Если деталь, подвергаемая обработке на станке с ЧПУ, была спроектирована в системе CAD, то ручное написание программы на языке APT для ее обработки выглядит в значительной степени избыточным - ведь описываемые геометрические поверхности уже содержатся в геометрической модели детали. Поэтому основной функциональностью CAM-систем (как автономных, так и интегрированных CAD/ CAM-пакетов) является автоматическая генерация управляющих программ. Конечно, программы генерируются сразу в машинно-независимом бинарном виде (упомянутых выше CL-файлов), а потом преобразуются в набор команд обработки для конкретного станка. Полностью автоматизировать процесс не удается, поэтому инженер должен произвести следующие действия в CAM-системе:

? выделить в общей геометрической модели детали те элементы, которые важны при машинной обработке;

? определить геометрию режущего инструмента (обычно из широкого набора, встроенного в CAM-систему);

? определить последовательность операций металлообработки и выбрать траекторию для каждой из них (пользователь выбирает только тип построения траектории из нескольких встроенных в систему, а конкретная траектория строится автоматически);

? визуализировать траекторию на экране компьютера в виде анимации, изображающей движение резца;

? проверить (встроенными средствами CAM-системы), совпадает ли (в пределах заданных допусков) форма каждой поверхности заготовки после виртуальной металлообработки с поверхностями детали, заданными в ее геометрической модели;

? сохранить CL (машинно-независимый) или MCD (машинно-зависимый) файл с командами обработки для контроллера станка с ЧПУ.

Отметим важность шага, связанного с моделированием процесса металлообработки в виде анимационного ролика и расчета формы детали. До появления подобной функциональности в САПР программисты станков с ЧПУ вынуждены были использовать деревянные или пластиковые заготовки для того, чтобы проверить корректность составленной ими программы обработки.

Быстрое прототипирование и изготовление

Очень часто до начала производства детали из металла необходимо изготовить ее копию из пластика или композитного материала (называемую прототипом) для того, чтобы:

? визуально и тактильно оценить дизайн будущего изделия;

? проверить процессы сборки-разборки механизма из составляющих его деталей;

? протестировать кинематику механизма;

? вычислить реальные аэродинамические характеристики детали;

? использовать прототип для физического изготовления формы с последующим литьем в ней металлической детали.

Важно, что процесс изготовления детали из композитного материала не требует использования металлорежущих станков, а значит, отпадает необходимость в подготовке технологического плана изготовления прототипа и программирования станков с ЧПУ. Все данные для производства прототипа содержатся непосредственно в его твердотельной виртуальной модели. Процесс изготовления физической детали непосредственно по ее геометрической CAD-модели называется быстрым прототипированием. В настоящее время существуют следующие процессы быстрого прототипирования:

? стереолитография;

? отверждение на твердом основании;

? избирательное лазерное спекание;

? трехмерная печать;

? ламинирование;

? моделирование методом наплавления.

Существует несколько промышленных станков для производства деталей вышеперечисленными методами. Разберем подробнее самый популярный процесс быстрого прототипирования - стереолитогра- фию. Данный процесс основам на избирательном отверждении фоточувствительного полимера (пластика). Исследования в этом направлении начались еще в конце 1970-х гг., а в 1987 г. фирма 3D Systems продемонстрировала первую промышленную установку для стереолитографии, называемую SLA-1. Входные геометрические данные для всех процессов быстрого прототипирования готовятся в мозаичном представлении, независимом от любой системы твердотельного моделирования (чаще всего в виде STL-файлов, структуру которых мы разобрали в одной из предыдущих лекций). Процесс протекает следующим образом:

1) определяется оптимальная ориентация детали в трехмерном пространстве и рассчитываются ее плоские сечения (называемые слоями), перпендикулярные оси z с заданным шагом (называемым толщиной слоя) в соответствии с выбранной ориентацией;

2) моделируются поддерживающие структуры в виде дополнительных частей изготавливаемой трехмерной детали (они также представляются в виде STL-файлов) и рассчитываются их поперечные сечения;

3) затвердевающий на свету фоточувствительный полимер, поддерживаемый в жидком состоянии, наливается в специальную форму, внутри которой установлена платформа, способная перемещаться в вертикальном направлении; начальное положение платформы соответствует растеканию над ней полимера по толщине одного слоя;

4) ультрафиолетовый лазер сканирует слой полимера по форме вычисленного заранее профиля поперечного сечения, обеспечивая его отверждение;

5) платформа вместе с деталью опускается на заданную толщину слоя вниз;

6) шаги (4) и (5) повторяются, пока не будут обработаны все вычисленные поперечные сечения;

7) из контейнера сливается оставшаяся жидкость и извлекается затвердевшая деталь;

8) деталь подвергается окончательному отверждению с помощью ультразвукового излучения в специальном аппарате;

9) производится окончательная доводка детали (удаляются поддерживающие структуры, проводится ручная шлифовка поверхности).

Важным моментом подготовки процесса стереолитографии является выбор наилучшей ориентации детали и проектирование для нее поддерживающих структур. Последние представляют собой подпорки - новые части детали, удаляемые на шаге (9). Эти структуры обеспечивают, чтобы деталь, у которой площадь следующего слоя значительно превосходит площадь предыдущего, не деформировалась в процессе изготовления. Кроме того, они нужны для поддержки островков (islands) - топологически изолированных частей слоя.

Ориентация детали влияет на количество и сложность поддерживающих структур для нее, а также на точность изготовления детали. Последний параметр также управляется варьированием толщиной слоя. Наконец, в процессе стереолитографии важно учитывать уменьшение плотности материала при его затвердевании, а значит, увеличивать объем изготавливаемой детали для компенсации ее усадки.

Виртуальная инженерия

Область САПР, называемая виртуальной инженерией, включает программные продукты для виртуального проектирования, цифровой имитации, виртуального прототипирования и построения виртуальных заводов. В то время как виртуальное проектирование по большому счету остается технологией будущего (оно подразумевает совершенно новый подход к объекту проектирования с помощью методов виртуальной реальности), методы цифровой имитации и виртуального прототипирования уже реализованы в ряде систем инженерного анализа, включая интегрированные CAD/CAM/CAE-системы, такие как CATIA V5. Однако еще один продукт Dassault Systeкmes, называемый DELMIA, уже сейчас предлагает своим пользователям возможность реалистичной визуализации множества производственных процессов, включая работу целого цеха. Данный продукт был создан после поглощения Deneb Robotics компанией Dassault Systeкmes. Унифицированная по своему пользовательскому интерфейсу с системами CATIA и ENOVIA, система DELMIA предоставляет возможности по проектированию движений роботов, по анализу эргономики и человеческого фактора, по имитации работы станков с ЧПУ и сборочных линий.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое станок с ЧПУ? Опишите архитектуру станка с ЧПУ.

2. Что такое степени свободы станка с ЧПУ? Как строится система координат станка?

3. Что такое G-код? Приведите примеры блоков команд.

4. Что такое CL-данные? Для чего нужны постпроцессоры при программировании станков с ЧПУ?

5. Какие существуют языки высокого уровня для программирования станков с ЧПУ?

6. Как осуществляется генерация программ для станков с ЧПУ по CAD-моделям?

7. Охарактеризуйте известные методы быстрого прототипирования и изготовления.

8. Что такое виртуальная инженерия и цифровое производство? Приведите примеры.

Дополнительная литература

Программированию станков с ЧПУ посвящена одиннадцатая глава книги [8]. Двенадцатая глава той же книги содержит описание популярных методов быстрого прототипирования, а тринадцатая может служить введением в виртуальную инженерию. Более подробное изложение принципов числового программного управления можно найти в третьей части книги [2].

Лекция 14

Модифицированный подход (variant approach) к технологической подготовке производства основан на том, что геометрически похожие изделия имеют похожие операционные планы. Как правило, каждая новая деталь оказывается подобной другим деталям, которые уже выпускались на данном предприятии, следовательно, для них уже были подготовлены планы технологических процессов производства, и задача инженера-технолога состоит прежде всего в поиске этих технологических планов и их модификации для новой детали. Итак, простейшим способом автоматизации труда инженера-технолога является организация на предприятии базы данных технологических планов с удобным поиском в ней. Для удобной организации поиска применяют так называемую групповую технологию, разработанную С.П. Митрофановым. Суть этой технологии состоит в кодировании всех основных типов обрабатываемых деталей в зависимости от их формы и размера.

Групповая технология

Основополагающим понятием в групповой технологии и теории классификации и кодирования является понятие семейства деталей, представляющее собой совокупность таких объектов, которые подобны друг другу либо по геометрической форме и размерам, либо по последовательности технологических операций, необходимых для их изготовления. Понятие семейства деталей является центральным в информационно-поисковых проектных системах и для большинства автоматизированных систем планирования производства. Еще одно производственное преимущество введения этого понятия состоит в его применении для компоновки оборудования в производственном цехе. Классическая схема компоновки состоит в группировке станков по видам обработки (токарный, фрезерный, сверлильный, шлифовальный и сборочный участки). Однако данная схема имеет очевидный недостаток в случае, если предприятие производит небольшое количество семейств деталей (по сравнению с объемами производства) - в этом случае накладные расходы на передачу заготовок с участка на участок очень высоки. Альтернативная схема компоновки станков в таком случае состоит в размещении их по участкам в соответствии с семействами деталей. В этом случае каждый участок отвечает за изготовление деталей своего семейства.

Можно выделить три основных метода группировки деталей в семейства:

? визуальный контроль;

? анализ технологических маршрутов;

? классификация и кодирование деталей.

Наиболее практичным и распространенным следует признать последний метод, который мы разберем отдельно.

Классификация и кодирование деталей

Данный метод группировки деталей в семейства состоит в идентификации конкретных проектных и/или технологических характеристик каждой детали. Среди проектных характеристик обычно выделяют:

? опорные внешние очертания детали;

? опорные внутренние очертания детали;

? отношение длины к диаметру;

? тип материала;

? функциональное назначение;

? главные размеры;

? вспомогательные размеры;

? допуски;

? чистоту поверхности.

Технологические характеристики включают в себя некоторые из вышеперечисленных (например, размеры), а также:

? основную обработку;

? вспомогательные операции;

? последовательность операций;

? продолжительность цикла изготовления;

? объем партии;

? ежегодный выпуск;

? необходимые приспособления;

? станочное оборудование;

? режущий инструмент.

Кодирование детали сводится к использованию последовательности символов, отождествляемых с теми или иными проектными и/или технологическими характеристиками. На практике в системах кодирования используют три основные кодовые структуры:

? иерархическую;

? цепную;

? гибридную.

В рамках иерархической структуры интерпретация каждого следующего символа зависит от значения предыдущего, в рамках цепной структуры интерпретация каждого символа не зависит от других. На практике удобно пользоваться комбинацией кодовых структур, то есть гибридной структурой.

Три самые известные системы классификации и кодирования деталей - это система Опица (Университет г. Аахена, Германия), MICLASS (компания TNO, Голландия) и CODE (фирма MDSI, США). На рис. 34 приведен пример кодирования детали в системе MICLASS.

Рис. 34

Генеративный подход к технологической подготовке

Генеративный подход состоит в автоматической генерации технологического плана производства изделия по заданным техническим требованиям. Технические требования при этом извлекаются непосредственно из CAD-данных. Проще всего это сделать, если деталь была спроектирована на основе конструктивных элементов (design features). Конечно, далеко не все конструктивные элементы (КЭ), используемые при проектировании, соответствуют элементам, которые можно изготовить машинной обработкой (manufacturing/machining features; чтобы отличить их от конструктивных элементов проектирования, будем называть последние конструкторско-технологи- ческими элементами, КТЭ), поэтому в общем случае эти элементы должны быть распознаны и преобразованы. Немаловажным является и тот факт, что сведения о допусках и материалах зачастую отсутствуют в CAD-моделях, поэтому инженер-технолог должен задавать их вручную.

Таким образом, генеративный подход к технологической подготовке состоит в использовании обширной базы данных конструкторско-технологических элементов, а также системы вывода, которая осуществляет распознавание КТЭ по геометрии изделия или их получение из КЭ.

Конструкторско-технологические элементы

Итак, конструкторско-технологический элемент - ключевое понятие систем, основанных на генеративном подходе к технологической подготовке. Разберем это понятие подробнее. Типичными конструкторско-технологическими элементами детали из цельного металла являются отверстия, пазы, карманы. Для изделий из листового металла примерами КТЭ служат профиль, изгиб, сварной шов; при планировании сборок - механические соединения, такие как подшипники. С каждым классом таких конструкторско-технологических элементов связан соответствующий технологический процесс фрезерования, прессовки, сварки или сборки. При описании техпроцесса используется специальная модель, задаваемая:

? типом операции (сверление, фрезерование, шлифование, токарная обработка);

? требуемыми ресурсами (станки, инструменты, крепежи);

? параметрами процесса (скорости вращения и подачи);

? дополнительными атрибутами (такими как время и стоимость).

Эти параметры вычисляются автоматически (с помощью специальных функций, связанных с каждым типом КТЭ) по размерам соответствующих геометрических элементов. Зачастую один и тот же КТЭ может быть реализован с помощью нескольких альтернативных техпроцессов (скажем, круглое отверстие можно сделать как фрезерованием, так и сверлением), поэтому в общем случае с одним типом КТЭ связывается коллекция техпроцессов, из которых пользователь (инженер-технолог) может самостоятельно выбрать наиболее подходящий.

В некоторых CAD/CAM-системах (таких как Pro/ENGINEER, I-DEAS, MicroStation) понятия КЭ и КТЭ совпадают. Конечно, такой подход значительно облегчает задачу CAPP-подсистемы, так как план производства детали, по сути, закладывается при ее проектировании. Однако этот подход одновременно ограничивает возможности инженера-проектировщика, вынуждая последнего думать в терминах машинной обработки. Например, изображенную на рис. 35 простую деталь необходимо проектировать с использованием большего количества КТЭ, чем КЭ.

Следует также вспомнить, что многие системы предоставляют проектировщику возможность изменять геометрию детали без ис- пользования КЭ (например, с помощью булевых операций).

Рис. 35

Таким образом, автоматическое распознавание конструктивно-технологических элементов остается актуальной задачей. В контексте такого распознавания наиболее практическая роль принадлежит методам распознавания так называемых 2,5-мерных элементов, которые полностью характеризуются плоским замкнутым контуром и глубиной каждой точки на границе и внутри контура. Такие элементы могут быть легко изготовлены на трехосевых сверлильных и фрезерных станках с ЧПУ.

Методы автоматического распознавания конструктивных элементов

Потребность в распознавании конструктивных элементов (в частности, конструкторско-технологических элементов) существует не только в CAPP-системах. Другим важным примером применения таких методов служит собственно проектирование. При обмене данными между CAD-системами, как правило, дело ограничивается передачей топологии и геометрии (то есть информации о граничной структуре модели - BRep), поэтому импортированная модель перестает быть параметрической, что резко ограничивает возможности ее редактирования в новой системе. Для проведения инженерного анализа методом конечных элементов требуется построить равномерную сетку тела, что намного проще сделать для тел правильной формы (см. соответствующую лекцию настоящего курса). Для этого из исходной геометрии полезно удалить все незначительные отверстия, выемки и т.п. Проще всего это сделать после распознавания соответствующих конструктивных элементов в исходной геометрической модели. В контексте настоящей лекции мы разберем три самых популярных подхода к распознаванию конструкторско-технологических элетод графовых шаблонов, примененный в известной CAPP-системе PART фирмы Technomatics (ныне принадлежит Siemens PLM Software). Граф смежности граней (Face Adjacency Graph, FAG) строится на основе топологической информации BRep. Вершины этого графа представляют собой грани модели, а ребра - отношения смежности между гранями. Заметим, что ребро графа в точности соответствует одному или нескольким ребрам граничной модели, так как две смежные грани всегда имеют как минимум одно общее ребро. Отметим также, что вершины граничной модели в таком графе никак не отражаются. Для эффективного распознавания КЭ собственно топологической информации недостаточно, поэтому граф смежности граней снабжается геометрическими атрибутами. Джоши (Joshi) и Чанг (Chang) предложили с каждым ребром связать единственный атрибут - информацию о выпуклости/вогнутости угла между разделяемыми гранями по отношению в телу. На рис. 36 ниже изображена деталь и соответствующий ей граф смежности граней.

После построения графа смежности граней применяется метод его декомпозиции на несвязные подграфы с использованием простой эвристики: вершина, у которой все смежные ребра выпуклы, не может образовывать 2.5-размерный КТЭ, поэтому ее следует удалить из графа. Например, для графа смежности граней детали на вышеприведенном рисунке будут последовательно удалены вершины f1, f2, f3, f4, f5, f6 и f10. После упрощения графа анализируется его форма. В нашем случае граф будет состоять из трех вершин и двух вогнутых ребер, то есть соответствовать КТЭ «паз», причем средняя вершина такого графа будет гранью-дном, а две крайние - гранями-стенами.

Рис. 36

Подобные шаблоны существуют и для других КТЭ, поэтому задача алгоритма состоит лишь в их распознавании. Понятно, что таким способом можно довольно успешно распознавать изолированные КТЭ, но как быть с теми, которые пересекаются друг с другом, как в случае на рис. 37 (где для простоты приведена только двумерная проекция детали)?

Рис. 37

В данном случае алгоритм обнаружит два паза, но этого будет недостаточно для изготовления детали данной формы. Было предложено несколько алгоритмов для восстановления некоторых ребер в графе смежности после его упрощения, что позволяет идентифицировать все КТЭ, но ни один из этих алгоритмов не является достаточно общим, работая только над некоторыми конфигурациями. Другой проблемой данного подхода является возможность идентификации формально корректных КТЭ, которые, тем не менее, невозможно изготовить на практике. Пример тому система вложенных пазов (рис. 38).

Наконец, еще один недостаток подхода - экспоненциальная сложность алгоритма проверки изоморфизма двух графов. На практике же все шаблоны графов КТЭ имеют ограниченный размер, поэтому можно считать алгоритм полиномиальным.

Рис. 38

Пример автоматического распознавания КТЭ

В качестве примера ПО для автоматического распознавания конструкторско-технологических элементов рассмотрим продукт Prismatic Machining Preparation Assistant, входящий в систему CATIA V5 (рис. 39). Данный продукт помогает автоматически подготовить программу для обработки деталей на сверлильных и фрезерных станках с ЧПУ. Для этого пользователю предоставляется набор функций для генерации всех призматических КТЭ. Благодаря встроенной технологии для распознавания конструктивных элементов, данный продукт может генерировать КТЭ (machining features) по любой геометрической модели CATIA, даже той, в которой нет исходных геометрических конструктивных элементов (design features). Данный продукт тесно интегрирован с продуктом Prismatic Machining, который представляет собой CAM-систему для программирования трехосевых сверлильных и фрезерных станков с ЧПУ для работы с 2.5-мерными элементами.

Лицензия на технологию автоматического распознавания КТЭ, используемую в продукте Prismatic Machining Preparation Assistant, была приобретена компанией Dassault Systeкmes у индийской компании Geometric Software Solutions - одного из лидеров в этой области, запатентовавшей соответствующую технологию.

Вопросы для самоконтроля