Разработка методов и средств автоматизированного проектирования рабочих шаблонов в условиях авиационных производств

Для современной промышленности характерно совмещение электронно-вычислительной техники с технологическим оборудованием, интеграции компьютерной техники в системы машин. В результате появляются поколения новых средств труда, новые технологии, позволяющие повышать эффективность и гибкость производственного процесса и качество продукции, сокращать производственный цикл по выпуску изделий, начиная с момента проектирования изделий до изготовления.

Практикой подтверждается, что во всех сферах технологической подготовки производства (ТПП) большинства авиационных предприятий объем работ составляет от 35-50% от производства основных изделий. Таким образом, развитие автоматизированных систем проектирования ТПП обусловлено объективными факторами. Достижения в области вычислительной техники, информатики и интерфейсной связи позволили автоматизировать не только массовое и серийное производство, но и многономенклатурные производства, а следовательно и подготовку этих производств.

Задачей настоящей статьи является максимальная систематизация и снижение затрат на технологическую подготовку многономенклатурного авиационного производства за счет комплексного повышения эффективности уже

существующих и внедрению новых автоматизированных систем.

Состояние вопроса и постановка задачи исследования процессов для повышения эффективности подготовки авиационных производств. В самолетостроении информационные технологии вытеснили один из основных методов технологической подготовки производства – плазово-шаблонный. Однако до настоящего времени элементы плазово-шаблонного метода продолжают существовать в заготовительноштамповочном производстве, и, следовательно, продолжают существовать недостатки присущие этому методу увязки размеров:

• -    длительные сроки технологической подготовки производства;

• -    большие затраты на проектирование и изготовление технологического оснащения;

• -    большие объемы работ по изготовлению плазо-во-шаблонного инструментария.

Для сложных изделий в условиях многономенклатурного производства затраты на проектирование технологического оснащения могут доходить до 15% себестоимости изделий. Автоматизация типовых операций позволяет в несколько раз сократить затрачиваемые на цикле подготовки производства временные и финансовые ресурсы, что повышает конкурентоспособность продукции. практической проблемой в настоящей работе является разработка методов, приемов и правил совершенствования проектнотехнологических процедур в подготовке много- номенклатурных авиационных производств на основе внедрения автоматизированной системы проектирования оснастки, снижение затратоем-кости с использованием САПР.

Цель статьи: совершенствование системы подготовки авиационного производства в условиях автоматизированного проектирования технологической оснастки с сокращением сроков выпуска изделий новых поколений изделий на основе использования автоматизированной системы проектирования, создание системы методик автоматизированного процесса проектирования рациональной конструкции.

Методика исследования включает проведение теоретических, экспериментальных и эксплуатационных исследований структуры и состава САПР шаблонной оснастки (ШО) в общей системе конструкторско-технологической подготовки производства. Новизна научных результатов, полученных в результате исследования, заключается в следующем:

• 1.    Метод автоматизированного проектирования, который за счет комплексного подхода к проектированию ШО и разработанного технологического классификатора шаблонов, а также распараллеливанию процессов разработки комплекта электронных моделей шаблонов, приводит к снижению сроков и стоимости создания технологической оснастки, а также к повышению качества процесса её проектирования.

• 2.    Модели и система методик работы со средой конструирования ШО и управления ТПП, обеспечивающей моделирование конструкторско-технологических процессов. Разработана система средств обслуживания рассуждения групп технологов, позволяющая моделировать конструкторско-технологические решения в различных версиях их интеграции.

Анализ жизненного цикла шаблонной оснастки. Выявление основных недостатков. Рассмотрим жизненный цикл ШО [1], приведенный в графической нотации IDEF0 на рис. 1.

• 1.    Оформление ведомости плазово-шаблонного оснащения (ВПШО). ВПШО оформляется согласно внутренней технологической инструкции (ТИ). Запросы на оснастку составляют технологи цехов-потребителей, после чего они передаются в отраслевые технологические отделы. Технологи отраслевых отделов заполняют форму ВПШО программно в PDM-системе предприятия на основании извещения УГК.

• 2.    Подготовка электронной модели технологической (ЭМТ). Электронная технологическая модель подготавливается службами главного технолога в соответствии с планом от УГК по ТИ.

• 3.    Проектирование ЭМ ШО. Конструктор технологической оснастки на основе ВПШО и ЭМТ приступает к проектированию ЭМ ШО.

• 4.    Внесение в реестр планово-диспетчерского бюро (ПДБ). РТК передается в ПДБ, которое вносит изготовление ШО в план и оформляет заявку на вырезку шаблона.

• 5.    Изготовление шаблона по программе DXF. Файл DXF передается оператору лазерного станка, который вначале наиболее оптимально размещает шаблоны на раскроечном листе, после чего они вырезаются в металле.

• 6.    Контроль на контрольно-измерительной машине (КИМ). После вырезки шаблон вместе с программой STEP передается на КИМ, где осуществляется выявление отклонений изготовленного шаблона в металле от ЭМ ШО. В случае недопустимых отклонений [6], если таковые могут быть исправлены вручную, шаблон передается слесарю-ремонтнику, если нет – оснастка аннулируется.

• 7.    Нормирование в бюро труда и заработной платы (БТЗ). Внесенная в реестр РТК, передается нормировщику в БТЗ, который устанавливает норму на изготовления данной оснастки.

• 8.    Нанесение тех. информацию группой мастера. После контроля на КИМ шаблон вместе с РТК передается слесарю на участок для нанесения технической информации с эскиза шаблона [5, 7], установления пластин упоров, покраски и пр.

• 9.    Контроль в бюро технического контроля (БТК). По окончанию работ слесарь сдаёт шаблон на проверку контроллеру БТК. В случае выявления брака шаблон отправляется на доработку, а в РТК вносится отметка о всех необходимых изменениях, либо отметка об аннуляции и перезапуске ШО.

Руководствуясь ТИ и СТП [3] конструктор создает электронную модель шаблона в CAD-системе UG NX 4, с которой впоследствии формируются файл DXF, служащий для вырезки шаблонна на лазерном станке с ЧПУ, и файл STEP для контроля вырезанного шаблона на КИМ. Конструктор также заполняет расчетнотехнологическую карту (РТК) [3], включающую эскиз шаблона.

Проблематика настоящей статьи определенна как совокупность нескольких отрицательных факторов, существенно влияющих на сроки технологической подготовки производства при изготовлений изделий авиационной техники двойного назначения. Такими факторами являются:

• 1.    Отсутствие определенности и конкретики в подходах к проектированию шаблонной оснастки.

  

  Рис. 1. Жизненный цикл ШО

  
  

• 2.    Неоднозначность и противоречивость процесса проектирования оснастки с точки зрения стандартов и технологических инструкций.

• 3.    Отсутствие классификации шаблонов по подтипам. Имеется только общий, поверхностный классификатор видов шаблонов.

• 4.    Наличие большого числа трудоёмких геометрических построений для оформления геометрии модели шаблонной оснастки в соответствии производственными и технологическими регламентами.

Рассмотрение процесса проектирования электронной модели шаблонной оснастки (ЭМ ШО). В контексте данной работы рассматриваемый объект (ШО) полностью моделируется в системе «Unigraphics» [2,11].

Построение математической модели ШО сводится, в первую очередь, к моделированию ее контура. Общая схема моделирования представлена на рис. 3 в виде схемы. По представленной схеме моделируются все типы ШО.

РФП2А

ШВК

ШК

ШОК по ОД

ШР

ШРТ

Рис. 2. Процентное изготовление ШО по типам

Создание математической модели ШО

ЭМ

P ₁

можно представить в виде следующей по- следовательности этапов моделирования.

• 1.    Анализ геометрии ЭМД. Этап теоретического осмысления будущего облика шаблона, а также выбор оптимального расположения детали в пространстве моделирования для дальнейшего удобства проектирования математической модели оснастки. Здесь же конструктором выбирается место расположения дополнительных конструкторских элементов шаблона (добавочного материала, наличия перемычек, смотровых окон и прочее) и их количество; принимается решения о целесообразности моделирования (в случае с шаблонами типа ШОК) всех полок профиля или нет.

• 2.    Построение плоскости эскиза. Плоскость эскиза шаблона является первым пунктом конструкторского проектирования шаблона. Как правило, она строится на плоской или нерабочей поверхности электронной модели детали. В случае отсутствия таковых (детали двойной кривизны) плоскость эскиза строится конструктором в наиболее оптимальном и удобном для проектирования месте, на котором впоследствии будет отображен эскиз развертки детали. Плоскость эскиза является основополагающим элементом детали шаблона.

• 3.    Выполнение необходимых расчетнопроектировочных операций. Количество и типы расчетных и проектировочных операций, а также их варианты зависят от шаблонной оснастки (пункт 1), типа оснастки и опыта проектировщика.

  

  Рис. 3 . Общая схема создания математической модели ШО

  
  

• 4.    Проектирование эскиза шаблона. Эскиз создаётся на плоскости и, исходя из особенностей геометрии детали, сложность и количество выполняемых операций при его проектировании может сильно варьироваться.

• 5.    Построение рисок. Количество и типы необходимых рисок напрямую зависят от типа и групп-комплектов шаблонов. Однако в любом типе шаблона будет присутствовать минимум одна риска – это риска контура обреза детали. Все риски контура при производстве шаблона выполняются гравировкой лазером, и поэтому они помещаются на второй слой моделирования детали.

• 6.    Создается твердотельная модель шаблона , когда эскиз шаблонной оснастки полностью готов и контур замкнут, операцией «Вытягивание». Ее основное назначение служит для увязки групп-комплектов шаблонов по отверстиям (к примеру ШР+ФРМБ, или ШР+ШРТ) и контроля изготовленной оснастки на КИМ. Твердое тело помещается на третий слой моделирования.

• 7.    Нанесение технологической информации . Вся технологическая информация наносится на твердое тело шаблона и помещается на пятый (справочный) слой моделирования.

• 8.    Создание выходных файлов. С готовой электронной модели шаблонной генерируются два выходных файла:

• -    файл DXF, служащий для вырезки шаблона из металлического листа лазером.

• -    файл STEP – для контроля контура изготовленного шаблона на КИМ.

Исходя из предшествующей схемы рассмотрим практическое проектирование шаблона типа ШОК в CAD-системе. Вначале задается рабочая система координат (1) и строится плоскость эскиза (2). После на рабочей плоскости проектировщиком создается контур шаблона и его твердотельная модель (3). Последним этапом (4) является нанесение необходимых рисок и технологической информации на тело шаблона [8].

Рис. 4. Процесс проектирование ШОК в CAD-системе

Технологическая увязка шаблонов предусматривает обеспечение геометрической взаимозаменяемости или заменяемости, как между отдельными деталями, так и между отдельными узлами, агрегатами.

РтуШ = G в ({рД ,Р™ ,P1 ЭМ},t)

где G ^в - геометрическая взаимозаменяемость; t – время.

Эта увязка достигается за счет одновременного изготовления комплекта шаблонов, выполненных по одним и тем же конструктивным сечениям, которые подразделяются на следующие виды:

• -    РД⁰ детальный комплект шаблонов;

• -    Р У О узловой комплект шаблонов;

• -    р Т комплект шаблонов приспособлений.

Детальный комплект шаблонов представляет собой группу шаблонов, связанных между собой технологическим процессом изготовления детали [3, 4]. Примером такого комплекта могут служить шаблоны контура (ШК ) , шаблон внутреннего контура (ШВК), (шаблон развертки (ШР), шаблон размерного травления (ШРТ). Технологическая увязка комплекта шаблонов

Ш выражается в следующем РТУ :

• -    электронная модель детали обеспечивает взаимную увязку шаблонов ШВК, ШР и является ЭМ

источником их изготовления Р_ШР   ;

• -    по шаблону ШР изготавливается шаблон ШРТ

Р

ШРТ ;

• -    по шаблону ШВК Р„,„ „ изготавливается

ШВК формблок, оправка, штамп.

РтуШ = РшРЭМ ^ Ршрт ^ Ршвк ^ Р;

Узловой комплект шаблонов представляет собой группу шаблонов, входящий в данный узел, и объединяет несколько детальных комплектов шаблонов [3, 4]. Примером такого комплекта может служить комплект шаблонов для изготовления нервюры РН¹ , в который входят:

ШШШ

^РН    ^РН(с) >”•> ^РН(п) J

• -    детальный комплект шаблонов на изготовление Ш

стенки нервюры Р_Н ( _С ) ;

• -    детальный комплект шаблонов на изготовление профилей Р НШп) ;

Комплект шаблонов на приспособление представляет собой группу шаблонов, необходимых для монтажа плит разъемов, узлов стапелей и сборочных приспособлений.

ШВК   ТОШ

К z 1 ^{te p} i( 1 ) Р ТУ ( 1 ) ;

ШК   ТОШ

К Z 1   ^ ^Р i( 2 ) ^^ ^РТУ ( 2 ) ;

ШОКД   ТОШ

К z 1      ^ ^Рi( 3 )      ^рту ( 3 ) ;

ШР   ТО     Ш

К Z 1   ^ ^pi( 4 )      Р ТУ ( 4 ) ;

ШРТ zi

ТО     Ш

^ ^P i( 5 ) ^^ ^P ТУ ( 5 ) ;

>

К ШГ

^Z 1

ТО     Ш

^ ^p i( 6 )      ^p ту ( 6 ) ;

ШОК zi

ТО     Ш

^ ^P i( 7 )     ^Г ТУ ( 7 ) ;

ШКС

^КZ 1

ТО     Ш

^ ^Р i( 8 )     ^РТУ ( 8 ) ;

Разработка классификатора ШО. Классификатор ПШО разработан из-за того, что имеющийся классификатор в стандартах содержит не используемые в настоящее время типы шаблонной оснастки и последние требования к проектированию, а так же не подходит для классификации под САПР ШО. Всю шаблонную оснастку РШ° можно разделить (представлена только часть классификатора):

• 1.    Плоская шаблонная оснастка P _П ^ШО . Плоскую шаблонную оснастку, в свою очередь, по методу проектирования можно разделить:

ШО    ШРТ ШР ШОК ШЗ ШК

^РП   = { ^РП(1) ^,РП(2) ^,РП(3) ^,РП(4) ^,РП(5) }

1.1. Шаблоны, при проектировании которых не требуется производить развертку детали. К этой подгруппе относятся:

1.1.1.	Шаблон размерного травления
(ШРТ) РПШ 1 рТ	.
1.1.1.1.	с добавком.
1.1.1.2.	без добавка.
1.1.2.	Шаблон развертки (ШР) Р тШ^Р :
1.1.2.1.	плоская деталь.
1.1.2.2.	глухая отбортовка.

1.1.2.3.	резерованная.
1.1.2.4.	Цельная.
1.1.3.	Шаблон обрезки и кондуктор
(ШОК P ПШ(2О) К	).
1.1.3.1.	Уголковый профиль.
1.1.3.1.1.	Постоянная малка:

• •    открытая;

• •    закрытая.

• 1.1.3.1.2.   Переменная малка:

• •    открытая (изменяющаяся с открытой на закрытую);

• •    закрытая.

• 1.1.3.1.3.   Йельной профиль.

• 1.1.3.1.4.    фрезерованный профиль.

• 1.1.3.1.5.    без подсечки.

• 1.1.3.1.6.    с подсечкой.

  • 1.1.3.1.6.1.    прямая.

  • 1.1.3.1.6.2.    косая:

• •    стандартная;

• •    не стандартная.

• 1.1.3.2.     тавровый профиль.

  • 1.1.3.2.1.    фрезерованный профиль.

  • 1.1.3.2.2.   цельной профиль.

  • 1.1.3.2.3.    с подсечкой.

  • 1.1.3.2.4.    без подсечки.

Аналогом общего процесса проектирования ЭМ ШО является метод проектирования с использованием классификатора ПШО. В данном случае перед началом процесса проектирования конструктор, анализируя ЭМТ, выбирает тот частный тип шаблона, который ему необходим. После этого автоматически запускается программный модуль проектирования ШО именно под выбранный тип шаблона и его частный случай. Т.е. описанный выше общий процесс проектирования шаблонов делятся на серию независимых, мелких модулей, работающих на частные случаи, тем самым упрощая процесс проектирования ЭМ ШО, а также написания и отладки программы самого модуля. Ниже представлен пример данной методики под проектирование ШОК на уголковый профиль с подсечкой.

Рис. 4. Метод проектирования с помощью классификатора ПШО

Рассмотрим графическую составляющую работы специального модуля проектирования ШОК [10, 11], разработанного на основе предложенной выше методики проектирования (рис. 5):

• -    вначале задается рабочая система координат (1), где создается рабочая плоскость эскиза;

• -    указываются зоны подсекаемой части профиля (2-3), если таковые имеются;

• -    указывается граница рабочего контура первого борта профиля (4);

• -    создается копия детали и «ложится» на другой борт и повторяются операции (2-4) для второго борта;

• -    проектируется рабочий и нерабочий контур шаблона (5);

• -    создается твердотельная электронная модель шаблона (6).

Рис. 5. Автоматизация процесса проектирования шаблона типа ШОК

Технико-экономические показатели. В результате полной реализации проекта ожидаемый экономический эффект составит около 400 тысяч руб. Сокращение полного цикла проектирования – более чем в 2 раза.

■ Ил-76/78

■ Н/ч с САПР

■ Ил-112

■ Н/ч с САПР

■ Ан-124

Рис. 6. Диаграмма сравнения трудоемкости проектирования ШО по машинам в тыс. н/ч

Выводы: разработанные алгоритмы, модели и методики проведения конструкторско-технологической подготовки авиационного производства дают возможность передвинуть «центр тяжести» работ по подготовке и организации производства изделий на ранние стадии проектирования, и, следовательно, позволяют максимально совместить во времени процессы проектирования и ТПП, что предопределяет условия для маневрирования ресурсами в зависимости от специфики производства и внешних факторов.

Практическая значимость работы подтверждается использованием её результатов и рекомендаций к внедрению на ЗАО «Авиастар-СП» как комплексной САПР, а также техникоэкономическими показателями.