Использование CAD/CAE/CAM/PDM систем для проектирования и изготовления технологической оснастки: На примере формообразующих деталей пресс-форм для литья металлов под давлением

Актуальность работы и выбор направления исследования.

В условиях нарастающей глобализации рынка способность современного машиностроительного предприятия конкурировать в сфере производства наукоемких изделий, в первую очередь, определяется возможностями технологической подготовки производства (ТПП). Эти возможности выражаются через категории повышение качества, снижения сроков и затрат, и т. д. Именно с улучшением показателей деятельности в этом направлении связывает мировое сообщество существенный прогресс в развитии современного машиностроительного производства [67].

Динамичное развитие такого производства при расширении номенклатуры выпускаемых изделий предполагает постоянный рост потребностей в технологической оснастке (штампы, пресс — формы, режущий и мерительный инструмент, приспособления и т. д.). В производственных условиях при освоении нового изделия трудоемкость проектирования и изготовления технологической оснастки зачастую бывает, сравнима с трудоемкостью производства собственно изделия, для материализации которого и предназначена последняя.

Поэтому задача повышения качества, сокращения сроков и снижения трудоемкости проектирования технологической оснастки занимает важное место при производстве любых изделий машиностроения [1, 2]. Успешное решение этой задачи машиностроительными предприятиями может быть достигнуто только при переходе к использованию достижений информационной технологии, связанных с инженерным анализом, твердотельным моделированием и компьютерными базами знаний. Именно поэтому многие машиностроительные предприятия связывают свое будущее с внедрением и использованием САБ/САЕ/САМ/РИМ систем [3, 68].

Собственно роль и место САБ/САЕ/САМ/РБМ систем в условиях проектирования и изготовления изделий в машиностроении можно пояснить с использованием рис. 0.1. На этом рисунке сплошной линией показано типовое распределение финансовых ресурсов в ходе подготовки и выпуска изделия рыночного спроса на производящем предприятии (КБ + завод). Это распределение имеет две явно выраженные области: затратную и доходную. В первой области главная цель производящего предприятия может быть сформулирована как стремление к минимизации затрат, связанных с подготовкой производства и выводом нового изделия на рынок. Во второй области главная цель производящего предприятия меняется и уже формулируется как расширение области спроса на выпускаемое изделие.

Под воздействием информационных инициатив, связанных с возможностями используемых САБ/САЕ/САМ/РОМ систем, распределение финансовых ресурсов производящего предприятия примет новый вид. На рисунке пунктирной линией показан 7 желаемый характер распределения, а стрелками изображено направление влияния отдельных информационных инициатив. Цифры у стрелок указывают на следующие инициативы:

1 — сокращение затрат на проведение конструкторско — технологических работ;

2 — сокращение затрат, связанных с необходимостью внесения в проект изменений на поздних этапах разработки (планируемая разработка);

3 — ускорение технологической подготовки производства (быстрое начало производства);

4 — улучшение удовлетворенности заказчика временем и стоимостью реализации проекта;

5 — быстрое реагирование на потребности рынка;

6 — рост удовлетворенности заказчика качеством и производительностью создаваемого изделия;

7 — гибкость освоения новых рынков;

8 — возможность послепродажного расширения свойств изделия (модификация, сопровождение и т. д.);

9 — возможность использования накопленных компьютерных баз знаний в новых проектах.

Деньги.

Рис. 0.1. Распределение инициатив, связанных с возможностями информационных технологий, по управлению финансовыми ресурсами производящего предприятия.

Соотношение между объемами затрат, получаемого дохода и времени перехода от первой области ко второй определяется как производимым изделием (ясно, что, организация проектирования и изготовления пуговиц и самолета в абсолютных значениях будут 8 различными), так и возможностями применяемых в производственных условиях САБ/САЕ/САММШ систем.

К объекту исследования настоящей работы относится выявление влияния вышеназванных инициатив в ходе создания технологической оснастки на примере проектирования и изготовления пресс-форм для литья металлов под давлением. Целесообразность автоматизированного проектирования и изготовления пресс-форм для литья металлов под давлением (ПФ ЛМД) представляется достаточно актуальной. Основными причинами выбора этого типа технологической оснастки для примера демонстрации возможностей информационных технологий в ходе подготовки производства являются:

• массовость применения этого типа технологической оснастки в современном машиностроении (авиация, автомобилестроение, производство бытовой техники и т. д.);

• сложность и разнообразие конструкции, связанной с особенностями основного изделия;

• высокая трудоемкость проектирования и в особенности изготовления;

• продолжительность сроков проектирования и изготовления.

Исторически работы в области автоматизации проектирования пресс-форм ЛМД условно прошли ряд этапов (табл. 0.1). Эти этапы во многом связаны с наращиванием возможностей вычислительной техники и, в первую очередь, программного обеспечения.

Табл. 0.1. Этапы работ по автоматизации проектирования ПФ ЛМД.

Этапы работ Годы становления.

1. Технологические расчеты 2. Чертежно — графические базы данных 3. Трехмерные графические базы данных 4. Компьютерные базы знаний с использованием мастер — процессов 1975 — 1980 1980; 1990 1990;2000 2002.

Самые первые исследования по использованию информационных технологий при проектировании пресс-форм для литья металлов под давлением были связаны с автоматизацией выполнения наиболее трудоемких расчетов. К этим исследованиям относятся работы по созданию программ для расчетов литниково-питающих систем, силовых и температурных полей напряжений как собственно в отливках, так и оснастке, процессов заполнения форм, затвердевания и охлаждения отливок и т. д. К настоящему времени имеется уже достаточное количество разработок в этом «технологическом» направлении, связанном с функциональным компьютерным моделированием упомянутых литейных процессов [5—10].

Восьмидесятые и начало 90-х годов характеризуются исследованиями в области двухмерного «графического» моделирования конструкций ПФ ЛМД с целью создания специальных методик и геометрических языков описания пространственных образов, 9 программных средств ввода геометрической информации в ЭВМ, выполнения различных геометрических расчетов, развития средств машинной графики, осуществления интерактивного графического режима, построения и вывода на графические устройства чертежей деталей, разработки управляющих программ для станков с ЧПУ [11—15].

Развитие этого этапа сопровождалось созданием специализированных систем автоматизированного проектирования и изготовления ПФ ЛМД. Такого типа автоматизированные системы стали выделяться в специализированный класс CAD/CAMсистем. В их основу положена концепция «свободного» конструирования (free design) [16], согласно которой конструктор создает в своем воображении конструктивный образ детали, описывает его на исходном геометрическом языке и вводит в ЭВМ. При этом средства информационных технологий реализуют вспомогательные «сервисные» проектные функции, позволяющие конструктору анализировать и вносить коррективы в созданную им конструкцию технологической оснастки, выполнять необходимые проектные расчеты, формировать и автоматически выводить на графические устройства различные типы чертежей, разрабатывать технологический процесс и управляющие программы изготовления отдельных деталей для этой технологической оснастки на станках с ЧПУ.

Отставание России от уровня зарубежных разработок в «конструкторском» направлении автоматизированного проектирования ПФ ЛМД достаточно существенно. К концу 80-х — началу 90-х гг. известно большое число промышленных зарубежных разработок, созданных на основе вышеописанного подхода, среди которых выделяются: DUCT (Кембриджский университет, Англия) [17], Olmsted (США) [18], Euklid (фирма Fides, Швейцария—ФРГ) [13], SMDS (фирма Sony, Япония) [19,20], J АР АХ (Япония) [21], ORP11 (фирма Overeem Metaal, Голландия) [22], PENTAX (Япония) [23] и др. Все эти системы различаются методами моделирования пространственных образов и составом выполняемых функций.

Этап геометрического моделирования (или «конструкторское») в автоматизированном проектировании ПФ ЛМД в нашей стране также имеет свою историю [69−71]. Первые сведения о работах в этом направлении у нас появились во второй половине 80-х годов. Большинство современных отечественных разработок данного этапа ориентируются на IBM-совместимые персональные ЭВМ, широко распространившиеся в проектных подразделениях машиностроительных предприятий, и выполнены в виде проблемно-ориентированных надстроек к базовой графической системе общего назначения. Сформировалась уже группа организаций, занимающихся «конструкторским» направлением автоматизации проектирования ПФ ЛМД в России. Среди них НИИлитавтопром [72], Нижегородский государственный технический университет (НГТУ) [4], АО «ГАЗ», Удмуртский государственный университет [51] и другие.

На крупных предприятиях автомобильной промышленности таких как АвтоВАЗ, АО «ГАЗ» нашли применение известные зарубежные системы типа CAD/CAM Diaklid/EUKUD фирмы Fides Informatik (Швейцария) [24], DUCT5 [25], а затем и PowerSolution фирмы Delcam International Plc (Великобритания) [74]. Эти системы ориентированы на дорогостоящие рабочие станции и ЭВМ достаточно высокого уровня по сравнению с персональными компьютерами.

С середины 90-х годов в мире наметился переход к созданию трехмерных баз данных, ориентированных на проектирование и изготовление технологической оснастки. К лидерам этого направления стоит отнести такие программные продукты как: UG, Рго/Е, PowerSOLUTION, Cimatron и т. д. Первоначально эти программные продукты поставлялись на рабочих станциях под управлением операционной системы UNIX. В последнее время практически все разработчики ПО объявили о переносе своих программных продуктов на ПЭВМ в среду Windows.

В последнее время при автоматизации проектирования и изготовления пресс-форм ЛМД наметилась тенденция использования компьютерных баз знаний на основе мастер — процессов. О таком подходе в 2001;2002 годах в своих рекламных проспектах объявили фирмы EDS и Delcam International Plc. Основной упор в этом подходе делается на комплексное решение задач и обеспечение совмещенного проектирования и изготовления основного изделия и технологической оснастки для его изготовления. Стоимость оснащения одного рабочего места специалиста по проектированию пресс — форм в США колеблется от 25 до 50 тыс. долларов. В 2001 году оборот на рынке программных систем, связанных с проектированием и изготовлением ПФ, оценивался в 350 млрд долларов США и в течение последних 5 лет имел ежегодный прирост более 15% [75].

Несмотря на достигнутые серьезные успехи, 100% автоматизация всех работ по проектированию и изготовлению технологической оснастки вряд ли возможна, т.к. особенностью проектирования и изготовления последней является большая номенклатура и малые партии изделий. А это, в свою очередь, требует привлечения больших финансовых затрат на автоматизацию работ по проектированию и изготовлению технологической оснастки.

В связи с перечисленными этапами встал целый ряд вопросов о возможности использования CAD/CAE/CAM/PDM систем при проектировании и изготовлении технологической оснастки на машиностроительных предприятиях России. В отечественной литературе (включая и ИНТЕРНЕТ) практически отсутствуют полноценные описания опыта, методик использования информационных технологий в этой области.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является повышение качества, сокращение сроков и затрат в ходе компьютерной подготовки производства пресс-форм для литья металлов под давлением в рамках САБ/САЕ/САМ/РБМ систем (в первую очередь, за счет использования твердотельного моделирования, инженерного анализа и компьютерных баз знаний). Важным ограничивающим условием для достижения цели является необходимость обеспечить первоначальную стоимость рабочего места по проектированию и изготовлению пресс-форм в компьютерной среде в пределах 10 — 15 тыс. долларов США, включая поставку базового аппаратного и программного обеспечения.

Для достижения указанной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Провести сравнительный анализ традиционного процесса проектирования технологической оснастки (на примере литья металлов под давлением) и его компьютерного аналога с использованием информационных технологий.

2. Рассмотреть роль и место твердотельного моделирования при проектировании и производстве пресс-форм для литья металлов под давлением.

3. Обосновать структуру и состав компьютерной базы знаний по проектированию и изготовлению пресс-форм для литья металлов под давлением.

4. Осуществить реализацию компьютерной символьно-графической базы знаний для проектирования и изготовления пресс-форм для литья металлов под давлением с использованием твердотельного моделирования.

Научная новизна работы заключается:

1. В разработке понятийной модели процесса проектирования и изготовления пресс-формы для литья металлов под давлением в САБ/САЕ/САМ/РБМ системе;

2. В установлении двунаправленных ассоциативных связей между трехмерными параметрическими прототипами типовых решений в контексте сборки конструкции пресс — формы;

3. В обосновании полноты и формировании символьной и графической баз знаний, обеспечивающих проектирование пресс-форм для литья металлов под давлением в компьютерной среде;

4. В разработке методики автоматизированного проектирования и изготовления пресс-форм для литья металлов под давлением с использованием твердотельного моделирования;

5. В разработке методики получения полного комплекта конструкторско-технологической документации по созданным твердотельным моделям, достаточного.

12 для изготовления формообразующих частей пресс-формы для литья металлов под давлением на оборудовании с ЧПУ;

6. В обосновании использования набора отечественных инструментальных средств для переноса нормативно-справочной информации и опыта проектирования ПФ ЛМД в компьютерную среду: Интегрированной Интеллектуальной Системы (ИнИС), Интеллектуальной Компьютерной Среды (ИКС) и T-FLEX CAD.

Предлагаемый в работе метод решения по проектированию и изготовлению пресс-форм для литья металлов под давлением основан на создании компьютерной базы знаний с применением объектно-ориентированного подхода [64,65, 76−80]. Этот подход заключается в том, что в предметной области (в данном случае проектирование и изготовление пресс-форм) выделяется множество объектов, взаимосвязанных контекстом конструкции пресс-формы. Свойства этих объектов описываются в компьютерной среде на языке, понятном и принятым у специалистов предметной области. Таким образом, опыт по проектированию и изготовлению пресс-форм, накопленный за десятилетия на заводах и предприятиях в виде стандартов предприятий, твердых копий чертежей и нормативно-справочной литературы, переносится в CAD/CAE/CAM/PDM среду в виде символьной и графической базы знаний и сценариев действий. Последние в дальнейшем могут быть многократно использованы другими специалистами в своей практической деятельности.

4.9. Выводы.

4.9.1. Одно из крупных изменений в технологии автоматизированного проектированы, связное с применением информационных технологий, основано на более высоком уровне повторного использования прежних проектных решений. Это значительно облегчает и ускоряет проведение проектных работ. В САПИР принципиальным моментом является то, что эксперт по решению задач конструкторско-технологической подготовки производства является основным разработчиком моделей объектов. Именно он отбирает типовые решения, формирует словари понятий, определяет действия в типовых ситуациях, создает графические прототипы чертежей для их многократного использования. При этом компоненты CASE — технологии, поставляемые.

122 вместе с САПИР, призваны облегчить пользователю решение вышеперечисленных задач и самостоятельно адаптировать программную систему под свои цели. Используя накопленные знания, разработчик с помощью имеющихся у него средств проектирования может создать описание своего изделия, оценить параметры и свойства изделия. Если описания изделия на различных уровнях проектирования содержат противоречия, то система автоматизированной поддержки инженерных решений позволит разработчику выявить их и устранить. В системе проектирования предусмотрены эффективные средства повторного использования проектных решений.

4.9.2. Разрабатываемая в данном проекте база знаний позволит частично автоматизировать проектирование пресс-формы, т.к. созданная графическая база знаний в дальнейшем может использоваться при проектировании других пресс-форм, а символьная база знаний может использоваться для автоматизации проектирования формообразующих деталей.

4.9.3. Так же созданная база знаний по проектированию формообразующих деталей позволяет получить в результате комплект конструкторской документации на пресс-форм для заливки пакета ротора различных типоразмеров, т.к. выполненная параметризация графических моделей позволяет изменять параметры деталей в зависимости от исходных данных, введенных пользователем.

4.9.4. В итоге можно сказать, что была сделана попытка решения задачи по переносу деятельности инженера-конструктора в области проектирования технологической оснастки в компьютерную среду на примере создания базы знаний для автоматизированного проектирования формообразующих деталей пресс-формы для заливки пакета ротора.