VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Современное машиностроение должно развиваться в направлении автоматизации производства с широким использованием средств автоматизации и робототехники, внедрения гибких технологий производства, позволяющих диверсифицировать производство, быстро и эффективно перестраивать технологические процессы на изготовление новых изделий.

Тенденцией современного этапа автоматизации проектирования является создание комплексных систем автоматизированного проектирования и изготовления, включающих конструирование изделий, технологическое проектирование, подготовку управляющих программ для многофункционального оборудования с ЧПУ, изготовление деталей, сборку узлов и машин, упаковку и транспортирование готовой продукции.

Одним из путей успешного внедрения интегрированной системы проектирования и производства САD/САМ является принцип групповой технологии, основанный на использовании оборудования, планирования и организации производства по принципу технологической общности деталей.

Высокой степени автоматизации при работе в САПР ТП можно достичь только в результате кропотливого накопления данных и знаний о процессе технологического проектирования в конкретных производственных условиях, более того, с конкретными пользователями. Важным условием успеха внедрения является удобство «общения системы с пользователем» - возможность развития системы без помощи разработчиков.

В настоящее время на предприятиях остро встал вопрос о необходимости быстрой оценки трудозатрат и материальных ресурсов, необходимых для изготовления продукции. Предприятиям надо быстро определять - смогут ли они выполнить появившийся заказ, и какая прибыль будет получена. Следствием этого является необходимость реальной интеграции системы проектирования технологических процессов с САПР конструирования и АСУ предприятия.

Работа технолога по разработке технологического процесса пока никак не может быть заменена компьютерными программами, поэтому указанные системы решают только задачу моделирования принятых технологических решений. Технолог в этом случае получает возможность увидеть последствия и результаты технологического процесса, не прибегая к натурному его запуску, предполагающему дорогостоящее изготовление оснастки.

К настоящему времени стало совершенно очевидно, что никакая компьютерная система не в состоянии заменить квалифицированного специалиста. Поэтому система САПР ТП должна быть создана как средство, не подменяющее технолога, но существенно ускоряющее и упрощающее проектирование технологии, расчет режимов и норм, расчет технологических размерных цепей, расчет трудоемкости проектирования, выбор необходимой оснастки и инструментов.

Выбранная мной тема актуальна для большинства малых и средних промышленных предприятий с широкой номенклатурой выпускаемой продукции, так как при выполнении заказа, нужно в короткие сроки произвести целый комплекс организационно-технических мероприятий, в том числе и расчет трудоемкости проектирования и производства.

Основной целью САПР является повышение эффективности труда инженерно-технического персонала, достигаемое путем снижения трудоемкости и себестоимости процессов проектирования изделий, а также затрат на эксплуатацию и испытания.

Целью моей работы является разработка унифицированной методики проектирования трехмерных моделей тел вращения и реализация программного расчета трудоемкости проектирования.

Основные задачи, решаемые при создании САПР – повышение качества продукции, снижение всех видов материальных затрат, а также сокращение сроков проектирования и снижение числа инженерно-технических работников, занятых проектированием.

Существует множество программных пакетов для трехмерного моделирования тел вращения: AutoCAD, Autodesk Inventor, SolidWorks, CREO Parametric, КОМПАС-3D и т.д.

Для проектирования трехмерных моделей тел вращения я выбрала программный продукт - Autodesk Inventor, потому чтоданная система позволяет повысить производительность труда разработчика путем автоматизации повторяющихся операций; ведения коллективной работы над изделием, оптимизации применения материалов, исходя из их экологичности, стоимости и эксплуатационных параметров.

Программа имеет возможности нисходящего проектирования (начиная со сборочного узла и заканчивая входящими в него деталями), так и в обратном направлении, проектируя при этом по одной детали в каждый момент времени.

В результате оптимизации внутренней организации базы данных сборки из 3000 компонентов загружаются за несколько секунд вместо нескольких минут.

Программа эффективно оперирует сборками из более чем 10000 компонентов, и открывает файлы от 2 до 10 раз быстрее, по сравнению с подобными решениями конкурентов.

Кроме перечисленных возможностей программный пакет обладает быстрым панорамированием и масштабированием, а также инструментами коллективной работы над проектами, позволяющими нескольким членам проекта работать над одной деталью или подсборкой с отслеживаем конкретных исполнителей и частей детали, подвергающихся изменениям.

Существуют различные способы проектирования тел вращения. Например, для вала:

• вращение полного сечения тела;

• вращение цельного цилиндра и выдавливание отверстия;

• вытягивание эскиза;

• построение цилиндра с применением «стандартного отверстия»;

• протягивание сечения по траектории и т.д.

Трехмерное моделирование является вариационным процессом, который может реализовываться с применением различных инструментов и их комбинаций. С одной стороны, это позволяет использовать всю мощь системы трехмерного моделирования. Однако неоднозначность описания математической модели изделия (при субъективной однозначности геометрического описания) приводит к серьезным проблемам в случаях, когда трехмерная модель подвергается различным видам анализа и обработки, в т.ч.:

- использование трехмерной модели для проектирования процесса обработки в CAM-системе,

- применение технологии PMI (Product Manufacturing Information) для обозначения размеров, отклонений и допусков непосредственно на трехмерной модели,

- различные виды прочностного, теплового, виброакустического и др. видов анализов в CAE-системах,

- анализ трехмерной модели на предмет выявления ключевых параметров критериев, включенных в алгоритмы расчета различных видов конструкторско-проектных расчетов.

Решение задачи унификации подхода к проектированию трехмерных моделей изделий не только способствует решению обозначенных проблем, но и стимулирует процесс формирования единой методики конструкторской подготовки производства, которая использует трехмерную модель как центральный объект системы, аккумулирующий в себе практически всю информацию о реальном объекте производства. Данная методология является частью наиболее распространенной в современном промышленном производстве системы управления жизненным циклом продукции – PLM (Product Lifecycle Management).

Основой унифицированного подхода проектирования изделий в системах трехмерного проектирования является создание пользовательских конструкторских элементов – UDF (User-Defined Feature). Этот функционал является типовым для большинства современных CAD- и CAD/CAM-систем, с несущественными различиями в реализации. Подход к проектированию на базе UDF, а не стандартных инструментов работы с трехмерной геометрией представляет ряд преимуществ:

- возможность создания типовых наиболее часто используемых элементов конструкции для их повторного многократного использования,

- значительное уменьшение потребных операций при построении одной и той же конструкции изделия, по сравнению с традиционными подходами,

- возможность определения в пользовательских элементах дополнительных параметров.

Построение каждой детали представляет собой последовательное описание составляющих ее конструктивных элементов, которые могут быть заданы с помощью формообразующих эскизов (элементов, полученных выдавливанием, вращением, сдвигом по траектории, натягиванием), а также созданы на базе уже имеющихся элементов (отверстия, фаски, скругления, оболочки, ребра жесткости, перегородки, литейные уклоны, резьбовые элементы).

Я реализовала методику построения модели с использованием пользовательских конструкторских элементов в системе трехмерного моделирования Autodesk Inventor 2014.

Для унификации проектирования трехмерных моделей на основе распространенных конструкций тел вращения было создано дерево типовых элементов (рис.1).

Рис.1.

При разработке дерева типовых элементов учитывалось функциональное назначение каждого из элементов, топологические характеристики элементов, специфика построения в CAD-системе Autodesk Inventor и ряд других характеристик.

На основании дерева типовых элементов началась разработка библиотеки наиболее распространённых конструкций тел вращения.

Мной разработаны алгоритмы создания типовых конструкторских элементов в Autodesk Inventor 2014 на примере следующих конструкторских элементов:

1. Вал

2. Отверстие торцевое соосное

3. Отверстие радиальное

4. Канавка выдавленная

5. Канавка круговая

6. Паз скругленный

7. Паз прямоугольный

Планируется расширение библиотеки стандартизованными конструкторскими элементами.

Актуальной задачей для современных машиностроительных предприятий является количественная оценка процесса конструкторской подготовки производства, в т.ч. – проектирования трехмерных моделей изделий, с целью сокращения сроков подготовки производства и вывода на рынок новой продукции.

Таким образом, расчет трудоемкости проектирования конструкции изделия при различных способах трехмерного моделирования необходим для определения более оптимального способа проектирования. Таким оптимальным и наиболее предпочтительным способом можно считать трехмерное моделирование на основе применения типовых конструкторских элементов.

Расчет трудоемкости проектирования основывается на использовании эмпирических значений трудоёмкости, определенных в параметрах каждого типового элемента. Кроме этого, для большей гибкости расчета применяются коэффициенты, учитывающие квалификацию работника (при повышении квалификации работника применяется понижающий коэффициент трудоемкости) и иные специфические факторы.

Математическая модель расчета трудоемкости проектирования будет складываться из трудоемкостей, приходящихся на каждый типовой элемент, и коэффициента, зависящего от квалификации работника.

Мной написана программа в среде Visual Studio, реализующая методику расчета трудоемкости с применением функционала Autodesk Inventor.

Результаты апробации разработанной системы показали высокую эффективность и гибкость разработанной методики, даже для трехмерных моделей тел вращения высокой сложности.

В качестве дальнейшего развития работы можно предложить адаптацию разработанной методики для корпусных изделий, изделий из листового металла и т.д.

7