Введение
Завод Экспериментального Машиностроения Ракетно-Космической Корпорации "Энергия" имени С.П.Королева (ЗЭМ РКК "Энергия") - один из лидеров мирового ракетно-космического машиностроения, специализирующийся на изготовлении пилотируемых и грузовых космических кораблей, автоматических космических аппаратов различной целевой направленности и элементов космических систем. С 1999 года перед ЗЭМ РКК "Энергия" встал вопрос реализации производственных задач с позиции использования новых САПР, т.к. к этому моменту на РКК "Энергия" в качестве основной САПР принята "PRO/Engineer" - система верхнего уровня, позволяющая успешно решать большинство проектно-конструкторских задач. В результате этого появилась необходимость подбора системы САПР хорошей технологической направленности, при работе с которой было бы возможно:
В процессе работы по подбору САПР проводился анализ существующих на данный момент систем проектирования процессов механической обработки. В результате в качестве наиболее удовлетворяющей требованиям системы была рассмотрена система "ADEM" фирмы ADEM Technologies.
Целью данной статьи является дать обзор выполненных работ в системе "ADEM", как в системе, участвующей в сквозном цикле создания изделия на этапе формирования технологического проекта механической обработки изделия за период опытно-промышленной эксплуатации по направлениям:
Комплектация одного рабочего места CAD/CAM/CAPP системы "ADEM 7.1", поставленного на ЗЭМ, включает в себя:
- использовать в качестве исходного материала конструкторскую модель, выполненную в PRO/Engineer;
- технологическое моделирование на основе имеющихся конструкторских моделей;
- создавать и редактировать собственные постпроцессоры на оборудование с ЧПУ, применяемое на ЗЭМ;
- иметь удобную систему программирования для станков с ЧПУ;
- вести сквозное проектирование всего процесса технологической обработки изделия, имея возможность создания и оформления комплектов документов;
В процессе работы по подбору САПР проводился анализ существующих на данный момент систем проектирования процессов механической обработки. В результате в качестве наиболее удовлетворяющей требованиям системы была рассмотрена система "ADEM" фирмы ADEM Technologies.
Целью данной статьи является дать обзор выполненных работ в системе "ADEM", как в системе, участвующей в сквозном цикле создания изделия на этапе формирования технологического проекта механической обработки изделия за период опытно-промышленной эксплуатации по направлениям:
- Моделирование математических моделей изделий и работа с моделями, импортированными из других систем;
- Проработка деталей на технологичность;
- Выпуск чертежей детали на основе моделей;
- Проектирование технологической оснастки;
- Разработка управляющих программ на основе 2D- и 3D-моделей;
- Моделирование процессов механической обработки;
- Разработка постпроцессоров на оборудование, применяемое на ЗЭМ;
- Создание баз данных материала, режущего инструмента и тех.переходов;
- Создание и оформление комплекта документации на тех.процесс;
Состав и назначение модулей системы "ADEM 7.1".
Комплектация одного рабочего места CAD/CAM/CAPP системы "ADEM 7.1", поставленного на ЗЭМ, включает в себя:
- конструкторский модуль 2D и 3D САD;
- модуль разработки управляющих программ САМ 4Х;
- модуль сравнения ADEM Verify;
- модуль разработки комплекта документов на тех. процесс САРР;
- модуль архива;
- библиотеки и генератор постпроцессоров GРР.
Назначение модулей приведено в таблице №1.
Таблица № 1. Назначение закупленных модулей САПР "ADEM".
Таблица № 1. Назначение закупленных модулей САПР "ADEM".
| № п/п | Обозначение модуля | Назначение |
|---|---|---|
| 1 | ADEM 2D- и 3D САD |
|
| 2 | ADEM САМ 4Х |
|
| 3 | ADEM Verify |
|
| 4 | ADEM САРР |
|
| 5 | модуль архива (ADEM Vault) | Организация хранения и быстрого поиска данных по управляющей программе, технологическому процессу, чертежу и модели деталей, так же по базам данных режущего, мерительного инструмента и технологической оснастке. |
| 6 | ADEM GРР |
|
В данную лицензию включен максимально необходимый набор модулей, которые позволяют решать большинство задач технологической подготовки механической обработки изделий.
Модульная структура системы позволяет комплектовать рабочее место технолога в зависимости от поставленных задач.
Период эксплуатации и его основные этапы.
Эксплуатация лицензии на одно рабочее место системы "ADEM" осуществляется в Отделе Главного технолога с мая 2004г. К настоящему моменту работа с системой "ADEM" прошла на ЗЭМ ряд организационных этапов отраженных на диаграмме №1. На диаграмме отражены этапы двух основных периодов:- работа в системе после ее приобретения, включавшая в себя самообучение технологов, идущий процесс адаптации баз данных и создания ТП и УП по которым изготовлены и сданы штатные детали.
- подготовительный период до приобретения.
Диаграмма № 1. Этапы внедрения САПР "ADEM".
Технический персонал, эксплуатирующий систему.
На разных этапах освоения системы "ADEM" на заводе к работе с ней привлекались 14 инженеров-технологов и технологов-программистов. В сентябре 2003 года 4 технолога прошли в течение 4-х дней ознакомление с возможностями системы на производственной базе фирмы "ADEM".
Технологические операции, выполняемые с использованием системы "ADEM"
Математическое моделирование объектов обработки и импортация
При разработке управляющих программ (как правило, при фрезеровании) технологу необходимо пользоваться твердотельными моделями. Они нужны, как в качестве основы для 3D-обработки (при задании в качестве конструктивных элементов поверхностей), так и для визуального отображения детали, когда чертеж не дает полного представления о модели. В случае, когда при разработке техпроцесса технолог имеет лишь чертеж детали, он должен сам создавать 2D- и 3D-модели. Кроме того, при импорте готовых конструкторских моделей для составления программы часто требуется технологическая доработка, к примеру, временная затяжка отверстия для получения однородной поверхности, необходимой для формирования обработки (см. рис.1), или другие изменения в модели.
Рис. 1 Пример затяжки отверстия на импортированной из PRO/Engineer в ADEM модели с целью получения необходимой поверхности для формирования программы.
Рис. 2 Формирование фаски на детали "крышка" в модуле ADEM CAD
Рис. 3 Расчет допустимого размера прутка для токарной обработки на детали "держатель"
Рис. 1-2 Пример модели, построенной методом сложения 3D-элементов
Рис. 2-2 Импортированная из PRO/Engineer в ADEM поверхностная модель "корпуса"
Рис. 3-2 Модель, импортированная из SolidWorks в ADEM
Рис. 4-2 Пример изменения размеров методом эвристической параметризации
Одной из возможностей модуля ADEM CAD является получение чертежных видов по объемной модели. Построение дополнительных видов, сечений, разрезов сводится к нанесению на поле чертежа стрелок видов и линий разрезов в режиме плоского черчения. При этом система автоматически создает необходимые изображения (см. рис.6-2). Модель и чертеж имеют ассоциативную связь, т.е. при изменении модели, виды и сечения меняются автоматически.
Рис. 6-2 Пример получения видов и сечения на основе 3D-модели детали
Рис. 7-2 Получение размеров с развертки конической поверхности детали
Рис. 8-2 Измененная модель "ложемента", выполненная в ADEM CAD
Рис. 9-2 Фотография "ложементов", изготовленных по созданной в ADEM технологии после черновой и чистовой обработок
Рис. 10-2 Конструкторская документация на "ложемент", выполненная в системе "ADEM"
Для реализации процессов собираемости изделия и технологической оснастки в среде ADEM применялся модуль ADEM CAD. В качестве исходной модели использовалась 3D-модель заготовки, на основе которой формировался весь дальнейший цикл проектирования оснастки. На рисунке 11-2 представлена раскладка технологической оснастки для обработки "основания". Геометрия детали была такова, что проектирование приспособлений вызывало затруднения. Поэтому на базе модели заготовки был создан ряд вспомогательной оснастки, позволяющей изготовить деталь на станке.
Рис. 11-2 Просмотр установки заготовки детали "основание" в приспособлении в режиме прозрачности
Рис. 12-2 Процесс собираемости токарного приспособления и вспомогательной оснастки для обработки "ложемента"
Рис. 13-2 Раскладка технологической оснастки, используемой для изготовления детали "основание", выполненная в ADEM CAD
Рис. 14-2 Пример снятия размеров с одного из видов приспособления при изготовлении детали "ложемент"
Рис. 1 Пример затяжки отверстия на импортированной из PRO/Engineer в ADEM модели с целью получения необходимой поверхности для формирования программы.
Для черчения, твердотельного, поверхностного и гибридного моделирования предназначен модуль ADEM CAD. Модуль создан в концепции единого 2D/3D-пространства, т.е. имеет возможность одновременно работать и с чертежами и с объемными моделями, а также совмещать 2D и 3D построения. Весь процесс создания изделия отображается в виде "дерева проекта", в котором каждый элемент в любой момент времени может редактироваться, что во многом облегчает построение модели. Сочетание поверхностного и твердотельного моделирования позволяет создавать элементы, невыполнимые при построении каждым способом в отдельности. К примеру, создание криволинейной фаски на конической поверхности детали крышка при внеосевом сечении (см. рис.2), стало возможно лишь после формирования поверхности по направляющей и последующем рассечении ею тела заготовки.
Рис. 2 Формирование фаски на детали "крышка" в модуле ADEM CAD
Совмещение 2D и 3D-построений дает возможность использовать ADEM CAD при получении неявно заданных параметров, в частности, - необходимых размеров. Лишь по готовой твердотельной модели можно судить о многих размерах, не отображенных на чертеже, но нужных для формирования программы. В качестве примера можно привести держатель, для которого минимальный допустимый размер прутка был посчитан только путем 3D-моделирования (см. рис.3).
Рис. 3 Расчет допустимого размера прутка для токарной обработки на детали "держатель"
На многих деталях встречается взаимное пересечение сложных криволинейных поверхностей, линию перехода которых также нельзя определить исходя из чертежа. Объемное моделирование позволило не только понять характер кривой (см. рис.4,5,6,7), но в дальнейшем проводить операции с линией перехода, как в объемном, так и в плоском виде, в том числе снятие необходимых координат составляющих точек
 |
 |
| Рис. 4 Модель "основания" | Рис. 5 Модель "рукоятки" |
 |
 |
| Рис. 6 Модель "вкладыша" | Рис. 7 Модель "кронштейна" |
Кроме того, моделирование проводилось для создания моделей заготовок, применяемых для программной обработки в модулях ADEM CAM и ADEM NC VERIFY. В случаях, когда выбор заготовки на деталь вызывал трудности, или требовалась предварительная модель заготовки, производилась проверка положения детали внутри модели заготовки в ADEM CAD. Объемные модели детали и заготовки накладывались друг на друга, показывая тем самым реальную картину. Например, при формировании обработки одного из кронштейнов была создана модель заготовки под программную обработку (см. рис.8). При этом был проведен контроль припуска на механическую обработку детали.
 |
 |
Рис. 8 Совмещение моделей детали и заготовки под программную обработку, выполненное в ADEM CAD
В модуле ADEM CAD предусмотрена библиотека плоских и объемных стандартизированных элементов (болты, винты, кольца, втулки и т.д.), которая может быть дополнена пользователем, включая возможность создавать новые каталоги наиболее применяемых фрагментов. Также в ADEM CAD активно используется управление слоями. В любой момент 2D- и 3D-элементы могут быть перенесены в другой слой и временно погашены, что делает процесс черчения и моделирования более удобным. Использование таких функций, как построение вспомогательных линий, создание временной проекции грани, построение эквидистанты, позволяет проводить черчение и моделирование несколькими способами.
Использование инструментов булевых операций при построении 3D-элементов дает возможность говорить о различных концепциях формирования твердотельных моделей. Объемное построение может выполняться как из единого математического объема, так и путем 3D-сложения различных твердотельных элементов, что часто использовалось в процессе создания моделей сложной геометрической формы (см. рис.1-2).
Использование инструментов булевых операций при построении 3D-элементов дает возможность говорить о различных концепциях формирования твердотельных моделей. Объемное построение может выполняться как из единого математического объема, так и путем 3D-сложения различных твердотельных элементов, что часто использовалось в процессе создания моделей сложной геометрической формы (см. рис.1-2).
Рис. 1-2 Пример модели, построенной методом сложения 3D-элементов
Используя булевы операции, можно легко перестроить твердотельную модель в поверхностную и наоборот, что постоянно применялось при редактировании импортированных деталей.
Система ADEM позволяет вести обмен данными с другими CAD-системами. Для импорта объемных моделей встроены интерфейсы: SAT, STEP, VDA, IGES, CATIA, STL, IDF, через которые можно организовать передачу данных практически из любой современной системы (см. рис.2-2,3-2). Чертежи, импортированные в ADEM из других систем через форматы DFX и DWG (AutoCAD), приобретают новые свойства, присущие оригинальным чертежам системы. Также в ADEM предусмотрена компьютерная обработка бумажных чертежей в растровых форматах (BMP, TIFF, PCX, JPEG) с использованием фильтров и растрового редактора, позволяющая создавать векторные изображения чертежей.
Система ADEM позволяет вести обмен данными с другими CAD-системами. Для импорта объемных моделей встроены интерфейсы: SAT, STEP, VDA, IGES, CATIA, STL, IDF, через которые можно организовать передачу данных практически из любой современной системы (см. рис.2-2,3-2). Чертежи, импортированные в ADEM из других систем через форматы DFX и DWG (AutoCAD), приобретают новые свойства, присущие оригинальным чертежам системы. Также в ADEM предусмотрена компьютерная обработка бумажных чертежей в растровых форматах (BMP, TIFF, PCX, JPEG) с использованием фильтров и растрового редактора, позволяющая создавать векторные изображения чертежей.
Рис. 2-2 Импортированная из PRO/Engineer в ADEM поверхностная модель "корпуса"
Рис. 3-2 Модель, импортированная из SolidWorks в ADEM
Отдельно нужно сказать о возможности построения параметрических 2D- и 3D-объектов. Параметризация позволяет редактировать чертежи и твердотельные модели не меняя дерева построения, а путем изменения лишь необходимого размера. Применение этого метода широко использовалось при создании ряда типовых деталей, сходных по геометрии и отличающихся друг от друга лишь размерами. На основе метода эвристической параметризации в модуле ADEM CAD организована работа с учетом полей допусков. При формировании размеров в таблице параметров указывается требуемый допуск и система автоматически перестраивает модель в соответствии с внесенными изменениями.
Рис. 4-2 Пример изменения размеров методом эвристической параметризации
В период освоения и эксплуатации системы ADEM на ЗЭМ был создан ряд моделей пробных деталей (см. рис.5-2), на которых проводилось обучение работе в модуле CAD; после обучения для выполнения производственных задач в модуле ADEM CAD создавались модели типовых изделий.
 |
 |
 |
 |
 |
 |
Рис. 4-2 Пример изменения размеров методом эвристической параметризации
Плоское моделирование на основе 3D-моделей и создание чертежей детали
При создании объемных моделей черчение является основой всего твердотельного и поверхностного построения. Кроме объемных построений в ADEM CAD технолог должен создавать эскизы операций для тех.процессов, формировать и редактировать контуры обрабатываемых поверхностей, снимать необходимые размеры и т.д. Поэтому для формирования 2D- и 3D-обработки в системе ADEM работа с плоскими элементами является необходимой.Одной из возможностей модуля ADEM CAD является получение чертежных видов по объемной модели. Построение дополнительных видов, сечений, разрезов сводится к нанесению на поле чертежа стрелок видов и линий разрезов в режиме плоского черчения. При этом система автоматически создает необходимые изображения (см. рис.6-2). Модель и чертеж имеют ассоциативную связь, т.е. при изменении модели, виды и сечения меняются автоматически.
Рис. 6-2 Пример получения видов и сечения на основе 3D-модели детали
Построение дополнительных видов и сечений часто применялось как в случаях сложной геометрии тел для необходимого расчета, так и для чертежного представления смоделированной в системе ADEM или импортированной 3D-модели.
Кроме получения видов, разрезов и сечений в ADEM CAD позволяет на основе объемных моделей получать развертки указанных поверхностей и твердотельных многогранников. При проектировании обработки одной из деталей возникла необходимость построения развертки конической поверхности, так как размеры после гибки, указанные на чертеже, отличались от размеров, нужных для создания обработки. В системе ADEM строилась модель детали, по которой была получена необходимая развертка (см. рис.7-2). Размеры, снятые с развертки стали расчетными размерами для контурного фрезерования.
Кроме получения видов, разрезов и сечений в ADEM CAD позволяет на основе объемных моделей получать развертки указанных поверхностей и твердотельных многогранников. При проектировании обработки одной из деталей возникла необходимость построения развертки конической поверхности, так как размеры после гибки, указанные на чертеже, отличались от размеров, нужных для создания обработки. В системе ADEM строилась модель детали, по которой была получена необходимая развертка (см. рис.7-2). Размеры, снятые с развертки стали расчетными размерами для контурного фрезерования.
Рис. 7-2 Получение размеров с развертки конической поверхности детали
При проектировании обработки ложемента возникла трудность из-за отсутствия конструкторских построений под мех.обработку. Деталь представляла собой штамповку, в которой некоторые размеры отсутствовали, а геометрия была оптимизирована под метод обработки. Была достигнута договоренность с разработчиком о создании измененной детали из поковки, геометрия которой была бы технологичной, а основные размеры остались сохранены.
На основе первоначального чертежа детали, с учетом необходимых доработок была создана измененная модель ложемента (см. рис.8-2). Разработчик дал согласие на замену исходной детали, в результате чего потребовалось выпустить конструкторскую документацию. Для этой цели по полученной модели создавались нужные виды и сечения, которые стали базой для формирования чертежа. После редактирования видов, дополнения требуемых плоских элементов и компоновки была получена конструкторская документация на "ложемент" (см. рис. 10-2), ставшая рабочим чертежом для проектирования механической обработки и отладки управляющей программы. На рисунке 9-2 представлена фотография изготовленных деталей после черновой и чистовой обработки.
На основе первоначального чертежа детали, с учетом необходимых доработок была создана измененная модель ложемента (см. рис.8-2). Разработчик дал согласие на замену исходной детали, в результате чего потребовалось выпустить конструкторскую документацию. Для этой цели по полученной модели создавались нужные виды и сечения, которые стали базой для формирования чертежа. После редактирования видов, дополнения требуемых плоских элементов и компоновки была получена конструкторская документация на "ложемент" (см. рис. 10-2), ставшая рабочим чертежом для проектирования механической обработки и отладки управляющей программы. На рисунке 9-2 представлена фотография изготовленных деталей после черновой и чистовой обработки.
Рис. 8-2 Измененная модель "ложемента", выполненная в ADEM CAD
Рис. 9-2 Фотография "ложементов", изготовленных по созданной в ADEM технологии после черновой и чистовой обработок
Рис. 10-2 Конструкторская документация на "ложемент", выполненная в системе "ADEM"
Визуальное макетирование процессов собираемости механически обработанных деталей и сборочных единиц
При проектировании механической обработки изделия перед технологом встает вопрос создания технологической оснастки, используемой для установки заготовки на станке и ее контроля. Детали сложной конфигурации часто вызывают трудности, связанные как с общим представлением геометрии оснастки, так и с соответствием размеров оснастки и заготовки. В этом случае требуется визуализация процессов установки и контроля заготовки на станке.Для реализации процессов собираемости изделия и технологической оснастки в среде ADEM применялся модуль ADEM CAD. В качестве исходной модели использовалась 3D-модель заготовки, на основе которой формировался весь дальнейший цикл проектирования оснастки. На рисунке 11-2 представлена раскладка технологической оснастки для обработки "основания". Геометрия детали была такова, что проектирование приспособлений вызывало затруднения. Поэтому на базе модели заготовки был создан ряд вспомогательной оснастки, позволяющей изготовить деталь на станке.
Рис. 11-2 Просмотр установки заготовки детали "основание" в приспособлении в режиме прозрачности
Созданные копиры предусматривают обработку криволинейных контуров на универсальном оборудовании. В случае программной обработки копиры используются как шаблоны для контроля обработанных поверхностей.
В качестве крепежных элементов применялись штыри и винты, взятые из 3D-элементной базы системы ADEM. При создании базовых отверстий использовался метод гибридного моделирования (рассечение твердого тела цилиндрической поверхностью).
Кроме удобства визуализации процесса и возможности получения необходимых размеров, макетирование процесса собираемости позволяет достичь высокой точности соответствия прилегаемых поверхностей. В данном случае опорная поверхность приспособления, выполненная под двойным наклоном к горизонту, создана путем построения нулевой эквидистанты к исходной поверхности заготовки и последующего наращивания до нее металла. Этот способ обеспечивает точное совпадение сопрягаемых поверхностей без зазора. Таким же образом создавались и поверхности копиров.
Меняя режим отображения, есть возможность временно погасить элементы оснастки, или сделать прозрачными (см. рис.12-2). Эта функция обеспечивает удобную работу с собранной конструкцией, позволяя объективно оценить геометрию, снять невидимые размеры, получить необходимый вид требуемого 3D-элемента и т.д. В настоящий момент спроектированная оснастка изготовлена и с ее помощью производится обработка основания на станке.
В качестве крепежных элементов применялись штыри и винты, взятые из 3D-элементной базы системы ADEM. При создании базовых отверстий использовался метод гибридного моделирования (рассечение твердого тела цилиндрической поверхностью).
Кроме удобства визуализации процесса и возможности получения необходимых размеров, макетирование процесса собираемости позволяет достичь высокой точности соответствия прилегаемых поверхностей. В данном случае опорная поверхность приспособления, выполненная под двойным наклоном к горизонту, создана путем построения нулевой эквидистанты к исходной поверхности заготовки и последующего наращивания до нее металла. Этот способ обеспечивает точное совпадение сопрягаемых поверхностей без зазора. Таким же образом создавались и поверхности копиров.
Меняя режим отображения, есть возможность временно погасить элементы оснастки, или сделать прозрачными (см. рис.12-2). Эта функция обеспечивает удобную работу с собранной конструкцией, позволяя объективно оценить геометрию, снять невидимые размеры, получить необходимый вид требуемого 3D-элемента и т.д. В настоящий момент спроектированная оснастка изготовлена и с ее помощью производится обработка основания на станке.
Рис. 12-2 Процесс собираемости токарного приспособления и вспомогательной оснастки для обработки "ложемента"
В связи с нематериальным габаритным размером ложемента требовалось проектирование приспособления для токарной обработки, и следовательно, необходимость моделирования объемного варианта сборки. В результате 3D-построений были получены модели токарного приспособления и вспомогательных элементов оснастки в собранном виде (см. рис.13-2).
Рис. 13-2 Раскладка технологической оснастки, используемой для изготовления детали "основание", выполненная в ADEM CAD
Приспособление было предназначено для токарной обработки конической поверхности комплекта четырех ложементов. Конструкция приспособления создавалась с учетом технологичности изготовления и удобства позиционирования детали с помощью оснастки. На основе модели приспособления создавались нужные виды; необходимые размеры снимались непосредственно с 3D-элементов (см. рис. 14-2). Формирование вспомогательных составляющих заготовки (технологических бобышек, припуска на обработку и т.д.) осуществлялось в виде отдельных твердотельных моделей, что позволяло рассматривать различные схемы базирования детали в приспособлении.
Рис. 14-2 Пример снятия размеров с одного из видов приспособления при изготовлении детали "ложемент"
В результате моделирования были спроектированы и изготовлены токарное приспособление и ряд вспомогательной оснастки для установки и контроля обработки изделия. В настоящий момент отлажена обработка ложементов с помощью данного приспособления. С использованием созданной в ADEM технологии детали были успешно изготовлены (см. рис.9-2)
авторы статьи: Шачнев Сергей Юрьевич (Начальник отдела механической обработки), Рожанович Георгий Вадимович (ведущий инженер), Ремизов Михаил Владимирович (ведущий инженер), Евсеев Сергей Владимирович (инженер I категории)