Система ADEM успешно применяется для проектирования и производства во многих отраслях промышленности. Решая широкий спектр задач машиностроения от научно технических разработок до выпуска рабочей конструкторской и технологической документации, ADEM обеспечивает также программирование практически всех типов станков с ЧПУ.
Представленный ниже пример характеризуется тремя не совсем стандартными условиями:
- научно исследовательская разработка и изготовление частей изделия происходят параллельно, что определяет несколько итераций процесса проектирование-изготовление в сжатые сроки;
- на каждой итерации структура и топология узлов и деталей может иметь кардинальные изменения;
- работа производится несколькими фирмами, располагающими различными CAD/CAM инструментами.
Именно такими условиями был определен процесс создания гоночной машины Mercedes FIA/GT.
Рис 1. Mercedes FIA/GT – победитель мирового перрвенсва 1998 года
Одними из самых сложных агрегатов с точки зрения топологии являются корпуса коробок передач. Постоянная борьба за массу изделия, работающего в условиях статических, динамических, ударных и вибрационных нагрузок приводят к возникновению тонкостенной пространственной конструкции переменной толщины с нелинейными ребрами жескости, наплывами и поднутрениями сложной формы.
Условия прочности предполагают также высокое качество поверхностей, отсутствие концентраторов любого рода в том числе и в местах сопряжений. Например, максимально допустимая высота гребешка после механообработки была определена равной 0.01 мм, минимальный радиус сопряжений – 1 мм.
Рис 2. Модель крышки коробки передач
Головной проект разрабатывался на фирме AMG Mercedes Racing в CAD/CAM Catia. Передача данных партнерам осуществлялась в файлах формата IGES.
Задача системы ADEM состояла в следующем:
- принять IGES файл из Catia
- выделить необходимую часть из общей модели
- вылечить "больные" места модели
- произвести необходимое редактирование
- подготовить программу с ЧПУ для группы станков
В данном случае полностью отсутствовала возможность изготовления опытного образца, так как на выпуск первого варианта штатной крышки отводилось 120 часов (5 полных суток).
Ввод модели и лечение
Следует отметить, что IGES от Catia обладает рядом особенностей и далеко не каждая современная система принимает данную информацию корректно. Ситуация еще более осложняется, когда речь идет не только о последующей визуализации модели и разборке на составляющие, но о высококачественной механообработке. В данной модели кроме топологически несвязанных объектов содержался еще "мусор" ввиде вырожденных элементов. ADEM справился с преобразованием в корректную модель довольно быстро, при этом работала лишь первая ступень вылечивания, не приводящая к изменениям геометрии, чего было вполне достаточно для CAM части системы.
Редактирование "чужой" модели
Практически любая CAD/CAM система позволяет не только построить модель, но и внести необходимые изменения. Основным методом внесения изменений является редактирование части "дерева" истории создания модели и регенерации модели по новому дереву.
Рис 3. Дерево генерации модели
Например, модель, приведенная на рисунке состоит из цилиндра и сферы между которыми выполнена булева операция объединения. На ребрах, возникших в результате булевой операции построены скругления (филеты). Имея подобное дерево довольно просто изменить модель, уменьшив диамертр сферы и выполнив указанные процедуры.
В значительной мере все усложняется если дерево отсутствует. Именно это и происходит как правило при обмене даными между различными системами. Ведь любое дерево описывается функцими конкретной системы. Одним из направлений современных исследований в области CAD/CAM систем является распознавание геометрических образов (Automatic Feature Recognition). Задачей AuFR является регенерация истории создания модели. Иным, но очень похожим способом редактирования чужих моделей (AsFR) обладает ADEM. Применение AsFR и позволило внести необходимые изменения в исходную модель.
Подготовка производства
На практике объемные модели редко обрабатываются за один проход. В первую очередь производят черновую обработку, которая по стратегии формирования траектории движения инструмента похожа на плоскую многоуровневую обработку, с той лишь разницей, что при расчетах необходимо учитывать объемную модель. В результате получается ступенчатая поверхность, пригодная для последующей чистовой обработки. Чистовая обработка, как правило, также бывает многопроходной. Это связано с тем, что для отдельных участков модели должны применяться различные стратегии обработки.
В системе ADEM одной из стратегий обработки объемных деталей является метод сечений (Z - level), который позволяет выполнять черновую и чистовую обработку моделей любой сложности. Эта стратегия обработки сейчас становится особенно популярной, т. к. позволяет использовать даже 2.5 координатные станки для обработки объемных деталей.
На первый взгляд очень просто найти сечение модели на заданной высоте и построить к нему эквидистанту удаленную на радиус инструмента, то есть получить контур, который и является траекторией движения инструмента. Однако есть ряд ограничений, которые делают этот путь неприемлемым :
- данный метод применим только для цилиндрического инструмента;
- модели могут приходить из других CAD/CAM систем, в виде набора несвязанных друг с другом поверхностей, что сильно усложняет задачу построения сечений.
Учитывая эти ограничения, в системе реализован оригинальный алгоритм:
- Для каждой поверхности модели строится объемная линия контакта инструмента с поверхностью так, чтобы расчетная точка инструмента двигалась на заданной высоте. Затем находится плоский контур, по которому движется данная расчетная точка. В результате мы получаем набор многосвязных контуров – фейсов (face).
- Для всего полученного набора фейсов производятся булевы операции объединения. Результатом является набор искомых кривых, двигаясь вдоль которых инструмент реализует заданную стратегию обработки. Но это только первая, техническая часть работы, т. к. при любой стратегии обработки приходится учитывать множество технологических параметров.
В процессе расчетов система автоматически может контролировать качество получаемой поверхности, динамически определяя Z координату следующего прохода. При этом для оценки качества поверхности используется условие, что максимальная высота гребешка на текущем проходе не может быть больше заданного значения.
Рис 4.
Гребешком называется слой материала, остающийся между соседними проходами инструмента и обусловленный разностью кривизны инструмента и обрабатываемой поверхности. Вместе с гребешком можно задавать максимальный шаг инструмента по Z координате, что позволит более оптимально проводить расчет траектории. Cистема ADEM автоматически формирует траекторию движения инструмента так, чтобы обеспечить качество поверхности не хуже заданной высоты гребешка.
Данный алгоритм может проводить расчеты с учетом контрольных поверхностей. Под контрольными понимаются поверхности, по которым инструмент не движется в процессе обработки, но контролирует возможность их «зарезания».
Рис 5.
Примером могут служить прижимы или поверхности, уже обработанные на предыдущих проходах. Очень часто в моделях встречается некачественное соединение соседних поверхностей, так называемые “щели”. Причины этого явления могут быть различны – от ошибок в моделирующем модуле до некорректного перевода моделей из одного формата в другой.
Рис 6.
В системе ADEM можно определить максимальную ширину щелей, которые система будет воспринимать как действительно существующие. Во всех остальных случаях, при формировании траектории, соседние участки поверхностей будут соединены отрезками, тем самым перекрывая разрывы, существующие в модели.
Заключение
В заключении приведем некоторые данные по результатам данной работы.
Время подготовки и генерации УП на PC P2/400/128 - 45 часов
Размер УП - 312 Mb
Время обработки на станке - 82 часа
Стратегия черновой обработки - метод сечений (Z-level)
Стратегия чистовой обработки - метод сечений (Z-level) и направленный зигзаг.
Стратегия обработки посадочных мест – эквидистанта, зигзаг, петля.
Постоянная высота гребешка по поверхности - 0.01
Обработка крышки производилась на станках Deckel/Maho DMU 5-axes
Использовались торовые фрезы: D35/R3.5, D25/R3.5, D12/R1
Исходный проект изменялся несколько раз. Начиная со второй итерации изменение УП производилось за счет ассоциативности геометрия-технология.
Опыт применения CAD/CAM ADEM для данного и подобных ему проектов послужил основой для формирования облика системы нового поколения. Особое место в версии 6.0 (выпуск – август 1999 года) получат дальнейшее развитие методы распознавания конструкторский и технологических образов, которые обеспечат еще большую эффективность работы.
Рис 7. Крышка коробки передач. Материал алюминиево-магниевый сплав (AL/CU/MG)