CAE-системи та моделювання технологічних процесів
ТЕМА 4. БАЗОВІ СИСТЕМИ АВТОМАТИЗАЦІЇ ПРОЕКТУВАННЯ І УПРАВЛІННЯ В ТПВ
4.1 CAD / CAM-системи в ТПВ.
4.2 CAE-системи та моделювання технологічних процесів.
4.3 PDM-системи для управління ТПВ.
Питання для самоконтролю.
CAD / CAM-системи в ТПВ
У дослівному перекладі термін CAD / CAM (Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing) означає комп'ютерне проектування та виготовлення. Що ж конкретно стоїть тут за поняттями "проектування" і "виготовлення"?
Під комп'ютерним проектуванням в загальному випадку розумієтьсярозробка конструкторського проекту вироби на основі тривимірного геометричного моделювання деталей і складальних одиниць, з подальшим автоматизованим формуванням комплекту креслярсько - конструкторської документації. Система, що виконує комп'ютерне проектування, називається CAD-системою.
Якщо CAD-система при проектуванні вирішує тільки задачу автоматизації отримання комплекту креслярсько-конструкторської документації, то її відносять до класу 2D (тобто "плоских") систем. CAD-система, в якій проектування виконується на основі тривимірних моделей, відноситься до класу 3D ( тобто об'ємних) систем. Нижче, говорячи про CAD-системах, ми будемо мати на увазі 3D-системи.
Під комп'ютерним виготовленням розуміється автоматизоване формування, на основі наявної геометричної моделі виробу, керуючих програм для виготовлення деталей виробу на обладнанні з ЧПУ. Система, яка вирішує дану задачу, називається CAM-системою. Деякі CAM-системи мають обмежені засоби для моделювання, але зазвичай моделі деталей, на підставі яких будується процес обробки, приймаються з CAD-системи через узгоджені інтерфейси.
CAD / CAM-системою називається система, яка забезпечує інтегроване рішення задач розробки конструкторського проекту виробу і формування керуючих програм для обробки деталей виробу на обладнанні з ЧПУ. Об'єднання цих досить різних класів задач в рамках однієї системи обумовлено тим, що їх рішення базується на використанні єдиної тривимірної геометричної моделі виробу. Спільність моделі дозволяє уникнути всіх проблем, пов'язаних з передачею даних з однієї системи в іншу, забезпечує інтегроване рішення проектних завдань.
Побудова просторової геометричної моделі проектованого виробу є центральним завданням комп'ютерного проектування. Саме ця модель використовується в CAD / CAM-системі для подальшого вирішення завдань формування креслярсько-конструкторської документації, проектування засобів технологічного оснащення, розробки керуючих програм для верстатів з ЧПК (рис. 4.1.). Крім того, ця модель передається в CAE-системи та використовується там для проведення інженерних досліджень. По комп'ютерній моделі, за допомогою методів і засобів швидкого прототипування, може бути отриманий фізичний зразок виробу.
Рис. 4.1. Роль комп’ютерної моделі виробу
Мислення конструктора, який застосовує ЗD-моделювання. відрізняється від мислення конструктора, працюючого тільки з кресленнями. Ці відмінності полягають у наступному.
1. Уявні "образи креслень" замінюються образами моделей ", що розкриває просторове мислення і сприяє більш швидкому прийняттю рішень.
2. Свобода у створенні складних геометричних форм і розуміння того, що ці форми можуть бути легко реалізовані "в металі" за допомогою інтегрованих технологій, стимулюють творчість, підвищують інтерес до роботи.
3. Використовуючи при проектуванні створену раніше модель схожого виробу (виробу-аналога), конструктор може іноді в десятки разів скоротити загальний час роботи над проектом. Цей фактор сприяє упорядкуванню інформації про виконані розробки, призводить до більшої систематизації мислення.
Важливо також, що при 3D-проектуванні різко зменшується кількість помилок в проекті. Це відбувається з наступних причин:
• Конструктор може наочно бачити результат своєї роботи вже в процесі проектування:
• Види креслення формуються на підставі моделі автоматично і тому виключаються ситуації, коли інформація в одному виді не відповідає іншому;
• При проектуванні складальних одиниць є можливість перевіряти збируваність і виявляти помилки на рівні моделей.
Створювана конструктором геометрична модель зберігається в пам'яті комп'ютера як деякий математичний опис і відображається на екрані у вигляді просторового об'єкта. Об'єкт може відображатися в різному поданні: каркасному, з видаленням невидимих ліній, напівпрозорому і напівтоновому (рис. 4.2.).
Рис. 4.2. Види представлення об’єкта: а) каркасне; б) з видаленням невидимих ліній; в) напівтонове
Розрізняють поверхневе (каркасно-поверхове), твердотільне та гібридне моделювання.
При поверхневому моделюванні спочатку будується каркас - просторова конструкція, що складається з відрізків прямих, дуг кіл та сплайнів. Каркас відіграє допоміжну роль і служить основою для подальшої побудови поверхонь. Які "натягаються" на елементи каркаса.
Залежно від способу побудови, розрізняють наступні види поверхонь: лінійні; обертання; кінематичні; галтельного сполучення; які проходять через повздовжні і поперечні перетини; поверхні для "затягування вікон" між трьома і більше суміжними поверхнями; NURBS-поверхні, які визначаються завданням контрольних точок поздовжніх і поперечних перерізів; планарні поверхні.
Хоча поверхні і визначають межі тіла, але самого поняття "тіло" у режимі поверхневого моделювання не існує, навіть якщо поверхні обмежують замкнутий об'єм. Це найбільш важлива відмінність поверхневого моделювання від твердотільного.
Інша особливість полягає в тому, що елементи каркасно - поверхневої моделі ніяк не пов'язані один з одним. Зміна одного з елементів не тягне за собою автоматичної зміни інших Це дає велику свободу при моделюванні, але одночасно значно ускладнює роботу з моделлю.
Твердотільне моделювання має в своїй основі ідеологію, яка суттєво відрізняється від ідеології каркасно-поверхового моделювання. Твердотільна модель являє собою цілісний об'єкт, що займає замкнуту частину простору. Завжди можна точно сказати, чи знаходиться точка всередині твердого тіла, на його поверхні або поза тілом. При зміні в моделі будь-якого елемента будуть змінюватися всі інші елементи, які пов'язані з ним. У результаті зміниться форма твердого тіла, але збережеться його цілісність.
Твердотільне моделювання передбачає можливість установки параметричних залежностей між елементами твердого тіла або декількох тіл. При цьому зміна одного з параметрів (наприклад, довжини елемента) призводить до відповідної перебудови всіх параметрично пов'язаних елементів. Таке моделювання, називається параметричним, дає конструктору додаткові зручності. Так, можна встановити параметричні залежності між елементами твердотільного складання і. тим самим, автоматизувати контроль складності складання виробу.
При гібридному моделюванні забезпечується можливість одночасної роботи з твердотільними об'єктами і з поверхнями.
При цьому можна "відрізати" поверхнею частина твердого тіла, перетворювати замкнутий поверхнями обсяг в тверде тіло і т. п. Гібридне моделювання дозволяє поєднувати всі зручності твердотільного моделювання з можливістю побудови об'єктів як завгодно складної геометричної форми.
У різних CAD / CAM-системах можуть бути реалізовані як деякі з перерахованих типів моделювання, так і всі з них.
Створені моделі можуть передаватися з однієї CAD / CAM-системи в іншу через спеціальні інтерфейси - узгоджені формати даних для обміну інформацією.
Існує ряд так званих стандартних інтерфейсів. Вони мають формат символьних (ASCII) файлів, де опис геометричних і інших характеристик моделі виконується у відповідності з прийнятим стандартом. На практиці кожен формат має свої пріоритетні галузі застосування. Так. стандартний формат DXF використовується в основному для передачі креслярсько-графічної інформації; формат IGES - для передачі геометрії поверхневих моделей; формат STL - для передачі моделі, апроксимованої плоскими елементами, з CAD-системи в САМ-систему, CAE-систему або в установку для швидкого прототипування виробів.
У ряді випадків CAD / CAM-системи можуть "розуміти" внутрішні формати один одного, які використовувані для представлення моделей. У цьому випадку говорять про наявність прямих інтерфейсів між системами.
Одним з практичних прикладів використання інтерфейсів є передача конструкторським бюро інформації про спроектований виріб (в електронному вигляді) на завод-виробник, у разі, коли конструкторське бюро і завод застосовують у своїй роботі різні CAD / CAM-системи.
Сьогодні у світі пропонується велика кількість різних CAD-, САМ-і CAD / CAM-систем. відрізняються за функціональною потужності, області застосування, ступеня складності освоєння системи користувачем, вартості. З найбільш поширених в світі CAD-, САМ-і CAD / CAM-систем, в Росії добре відомі Catia, Unigraphics, Pro / Engineer. Cimatron, PowerShape / PowerMill, SolidWorks. AutoCAD. Значних успіхів досягли також вітчизняні розробки-системи Компас. T-Flex, Спрут та ін
Деякі системи знаходять найбільше застосування в сфері проектування складних виробів, деякі частіше використовуються у сфері підготовки виробництва. Зокрема, у сфері ТПВ широке поширення набула CAD / CAM-система Cimatron (розробка компанії Cimatron Ltd.).
Система Cimatron Е забезпечує вирішення наступних проектних завдань ТПВ:
• Управління даними про проектовані об'єкти на основі використання бази даних, забезпечення колективної роботи користувачів за допомогою вбудованої системи PDM:
• Проектування деталей і складальних одиниць з використанням методів поверхневого, твердотільного і гібридного моделювання, включаючи застосування булевих операцій для замкнутих та відкритих об'єктів;
• Інтеграція з іншими системами на основі стандартних інтерфейсів (формати DXF. IGES, STEP, VDA. SAT, STL) і прямих інтерфейсів (Catia, Unigraphics. Pro / Engineer, Cimatron it, AutoCad):
Швидке створення моделей формотворчих деталей оснастки без необхідності попередньої доопрацювання вихідної моделі виробу незалежно від того, в якій CAD-системі вона розроблена, графічна візуалізація ухилів; проектування формотворного оснащенням (прес-форм) з використанням баз нормалізованих деталей ( плит, колонок, штовхачів та ін.)
Перелік і параметри нормалізованих деталей встановлюються одним з прийнятих стандартів - HASCO, DME, ЕОС та ін Допускається також використання власних бібліотек деталей;
Автоматичне створення видів і перетинів креслення для відкритих та закритих геометричних об'єктів, при повній асоціативності креслення і моделі. Розвинені і зручні засоби оформлення креслень, підтримка ЄСКД та інших креслярських стандартів:
Формування керуючих програм для обробки деталей на верстатах з ЧПК. Широкий спектр процедур чорнового, напівчистового і чистового фрезерування, використання як звичайної (2.5-і 3 - координатної), так і багатокоординаційно обробки. Оптимізація траєкторії руху інструмента, створення і використання типових технологічних рішень (темплейтів). підтримка високошвидкісного різання, реалістична імітація і контроль якості обробки.
Як приклад, що ілюструє можливості системи при проектуванні виробів, на рис. 4.3. представлена модель мережевого фільтра, створена в системі Cimatron. а на рис. 4.4. - згенерований у Cimatron креслення кришки корпусу цього мережевого фільтра.
Повертаючись до проблеми вибору CAD / CAM-систем. Відзначимо можливість прийняття таких рішень:
• Використання єдиної інтегрованої CAD / CAM-системи для вирішення задач проектування та підготовки виробництва. У цьому випадку досягається найбільший рівень уніфікації, усувається проблема інтерфейсів, швидше підвищується загальна якість робіт. Однак, придбання необхідного числа автоматизованих робочих місць для проектування може вимагати істотних витрат, оскільки вартість інтегрованих CAD / CAM-систем відносно висока:
• Використання в конструкторських підрозділах дворівневих комплексів: 3D CAD-системи для побудови об'ємних моделей і 2D або 3D CAD-системи для автоматизації креслярських робіт. У цьому випадку можна знизити витрати за рахунок оснащення великої кількості робочих місць відносно дешевими системами для автоматизації креслярських робіт:
• Придбання CAD-і CAM-систем у різних постачальників (в цьому випадку системи зазвичай мають прямі інтерфейси). Це рішення також дозволяє знизити загальні витрати і одночасно забезпечити необхідну функціональність робочих місць.
Вибір того чи іншого рішення залежить від багатьох факторів: необхідного числа автоматизованих робочих місць, розподілу функцій між ними, планованої організації робіт в АСТПВ, фінансових обмежень і ін
Аналіз ситуації та по розробці проектів автоматизації служб ТПВ на базі CAD / CAM-систем дозволяє запропонувати наступну послідовність етапів вибору.
1. Визначення мети автоматизації та критеріїв вибору. Наприклад, в якості критерію вибору може бути заданий рівень автоматизації вирішуваних завдань.
Рис. 4.3. Модель мережного фільтра, побудована в системі Cimatron: а - складений вигляд, б – вигляд "розібраної збірки"
2. Проведення аналізу роботи підрозділу, що підлягає автоматизації та розробка його моделі, наприклад, з використанням методології функціонального моделювання IDEF0 (про цю методології йдеться нижче, в п. 3.1).
3. Укрупнений аналіз CAD / CAM-систем. Спочатку рекомендується провести аналіз із загальних позицій. Далі проводиться аналіз по групах основних характеристик: організаційно-економічним, функціональним. адаптивним, інтеграційним. Результатом цього етапу є вибір 2-3 систем для проведення дослідно-промислової експлуатації (тестування).
4. Навчання в спеціалізованих навчальних центрах групи фахівців. виділених для тестування (1-2 тижні).
5. Дослідно-промислова експлуатація з врахуванням реальних виробничих прикладів, запропонованих фахівцями підприємства (4-6 тижнів).
6. Підведення підсумків тестування, підготовка звіту, конфігурування робочих місць, розробка пропозицій для прийняття рішення.
7. Поглиблений аналіз техніко-комерційних пропозицій постачальника, прийняття рішення
Рис. 4.4. Креслення кришки корпуса мережевого фільтра, яке отримане в системі Cimatron
CAE-системи та моделювання технологічних процесів
Термін CAE (Computer Aided Engineering) можна перевести як "комп'ютеризація інженерних досліджень" або "комп'ютеризація інженерного аналізу". Інженерні дослідження є невід'ємною частиною процесу конструкторського проектування, якщо розуміти проектування в широкому сенсі цього слова. Однак, на відміну від CAD-систем. вирішальних геометричні задачі, САЕ-системи моделюють фізичні процеси поведінки проектованого об'єкта - наприклад, поведінка вироби при різних механічних навантаженнях, ударах, різних температурних режимах і ін. У результаті дослідженні оптимізуються відповідні міцнісні або теплові характеристики, підвищується ресурс і довговічність об'єкта.
Досліджуватися можуть не тільки проектовані вироби або деталі, але й проектовані технологічні процеси - наприклад, процес гарячого штампування, гнуття, прокатки або лиття з пластмас. Оптимізація параметрів технологічного процесу призводить до поліпшення якості і підвищення довговічності виготовленого вироби, зменшенню його матеріаломісткості. Крім того, при дослідженні технологічного процесу виробляються рекомендації, які сприяють поліпшенню характеристик відповідної оснастки.
На рис. 4.5. наведена загальна схема спільного використання CAD-і CAE-систем стосовно до задачі проектування засобів технологічного оснащення. Розроблювальні в CAD-системі конструкторські рішення піддаються дослідженням за допомогою CAE-системи. За результатами досліджень виконуються відповідні зміни конструкції або параметрів проектованого оснащення. При необхідності виконуються повторні дослідження і т. д., до отримання оптимального (або просто прийнятного) результату.
Математичною основою інженерних досліджень є методи нелінійного кінцевоелементного аналізу (FEA - Finite Element Analysis). FEA - це надзвичайно потужний засіб, яке дає інженеру можливість моделювати структурний поведінку об'єкта, виконувати зміни та спостерігати результати цих змін.
Метод кінцевих елементів працює на основі розщеплення геометрії об'єкта на велике число (тисячі або десятки тисяч) елементів (наприклад, паралелепіпедів). Ці елементи утворюють комірки мережі з вузлами в точках з'єднань. Поведінка кожного малого елемента стандартної форми швидко розраховується на основі математичних рівнянь. Підсумовування поведінки окремих елементів дає очікувану поведінку об'єкта в цілому. По суті. FEA є чисельним методом вирішення інженерних завдань, таких як аналіз напружень, теплопередача, електромагнітні явища і потік рідин.
В залежності від того, чи відповідає досліджувана модель вимогу лінійності, використовується лінійний або нелінійний кінцевоелементний аналіз. На відміну від лінійного FEA, де рішення досягається в одному кроці, нелінійний FEA являє собою ітераційну процедуру, яка може зажадати сотень і навіть тисяч кроків. Існує три основних типи нелінійностей:
• Матеріальні - пластичність, повзучість, в'язкопружного матеріалу:
• Геометричні - великі деформації або розтягнення, різкі вигини:
• Граничні - контакти з іншими об'єктами, тертя, додаткові сили.
Рис. 4.5.. Роль CAE-систем в проектуванні засобів технологічного оснащення (ЗТО)
У практичних ситуаціях найчастіше мають місце нелінейні моделі, що вимагають застосування нелінійного кінцевоелементного аналізу.
Теоретично немає обмежень на додатки з використанням FEA. Методи FEA вперше були застосовані в аерокосмічній та автомобільній промисловості, але потім поширилися практично на всі інші галузі.