CC BY
54
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА ПРОИЗВОДСТВА
УДК 658.516.1
Объемное проектирование изделий машиностроения с применением стандартов трехмерного документирования. Конструкторские задачи
Н. А. Пиликов
Ключевые слова: библиотека конструкторско-технологических элементов, плоскость аннотации, стандарт цифрового определения изделия, 3D-аннотации, 3D-моделирование.
На российских предприятиях система кон-структорско-технологической подготовки производства (КТПП), являющаяся важнейшей частью корпоративной информационной системы, использует смешанную технологию объемного проектирования, в которой присутствуют элементы геометрического ЗБ-модели-рования, формируемые с помощью CAD-си-стем, а также традиционного черчения в формате 2D (в системах типа AutoCAD, «Компас-График» и т. д.). Однако, несмотря на элементы объемной технологии, базовой остается «бумажная» технология с утверждением конструкторских решений по чертежам. Наряду с активным использованием объемных моделей и управляющих программ для станков с ЧПУ, производство и особенно контроль и приемка деталей осуществляются только по чертежам. Оформление чертежей является трудоемкой задачей, занимает длительное время, следовательно, сроки КТПП и материальные издержки остаются весьма большими, что создает препятствия для оперативного выпуска продукции предприятия на рынок.
Переход предприятий машиностроения и других отраслей промышленности на ЗБ-мо-дели в процессе КТПП происходит давно, но для получения максимального эффекта от внедрения технологии объемного проектирования необходимо использовать только новейшие стандарты мировой практики, в которых ЗБ-модели содержат не только геометрию, но и всю технологическую информацию. Применение новых стандартов, устанавливающих правила документирования конструкторских проектов на базе ЗБ-моделей, делают чертеж практически избыточным, то есть только вспомогательным инструментом.
Традиционно вся технологическая информация по деталям, которые изготавливаются методами механообработки, представлена в чертежах, где подробно и исчерпывающим образом показаны все исполнительные и спра-
вочные размеры, параметры качества и точности поверхностей и другие требования, необходимые для правильного определения технологии обработки. Чертеж как инструмент двухмерного документирования состоит из геометрических плоских проекций детали и привязанных к элементам этих проекций разнообразных размерно-технологических данных (РТД). Благодаря внедрению САБ-систем и развитию технологии трехмерного проектирования был сделан серьезный прорыв — появилась возможность автоматически получать геометрические проекции в чертежах на основе трехмерных моделей.
Однако практика использования САБ-систем указывает, что в действительности конструкторы вводят в геометрические модели САБ-систем только геометрию, тогда как все РТД детали по-прежнему вносятся в чертеж вручную (рис. 1).
В этом случае чертеж по-прежнему остается полным техническим заданием для технолога, которое, однако, представлено в терминах трехмерных конструкторско-технологических элементов (КТЭ) — групп отверстий, плоскостей, ступеней, пазов, карманов и т. д. Недостаток такого метода — «чистой геометрии» — на модели заключается в том, что РТД вынужденно вынесены в привычный для конструктора, но очень трудный для компьютерной обработки объект — чертеж, то есть РТД нанесены не на сами объемные КТЭ, а на их плоские отображения. Это было связано с невозможностью ранних САБ-систем технически реализовать привязку РТД деталей к их моделям и с отсутствием соответствующих стандартов, в которых была бы узаконена практика использования РТД непосредственно на моделях.
Начиная с 2000 года в промышленно развитых странах этот барьер был постепенно преодолен. Еще в течение 1990-х гг. новейшая технология цифрового макета изделия
Рис. 1. Представление технологической информации о детали: а — объемная теоретическая модель, не содержащая аннотированных размеров и требований по качеству исполнения; б — чертеж со всеми необходимыми РТД; в — на базе ЗБ-модели
неуклонно развивалась по пути «безбумажных» технологий и, наконец, совершила существенный скачок: в наиболее передовых CAD-системах появились инструменты привязки РТД к самим объемным моделям деталей и сборок. Это дало возможность для введения нового стандарта ASME Y14.41-2003 Standard on Digital Product Definition Data Practices («Практика цифрового определения изделий», США).
Этот стандарт по способам цифрового определения изделий является новым шагом на пути более интенсивного использования технологии объемного проектирования. Он не является обязательным, но делает законным использование РТД на трехмерных моделях, в нем вводится понятие 3D-аннотации*.
После успешного введения в практику стандарта ASME Y14.41-2003 3D-аннотации по-
* В данном случае термин «аннотация», традиционно понимаемый как «примечание» или «пояснение», расширяет свое значение и соответствует элементу документирования, привязанному к геометрии ЗБ-модели изделия
лучили международное признание, и в 2006 году вышел соответствующий ему стандарт ISO 16792:2006 Technical product documentation — Digital product definition data practices («Практика цифрового определения изделия»). Новые возможности включены в функциональный набор практически всех современных CAD-систем. На рис. 2 показаны SD-аннотации в CAD-системе Unigraphics NX6 (Siemens PLM Software).
Стандарт устанавливает возможности полного оформления (цифрового определения) технологических требований с привязкой к объемной модели. Фактически появляется возможность отказаться от чертежа как продукта, составляющего конструкторский проект. Введенная информация представляет собой набор данных (data set), который сохраняется вместе с геометрической моделью CAD-системы и в любой момент может быть документирован на чертежах.
Стандарт вводит понятие важного элемента набора данных — плоскости аннотации (annotation plane). Это дополнительные гра-
фические плоскости на трехмерной модели, где указаны РТД детали. Таким образом, аннотация является плоскостным объектом и всегда содержится в определенной ранее плоскости. Плоскостей аннотаций на чертеже может быть столько, сколько необходимо для документирования. Плоскости аннотаций конструктор располагает так, чтобы они пересекали или совпадали с плоскостями или поверхностями моделей изделия. Если какой-то важный элемент набора данных не отображен на плоскостях аннотаций, соответственно, он не показан визуально на модели, то он остается невидимым атрибутом и может быть просмотрен только посредством специального запроса.
Для удобного отображения всех необходимых размеров стандарт предусматривает выполнение разрезов на моделях с сохранением отдельных видов в соответствии со стрелками вида. Разрезы могут быть выполнены плоскостями и поверхностями разной степени сложности, включая ступенчатые конфигурации. При необходимости возможно построение поверхностных моделей с указанием толщины листового материала, что удобно для некоторого класса изделий.
Стандарт обеспечивает возможность связи между элементами; например, все элементы одного массива отверстий могут иметь общую аннотацию, соответственно, при указании на элемент можно сразу понять, что аннотация относится к целой группе. Сама структура аннотаций имеет привязку к геометрическим элементам модели, что позволяет выстроить их в виде удобного для обзора дерева рядом с моделью.
Использование ЗБ-аннотаций исключительно удобно и наглядно. Конструкторы, технологи, технологи-программисты, операторы станков с ЧПУ, квалифицированные рабочие быстро привыкают к их использованию. При оформлении моделей в САБ-систе-ме у конструкторов появляются следующие возможности:
• легкое и наглядное назначение баз прямо на гранях и поверхностях моделей;
• автоматический контроль достаточности или избыточности размеров относительно указанных конструктором базовых поверхностей;
• автоматический расчет размерных цепей и замыкающих звеньев в сборках;
• автоматический нормоконтроль за правильностью использования форматов аннотаций (например, система может проверить, все ли допуски размеров проставлены, использован ли требуемый шрифт надписей и т. д.);
Указание РТД прямо на модели
Рис. 2. Пример использования ЗБ-аннотаций на деталях в CAD-системе Unigraphics NX6
• автоматический контроль технологичности деталей по ряду важных критериев: точности, шероховатости элементов, допусков форм и т. д. (например, система может проверить, допустимо ли соотношение «длина/диаметр» для отверстия, или проверить минимальную толщину стенки; проверка технологичности элемента, детали, узла может быть автоматически произведена на обширном составе конструкторско-технологических элементов (КТЭ) как по номиналам, так и по допускам;
• неограниченные варианты привязки текстовых комментариев и требований;
• автоматический вывод всех использованных РТД в чертеж (в тех случаях, когда необходимость в чертежах еще остается).
На рис. З показаны возможности быстрой фильтрации ЗБ-аннотаций, выполняемой в соответствии со стандартом ISO 16792:2006.
Использование ЗБ-аннотаций на конструкторском уровне открывает исключительные возможности для объединения элементов поверхностей в функциональные наборы — КТЭ. К таким элементам относятся собственно технологические образующие поверхности (плоскости, конусы, цилиндры, сферы и т. д.), элементы поверхности, образуемые в результате удаления материала (отверстия, пазы, карманы, канавки), в принципе существенно зависящие от особенностей технологий их обработки.
Такие функциональные наборы КТЭ позволяют определить для каждой детали стан-
ООБРАБОТ
а)
Рис. 3. Использование аннотированных моделей для управления видами деталей: а — общий вид аннотированной детали; б, в — частные виды с фильтрацией аннотаций: б — только размеры; в — только по выделенной группе отверстий
1>1
<в
ш1
"В
и>2
В
т
У В
В
V
—'
В 2
т2 _
Ъп
В
В
к:
В
^ >—^
В
Рис. 4. Примеры КТЭ, поддерживаемые в САБ/САМ-системах
¿<* / /1 / / / 1
В V 1
т
Автоматическое
сканирование и распознавание технологических элементов
9 Навигатор элементов обработки
Feature Name (MCS:None) Feature Type
✓ THREAO€D_SIMPlE_H... THREADEO.SIM -
✓ SIMPLE_HOLE_19 SIMPLEJHOLE
✓ THREAOED_SIMPLE_H... THREADEO.SIM
✓ SIMPLE_HOt£_21 SIMPLE_HOLE
✓ THREADED_SIMPIE_H... THREADEO.SIM
✓ SIMPLE_HOLE_23 SIMPLE.HOLE
- V THREAD€D_S!MPLE_H... THREADEO.SIM
✓ SIMPLE.HOLE.25 SIMPLE_HOLE
✓ THREAOED.SIMPLE.H... THREADEO.SIM
✓ SIMPLE.HOLE.27 SIMPLEJHOLE
✓ THREAD€D_SIMPLE_H... THREADEO.SIM
У- THREAOED.SIMPLE.H... THREADEO.SIM
✓ THREAO€D_SIMPLE_H... THREADEO.SIM
✓ THREADED_SIMPLE_H... THREADEO.SIM
✓ THREAOED.SIMPLE.H... THREADEO.SIM
✓ THREAOED.SIMPLE.H... THREADEO.SIM
Подробности Атрибут
Значение Перезг| ^ 16.000000... 7.5000000... 0.0000000...
MINOR DIAMETER 16.000000... [MAJOR DIAMETER 16.000000... TAPPED DRILL SIZE 14.376000...
Рис. 5. Пример распознавания элементов на объемной модели детали: а — распознавание:
1 — аннотированная объемная модель детали; 2 — список распознанных элементов обработки; 3 — параметры указанного на модели элемента «резьбовое отверстие»;
б — обработанная объемная модель детали со списком обнаруженных технологических элементов
дартные элементы, которые стали уже «библиотечными» элементами для наиболее развитых САБ/САМ-систем: любую деталь можно представить как набор разных КТЭ из соответствующей библиотеки (рис. 4).
Каждый КТЭ имеет строго определенный набор РТД, являющийся его неотъемлемой характеристикой, то есть каждый КТЭ должен опираться на свой набор ЗБ-аннотаций, превращенных в параметры этого КТЭ. Естественно, на детали могут быть элементы поверхностей нестандартизованной, произвольной формы, но это не отменяет правило, а просто указывает на то, что к данному КТЭ стандартная размерная схема неприменима, для его механообработки требуется станок с ЧПУ. В итоге отношения между КТЭ можно представить в виде дерева или графа в системе РБМ, где базовые элементы формируют опорные узлы, а к ним привязаны вторичные и переходные КТЭ. Все вопросы создания библиотек КТЭ технически реализуются, но действующий сейчас ГОСТ З.1109-7З «Единая система технологической документации. Термины и определения основных понятий» не содержит понятие КТЭ и, следовательно, не предусматривает его использование.
После решения задачи разработки и стандартизации библиотеки КТЭ можно построить их и ввести в САБ/САМ-систему. Использование стандартизованных КТЭ позволяет представить деталь как структуру, узлами которой являются все примененные на детали КТЭ. Эта
технологическая структура детали исчерпывающим образом и объективно отражает технологическую сложность обработки. Практически получение технологической структуры ЗБ-аннотированной детали реализуется уже технологом путем приложения механизмов автоматизированного распознавания КТЭ в современных САБ/САМ-системах (рис. 5).
Таким образом, технологическая структура детали будет представлена набором КТЭ, а процесс ее обработки — цепочкой операций по обработке разных КТЭ на дереве детали. Эти операции можно писать вручную, но имеется возможность существенной автоматизации. Например, в САБ/САМ-системе ЫХ можно вводить технологические правила с любой, сколь угодно сложной логикой (см. рис. 5). Пользуясь данными возможностями, технолог может привязать к каждому КТЭ определенные технологические решения по выбору оборудования, инструмента, режимов резания и т. д. Благодаря использованию встроенной логики техпроцесс обработки детали может появиться практически в полностью сгенерированном виде, то есть на это будет потрачено время, необходимое только на выполнение ручных операций.
Итак, конструктор-машиностроитель получает проверенный на практике инструмент проектирования изделий. Технологические возможности, которые появляются при этом, будут подробнее рассмотрены в следующем номере журнала.
