САПР сложнофасонных поверхностей

Инструментальное производство является основным потребителем на рынке CAD/CAM-систем.

Для производства изделий сложных дизайнерских форм необходима сложнофасонная оснастка (штампы и пресс-формы). Изготовление такой оснастки требует наличия довольно значительного парка станков с ЧПУ различных модификаций 3-, 4- и 5-координатной механической и эрозионной обработки. Поэтому в процессы автоматизированной техно­логической подготовки инструментального производства необходимо включить разработку компьютерных моделей заготовок, электродов и наладок с документированием этих компонентов и технологии изготовления деталей оснастки.

Поскольку эрозионная обработка требует значительных финансовых затрат вследствие удорожания электроэнергии, цветных металлов и графита, предприятие вынуждено увеличивать долю механической обработки. Это влечет за собой увеличение дополнительных переходов для обеспечения возможности механической обработки участков деталей с малым радиусом вогнутой кривизны поверхности. При этом существенно растет общий объем программ ЧПУ по обработке одного изделия. В итоге возникает необходимость обеспечить ускорение процесса разработки управляющих программ за счет повышения эффективности использования имеющихся программных средств ‒ путем разработки типовых технологий обработки в компьютерной среде и создания специализированных программных средств автоматизации работ технолога-программиста.

Чем сложнее изделие, тем больше используется инструментов и длиннее управляющая программа. В связи с этим возникают следующие проблемы:

- время на подготовку производства становится больше машинного;

- оперативной памяти системы ЧПУ не хватает для ввода всей программы целиком;

- на стадии подготовки производства потребуется оптимизировать технологию и размер программы.

Ускорение разработки технологии и УП может быть достигнуто за счет применения специальных полностью автоматизированных средств деления программ на части, за счет размножения и выполнения аффинных преобразований траектории, за счет постпроцессирования программ и присвоения имен в соответствии с принятым стандартом предприятия по использованию сетей управления станками и архивированию программ.

Для ускорения наладки станка при наличии огромного количества инструментов и УП обработки одного изделия необходимо представить точные операционные эскизы по каждой программе ЧПУ для оптимального подбора длины инструмента, для закрепления детали на станке, для обеспечения максимальной жесткости системы СПИД, чтобы гарантировать производительность и качество обработки. Поэтому потребуется разработка методических рекомендаций по использованию современных графических средств подготовки технологических документов и нормированию станочных работ.

Традиционная технология подготовки производства практически не регламентирует работы, связанные с обработкой на станках с ЧПУ, так как она ориентирована на обработку на универсальных станках деталей и электродов. Переход к изделиям сложной формы значительно увеличивает время разработки программ в общем цикле запуска изделия в производство. Отсутствие стандартов предприятий по запуску деталей в компьютеризированном производстве влечет за собой дополнительные затраты при повторном запуске деталей из-за случайной потери информации. Сле­довательно, необходимо перейти к новому уровню организации тех­нологической подготовки инструментального производства ‒ с использованием средств компьютерных технологий и промышленной информатики.

Из вышесказанного следует, что для компьютеризации инструментального производства потребуется наличие следующих программно-информационных предпосылок:

- приобретение современной вычислительной техники и развитие ее сетевого использования;

- распространение в инструментальном производстве систем геомет­рического моделирования низкого (SolidWorks, Solid Edge, Mechanical Desktop) и высокого (CATIA, Unigraphics, ProEngineer) уровней;

- создание локальных цеховых вычислительных сетей для прямой передачи данных от компьютера к станкам, минуя носители управляющих программ;

- наличие специалистов, имеющих определенный опыт работ на различных стадиях компьютерного проектирования (проектировщики, технологи-программисты, рабочие высокой квалификации);

- проектирование и производство новых изделий должно выполняться в среде, в которой имеются геометрические модели изделия и оснастки для его производства, организовано движение электронных конструкторских и технологических моделей и документов между различными службами предприятия, дизайнерская подготовка и оптимизация рабочих характеристик изделий, система контроля качества изделий с применением программных продуктов.

Конструктор и технолог рассматривают электронную модель детали по-разному и пользуются для ее построения разными средствами системы геометрического моделирования. Конструктора интересует функционирование детали в составе проектируемого устройства, размерные связи с другими деталями, а технолога ‒ возможность изготовления детали на имеющемся в его распоряжении оборудовании. Поэтому при передаче электронной модели от АРМ конструктора на АРМ технолога должен существовать этап превращения конструкторской модели детали в техно­логическую.

Электронная геометрическая модель детали изделия или оснастки с точки зрения технологии ее изготовления является иерархически сложноструктурированным объектом. Представление технологической модели детали может происходить по нескольким уровням. Первый уровень – это твердотельная модель детали, второй – это поверхностная модель детали в виде совокупности граней, третий – это каркасная модель как множество линий, четвертый – это компьютерное представление чертежа детали, полученного по перечисленным выше моделям.

Если перед запуском в производство требуется получить натурный образец изделия методом послойного синтеза (Laminate Synthesis) или быстрого прототипирования (Rapid Prototyping), то здесь главной является твердотельная модель. При этом указанные современные методы формообразования не исключают дальнейшей механической доработки получен­ных изделий.

В случае механической обработки достаточным может быть один из более низких уровней геометрических моделей деталей либо их комбинация. Если деталь представляет собой совокупность огибающих поверхностей инструмента при его движении одновременно по трем координатам, то необходима поверхностная модель детали. К данному виду обработки относится фрезерование шаровой и тороидальной фрезами (работу концевой фрезы при движении по поверхности можно рассматривать как частный случай тороидальной фрезы). При этом может осуществляться как фрезерование непосредственно самой детали (например, гребной винт), так и оснастки для ее изготовления (формообразующая поверхность штампа, поверхность электрода для прожига пресс-формы). Обычно подобная обработка является 3D-обработкой (три координаты в программе для оборудования полностью определяют положение инструмента) или 4D- и 5D-обработкой (инструмент или стол имеет возможность вращаться под управлением так называемых четвертой и пятой координаты).

Как известно, движение инструмента можно разделить на рабочее и вспомогательное. Если рабочее движение осуществляется в одной плоскости, то для подготовки программы достаточно плоского контура. Такой способ обработки называется 2D-обработкой, например, лазерная резка листового материала, токарная обработка. Если же при этом оборудование обеспечивает движение инструмента по расположенным в различных плоскостях контурам, параллельным координатным плоскостям инструмента, то получается 2,5D-oбpaботка, к которой относится, например, обработка корпуса редуктора на обрабатывающем центре: выборка карманов, торцовка поверхностей, предварительное фрезерование под растачивание, растачивание и сверлильная обработка. Для 2D-обработки вполне достаточно контурной модели, для 2,5D-oбpaбoтки, кроме контура, в целях осуществления настройки станка чаще всего дополнительно требуется чертеж детали.

Чтобы оптимизировать затраты на разработку УП для перечисленных выше типов обработки, следует выбрать соответствующую CAD/CAM-систему. Системы типа CATIA, Unigraphics, Pro/Engineer могут работать со всеми уровнями геометрической модели детали, но, поскольку они достаточно дорогие, их целесообразно применять только для 3D-обработки. С поверхностными моделями могут работать САМ-системы среднего уровня, например ГеММа-3D. Система ГеММа-3D воспринимает поверхностные модели в форматах IGES и STEP, полученные в системах более высокого уровня, а также модели, полученные в пакете Solid Edge, совместимом через Parasolid-интерфейс с моделями Unigraphics и SolidWorks. Для работы с контурными и поверхностными моделями, которыми могут быть представлены большинство деталей технологической оснастки, оптимальной является система ГеММа-3D, так как она обеспечивает удобное программирование многослойной обработки карманов, ввод коррекции инструмента для концевых фрез, оптимальную траекторию при гравировке и плазменной резке заготовок. Эта система позволяет обрабатывать детали в поверхностном представлении, разгружая при этом рабочие места с CAD/САМ-системами верхнего уровня. Поскольку ГеММа-3D воспринимает файлы в формате DXF, то можно организовать конструкторско-технологическую подготовку производства, проектируя часть деталей непосредственно в системе AutoCAD.

Как правило, на предприятии используются станки различных фирм, изготовленные в разные годы, оснащенные разными стойками ЧПУ (разные системы кодирования управляющей информации). Поэтому во всех системах CAD/CAM существует этап постпроцессирования УП, то есть САМ-система сначала формирует программу в каком-либо промежуточном формате, а затем полученный файл переводится в коды конкретного станка. Все CAD/CAM-системы генерируют УП на языке APT (Automatically Programmed Tool – автоматически программируемый инструмент), после чего, пользуясь библиотекой постпроцессоров, создают УП под конкретную стойку ЧПУ.