CC BY
252
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ МОДЕЛИ ДЕТАЛИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
В.С. Гусельников Научный руководитель - к.т.н., доцент Е.И. Яблочников
Связь разрабатываемого технологического процесса и электронной модели детали (изделия) - одна из задач автоматизации технологической подготовки производства. Автором предлагается решение данной задачи на основе сквозного использования электронной модели.
С помощью современных САПР можно построить электронные модели не только деталей или изделий, но и целых производств. Такие возможности позволяют более точно планировать реконструкцию и реорганизацию существующих производств, а также организацию новых, начиная с разработки планировок и заканчивая моделированием работы и расчетами загрузки технологического оборудования и обслуживающего персонала.
На современных и модернизируемых производствах разработка и хранение технологических процессов (ТП) ведутся с использованием современных PDM и ERP систем. Уже накоплен большой опыт использования технологами-программистами электронных моделей деталей для разработки управляющих программ и подготовки прототипов с использованием технологий быстрого прототипирования. В то же время конструкторские модели деталей и разработанные технологические процессы продолжают существовать параллельно, не являясь единым целым, в результате чего теряется часть информации, затрудняется работа технологических бюро и отделов.
Гибкость, возможность интеграции и работы с параметрами современных САПР позволяют отразить разрабатываемый технологический процесс на электронной модели детали и заготовки, наделив их, наряду с геометрическими, и физическими - технологическими признаками. Благодаря такой модели существенно упрощается разработка операционных эскизов, которые генерируются на основе модели промежуточного состояния заготовки.
В работах [1, 2] отмечается необходимость учета центральной роли электронной модели изделия при решении задач технологической подготовки производства (ТПП). Однако в литературе зачастую понятие электронной модели изделия трактуется неоднозначно, что связано с достаточно быстрым (за последние 10 лет) изменением содержания этого понятия. В связи с этим целесообразно провести краткий анализ процесса развития методов объемного моделирования и структуры электронной модели изделия.
Электронная модель детали (изделия) - документ, содержащий электронную геометрическую модель детали и требования к ее изготовлению и контролю (включая предельные отклонения размеров, шероховатости поверхностей и др.). На рис. 1 приведена схема состава электронной модели изделия [3].
Как известно, первые трехмерные (геометрические) модели имели каркасно-поверхностное представление. Каркасная модель - трехмерная электронная геометрическая модель, представленная пространственной композицией точек, отрезков и кривых, определяющих в пространстве форму изделия [1]. В процессе такого моделирования сначала строится каркас - пространственная конструкция, состоящая из отрезков прямых, дуг окружностей и сплайнов. Каркас играет вспомогательную роль и служит основой для последующего построения поверхностей, которые «натягиваются» на элементы каркаса. Особенность каркасно-поверхностного моделирования состоит в том, что элементы создаваемой модели никак не связаны друг с другом. Изменение одного из элементов не влечет за собой автоматического изменения других, что дает определенную свободу действий, но одновременно значительно усложняет работу с моделью
и требует больших затрат на ее модификацию. Это привело к появлению технологии твердотельного параметрического моделирования.
Рис. 1. Схема состава электронной модели изделия
Твердотельное моделирование имеет в своей основе идеологию, которая существенно отличается от идеологии каркасно-поверхностного моделирования. Твердотельная модель - трехмерная электронная геометрическая модель, представляющая форму изделия как результат композиции заданного множества геометрических элементов с применением операций булевой алгебры к этим геометрическим элементам [3]. Всегда можно точно сказать, находится ли точка внутри твердого тела, на его поверхности или вне тела. При изменении в модели любого элемента будут изменяться все другие элементы, которые связаны с ним. В результате изменится форма твердого тела, но сохранится его целостность.
Твердотельное моделирование предполагает возможность установки параметрических зависимостей между элементами твердого тела или нескольких тел. При этом изменение одного из параметров (например, длины элемента) приводит к соответствующей перестройке всех параметрически связанных элементов. Такое моделирование, называемое параметрическим, дает конструктору дополнительные удобства. Так, можно установить параметрические зависимости между элементами твердотельной сборки и, тем самым, автоматизировать контроль собираемости изделия. Кроме того, в твердотельной модели сохраняется история ее построения, которая позволяет возвращаться на любой из шагов проектирования и изменять форму модели методом изменения численных значений параметров или замены элементов, входящих в его историю.
Однако компоненты твердотельных моделей имеют определенные ограничения по сложности представляемых ими пространственных форм. Это привело к созданию технологии гибридного моделирования. При гибридном моделировании обеспечивается возможность одновременной работы с твердотельными объектами и с поверхностями. При этом можно «отрезать» поверхностью часть твердого тела, превращать замкнутый поверхностями объем в твердое тело и т.п. Гибридное моделирование позволяет сочетать все удобства твердотельного моделирования с возможностью построения объектов сколь угодно сложной геометрической формы. На рис. 2 представлена схема взаимосвязи типов представления формы электронной модели изделия.
При анализе рассматриваемой структуры электронных моделей возникает вопрос: что дают эти средства для автоматизации решения конструкторских и технологических задач в ТПП? Отметим, что важность представления и использования знаний в задачах ТПП понималась достаточно давно. В многочисленных работах предлагалось использование знаний в виде таблиц решений, правил, семантических сетей и фреймов для задач проектирования оснастки, инструмента и технологических процессов [4]. Ис-
пользование декларативных знаний обеспечивало гибкость создаваемых систем, их адаптируемость к особенностям предметной области и правилам принятия проектных решений. Однако отсутствие на тот период средств создания электронных моделей изделий не позволяло получить значимый практический эффект от выполненных разработок.
Рис. 2. Состав и взаимосвязь типов представления формы электронной модели
изделия
С другой стороны, автоматизация конструкторского проектирования лишь за счет построения электронных моделей и последующего получения чертежей также во многих случаях не приносит должного эффекта в силу недостаточно высокого уровня автоматизации. Частичное улучшение дает разработка и использование специальных процедурных приложений к CAD-системе (например, конструирование пакета пресс-формы с использованием баз нормализованных деталей); существенно больший эффект может дать интегрированное использование набора процедурных приложений. Однако этот подход не может быть реализован для всех видов проектных процедур ТПП как в силу их большого числа, так и по причине слабой формализации и типизации многих проектных решений.
Новый подход к решению задач автоматизации проектирования в ТПП за счет интегрированного использования электронных моделей и баз знаний способен привести одновременно и к гибкости создаваемой системы, и к существенному общему повышению уровня автоматизации.
Общая схема интегрированного использования электронных моделей и баз знаний приведена на рис. 3.
Здесь под приложением понимается некоторая проектная процедура ТПП, реализуемая средствами прикладного программного интерфейса (API) CAD-системы и решающая конкретную задачу конструкторского или технологического проектирования с использованием базы корпоративных знаний.
На приведенной схеме не конкретизировано, является ли электронная модель моделью основного изделия или моделью изделия ТПП - это зависит от характера решаемой приложением задачи. Приложение может использовать в своей работе несколько моделей, а также вспомогательную информацию - например, геометрические или технологические шаблоны.
Применение данной схемы позволяет строить прикладные САПР, работающие «от технического задания» и генерирующие все необходимые геометрические модели, чертежи, технологические процессы, текстовые или текстово-графические документы.
Реализация каждой конкретной САПР требует определенных усилий, однако в результате достигаются высокий уровень автоматизации проектных решений и гибкость системы, а также создаются условия для решения кадровых проблем в сфере ТПП.
Рис. 3. Схема интегрированного использования электронной модели и базы знаний
Интегрированная среда на базе РБМ и СЛВ/СЛМ/СЛБ-систем объединяет конструкторов и технологов и позволяет создавать электронные модели деталей и заготовок с максимальным уровнем технологической проработки.
СЛВ-система графически отображает в дереве спецификации модели ее структуру на основе примитивов и другие неграфические данные. Дерево спецификации показывает последовательность, в которой примитивы были созданы, и обеспечивает легкий доступ ко всей ассоциированной информации и элементам, лежащим в основе этого примитива. Размеры и отношения, используемые для создания примитивов, сохраняются в модели. Это обеспечивает соответствие модели ее техническому заданию и легкое изменение модели с помощью параметров.
Управляющие размеры - это размеры, используемые для построения примитива. Они включают размеры, ассоциированные как с геометрией эскиза, так и собственно с примитивами. Рассмотрим, например, цилиндрическую призму. Диаметр призмы управляется диаметром окружности в эскизе, а ее высота - глубиной, на которую выдавливается окружность.
Отношения включают в себя такую информацию, как параллельность, касание и концентричность. Такая информация обычно приводится на рисунке с помощью контрольных символов. Отражая эту информацию в эскизе, СЛТ1Л позволяет заведомо полностью зафиксировать в модели технические требования на ее проектирование.
Таким образом, ограничившись разработкой и ведением ТП в РБМ, технолог все равно не использует всю информацию, которая содержится в электронной модели детали. Для того чтобы сделать проектирование ТП более наглядным, необходимо ис-
пользовать электронную модель в проектировании ТП. При таком подходе появляется возможность отслеживания перехода электронной модели от первоначальной заготовки непосредственно до электронной модели детали. Это на первом этапе дает возможность более точной оценки принятых решений в ТП.
Модель, получаемая в СЛБ-системе, полностью ассоциирована с чертежами и деталями или сборками, на которые она ссылается. Изменения модели автоматически отражаются в ассоциированных с ней чертежах, деталях, сборках, и, наоборот, изменения, выполненные в контексте чертежа или сборки, отражаются на модели. Взаимосвязи между примитивами модели устанавливаются геометрическими ограничениями (такими, как параллельность, перпендикулярность, горизонтальность, вертикальность, концентричность и совпадение), фиксируя положение примитивов, друг относительно друга. Кроме того, можно применять математические уравнения с параметрами.
Рис. 4. Пример перегруженного эскиза
Рис. 5. Электронная модель с указанными на ней технологическими размерами
Метод твердотельного моделирования, используемый для построения, может влиять на множество аспектов, включая гибкость к изменениям, устойчивость в процессе изменений и требования к ресурсам для вычисления нового результата. Поэтому учет технических требований важен для достижения наибольшей эффективности твердотельной модели детали.
Современные изделия могут иметь очень сложную форму, множество сложных поверхностей, литейных скруглений и т. д. в связи с чем, часто возникают ситуации, когда операционный 2Б эскиз перегружен размерами и проекциями сложных поверхностей (рис. 4). Для облегчения работы технолога в соответствии с [3] можно проставлять размеры, ценные указания и технологические требования к операции/переходу непосредственно на электронной модели, которые при необходимости могут быть автоматически перенесены на 2Б эскиз (рис. 5). Для удобства отображения и перемещения по дереву ТП создаются специальные группы, позволяющие скрывать или отображать интересующую операцию с припуском и технологическими размерами.
Реализация метода «обратного проектирования» при разработке ТП с использованием электронных моделей детали и заготовки позволяет получить электронные модели заготовок, входящих на каждую формообразующую операцию, а также установить ассоциативные связи между электронной моделью заготовки и ее 2Б эскизом. Это позволяет получить представление о степени обработки заготовки, для большей наглядности рекомендуется сделать модель цветной, где три разных цвета будут представлять конструкторскую модель, припуски и припуск, снимаемый на данной операции (рис. 6).
Таким образом, благодаря организованной среде можно получить технологическую модель изделия с описанием всего происходящего с ней на протяжении технологического процесса.
Параметрический подход, реализуемый в методах твердотельного и гибридного моделирования, дает возможность автоматического повторения метода построения геометрии при изменении одного или нескольких его аргументов, в пределах возможности самого метода. Разработчик изделия, таким образом, получает возможность варьировать различными параметрами с целью оптимизации целевого качества. В качестве параметров (аргументов) могут выступать геометрические элементы (точки, прямые, кривые, плоскости, поверхности), численные параметры с единицами измерения (расстояния, углы) и численные параметры без размерности.
Дальнейшим развитием параметрического подхода явилась алгебраическо-сценарийная параметризация. Она позволила обогатить историю построения простейшими ассоциативными связями между элементами и определяющими их размерами. Это было важное расширение «спецификации геометрического определения». Возможности модификации геометрии существенно повысились. Одним из проявлений алгебраическо-сценарийной параметризации стало моделирование на основе стандартизованных схем построения («Feature Based Design»). Оно дало возможность конструктору хранить образец метода геометрического построения для его последующего повторного применения.
Благодаря возможностям параметризации современных САПР можно реализовать аналогичные электронные модели заготовок для типового и группового ТП. Внутренняя структура модели может быть представлена в виде перечня элементов, а также свойств, присущих этим элементам. При этом для любого свойства есть возможность добавить формулу, которая преобразует это свойство в параметр, способный влиять как на элемент, так и на модель в целом. Благодаря этому можно добиться не только получения деталей с различными габаритами, любых геометрических элементов (т.е. различных вариантов исполнения деталей), но и полного изменения геометрии модели. Именно использование этой возможности позволяет создать параметрическую модель комплексной детали.
Описанные параметрические данные могут храниться в отдельном внешнем файле табличного процессора, что позволяет воспользоваться всеми функциями этого приложения для управления табличными данными. Таким образом, связь между различными параметрами может быть реализована не только в самой САПР, но и в таблице, хранящей значения параметров. Это может оказаться удобным в том случае, когда для различных конфигураций геометрии комплексной детали связь параметров в виде прямых зависимостей не является постоянной. Тогда, в одном случае, при наличии зависимости параметров в виде функции, зависимость реализуется формулой табличного процессора, а в другом -значения параметра могут задаваться в явном виде. Это может использоваться, например, для связи вспомогательной геометрии с реальной. В одном случае значения задаются явно, а в другом - вычисляются в табличном процессоре. Кроме того, в таблице могут храниться не только числовые значения параметров, но и текстовая информация, которая может быть как описанием модели, так и значением текстовых и логических переменных. Таким образом, графическая составляющая типовых и групповых проектов может содержаться в одном файле с параметрически описанной электронной моделью.
Электронные модели детали и заготовки могут использоваться для разработки технологического процесса, для накопления и использования, приобретенных ранее знаний и опыта проектирования - базы знаний, включающей прототипы изделий и технологические процессы их изготовления, нормативно-справочную информацию, правила проектирования и т.д. Наряду с общим сокращением временных затрат на разработку, модернизацию ТП, это позволяет точно контролировать весь технологический процесс, своевременно находить места сбоев и получения брака, а также сводит к минимуму риск повреждения технологического оборудования.
Литература
1. Зильбербург Л.И., Молочник В.И., Яблочников Е.И. Реинжениринг и автоматизация технологической подготовки производства в машиностроении. - СПб: Политехника, 2004.
2. Голдовский П.С. Боткин Ю.А. Интегрированная САПР технологической подготовки производства // САПР и графика. - 2004. - № 9.
3. ГОСТ 2.052-2006. Электронная модель изделия. Общие положения.
4. Пелипенко А.Б., Яблочников Е.И. Современные тенденции в развитии CAD/CAM-технологий: ориентация на процессы // САПР и графика. - 2001. - № 9.
