CC BY
55
« «
а -
3
s -
ISO 160 140
120 100 80 60
♦ - - Pu
• - гниз / и
▲ - Рверх
■ - Рниз
❖ - Гверх
□ - Гниз
о - Гф
60 65 70 75 80
Внутренний диаметр импеллера, мм
85
90
Рис. 5. Зависимость геометрических параметров факела от внутреннего диаметра импеллера:
D"ар = 400 мм; DeH = 132 мм; Dнар = 98 мм
v 'к ' „
низ и
♦ - Pu
• - rH
▲ - P
т верх
■ - Рниз
❖ - r
верх
□ - r
I низ
о -r
ужнын диаметр импеллер а, Рис. 6. Зависимость геометрических параметров факела от наружного диаметра импеллера
Представленная в рамках данной статьи работа проводится при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки России) в рамках комплексного проекта «Разработка и
внедрение комплекса высокоэффективных технологий проектирования, конструкторско-технологи-ческой подготовки и изготовления самолета МС-21», шифр 2010-218-02-312.
Библиографический список
1. О создании отраслевой технологии дробеударного 2. Аксенов П.Н. Оборудование литейных цехов: учебник формообразования панелей /А.А.Вепрев, А.Е.Пашков для машиностроительных вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. В.В.Плихунов и др. // Авиационная промышленность. 2009. М.: Машиностроение, 1977. 510 с. № 2. С. 24-29.
УДК 658.27; 658.52.011.56
КОНЦЕПЦИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СРЕДСТВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОСНАЩЕНИЯ СБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Л
П.Е.Чимитов1
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрена концепция проектирования средств технологического оснащения сборочного производства в самолетостроении. Рассматриваются основные принципы ее реализации для основных (сборочные приспособления) и вспомогательных (стремянки, эстакады, помосты и т.д.) средств технологического оснащения. Основные под-
1-
Чимитов Павел Евгеньевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры самолётостроения и эксплуатации авиационной техники, тел.: 89149046047, e-mail: proteus1982@mail.ru
Chimitov Pavel, Candidate of technical sciences, Senior Lecturer of the Department of Aircraft Construction and Maintenance, tel.: 89149046047, e-mail: proteus1982@mail.ru
ходы предлагаемой концепции используются для создания автоматизированной системы проектирования средств технологического оснащения сборочного производства в самолетостроении. Ил. 6. Библиогр. 8 назв.
Ключевые слова: самолетостроение; проектирование; средства технологического оснащения; автоматизированная система.
THE CONCEPTION OF COMPUTER-AIDED DESIGN OF TECHNOLOGICAL EQUIPMENT FOR ASSEMPLY PLANTS P.E. Chimitov
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The conception of assembly plant technological equipment designing in aircraft construction is discussed. The basic principles of its implementation for the basic means of technological equipment (assembly tooling) and auxiliary ones (step-ladders, trestles, platforms, etc.) are examined. The main approaches of the proposed conception are used to create a computer-aided system for designing of assembly plant technological equipment in aircraft construction. 6 figures. 8 sources.
Key words: aircraft construction; designing; technological equipment; automated system.
Для обеспечения конкурентоспособности новых изделий в современных условиях проектирование и производство ведется с широким использованием разнообразных систем автоматизации. В настоящее время при проведении проектно-конструкторских работ повсеместно используются CAD/CAM/CAE системы, позволяющие в значительной степени повысить производительность труда конструктора и технолога. Однако при этом принципиальные компоновочные и конструктивные решения принимаются за счет использования эвристических процедур принятия решений инженером (пользователем системы). Таким образом, качество принятия решений, а также общая рациональность конструкции в целом полностью зависят от опыта и квалификации конструктора. Это в свою очередь определяет невысокую скорость принятия решений и высокую вероятность неверных или нерациональных решений, отсутствие типизации и стандартизации процесса проектирования. Для устранения описанных выше недостатков и оптимизации процесса проектирования в полном объеме (получение максимальной отдачи от использования CAD/CAM/CAE систем) становится актуальной задача создания систем, позволяющих формализовать наиболее субъективные этапы при проектировании изделий.
Создаваемая программная система предназначена в первую очередь для автоматизации процесса проектирования средств технологического оснащения сборочных процессов в самолётостроении. Непосредственно под средствами технологического оснащения (СТО) понимается совокупность оборудования, технологической оснастки и инструмента, применяемых при изготовлении (сборке) деталей и сборочных единиц (СЕ) [1, 3, 4, 8]. Использование основных (стапели) и вспомогательных (стремянки) элементов СТО в качестве объекта проектирования системой обусловлено в первую очередь их большой удельной массой при производстве самолетов (соответственно большими затратами времени и ресурсов при проектировании и изготовлении СТО в ходе технологической подготовки производства нового изделия), а также сложностью конструкции, обусловленной сложностью самолета как объекта производства.
На основе проведенного анализа типовых конструкций СТО (стапели - сборочные приспособления, стыковочные стенды, стремянки, помосты и т.д.) в качестве основной концепции, используемой в дальнейшем при создании программной системы и электронных моделей конструкций СТО, принят «принцип выделения из общей структуры СТО опорной функциональной составляющей и вариативного множества элементной базы» (рис. 1). Согласно этому принципу, опорная функциональная составляющая СТО представляет собой безэлементный каркас (опорная схема), выполняющий основную целевую функцию конкретного СТО. Для сборочных приспособлений такой функцией является обеспечение сборки изделия (узла, агрегата, планера самолета) с заданными параметрами точности и технологичности, для вспомогательных средств технологического оснащения (ВСТО) - обеспечение условий, необходимых для выполнения работ (покраска, вспомогательные операции сборки, обеспечение подхода и др.). При этом непосредственно целевая функция может состоять из нескольких зависимых подфункций, без которых невозможно выполнить основную. Например, для сборочного приспособления основной функцией является обеспечение сборки изделия, при этом вспомогательными подфункциями будут: обеспечение однозначности базирования элементов при сборке, фиксация элементов в сборочном положении на время выполнения соединительных операций, обеспечение достаточной относительной жесткости на всех этапах сборки [7], возможность обеспечения заданной последовательности установки элементов стапеля, отсутствие коллизий взаимного пересечения как элементов приспособления между собой, так и с элементами собираемого изделия и т.д.
Каждой подфункции, заключенной в опорную схему СТО, соответствует свой набор элементов (электронных моделей элементов). При этом возможно несколько конструктивных исполнений элементов, выполняющих одну и ту же функцию. Данные электронные модели в своей совокупности образуют библиотеку элементов, используемых в дальнейшем при построении различных вариантов конструктивного исполнения СТО. Характерной особенностью библио-
Рис. 1. Принцип разделения функциональной и элементной баз
теки элементов является то, что она не привязана к конкретной опорной схеме и может быть использована как для получения вариантов СТО на основе одной опорной схемы, так и для построения различных вариантов СТО на основе различных опорных схем при условии наличия пересечений множеств их функций (рис. 2).
© © © © © ©
© © ©
©
Набор А
Набор В
НаборС
Опорная схема 1
© © ©
НаборD
Опорная схема 2
© © ©
£
© ©
Т
©
1
©
Библиотека типовых элементов для построения СТО
Варианты опорных схем
Варианты СТО
Рис. 2. Построение различных вариантов СТО на основе единой библиотеки элементов
При использовании данного подхода построения СТО к моделям, включаемым в библиотеку элементов, предъявляются дополнительные требования (помимо базовых требований оптимального построения модели).
Требование ассоциативности электронных моделей. Выполнение данного требования необходимо для обеспечения наибольшей гибкости системы в целом, а также для сокращения множества уникальных вариантов конструктивного исполнения элементов СТО (типизация по принципу общности выполняемой функции и общей геометрической конфигурации при сохранении вариативности размерных характеристик).
Для построения электронных моделей с учетом данного требования необходимо использовать расширенные возможности CAD систем. Например, в системе Siemens NX (Unigraphics) подобным инструментарием, позволяющим создавать параметрически управляемую структуру электронной модели, могут служить модули WAVE, Expressions, Knowledge Fusion, UDF [5].
Использование при построении СТО параметрически управляемых электронных моделей требует наличия в системе автоматизированного проектирования СТО соответствующих программных процедур (процедура генерации управляющих команд и процедура интеграции полученных команд в файл модели). При этом следует стремиться к сокращению управляющих команд, генерируемых системой, путем создания соответствующих ассоциативных зависимостей внутри файла модели (рис. 3).
Требование модульности элементов СТО. Конструкция проектируемых СТО представляет собой набор структурно самостоятельных (либо частично самостоятельных) модулей, выполняющих определенную функцию.
Несмотря на то что для основных и вспомогательных элементов СТО принята единая концепция проектирования (и как следствие подходы к созданию автоматизированной системы), для каждого из них есть характерные отличия (определяемые в первую очередь особенностями проектируемого объекта).
В качестве опорной схемы для построения сборочного приспособления принята модель дискретного типа. Данная модель представляет собой дискретное множество базовых областей [2]. Непосредственно базовая область состоит из пакета с принадлежащими ей поверхностями сопряжения. При этом взаимное положение базовых поверхностей определяется конструктивно-силовой схемой самолета (КСС) и непосредственно конструкцией агрегата.
При этом следует отметить, что опорная схема сборочного приспособления (СП) должна содержать базовые точки (области), определяющие положение как основных базирующих элементов, так и вспомога-
Рис. 3. Разделение ра
тельных элементов СП (каркасные элементы, несущие элементы, элементы механизации и т.д.). На этапе наполнения опорной схемы СП типовыми элементами каждая базовая область рассматривается отдельно. При этом основная задача системы на этапе обработки базовой области - обеспечение полной и однозначной фиксации элементов собираемого изделия внутри базовой области (т.е. устранение всех степеней свободы для элементов, входящих в рассматриваемую область). Данное условие достигается за счет добавления базирующих модулей (элементы или группы элементов, выполняющих функции базирования) в рассматриваемую область (рис. 4).
Рис. 4. Опорная схема СП
Данная процедура повторяется до тех пор, пока базирующими модулями не будут «закрыты» все степени свободы базовых областей опорной схемы СП. Дополнительно все элементы одной области должны быть соединены между собой и иметь выход на вспомогательные и каркасные элементы СП. Для реализации данной процедуры необходимо выполнить ряд требований при построении электронных моделей
тных процедур модель-система
типовых элементов СП и формировании модулей.
При определении состава модулей, с помощью которых производится наполнение опорной схемы СП, используется классификатор конструктивных элементов СП [4], согласно которому выделяются следующие группы (классы) элементов:
а) несущие (каркасные) - силовая часть СП, обеспечивающая жесткость конструкции и неизменность положения сборочных баз;
б) базирующие элементы - определяют положение собираемых элементов конструкции и их расположение относительно конструктивных баз изделия;
в) установочные элементы - связующие звенья между базирующими и несущими элементами;
г) элементы крепления и фиксации деталей и узлов ЛА на базирующих элементах с целью их фиксации при базировании и обеспечения временной неподвижности на период соединения;
д) вспомогательные элементы, предназначенные для создания необходимых условий выполнения сборочных работ на СП и повышения производительности труда.
Приведенная выше классификация основана на селекции по функциональному признаку. Для обеспечения корректной работы системы автоматизированного проектирования СТО необходима дополнительная классификация, основанная на признаке «очередность/порядок установки».
Исходя из этого, при формировании типовых модулей используется следующая уточняющая классификация, согласно которой все классы элементов (рассмотренных ранее) группируются в следующие укрупненные классы:
а) модули первого порядка - основные базирующие элементы (крупные базирующие элементы, такие как рубильники или ложементы);
б) модули второго порядка - малые базирующие, фиксирующие и вспомогательные элементы (элементы, устанавливаемые непосредственно на модули первого порядка);
в) модули третьего порядка - несущие (каркасные) элементы и другие элементы СП, отвечающие за
формирование структуры СП (кроме тех, что формируют модули первого порядка);
г) модули четвертого порядка - вспомогательные элементы.
Последовательность подбора, установки и конфигурирования модулей обуславливается в первую очередь спецификой построения СП, согласно которой построение ведется от конструкторских баз изделия.
Наличие отличий в конструктивных особенностях и функциональном назначении основных и вспомогательных элементов СТО определяет незначительные модификации основной концепции, принятой для проектирования СТО в целом. Для вспомогательных элементов СТО отличия заключаются в конкретных исполнениях функциональных модулей и опорной схемы.
Модульность ВСТО в отличие от СТО рассматривается на двух уровнях: модули первого порядка и модули второго порядка. Модули первого порядка представляют элементарные стремянки прямоугольной формы, имеющие 1, 2 или 3 этажа, из которых компонуется конструкция в целом. Модуль второго порядка - набор элементов, выполняющих одну целевую функцию и физически объединенных между собой. Например: монолитная секция ограждения, сваренная из элементарных компонентов - труб, элементов крепления ограждения к каркасу, крепежные элементы, различные борта и столики, прикрепленные каким-либо образом к ограждению.
Путем определения основных геометрических параметров модулей первого порядка, а также комбинацией их в пространстве (задания формы в плане) определяется опорная схема стремянки (типовая структура). При этом следует отметить, в отличие от опорной схемы СП (в которой функции элементов определялись дискретной моделью, а условие запол-
нения элементов - «закрытие» степеней свободы базовой области элементами), в качестве основных (наполняемых) структурных элементов опорной схемы стремянки служат ее стороны. Функциональные особенности каждой из сторон определяет ее тип (рабочая, нерабочая, стыковая, нижняя), каждому из которых определено свое множество элементов (рис. 5). Соответственно основным количественным критерием при наполнении стороны опорной схемы служит ее длина. Модули второго порядка отвечают за количественный и качественный состав стремянки - тип и количество лестниц, наличие выдвижных площадок и т.п. (рис. 5).
Согласно принятой концепции проектирования СТО разрабатываемая система решает в общем случае две задачи: построение опорной схемы СТО и формирование множества конструктивных элементов СТО (рис.6).
Рис. 5. Структура стремянки
С учетом принятой концепции проектируемая си-
Рис. 6. Укрупненная схема системы автоматизированного проектирования СТО
стема укрупненно состоит из трех блоков. Блок А отвечает за формирование элементной части СТО, блок В - за создание опорной функциональной составляющей СТО (опорной схемы). Каждый блок состоит из программных модулей, направленных на решение определенной задачи. При этом на данном этапе развития системы ключевые решения принимает конструктор (посредством диалоговых процедур, основанных на использовании экспертных знаний, заложенных в систему). Блок С определяет дальнейшие перспективы развития системы и так же, как и блок В, предназначен для формирования опорной схемы СТО. В процессе дальнейшего развития системы блок В будет поглощен блоком С. Особенность блока С заключается в том, что его программные модули позволяют исключить конструктора из процедуры принятия решения, тем самым достигается значительное снижение влияния субъективного фактора при конструировании СТО. Основные решения (построение опорной схемы и формирование элементной базы СТО) принимаются системой на основе анализа электронной модели изделия с учетом экспертных знаний, т.е. заложенных в базу данных системы правил. В данной ситуации конструктор только контролирует ход решения.
Использование принципа выделения опорной функциональной составляющей с вариативным исполнением элементной базы позволяет получить ряд преимуществ:
а) возможность распараллеливания задач при проектировании и формировании различных библио-
тек элементов при эксплуатации системы;
б) возможность использования типовых решений при формировании электронных моделей СТО;
в) возможность построения различных вариантов СТО для одной типовой структуры путем замены элементной базы;
г) возможность создания библиотеки типовых решений для типовых вариантов собираемых изделий;
д) реализация программной системы в 2 этапа позволит сократить общее время разработки системы (параллельная разработка блоков А, В и С).
В случае внедрения автоматизированной системы, полностью реализующей предлагаемую концепцию проектирования СТО, возможно достичь снижения трудоемкости и затрат времени при проведении технологической подготовки производства, а также значительно повысить качество принимаемых решений.
Данная работа выполняется в рамках договора №334/10 от 06.10.2010 г. на проведение научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ между ГОУ ВПО НИ ИрГТУ и ОАО «Корпорация «Иркут» на тему «Разработка и внедрение высокоэффективных технологий проектирования, конструкторской и технологической подготовки и изготовления самолета МС-21». Договор заключен в рамках работы по постановлению Правительства Российской Федерации от 09.04.2010 г. №218.
Библиографический список
1. Абибов А.Л., Бирюков Н.М., Бойцов В.В. и др. Технология самолетостроения / под ред. А.Л.Абибова. 2-е изд., пе-рераб. и доп. М.: Машиностроение, 1982. 551 с.
2. Ахатов Р.Х., Однокурцев К.А. Формализованный метод выбора и анализа сборочных баз в самолетостроении // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф.Решетнева. Красноярск: СибГАУ, 2009. Вып.2 (23). С. 232-237.
3. Бабушкин А.И. Методы сборки самолетных конструкций. М.: Машиностроение, 1985. 248 с.
4. Григорьев В.П., Ганиханов Ш.Ф. Приспособления для
сборки узлов и агрегатов самолетов и вертолетов. М.: Машиностроение, 1977. 138 с.
5. Краснов М., Чигишев Ю. итдгарЫсБ для профессионалов. М.: Изд-во «Лори», 2004. 274 с.
6. Павлов В.В. Основы автоматизации проектирования технологических процессов сборки. М.: МАТИ, 1975. 68 с.
7. Павлов В.В. Теоретические основы сборки летательных аппаратов. М.: МАТИ, 1981. 65 с.
8. Пекарш А.И., Тарасов Ю.М., Кривов Г.А. и др. Современные технологии агрегатно-сборочного производства самолётов. М.: Аграф-пресс, 2006. 304 с.
