Автоматизация проектирования и производства изделий сложной формы: На прим. 
аэродинам. 
моделей самолетов

Одним из важнейших факторов ускорения создания изделий машиностроения и повышения их качества является совершенствование проектирования и производства формообразующей технологической оснастки (пресс-формы, штампы, литейные модели и формы, технологические макеты и эталоны и др.), а также экспериментальных моделей и макетов.

Отличительными особенностями изделий, составляющих формообразующую технологическую оснастку являются: повышенные требования к точности и качеству изготовления элементовзначительные объемы совместных дизайнерских, конструкторских, научно-исследовательских и расчетных работособо сложная форма поверхности, характерная для современных изделий машиностроениясочетание высокой удельной трудоемкости механической обработки на ЧПУ с ручной слесарной обработкойнеобходимость изготовления специальной контрольно-мерительной оснастки и большие объемы контрольно-поверочных работ. В полной мере данные особенности характерны для аэродинамических моделей самолетов, изготавливаемых в ЦАГИ в обеспечение расчетных и экспериментальных исследований направленных на совершенствование характеристик создаваемых объектов авиационной техники.

Осуществляемая в течение ряда лет автоматизация основных составляющих технологического процесса создания аэродинамических моделей (проектирование, конструирование, программирование обработки на станках с ЧПУ) дала существенное сокращение трудоемкости и повышение качества изделий при значительном усложнении объектов авиационной техники. С ее использованием было выполнено в отведенные сроки производство аэродинамических моделей, обеспечивших разработку самолетов России поколения 90-х годов.

Прошедшие годы характеризуются выпуском широкой номенклатуры производительных ЭВМ различного класса, включая персональные ЭВМ (ПЭВМ) — развитием сетевых программно-технических средствнепрерывным усовершенствованием комплексных САПРпоявлением специализированных программных средств для ПЭВМ, ориентированных на определенные виды проектно-технологических работ. Наряду с существенным повышением характеристик режущего инструмента, станочного оборудования, программируемых измерительных систем, образовавшаяся программно-техническая среда создала условия для разработки нового поколения высокоэффективных интегрированных систем «Проектирование-Производство» .

Повышение на этой основе уровня автоматизации разработки и производства экспериментальных моделей и формообразующей оснастки, обеспечивающего сокращение сроков и трудоемкости создания изделий при повышении их качества, является важной и актуальной научно-технической задачей.

В современных условиях средства САПР применяются на всех этапах создания сложных технических изделий в автомобилестроении, судостроении, авиастроении. Традиционно лидирующее положение в развитии и внедрении средств САПР занимают предприятия авиационной промышленности. Наиболее развитые комплексные САПР высокого уровня (UNIGRAPHICS, CATIA, CADS-5, EUCLID и некоторые другие) разработаны с непосредственным участием ведущих авиастроительных предприятий. Они ориентированы, прежде всего, на использование ОКБ, опытными и серийными заводами. В состав систем входят средства построения математической модели поверхности создаваемого изделия, разработки внутренней компоновки отсеков и аппарата в целом, ведения базы данных проекта, разработки конструкции, технологической подготовки производства, планирования и диспетчеризации работ. Сложность изделий авиационной техники, а также необходимость проведения значительного объема расчетных исследований обусловили использование ЭВМ с особо высокой производительностью и, соответственно, высокую стоимость технических средств и программного обеспечения САПР.

В принципе автоматизация процесса «Проектирование-Производство» формообразующей технологической оснастки и аэродинамических моделей самолетов может быть осуществлена на основе использования САПР высокого уровня для ЭВМ типа «Рабочая станция». Однако анализ, учитывающий их конструктивные и технологические особенности, показывает нерациональность такого подхода.

Формообразующую технологическую оснастку (прессформы, литейные формы, штампы, литейные модели, мастер-макеты, эталоны) и аэродинамические модели характеризует повышенная сложность формы поверхности и особо высокие требования к точности изготовления, при существенно ограниченных объемах конструкторских работ наряду с малой серийностью производства. В этой связи этапы формирования поверхности изделий и их обработки требуют применения наиболее развитых средств математического моделирования, обеспечиваемыми САПР высокого уровня. Разработка конструкции в отличие от изделий, для которых прежде всего разрабатывались данные САПР может быть выполнена с использованием сравнительно не сложных средств автоматизации. Целый ряд функций САПР (диспетчеризация проекта изделияведение базы данных обеспечивающей разработку, выполняемую коллективом исполнителей ряда организацийуправление распределенным производством и др.) останутся не востребованными.

Поскольку в основе производства формообразующей оснастки и аэродинамических моделей лежит механическая обработка сложных поверхностей, ее выполнение с повышенной точностью и производительностью требует применения специализированных средств программирования для станков с ЧПУ, а также контроля точности изготовления с применением программируемых контрольно-измерительных машин.

По сравнению с формообразующей оснасткой, разработка аэродинамических моделей самолетов характеризуется целым рядом усложняющих ее дополнительных особенностей.

Укрупненно этапы разработки аэродинамических моделей включают: формирование математической модели поверхности основных агрегатов (крыло, фюзеляж, оперения, гондолы и др.) и их аэродинамической компоновкиобеспечение расчетов аэродинамических характеристик и упругих деформаций модели в ходе экспериментаразработка конструкции моделипроведение модификаций поверхности по результатам расчетных исследований и конструкторских проработокпрограммирование обработки на станках с ЧПУконтроль точности изготовления с применением программируемых контрольно-мерительных машин.

Непосредственное применение для автоматизации данных задач САПР высокого уровня существенно ограничивается рядом обстоятельств. В их числе:

— средства формообразования в них ориентированы на применение профессиональными конструкторами ОКБ, которые, используя известные методы описания поверхностей самолетов, создают математические модели поверхностей агрегатов в соответствии с естественным конструктивно-технологическим членением самолета. Построение с использованием того же обеспечения математических моделей для расчетных и экспериментальных исследований специалистами в области аэродинамики и прочности затруднительно вследствие значительных временных затрат на построение и модификацию моделей;

— отсутствие учета специальных требований расчетных и экспериментальных исследований по качеству математической модели поверхности, обуславливаемых необходимостью ее представления в целом, а не по агрегатам, а также удовлетворение специальных условий по гладкости и непрерывности дифференциальных характеристик и др.;

— необходимость в выполнении широких модификаций поверхности, определяемых рассмотрением ряда существенно различающихся вариантов проекта характерном для научных исследований, направленных на создание методического задела и подготовку рекомендаций промышленности;

— значительный объем локальных модификаций поверхности в модельном производстве, обуславливаемых необходимостью удовлетворения, с одной стороны, критериев подобия аэродинамической модели, с другой — введением поверхностей сопряжения и зализов, отвечающих требованиям обработки на станках с ЧПУ данными типоразмерами фрез;

— программирование фрезерной обработки изделий со сложной формой поверхности из высокопрочных сталей (основной материал для изготовления аэродинамических моделей) с повышенными точностью и производительностью на станках с ЧПУ;

— необходимость контроля аэродинамических моделей с использованием измерительных машин после изготовления, а также в процессе проведения экспериментов.

Решение данных задач, на основе создания интегрированной системы автоматизации «Проектирование-Производство» на современном научно-техническом уровне составляет тему диссертационной работы.

В ней из условия наиболее полного удовлетворения требованиям автоматизации разработки аэродинамических моделей и их изготовления с применением станков с ЧПУ определяется состав программно-технических средств, включающий САПР высокого уровня и специализированные системы для ПЭВМ, наиболее полно соответствующие содержанию и сложности выполняемых работ.

Разрабатываются методические основы интеграции в единый технологический комплекс программно-технических средств САПР различного уровня, их непосредственного сопряжения с технологическим и контрольно-измерительным оборудованием. Решается задача организации информационного обмена и взаимодействия научно-технических дисциплин участвующих в создании модели. Развиваются методы аппроксимации кривых и поверхностей, а также решения базовых геометрических задач САПР направленные на повышение оперативности построения и обработки сложных поверхностей в условиях модельных и инструментальных производств. Выполняется разработка основ автоматизации программирования фрезерной обработки сложных поверхностей на станках с ЧПУ с повышенной точностью и производительностью, а также методики контроля точности изготовления сложных составных поверхностей с применением контрольно-измерительных машин.

Комплексная автоматизация, интегрируя проведение всех составляющих работ, при рациональном построении должна основываться на программно-технических средствах, соответствующих по сложности и стоимости содержанию работ, выполняемых по этапам создания моделей, обеспечивая максимальную эффективность деятельности специалистов.

Основные идеи комплексной автоматизации технологических процессов сформулированы в работах Ю. М. Соломенцева [1−3], П. Н. Белянина [4], В. Г. Митрофанова [5], В. В. Павлова [6], О. С. Сироткина [7] и ряда других исследователей.

В авиастроении основные положения автоматизации проектирования сформулированы в работах Г. П. Свищева, Г. С. Бюшгенса, JI.M. Шкадова, Н. Г. Бунькова [8], O.JI. Смирнова, С. Н. Падалко [9,10]. Методологические основы автоматизации формирования облика JIA разработаны JI.M. Шкадовым [11], H.H. Моисеевым [12], П. С. Краснощековым [13], О. С. Самойловичем [14], М. И. Осиным [15]. В них показана важность начальных этапов проектирования и принципиальное значение для совершенства создаваемого проекта объема расчетных и экспериментальных исследований, выполняемых в обеспечение выбора его параметров.

Обобщение математических методов моделирования поверхностей в авиастроении дано в работах И. И. Котова [16,17], А. Д. Тузова [18], В. А. Осипова [19], С. А. Кунса [20], П. Безье [21], Д. Роджерса, Дж. Адамса [22], А. Фокса, М. Пратта [23] и ряда других.

Существенным результатом явилась разработка каркасных методов, в которых основой для описания поверхностей самолетов является двухпараметрический набор линий продольных и поперечных обводов. Наиболее эффективным математическим аппаратом при реализации на ЭВМ описания поверхностей технических объектов стали параметрические сплайны. Их практическому использованию посвящены работы Ю. С. Завьялова, В. А. Леуса, В. А. Скороспелова [24], К. Де Бора [25], Дж. Алберга, Э. Нильсона, Дж. Уолша [26], Л. Пигля и В. Тиллера [27] и целого ряда других исследователей.

Описанию поверхностей агрегатов самолета, сокращающего проведение плазово-шаблонной увязки в процессе проектирования и при технологической подготовке производства в отечественном самолетостроении посвящены работы В. А. Андреева [28], Ю. М. Давыдова [29], Е. Б. Рабинского [30] и целого ряда других. Ими показано различие в описании поверхностей с аэродинамической профилировкой типа крыло (крылья, оперения, пилоны) и типа фюзеляжей и гондол, а также поверхностей сопряжений. Вопросы программного обеспечения изготовления аэродинамических моделей на станках с ЧПУ в условиях опытных производств решались В. К. Исаевым, В. А Сухневым [31,32], В. И. Матусевичем [ 33] и рядом других исследователей.

Принципиальное значение для авиационных приложений имеет задача сглаживания аэродинамических профилей. Ее решение на основе применения параметрических сплайнов дано в работах А. Д. Тузова [34 ], В. Е. Ковалева [35], Н. П. Бузовери [36], Фарина Г. Е. [37].

Поверка реализации математических моделей в изделиях в процессе производства требует дополнения решений задач аппроксимации специальным аппаратом обработки измерений. Обобщенное описание методов обработки измерений дано в монографиях Н. В. Смирнова, И.В. Дунина-Барковского [38], А. Н. Журавлева и В. П. Короткова [39]. Современные дополнения при прямых, косвенных и совместных измерениях с однократными и и многократными наблюдениями сделаны в работе В. А. Грановского и Т. Н. Сирая [40]. Реализация программно-технического обеспечения измерений в авиастроении осуществлялось под руководством В. Г. Подколзина. Под руководством О. С. Сироткина и А. А. Бородкина осуществляется развитие методов бесплазовой подготовки производства авиационных конструкций.

Методы применения станков с ЧПУ, а также вопросы аппаратного, программного и организационного обеспечения интегрированных систем автоматизированного проектирования и производства рассматриваются в работах В. В. Кувшинского [41], В. Л. Сосонкина [42, 43], Блюмберга В. А., Близнюка В. П. [44], Е. И. Зазерского [45], М. Грувера и Э. Зиммерса [46], Б. Хокса [47] и ряда других. Автоматизация подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ различных групп систематически рассмотрена Р. И. Гжировым и П. П. Серебрицким [48]. Построение алгоритмов и синтеза систем автоматического управления точностью обработки на металлорежущих станках с ЧПУ рассмотрено М. С. Невельсоном [49].

Научно-методические результаты выполненных исследований и разработок позволили сформулировать задачу создания объектно-ориентированной САПР аэродинамических моделей самолетов. Ее решение последовательно рассматривается в настоящей работе.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованной литературы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Созданная интегрированная система автоматизации процесса «Проектирование — производство» за счёт использования современных научно-технических достижений в области программно-технического обеспечения САПР, а так же выполненных научно-методических и практических разработок обеспечено сокращение сроков создания моделей на 40−60%, снижение трудоемкости более чем в 2 раза.

2. Решена задача интеграции различных программно-технических средств САПР, скомплектованных из условия рационального соответствия проектно-технологическим операциям, выполняемым по этапам создания аэродинамической модели. По сравнению с автоматизацией на основе одной комплексной САПР высокого уровня достигнуто, при повышении эффективности, сокращение стоимости программно-технических средств более чем в 5−8 раз.

3. Разработан метод сглаживающей аппроксимации кривых и поверхностей параметрическим сплайном. В основу положено распределение расчетной сетки сплайна относительно исходных геометрических объектов и нахождение коэффициентов методом наименьших квадратов. С его использованием создан инструмент оперативного построения и отработки обводов поверхностей изделий в модельном производстве, преобразования описаний геометрических объектов, получаемых извне и отличающихся от используемых в применяемом комплексе. Проведение сглаживающей аппроксимации с точностью, определяемой условиями производства позволяет для характерных изделий в 4−8 раз сократить объем математических моделей и, соответственно, время выполнения всех операций.

4. Разработана методика оценки точности изделий сложной формы по результатам измерений на программируемой контрольно-измерительной машине. Её применение позволяет на основе сопоставления замера с математической моделью установить ошибку базирования изделия, погрешности сборки и изготовления.

5. Разработан, применительно к задачам аппроксимации и обработки измерений, метод установления соответствия между точками строящихся параметрических сплайнов или измеренными точками изделий с исходными математическими моделями (таблицами). По сравнению с известными, основанными на линеаризации методами, его отличает существенно более широкая область сходимости и экспоненциальная сходимость к решению.

6. Созданы основы программирования фрезерной обработки на станках с ЧПУ сложных поверхностей с повышенной точностью и производительностью. Они включают: применение траекторий обработки, обеспечивающих одностороннее смещение люфтов станка при благоприятных условиях резания для применяемого инструментапостроение гладких (без изломов) траекторий с применением интерполяций, реализованных в конкретных устройствах ЧПУиспользование послойной обработки с автоматическим выделением слоев постоянной толщины.

7. Методические разработки в области прикладной геометрии, обработки измерений, интеграции программно-технических средств и управления оборудованием с ЧПУ положены в основу наиболее распространенной на машиностроительных предприятиях СНГ системы геометрического моделирования и программирования для станков с ЧПУ и контрольно-измерительных машин ГеММа-ЗВ.