Автоматизированное проектирование деталей крыла

ВВЕДЕНИЕ

На всех этапах создания новых изделий – от проектирования до изготовления, приходится решать разнообразные геометрические задачи. В одних областях эти задачи играют подчиненную роль, в других – функциональные качества изделия решающим образом зависят от внешних форм отдельных узлов и взаимной их компоновки. Особенно важны задачи формообразования в проектировании аэро- и гидродинамических обводов агрегатов летательных аппаратов, рабочих колес, направляющих и отводящих каналов турбин. Здесь ни одна из существенных физических и технологических задач не может быть решена в отрыве разработки формы.

От формы изделия зависит его эстетическое восприятие, которое может меняться под воздействием различных факторов. Прагматическая и эстетическая компоненты входят в геометрию различных изделий в неодинаковых пропорциях. Иногда они достигают полного единства, например, в совершенных обводах современного воздушного лайнера или сверхзвукового истребителя, а иногда отдельные детали конструкций могут не обладать эстетическим воздействием, но выполнять важные функции.

Создание геометрических форм продолжается и на этапе подготовки производства, когда проектируется и изготовляется различная технологическая оснастка, включающая материальные носители геометрической информации: шаблоны, эталоны, стапели…

Потребности современной техники необычайно расширили диапазон используемых геометрических форм. В последние десятилетия распространены задачи, связанные с автоматической реализацией самого процесса формообразования на станках с числовым программным управлением (ЧПУ). Наиболее трудоемкой из этих задач является расчет траектории обработки сложной поверхности с учетом требуемой точности, геометрии режущего инструмента и кинематических особенностей станка.

Уже несколько лет с развитием вычислительной техники появилась возможность решать инженерно-геометрические задачи путем численного моделирования. В памяти компьютера создаются на цифровой основе геометрические объекты и геометрические отношения, адекватные реальным, а решение сводиться к численному оперированию с информационными, или, как принято говорить, математическими моделями.

Особенностью современного этапа развития техники является качественно новый подход к проектированию и разработке новых видов изделий, базирующийся на принципе оптимизации параметров изделия на этапе предварительного проектирования. Глубокий и всесторонний анализ решений, принимаемых на стадии проектирования, позволяет существенно снизить сроки и затраты на проведение испытаний, доводку и внедрение изделия в серийное производство. Сокращение сроков разработки новых образцов и ускорение научно-технического прогресса невозможны без самого широкого внедрения вычислительной техники в процесс проектирования.

1Развитие автоматизации технологической подготовки производства и ее современное состояние

Одним из основных способов использования вычислительной техники является применение совершенных систем автоматизированного проектирования (САПР) на базе все более мощных ЭВМ, периферийной техники и широко развитого математического и программного обеспечения.

В нашей стране эти системы впервые появились в начале 60-х годов. Первый период характеризовался созданием систем, автоматизирующих традиционно сложившиеся методы и приемы в проектировании и на производстве. Например, в авиастроении в первую очередь автоматизация коснулась весьма трудоемких, но легко формализуемых плазовых работ. Другим направлением стало применение вычислительной техники и устройств машинной графики для изготовления технической документации. Из нетрадиционных работ этого периода важное место заняла автоматизация расчета управляющих программ для оборудования с ЧПУ. Подобные системы, с одной стороны, автоматизировали лишь отдельные звенья производственного цикла, а с другой, - как правило, были приспособлены к условиям конкретного производства. Это сужало область применения разработок и ограничивало возможности кооперации в их развитии.

В начале 70-х годов стала очевидной необходимость создания интегрированных систем, обеспечивающих автоматизацию проектирования и технологической подготовки производства (ТПП) в едином цикле. При создании таких систем подразумеваются определенные изменения технологии в направлении стандартизации технической информации и усовершенствования производственных процессов за счет применения ЭВМ и оборудования с ЧПУ.

На уровне плазовых работ автоматизация, реализуемая в CAD/CAM/CAE¹–системах, на сегодняшний день достигла уровня, при котором детали и узлы не просто увязываются в единую конструкцию, а, по существу, заново проектируются (т.е. восстанавливаются математические модели в памяти компьютера) в САПР по имеющимся опытным чертежам. Затем уже созданные электронные модели служат основой для создания технологической оснастки и для составления программ обработки для оборудования с ЧПУ.

В данной работе рассматриваются вопросы автоматизации ТПП с использованием CAD/CAM-систем (ниже приведено описание используемых систем) на примере подготовки производства деталей и узлов крыла; особый акцент поставлен на верхнюю панель крыла, представляющую собой типовой элемент конструкций, выполняемых из композиционных материалов.

2Обзор САПР и их краткое описание

На всех этапах создания изделия происходит обработка в той или иной форме различной геометрической информации, относящейся к этому изделию. При проектировании исходные данные об объекте преобразуются в геометрические образы его отдельных агрегатов, и синтезируется образ самого изделия – математическая модель объекта. Предварительная оценка проектного решения и этап конструирования включают комплекс расчетов для выявления характеристик (прочностных, гидродинамических и т.п.) изделия и его элементов. Источником информации на этом этапе, а также при подготовке производства, когда проектируется и изготавливается необходимая технологическая оснастка, и, наконец, в процессе контроля изготовленных узлов и деталей является математическая модель объекта. Таким образом, все расчеты, выполняемые в процессе создания объекта, базируются на геометрической информации об изделии, которая как бы объединяет все этапы указанного процесса. Это обстоятельство находит свое отражение в автоматизированных системах проектирования и технологической подготовки производства. Основной компонентой этих систем является подсистема геометрического моделирования. Такие системы включают также подсистемы создания программ траекторий инструмента для оборудования с ЧПУ.

В настоящее время в нашей стране наиболее широкое распространение получили системы «Cimatron it», «Unigraphics» и «Астра».

«Астра» это автоматизированная система геометрических расчетов, ее назначение – геометрическое обеспечение процессов автоматизированного проектирования и ТПП изделий, имеющих сложные пространственные обводы. К ним непосредственно относятся объекты авиастроительной отрасли.

Система «Астра» универсальна, т.е. ее можно адаптировать к различным предметным областям. В связи с этим программное обеспечение системы многоуровневое. Первый уровень – базовый – не зависит от конкретной области применения. Он включает системные блоки, набор обслуживающих программ, пакет стандартных модулей. Второй и третий уровни – проблемные – создаются в процессе адаптации системы к конкретной предметной области. Второй уровень объединяют программы, наиболее общие для данной области. К ним относятся программные средства математического моделирования объектов этой области и программы, реализующие операции над ними. Третий уровень обеспечивает решение задач предметной области в конкретных условиях конструкторского бюро или предприятия. Этот уровень наиболее подвержен изменению.

В настоящее время в авиационной промышленности система «Астра» не находит широкого применения и используется в основном для расчетов программ движения инструмента, как постпроцессор для преобразований объемов информации, для расчетов малок и т.п. Ее заменили более мощные и развитые системы автоматизированного проектирования и изготовления.

Следующую систему – систему «Unigraphics» - называют интерактивной системой автоматизации проектирования и изготовления. Подсистема CAD данного продукта предназначена для автоматизации проектных, конструкторских и чертежных работ на современных промышленных предприятиях. Подсистема CAM обеспечивает автоматизированную подготовку управляющих программ для оборудования с ЧПУ на основе математической модели детали, созданной в подсистеме CAD. В дальнейшем наряду с ЧПУ будет использоваться аббревиатура NC (Numerical Control), что дословно переводится как «числовое управление».

Система Unigraphics имеет модульную структуру. Каждый модуль выполняет определенные функции. Все функциональные модули вызываются из управляющего модуля, который называется Unigraphics Gateway. Каждый пользователь Unigraphics обязательно должен иметь модуль Gateway, тогда как все остальные модули являются необязательными и могут быть подобраны для удовлетворения индивидуальных потребностей производства.

Unigraphics - это трехмерная система, которая позволяет идеально воспроизвести почти любую геометрическую форму, оперируя числами с удвоенной точностью. Комбинируя эти формы, можно спроектировать изделие, выполнить инженерный анализ и выпустить чертежи. После завершения проектирования модуль Manufacturing позволит Вам указать геометрию детали, задать технологические параметры (например, диаметр инструмента) и автоматически сформировать траекторию движения инструмента в виде файла CLSF (Cutter Location Source File), что дословно переводится как «исходный файл положения инструмента». Позднее этот файл, используется в качестве исходных данных для расчета управляющих программ.

Геометрическое моделирование в UNIGRAPHICS дает конструктору возможность быстро выполнить как концептуальный проект, так и детальное проектирование. Используется подход, основанный на типовых элементах формы, типовых операциях эскизах, дающий возможность создать и интерактивно редактировать сложную твердотельную модель. Твердотельное моделирование дает конструктору метод моделирования, который интуитивно легче и понятнее, чем традиционное проволочное и поверхностное моделирование.

Старые CAD системы использовали методы проектирования каркаса кривых и поверхностей. Такая модель могла редактироваться, но полностью теряла информацию о взаимосвязи геометрических элементов, участвовавших в построении твердого тела.

Более поздние параметрические системы ввели методы построения модели, сохраняющие соотношения между элементами геометрии. Такая техника основана на явном введении геометрических ограничений и параметров, используемых в процессе построения модели. Такой подход более разумен, но может также натолкнуться на ограничения. Ограничения не допускают такие изменения конструкции, которые не были заранее спланированы. Параметрическая техника основана на использовании эскизов и операций их вытягивания и не обладает полным набором методов конструирования и редактирования.

Модуль геометрического моделирования в UNIGRAPHICS реализует новый подход, сочетающий традиционное и параметрическое моделирование. Это дает пользователю свободу в выборе методов построения в наилучшей степени отражающих его потребности. Иногда вполне достаточно каркасной модели и нет необходимости в более сложном твердом теле. Однако одновременно в системе присутствует богатый набор методов параметрического и традиционного твердотельного моделирования. Все вместе дает возможность быстро создать и легко управлять реалистичной твердо тельной моделью.

После того, как модель построена, она может быть отредактирована в технике управления параметрами, даже если в ее построении и не использовались эскизы. Система способна наложить на модель автоматические ограничения, однако такие ограничения работают, как бы вторым планом и могут быть легко преодолены прямым редактированием модели. С помощью такого подхода удается избежать ситуации, когда не пользователь управляет системой, а она диктует ему свои условия. Этот недостаток присущ чисто параметрическим системам моделирования.

«Cimatron it» - еще одна система, имеющая широкое распространение на территории России, на предприятиях авиационной, автомобильной промышленности, энергетического машиностроения, а также литейно-штамповочных производств различных областей.

«Cimatron it» - трехмерная графическая CAD/CAM-система, позволяющая проводить любые геометрические построения: каркасные, поверхностные, твердотельные. Также система позволяет проводить инженерный анализ, подготавливать техническую документацию и программы управления для 2, 3, 4 и 5-ти координатного оборудования с ЧПУ.

Система отличается удобным, легко восприимчивым, построенном на основе логических взаимосвязей между модулями и командами, интерфейсом. Это сказывается на быстроте обучения работы в данной системе.