся модуль Fibersim под названием CEE (Composite Engineering Environment -это среда проектирования изделий из КМ). Для сложных изделий (например, отсеков фюзеляжа или панелей крыла) используются методы зонного или структурного проектирования с помощью модуля Fibersim ACEE (Advanced Composite Engineering Environment). Для того чтобы начать создавать электронную модель каждого слоя детали необходимо в первую очередь создать
пакет (Laminate), в котором нужно указать материал слоев, конструкторскую и технологическую границы, точку начала координат и нулевое направление, задать систему координат для данного пакета. При этом изделие может состоять из нескольких «ламинатов». Выполняется сортировка слоев КМ (рис. 4) и контролируется правильность сечений изделия по отдельным зонам (рис. 5). Если все выполнено правильно, то можно переходить к созданию ТХЭМ каждого слоя.
Рис. 4. Сортировка слоев КМ
Рис. 5. Контроль правильности сечений КМ
При создании ТХЭМ, в зависимости от метода производства изделия (ручная выкладка, формование, выкладка ленты) осуществляется послойный анализ материала на возможные деформации. Если обнаружены излишки материала (гофр), то применяется команда «Надрез», если недопустимый натяг
- «Вырез» с формированием слоя с заплатой. Состав слоев приводится в соответствие с шириной используемого материала, выполняются необходимые геометрические построения и расчеты (рис. 6), могут быть введены те или иные технологические припуски.
Рис. 6. Деформационный анализ ТХЭМ - слоя КМ
При разделении ТХЭМ слоя по ширине КМ задается смещение линий соприкосновения материала относительно друг друга (послойно), и окончательно формируются ТХЭМ всех слоев. По завершении формирования слоев пользователь получает исчерпывающие, ассоциативно связанные с исходной геометрией трехмерные данные об изделии - набор автоматически формируемых послойных разверток ма-
териала (рис. 7). Развитый интерфейс позволяет применять их для различных целей, например:
• вывести в виде конструкторской документации, например, послойного альбома эскиза слоев;
• отправить в файле формата DXF в виде исходных данных для раскроя материала на раскройных станках с ЧПУ;
• указав реперные точки, отправить
Рис. 7. Формирование послойных разверток материала
информацию на лазерный проектор для точного обозначения контуров мест укладки выкроек.
Далее, по данным, подготовленным в Fibersim, на установке Zund 3GL-2500 производится раскрой КМ-материала: рабочему остается только совместить раскроенные ленты с подсвечиваемыми лучом границами слоев.
Для обеспечения высокого качества и низкой стоимости изделия необходима повторяемость производственного процесса, обеспечиваемая путем комплексной автоматизации технологических процессов. При ручной выкладке это можно обеспечить за счет исклю-
чения ручного создания и оцифровки шаблонов слоев, применения лазерных проекторов, формирования однозначной конструкторской и технологической документации с использованием ПО Fibersim. В процессе выкладки для точного позиционирования оснастки (рис. 8) относительно лазерного проектора, проекционной системе необходимы опорные точки. Физически опорные точки реализованы в форме оптических мишеней, которые вставляются в отверстия технологической оснастки. Позиции этих мишеней должны быть увязаны с точками в рабочем файле для лазерного проектора.
Рис. 8. Лазерные проекции слоев КМ в цехе выкладки
Для привязки проекций слоев КМ к оснастке необходимо в файле проекций проставить как минимум 6 калибровочных точек за пределами технологического припуска на изделие на дистанции 20 мм от выкладки. Для этого предварительно выполняется доработка чертежа оснастки (рис. 9). На основе этого чертежа создается или дорабатывается ТХЭМ приспособления и оснастки. Такова на сегодняшний день
технология проектирования оснастки.
Оснастка изготавливается по ТХЭМ вместе с отверстиями под мишени (рис. 10).
При создании ТХЭМ оснастки необходимо в нее вводить не только отверстия под мишени, но и калибровочные точки для лазерного проектора (рис. 11).
Если ТХЭМ уже была создана, то ее необходимо доработать с учетом от-
Рис. 9. Формирование зон отверстий на чертеже оснастки
Рис. 10. Оснастка с установленными в отверстия мишенями
Рис. 11. Доработанная ТХЭМ с 6-ю отверстиями для установки мишеней и калибровочными точками для лазерного проектора
верстий под мишени на основе данных чертежа оснастки.
В случае, когда отверстия под установку мишеней выполняются в существующем приспособлении, их расположение необходимо проконтролировать, сопоставив с моделью ТХЭМ.
Для этого оснастку сканируют с помощью лазерной насадки без мишеней, а затем устанавливают мишени и снимают координаты центров мишеней (калибровочные точки) механическим
щупом (рис. 12). Данные, полученные при сканировании поверхности, подлежат соответствующей обработке [5].
После сканирования оснастки необходимо совместить отсканированную поверхность и точки мишеней с соответствующей геометрией на ТХЭМ. Сопряжение производится в системе автоматизированного проектирования КХ по обрезу детали или другой характерной геометрии (рис. 13).
Если есть расхождения между кали-
Рис. 12. Процесс сканирования: лазерная насадка и механический щуп
Рис. 13. Совмещение ТХЭМ с облаком точек отсканированной оснастки
бровочными точками в технологической электронной модели и точками, снятыми с приспособления, то необходимо пользоваться отсканированными точками (рис. 14).
Затем калибровочные точки переносятся в файл для выкладки в Fibersim и далее - в файл проекций для лазерного
проектора.
Также необходимо проверить проекции на оснастке, т. е. провести калибровку по калибровочным точкам (рис. 15) и, если устраивает достигнутая точность, проверить проекции контуров на соответствие разметке непосредственно на оснастке (рис. 16).
Рис. 14. Калибровочные точки в ТХЭМ и оснастке
Рис. 15. Калибровка лазерного проектора
Рис. 16. Проверка проекции выкладки на оснастке
Теперь сравним схемы выкладки с применением программного продукта Fibersim, и традиционную (табл. 2). Были рассчитаны показатели раскроя и выкладки деталей на примере сотового
блока закрылка современного многоцелевого самолета и комплекта всех деталей из композиционных материалов на один самолет по схемам «До» и «После» (табл. 3).
Таблица 2
Традиционная схема выкладки
Выкладка с использованием ПО Fibersim
Знание на
1 ¡'лаюьга шаЗгниан& Сш
7. Попала (ГИЯ *
5 УиЛЦга ■■лм
уяаш ±45'сн
^ ПИНЁНГв
Тцпийшадогб^б н'ч
»Откпэ | Щз^ч« ■ ЛинемШ
' Ив*. Вйщнцы ИМ рМЕрОЛ
«^ртсиивгнш
• Ру™ (ПвТСНТи
• ^Нхкйщмвчмнтн!
Стоимость материала 0.24 млн, рублей
Таблица 3
№ п/п Наименование Трудоемкость раскроя и выкладки, (н/ч) Стоимость материала, (млн р.)
До После До После
1 Сотовый блок закрылка самолета 51,6 41,2 0,24 0,19
2 Комплект деталей из ПКМ на одну машину 1998 1598 5,32 4,52
Стоимость оборудования и двух рабочих мест с ПО Fibersim составляет 47,6 млн р. Исходя из этого, получено, что при изготовлении 12 комплектов в год окупаемость затрат составит 3,8 года, а при изготовлении 24 комплектов - всего 1,9 года. Для современного серийного производства многоцелевых отечественных летательных аппаратов это очень хороший показатель.
Таким образом, переход на современную технологию проектирования и подготовки производства изделий из композиционных материалов позволяет:
• сократить расход этих материалов за счет применения точных
разверток и раскройных станков с ЧПУ;
увеличить скорость и повысить качество ручной выкладки материала за счет использования точных заготовок и лазерных проекций зон их выкладки; добиться высокого уровня повторяемости изделий; сократить влияние человеческого фактора на качество производимых изделий;
снизить требования к квалификации персонала, занятого укладкой слоев полимерных композиционных материалов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Головкин Г. С. Проектирование технологических процессов изготовления изделий из полимерных материалов. - М. : Химия. - Колос С, 2007. - 399 с.
2. Ведмидь П. А., Сулинов А. В. Программирование обработки в NX CAM. - М. : ДМК Пресс, 2014 - 304 с.
3. Гончаров П. С. и др. NX для конструктора-машиностроителя. - М. : ДМК Пресс, 2010 - 504 с.
4. Sansoni G., Trebechi M., Docchio F. State-of-the-art and application of 3D- imaging sensors in industry, cultural heritage, medicine, and criminal investigation // Sensors. - 2009. - V. 9. - P. 568-601.
5. Тишкин В. О. Методика сборки и обработки данных, полученных в процессе 3D-сканиро-вания // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - СПб.: СПбГУ ИТМО, 2011. - № 1 (71). - С. 87-93.
REFERENCES
1. Golovkin G. S. Proektirovanie tekhnologicheskikh protsessov izgotovleniya izdeliy iz polimernykh materialov. - M. : Khimiya, Kolos S. - 2007. - 399 s.
2. Vedmid' P. A., Sulinov A. V. Programmirovanie obrabotki v NX CAM. - M. : DMK Press, 2014 - 304 s.
3. Goncharov P. S. i dr. NX dlya konstruktora-mashinostroitelya. - M. : DMK Press, 2010 - 504 s.
4. Sansoni G., Trebechi M., Docchio F. State-of-the-art and application of 3D- imaging sensors in industry, cultural heritage, medicine, and criminal investigation // Sensors. - 2009. - V. 9. - P. 568-601.
5. Tishkin V. O. Metodika sborki i obrabotki dannykh, poluchennykh v protsesse 3D-skanirovaniya // Nauchno-tekhnicheskiy vestnik SPbGU ITMO. - SPb. : SPbGU ITMO, 2011. - № 1 (71). - S. 87-93.
Материал поступил в редакцию 06.04.2017 © Бехметьев В. И., 2017
