CC BY
30Диалектика конструкторской документации, или чертеж как язык инженера
Анализируются противоречия инженерного языка, обусловленные цифровыми технологиями. Показано, что верификация тренда развития идет через актуализацию нормативно-правовой документации, посредством деятельности в профильных технических комитетах Росстандарта и специализированных диссертационных советах Высшей аттестационной комиссии. УДК 378
М.Ю. Куприков1
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет) (МАИ), д-р техн. наук, профессор
Н.М. Куприков2, 3
МАИ, ТК 187, канд. техн. наук, доцент
1 заведующий кафедрой 904, Москва, Россия, kuprikov@mai.ru
2 доцент кафедры 101, Москва, Россия
3 председатель, Москва, Россия, kuprikov@tk187.ru
Для цитирования: Куприков М.Ю., Куприков Н.М.Диалектика конструкторской документации, или чертеж как язык инженера // Компетентность / Competency (Russia). — 2019. — № 6
ключевые слова
цифровые технологии, чертеж, конструкторская документация, автоматизация проектирования, аддитивные технологии, технический комитет, Совет по защите диссертаций
конце прошлого века произошли технологические трансформации, и язык инженера «чертеж» претерпел изменения (табл. 1). Он стал безбумажным, твердотельным, виртуальным, цифровым и т.д. [1-5].
В последнее время с появлением современных систем твердотельного параметрического моделирования несколько изменился подход к проектированию как таковой. Если раньше инженер работал в двумерном пространстве и воплощал свои идеи в плоских чертежах, то теперь у него появилась возможность творить в виртуальном трехмерном объеме, не задумываясь над тем, как вычертить ту или иную проекцию детали. То есть проектирование идет не от чертежа к трехмерному облику изделия (табл. 2), а в обратном направлении — от пространственной модели к автоматически генерируемым чертежам, минуя затраты времени на их создание.
Такой подход удобен еще и тем, что созданная трехмерная геометрия может быть передана в любую расчетную программу для анализа прочностных, аэродинамических или других свойств детали или изделия в целом.
Твердотельное моделирование как новая технология проектирования принципиально изменяет как представление о технической документации, так и технологию ее изготовления, следовательно, технологию обслуживания, эксплуатации и утилизации изделий. Для проведения численных анализов необходимы специфические, проблемно ориентированные приложения с соответствующим математическим аппаратом. Для планирования производства нужны моделировщики производственных процессов, пакеты для имитационного моделирова-
ния станков с числовым программным управлением (ЧПУ) и т.д. Для задач маркетинга требуется привлечение систем фотореалистической компьютерной графики и моделирования виртуальной реальности. Интеграция рассмотренных процессов в рамках проекта в целом координируется системами обмена и передачи информации с эффективным ее представлением через сети.
Бурный рост цифровых технологий, автоматизация жизненного цикла изделий изменили также вид и роль конструкторской документации (рис. 1). Мало того, что цифровые технологии сделали кульман электронным, твердотельное моделирование поставило вопрос первичности чертежа и изображенного на нем изделия. Прямая и обратная задача в инженерной графике находятся в диалектическом противоречии и отрицают первичность чертежа.
Аддитивные технологии — это еще один штрих современности [6-11]. Традиционно чертеж отражал, как из монолитной заготовки посредством технологических операций формируется тело детали, а в аддитивных технологиях деталь вырастает из порошка. И система размеров радикально меняется. Более того, сборочные единицы стали неразъемными.
В последние годы резко возросли требования к качеству заданных параметров изготовления авиационной техники. Если 10 лет назад допускаемые от проекта отклонения по основным показателям составляли 15-20 %, пять лет назад — 10-15 %, то в настоящее время эти отклонения не должны превышать 3-5 %. Быстрое прототипи-рование — незаменимый инструмент отработки новых изделий, позволяю-
Таблица 1
Диалектика чертежа [Drawing dialectics]
Время, эпоха [Time, epoch]
Леонардо да Винчи о летательных аппаратах в KV веке
Конец XVIII века
Конец XIX века
Конец XX века
Конец XX века
Начало XXI века
Начало XXI века
Графическое представление [Graphic image]
¿Ж
щии проверить конструкцию до запуска в производство, выявить ошибки проектирования, внести необходимые коррективы не в деталь, а в ее компьютерную модель, а затем уже оперативно изготовить оснастку. Отметим, что цена исправления ошибки, обнаружен-ноИ на этапе серийного производства, в 100 раз выше, чем при изготовлении прототипа.
Технологии послойного синтеза являются мощным средством сокращения времени технологической подготовки производства (ТПП), собственно изготовления и повышения качества создаваемых изделий при переходе к производству новых изделий в авиастроении, машиностроении и других наукоемких отраслях. К основным видам технологий послойного синтеза, применяемым сейчас в промышленности, можно отнести:
► стереолитографию (Stereo Lithography Apparatus, SLA);
► технологию SLS (Selective Laser Sintering — лазерное спекание порошковых материалов);
► технологию EBM (ElektronBeam-Melting — электронно-лучевое плавление);
► технологию FDM (Fused Deposition Modeling — послойное наложение расплавленной полимерной нити);
► технологию струйного моделирования (Ink Jet Modelling);
► технологию склеивания порошков BPA (Binding Powderby Adhesives);
► технологию LOM (Laminated Object Manufacturing — ламинирование листовых материалов);
► технологию SGC (Solid Ground Curing — облучение УФ-лампой через фотомаску).
Принципиальная схема всех установок прототипирования одинакова: на рабочий стол, элеватор установки, наносится тонкий слой материала, воспроизводящего первое сечение изделия, затем элеватор смещается вниз на один шаг и наносится следующий слой. Так, слой за слоем, воспроизводится полный набор сечений модели, повторяя форму требуемого изделия. При этом на некотором слое может
оказаться, что отдельные элементы «повисают» в воздухе, поскольку они должны крепиться к верхним слоям. Чтобы избежать проблемы, 3D-модель предварительно подготавливается, в ней строится система поддержек каждого такого элемента. Или определяется положение детали на рабочем столе, чтобы исключить наличие поддержек. Основным различием между технологиями прототипирования является рабочий материал, а также способ его нанесения. При производстве конструкторских изделий и прототипов для проверки геометрии деталей и собираемости узлов используют металлы, наполненные полиамиды, бумагу, АБС-пластик, термопластики, модельные материалы.
В мире существует несколько компаний, изготавливающих установки для прототипирования, они постоянно совершенствуют технологию и разрабатывают новые материалы.
При лазерном спекании модели или готовые детали создаются из порошковых материалов за счет эффекта спекания при помощи энергии лазерного луча. В данном случае (в отличие от SLA-процесса) лазерный луч является не источником света, а источником тепла. Попадая на тонкий слой порошка, лазерный луч спекает его частицы и формирует твердую массу в соответствии с геометрией детали. В качестве материалов используются полиамид, полистирол, песок и некоторые металлы. Методы быстрого прототипирования, кроме создания физической модели по электронной модели, могут потребовать новых подходов к процессу проектирования деталей. Примером применения современных технологий создания прототипов и самих деталей методами спекания порошков может служить изготовление на кафедре «Инженерная графика» МАИ неразъемных сборок (рис. 2) на установке по прототипиро-ванию. В результате применения этого метода для создания детали из металлического порошка удалось вдвое уменьшить вес по сравнению со сборкой из нескольких десятков деталей,
Таблица 2
Прямая и обратная задачи [Direct and inverse problems]
Тип задачи [Task type]
Определение [Definition]
Графический образ [Graphic image]
Прямая
Модель выполняется по комплекту чертежей
Обратная
Комплект чертежей выполняется с использованием модели
Рис. 1. 3D-4epie;« общего вида магистрального самолета [3D drawing of the general view of the main aircraft]
Рис. 2. 3D-модель неразъемной сборки [3D model of one-piece assembly]
Рис. 3. 3D-модель трубопровода до и после актуализации
под аддитивные технологии [3D model of the pipeline before and after updating for additive technologies]
Рис. 4. Возможности аддитивных технологий ресурсного центра МАИ (кафедра «Инженерная графика». Специальность «Компьютерный дизайн») [Possibilities of additive technologies of the MAI resource center (Department of engineering graphics. computer design)]
изготовленных традиционными методами (рис. 3).
Используемое при проектировании программное обеспечение, разработанное на кафедре, позволило определить положение и распределение материала при прототипировании. Это экономит электроэнергию, металл и деньги. Получаемые в результате сложные изогнутые формы достаточно непросто было бы отлить или вырезать из заготовки даже на самом передовом оборудовании с ЧПУ. Для создания прототипов существует большое количество методов и типов оборудования, которые выбираются в зависимости от поставленных задач. Они могут работать одновременно или последовательно на выполнение основной задачи. Так, создавая облик детали из смолы, мы имеем возможность проверить ее изготовление из металла и в случае положительного ответа запустить ее в производство.
Возможности оборудования («жесткие» ограничения по габаритам рабочей зоны) позволяют создавать летательные аппараты с размахом крыла 1, 2 метра, что особенно эффективно при создании аппаратов бипланно-тан-демной аэродинамической балансировочной схемы, имеющих две и более несущие поверхности. Это достигается путем рационального членения конструкции летательного аппарата на узлы и агрегаты и подробной проработкой стыковых узлов.
На рис. 4 представлен практический пример реализации проекта беспилотного летательного аппарата (БПЛА). Вся конструкция выполнена в одной камере спеканием полиамидного порошка. Сборка самолета проходит вручную без инструментов. После установки двигателя самолет готов к эксплуатации.
Однако широкое применение современных методов прототипирования в авиации сдерживается высокой стоимостью оборудования, а также отсутствием:
► собственных разработанных установок и материалов для создания прототипов (в первую очередь металлических порошков требуемого качества);
► обученного персонала для проведения работ;
► рекомендаций по методам проектирования деталей, предназначенных для прототипирования.
В определенной степени решению этих вопросов могла бы помочь вузовская наука. Так, в Московском авиационном институте (национальном исследовательском университете) на кафедре «Инженерная графика» создана Школа 3D-печати и имеется ряд установок, предназначенных для создания прототипов и деталей методами RPM-технологий. Наличие оборудования в институте позволяет как совместно, так и индивидуально охватить большую часть всего комплекса быстрого прототипирования путем создания учебно-научно-производственного центра прототипиро-вания сложных технических изделий и технологических процессов.
Для мобильного мониторинга таких изменений в Росстандарте созданы технические комитеты. Это технический комитет по стандартизации «Аддитивные технологии» (ТК 182), осуществляющий сотрудничество заинтересованных организаций, органов власти и физических лиц при проведении работ по национальной, межгосударственной и международной стандартизации в сфере видов экономической деятельности, продукции и услуг согласно Разделу С «Продукция обрабатывающих производств» по ОК 034-2014. Или ТК 482 «Поддержка жизненного цикла экспортируемой продукции военного назначения и продукции двойного назначения».
Динамика современного мира требует не только подготовки кадров среднего профессионального образования (СПО) и высшего профессионального образования (ВПО), но и переподготовки кадров на уровень компетенций в заданное, предопределенное технологическим укладом время. Модель трехуровневого (бакалавриат — магистратура — аспирантура) образования, дополненная системой дополнительного профессионального образования (ДПО), родилась как следствие из динамично развивающегося цифрового мира (рис. 5).
Чтобы добиться прибыли по бизнес-цели жизненного цикла кроме высшего образования по инженерному специалитету, целесообразно получить ДПО по аддитивным технологиям, что даст возможность сформировать более значимую компетентностную модель инженера-специалиста, позволяющую получать более высокий уровень дохода дельта С1.
Мир без границ
Цифровой «мир без границ» потребовал ориентиров, точек сборки компетенций. Одной из них является объединенный Совет по защите диссертаций на соискание ученой степени Д 999.048.02 на базе Нижегородского государственного архитектурно-строительного универ-
ситета и Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. Это единственный в стране совет, в котором рассматриваются диссертации по специальности 05.01.01 «Инженерная геометрия и компьютерная графика».
Инженерная геометрия и компьютерная графика — область науки и техники, занимающаяся разработкой теоретических основ и практических методов геометрического моделирования явлений, объектов и процессов живой природы, техники, технологии, экономики, строительства и архитектуры. Решение научных и прикладных проблем данной специальности направлено на достижение оптимальных параметров геометрических моделей явлений, объектов и процессов, обеспечивающих наиболее полный учет функциональных, конструктивных, технологических, экономических, эстетических и других требований.
Области исследований:
1. Теория изображений и практические методы ее реализации при построении геометрических моделей.
2. Теория и практика непрерывного и дискретного геометрического моделирования. Конструирование кривых линий, поверхностей и тел по заранее заданным требованиям.
3. Теория геометрических преобразований и их использование при моделировании.
Рис. 5. Современная модель бизнес-цели специалиста в рамках программ
СПО — ВПО — ДПО [Modern model of the specialist business goal in the framework of SPO — VPO — DPO programs]
справка
В ресурсных центрах МАИ, созданных для подготовки кадров авиационной, ракетной и космической отраслей и других высокотехнологичных оборонных секторов экономики Российской Федерации на основе интеграции науки, образования и производства для поддержания паритетности создания технологического превосходства в данных отраслях на мировом уровне, размещено оборудование, предназначенное для быстрого прототипирования: установка Viper Si2™ SLA®, установка EOSINTM 270, 3D-принтер Alaris 30
Статья поступила в редакцию 8.07.2019
4. Геометрические методы оптимизации в разных отраслях науки и техники.
5. Теория многомерной геометрии и номографии и их использование при геометрическом моделировании.
6. Геометрические основы компьютерного исследования процессов: проектирования, конструирования и технологии производства.
7. Разработка методов и алгоритмов визуализации. Методы и алгоритмы обработки изображений в системах технического зрения.
8. Геометрические основы информационных технологий и систем.
Решая обратную задачу кадрового обеспечения, можно однозначно утверждать, что по каким бы лабиринтам виртуального цифрового мира мы не бродили, есть базовые знания и правила.
Что осталось неизменным? Язык чертежа определен ГОСТами, а Единая
зыи
система конструкторской документации (ЕСКД) — фундамент инженерной мысли.
Выводы
ифровой мир привел к трансформации чертежа как языка общения инженеров в виртуальный твердотельный образ.
Аддитивные технологии предопределили конструкторскую сложность монолитных деталей и неразъемных сборок, которые не позволяют отобразить их на плоском чертеже.
Цифровой «мир без границ» потребовал ориентиров, точек сборки компетенций. Одной из них является объединенный Совет по защите диссертаций на соискание ученой степени Д 999.048.02.
Для мобильного мониторинга таких изменений в Росстандарте созданы технические комитеты, например ТК 182 «Аддитивные технологии». ■
Список литературы
1. Единая система конструкторской документации. ГОСТ 2.109-73 ЕСКД. Основные требования к чертежам; https://znaytovar. ru/gost/2/gost_210973_eskd_osnovnye_treb.html.
2. Бойцов Б.В., Борисов В.Д., Киселев Н.М., Подколзин В.Г. Жизненный цикл и реализация летательного аппарата. — М.: Изд-во МАИ, 2005.
3. Kuprikov M.Yu., Rabinskiy L.N. Influence of infrastructure constraints on the geometrical layout of a long-haul aircraft // Mechanical Engineering Research and Developments. — 2018. — 41(4).
4. Kuprikov M.Yu., Rabinskiy L.N. Vertical take-off and landing aircrafts: Myth or reality of modern aviation // Mechanical Engineering Research and Developments. — 2018. — 41(4).
5. Kuprikov M.Yu., Rabinskiy L.N. Cross-polar routes as a factor that changed the geometric layout of long-haul aircrafts flying over long distances // Mechanical Engineering Research and Developments. — 2018. — 41(4).
6. Кузнецов В. Системы быстрого изготовления деталей и их расширения // CAD/CAM/CAEObserver. — 2003. — № 4.
7. Маслов Ю.В., Мищенко В.Ю. Быстрое прототипирование и его применение в аэрокосмической отрасли // Атмосферные энергетические установки. — 2011. — № 1.
8. ^роткин О.С., Тарасов Ю.М., Рыцев С.Б., Гирш Р.И. Прототипирование и технология послойного синтеза в современном компьютеризированном производстве // Российская энциклопедия CALS. Авиационно-космическое машиностроение. — М.: НИЦ АСК, 2008.
9. Смирнов О.И. Имитационное моделирование технологий послойного синтеза в машиностроении // Труды МАИ. — Выпуск № 37.
10. CALS (Continuous Acquisition and Life cycle Support) в авиастроении / Под ред. д.т.н., проф. А.Г. Братухина. — М.: МАИ, 2002.
11. Буньков Н.Г. Современная информационная технология в создании летательного аппарата (введение в CALS (ИПИ)-технологию). — М.: МАИ, 2007.
ФГАОУ ДПО АСМС
Услуги размещения
-=АСМС
+7(499) 175 3300 E-mail: hostel@asms.ru
ДОСТУПНО КАЧЕСТВЕННО УДОБНО
Kompetentnost / Competency (Russia) 6/2019 ISSN 1993-8780
INNOVATION 27
Design Documentation Dialectics or Drawing as an Engineer Language
M.Yu. Kuprikov1, Moscow Aviation Institute (National Research University), Prof. Dr., kuprikov@mai.ru N.M. Kuprikov2, 3, MAI, TC 187, Dr. Assoc. Prof., nkuprikov@mai.ru
1 Head of Department, Moscow, Russia
2 Associate Professor of Department, 3 Head, Moscow, Russia
Citation: Kuprikov M.Yu., Kuprikov N.M. Design Documentation Dialectics or Drawing as an Engineer Language, Kompetentnost' I Competency (Russia), no. 6, pp. 21-27
key words
We analyzed the transformation of the engineering language of communication into thl- H- a virtual solid-state image caused by digital technologies.
design dcorrontation design We reviewed the basic methods and methods for creating prototypes of projected parts
automation, additive technologies, of aerospace engineering objects at the design development stages. Rapid prototyping technical committee, dissertation technologies allow to check the correctness of the created structure, optimize it councils and thus ensure the required product quality at the early stages of the life cycle.
The possible applications of rapid prototyping technologies in design, we showed. In addition, we believe that the verification of the development trend proceeds through the development of regulatory and legal documentation, through activities in specialized technical committees of Rosstandart and specialized dissertation councils.
References
1. GOST 2.109-73 ESKD Basic requirements for drawings; https://znaytovar.rU/gost/2/gost_210973_eskd_osnovnye_treb.html.
2. Boytsov B.V., Borisov V.D., Kiselev N.M., Podkolzin V.G. Zhiznennyy tsikl i realizatsiya letatel'nogo apparata [Life cycle and implementation of the aircraft], Moscow, MAI, 2005, 520 P.
3. Kuprikov M.Yu., Rabinskiy L.N. Influence of infrastructure constraints on the geometrical layout of a long-haul aircraft, Mechanical Engineering Research and Developments, 2018, no. 41(4), pp. 40-45.
4. Kuprikov M.Yu., Rabinskiy L.N. Vertical take-off and landing aircrafts: Myth or reality of modern aviation, Mechanical Engineering Research and Developments, 2018, no. 41(4), pp. 46-52.
5. Kuprikov M.Yu., Rabinskiy L.N. Cross-polar routes as a factor that changed the geometric layout of long-haul aircrafts flying over long distances, Mechanical Engineering Research and Developments, 2018, no. 41(4), pp. 53-57.
6. Kuznetsov V. Sistemy bystrogo izgotovleniya detaley i ikh rasshireniya [Systems for the rapid manufacture of parts and their expansion], CAD/CAM/CAEObserver, 2003, no. 4.
7. Maslov Yu.V., Mishchenko V.Yu. Bystroe prototipirovanie i ego primenenie v aerokosmicheskoy otrasli [Rapid prototyping and its application in the aerospace industry], Atmosfernye energeticheskie ustanovki, 2011, no. 1.
8. Sirotkin O.S., Tarasov Yu.M., Rytsev S.B., Girsh R.I. Prototipirovanie i tekhnologiya posloynogo sinteza v sovremennom komp'yuterizirovannom proizvodstve [Prototyping and technology of layer-by-layer synthesis in modern computerized production], Rossiyskaya entsiklopediya CALS, Aviatsionno-kosmicheskoe mashinostroenie, Moscow, NITS АSК, 2008.
9. Smirnov O.I. Imitatsionnoe modelirovanie tekhnologiy posloynogo sinteza v mashinostroenii [Simulation modeling of layered synthesis technology in mechanical engineering], Trudy MAI, issue 37.
10. CALS (Continuous Acquisition and Life cycle Support) in the aircraft industry, Moscow, МАI, 2002, 670 P.
11. Bun'kov N.G. Sovremennaya informatsionnaya tekhnologiya v sozdanii letatel'nogo apparata (vvedenie v CALS (IPI)-tekhnologiyu) [Modern information technology in the creation of the aircraft (introduction to CALS (IPI)-technology)], Moscow, МАI, 2007, 248 P.
