7.7 Компьютеризация инструментального производства – приоритетная задача промышленности

Одним из основных направле­ний развития отечественной индустрии является решение вопросов применения компьютерных технологий в инструментальном производстве [19]. Инструментальное производство сегодня во всем мире является основным потреби­телем рынка (до 30%) CAD/CAM-систем и услуг. Это положение требует повышенного внимания к проблемам компьютеризации инструментального производства, которая, на наш взгляд, должна проводиться опережающими тем­пами в целях выпуска новой, конкурентоспособной продукции. Указанные проблемы стоят перед всеми государствами — бывшими республиками Советского Союза.

Работниками научно-инженерно­го предприятия «Системы автома­тизации», входящего в состав НИО «Кибернетика» Национальной ака­демии наук Белоруссии, совместно с рядом белорусских предприятий накоплен достаточно обширный опыт решения различных проблем применения компьютерного проектирования и запуска в производ­ство новых изделий.

Анализируя особенности произ­водства тех белорусских предприя­тий, которые в нынешних эконо­мических условиях смогли сохра­нить, а иногда и расширить про­изводство своей продукции, прежде всего необходимо отметить наличие у них следующих материально-технических и программно-информа­ционных предпосылок для развития компьютеризации инструменталь­ного производства:

- наличие довольно значительного парка станков с ЧПУ различных модификаций;

- проведение модернизации стан­ков прошлых лет выпуска для обеспечения на них 3-, 4- и 5-координатной обработки;

- приобретение современной вы­числительной техники (ПК, рабочие станции) и развитие ее сетевого использования;

- распространение в инструменталь­ном производстве систем геомет­рического моделирования как среднего (SolidWorks, Solid Edge, Mechanical Desktop), так и высо­кого (CATIA, Unigraphics) уровней;

- освоение в составе систем CAD/САМ высокого уровня модулей разработки программ ЧПУ для обработки деталей сложнофасонной оснастки;

- создание локальных цеховых вычислительных сетей для прямой передачи данных от компьютера к станкам, минуя перфоленту;

- наличие специалистов, имею­щих определенный опыт работ на различных стадиях компью­терного проектирования (проек­тировщики, технологи-програм­мисты, рабочие высокой квалификации).

Однако практика запуска в про­изводство изделий сложной фор­мы выявила ряд проблем, от ре­шения которых во многом зави­сит способность предприятий вы­пускать конкурентоспособную продукцию.

Во-первых, возможности компь­ютерного проектирования с использованием современных CAD/САМ-систем позволяют получить математические модели изделий сложных дизайнерских форм. Для производства этих изделий необ­ходима сложнофасонная оснастка (штампы и пресс-формы). Изго­товление такой оснастки требует, в свою очередь, как многокоорди­натной механической, так и эрозионной обработки. С этой целью в процессы компьютерной техно­логической подготовки инструмен­тального производства необходимо включить разработку компьютер­ных моделей заготовок, электро­дов, наладок и обеспечить документирование этих компонентов технологии изготовления деталей оснастки в инструментальном про­изводстве.

Во-вторых, поскольку эрозион­ная обработка требует значительных финансовых затрат вследствие удо­рожания электроэнергии, цветных металлов, графита, предприятия все больше увеличивают долю механи­ческой обработки. Это влечет за со­бой увеличение дополнительных переходов для обеспечения возмож­ности механической обработки уча­стков деталей с малым радиусом вогнутой кривизны поверхности. При этом существенно растет об­щий объем программ ЧПУ по об­работке одного изделия. В итоге возникает необходимость обеспе­чить ускорение процесса разработ­ки управляющих программ за счет повышения эффективности использования имеющихся программных средств — путем разработки типо­вых технологий обработки в ком­пьютерной среде и создания специализированных программных средств автоматизации работ техно­лога-программиста.

В-третьих, увеличение сортамен­та используемого инструмента при­водит к росту количества про­грамм, сокращая при этом время обработки на станке данным инст­рументом. Следовательно, время разработки программы становится больше машинного времени обработки детали на станке. Кроме того, имеющееся на предприятии оборудование с ЧПУ во многих случаях не обладает дополнитель­ным объемом оперативной памя­ти для ввода в стойку ЧПУ всей программы целиком, и на стадии разработки программы приходится следить за оптимальным ее разме­ром. Поэтому ускорение разработ­ки управляющих программ может быть достигнуто за счет примене­ния специальных, полностью автоматизированных средств деления программ на части, за счет размно­жения и выполнения аффинных преобразований траектории, за счет постпроцессирования программ и присвоения имен в соответствии с принятым стандартом предприятия по использованию сетей управле­ния станками и архивированию программ.

В-четвертых, существующая нор­мативная база по стандартизации процесса технологической подготов­ки инструментального производства явно отстала от требований со­временности. Сейчас, для обеспече­ния ускорения наладки станка — при наличии огромного количества управляющих программ обработки одного изделия, уже мало дать в цех карту наладки инструмента. Необходимо представить точные операционные эскизы по каждой программе ЧПУ для оптимального подбора длины инструмента, для закрепления детали на станке, для обеспечения максимальной жестко­сти системы «станок — приспособ­ление — инструмент — деталь», чтобы гарантировать производи­тельность и качество обработки. Следует разработать методические рекомендации по использованию современных графических техноло­гий подготовки технологических документов и нормированию ста­ночных работ.

И наконец, в-пятых, традицион­ная технология подготовки производства практически не регламен­тирует работы, связанные с обра­боткой на станках с ЧПУ, так как она ориентирована на обработку на универсальных станках деталей и электродов. Переход к изделиям сложной формы значительно уве­личивает время разработки программ в общем цикле запуска из­делия в производство. Отсутствие стандартов предприятий по запус­ку деталей в компьютеризирован­ном производстве влечет за собой дополнительные затраты при по­вторном запуске деталей из-за случайной потери информации. Сле­довательно, необходимо перейти к новому уровню организации тех­нологической подготовки инструментального производства — с использованием средств компьютерных технологий и промышленной информатики.

Специалисты НИП «Системы-автоматизации» совместно с инженерно-техническими работниками Минского завода шестерен, ПО «Витязь» (г. Витебск), Барановичского станкостроительного завода ЗАО «Атлант», Минского произ­водственного объединения вычислительной техники, Минского автомобильного завода получили по­ложительные результаты в органи­зации обработки на станках с ЧПУ деталей сложной формы, в разра­ботке управляющих программ в системах высокого уровня (CATIA и ГеММа-ЗD) и достигли успехов в решении перечисленных вопро­сов при запуске в производство изделий на этих предприятиях.

Под сквозным компьютерным проектированием и производством новых изделий следует понимать как минимум среду, в которой:

- имеются компьютерные геомет­рические модели изделия и оснастки для его производства;

- на оборудовании с программным управлением обрабатываются либо детали изделия и оснастки, либо главные их поверхности, например формообразующие поверхно­сти пресс-форм, штампов;

- организовано движение элект­ронных конструкторских и технологических моделей и доку­ментов между различными служ­бами предприятия. Можно рассматривать сквозные компьютерные технологии более широко, включая в них дизайнерскую подготовку изделий, опти­мизацию рабочих характеристик изделий, систему контроля каче­ства изделий с применением программных продуктов, АСУ пред­приятия и другие составляющие полного цикла жизни изделия. Но для технологической подготовки инструментального производства главными, на наш взгляд, являют­ся три элемента: электронная гео­метрическая модель детали оснас­тки, оборудование с ЧПУ и элек­тронный документооборот. Рас­смотрим взаимосвязи этих компонентов для обеспечения эф­фективной работы в компьютерной среде.

Для оптимизации временных зат­рат технолога-программиста компью­терная модель детали, полученная на этапе конструирования, должна быть соответствующим образом подготов­лена, с учетом взаимосвязи особен­ностей геометрии детали и требуе­мых видов обработки для ее изготов­ления.

Конструктор и технолог рассмат­ривают электронную модель дета­ли по-разному и пользуются для ее построения разны­ми средствами си­стемы геометри­ческого моделиро­вания. Конструк­тора интересует функционирование детали в составе проектируемого устройства, раз­мерные связи с другими деталями, а технолога — возможность изготов­ления детали на имеющемся в его распоряжении обо­рудовании. Поэто­му при передаче электронной моде­ли от АРМ конструктора на АРМ технолога должен существовать этап превращения кон­структорской моде­ли детали в техно­логическую.

Электронная геометрическая модель детали из­делия или оснастки с точки зрения технологии ее из­готовления являет­ся иерархически сложноструктури­рованным объектом. Представление технологической модели детали может происходить по нескольким уровням. Первый уровень — твердотельная модель детали, второй - поверхностная модель детали в виде совокупности граней, тре­тий — каркасная модель как множество линий, четвертый — компь­ютерное представление чертежа де­тали, полученного по перечисленным выше моделям. Такое структурирование электронной тех­нологической модели детали обес­печивает оптимальный вариант под­системы технологической подготов­ки производства с точки зрения достаточности входной информа­ции — как для выбора вида обработки и соответствующего станка, так и для написания программ ЧПУ в процессе изготовления деталей оснастки.

Если перед запуском в произ­водство требуется получить натурный образец изделия методом послойного синтеза (Laminate Synthesis) или быстрого прототипирования (Rapid Prototyping), то здесь главной является твердотель­ная модель. При этом указанные современные методы формообразо­вания не исключают дальнейшей механической доработки получен­ных изделий.

В случае механической обработ­ки достаточным может быть один из более низких уровней геомет­рических моделей деталей либо их комбинация. Если деталь представ­ляет собой совокупность огибающих

поверхностей инструмента при его движении одновременно по трем координатам, то необходима поверхностная модель дета­ли. К данному виду обработки от­носится фрезерование шаровой и тороидальной фрезами (работу концевой фрезы при движении по поверхности можно рассматривать как частный случай тороидальной фрезы). При этом может осуществляться как фрезерование непосредственно самой детали (например, гребной винт), так и оснастки для ее изготовления (формообразующая поверхность штампа, поверхность электрода для прожига пресс-формы). Обычно подобная обработка является ЗD-обработкой (три координаты в программе для оборудования полностью опреде­ляют положение инструмента) или 4D- и 5D-обработкой (инструмент или стол имеет возможность вращаться под управлением так назы­ваемых четвертой и пятой коорди­наты — один из углов Эйлера).

Как известно, движение инстру­мента можно разделить на рабочее и вспомогательное. Если рабочее движение осуществляется в одной плоскости, то для подготовки про­граммы достаточно плоского контура. Такой способ обработки на­зывается 2D-обработкой, например лазерная резка листового матери­ала, токарная обработка. Если же при этом оборудование обеспечи­вает движение инструмента по расположенным в различных плоско­стях контурам, параллельным координатным плоскостям инструмента­, то получается 2,5D-oбpaботка, к которой относится, например обработка корпуса редуктора на обрабатывающем центре: выборка карманов, торцовка по­верхностей, предварительное фрезерование под растачивание, рас­тачивание и сверлильная обработ­ка. Для 2D-обработки вполне до­статочно контурной модели, для 2,5D-oбpaбoтки, кроме контура, в целях осуществления настройки станка чаще всего дополнительно требуется чертеж детали.

Чтобы оптимизировать затраты на разработку управляющих программ для перечисленных выше типов обработки, следует выбрать соответствующую CAD/CAM-систему. Системы типа CATIA, Unigraphics, Pro/Engineer могут работать со всеми уровнями геомет­рической модели детали, но, по­скольку они достаточно дорогие, их целесообразно применять толь­ко для 3D-обработки. С поверхностными моделями могут работать САМ-системы среднего уровня, например ГеММа-3D. Система ГеММа-3D хорошо воспринимает поверхностные модели в формате IGES, STEP, полученные в систе­мах более высокого уровня, а так­же модели, полученные в пакете Solid Edge, совместимом через Parasolid-интерфейс с моделями Unigraphics и SolidWorks. С нашей точки зрения, для работы с кон­турными и поверхностными моде­лями, в виде которых может быть представлена большинство деталей технологической оснастки, опти­мальной является система ГеММа-3D, так как она обеспечивает удоб­ное программирование многослой­ной обработки карманов, ввод кор­рекции инструмента для концевых фрез, оптимальную траекторию при гравировке и плазменной рез­ке заготовок. Эта система позволя­ет обрабатывать детали в поверхностном представлении, разгружая при этом рабочие места с CAD/САМ-системами верхнего уровня. Поскольку ГеММа-3Dвоспринимает файлы в формате DXF, то можно организовать конструкторско-технологическую подготовку производства, проектируя часть деталей непосредственно в системе AutoCAD.

Перейдем теперь к программно­му оборудованию. Идеальный вариант — иметь станки от одной фирмы-изготовителя, с однотипной стойкой ЧПУ и управляемые от единого компьютера. К сожа­лению, такую роскошь не могут позволить себе даже промышлен­ные гиганты. Как правило, на предприятии функционируют стан­ки различных фирм, изготовлен­ные в разные годы, а это значит, что у каждого станка — своя, в чем-то отличная система кодиро­вания информации, проще говоря, «своя стойка ЧПУ» (имеются в виду, конечно, особенности кодирования, а не электронного устройства станка). Поэтому во всех системах CAD/CAM существует этап постпроцессирования NC-программ, то есть САМ-система сначала выдает программу в ка­ком-либо промежуточном форма­те, а затем полученный файл перекодируется в коды конкретного станка. Обычно программное обеспечение, именуемое постпро­цессором, стоит довольно дорого, особенно если постпроцессор име­ет возможность настройки на особенности сразу многих стоек ЧПУ. Согласно международным стандартам все CAD/CAM-системы обязаны генерировать NC-программы на языке APT (Automatically Programmed Tool). Далее этими файлами занимается система ГеММа-ЗD, имеющая язык генерирования постпроцессо­ров, библиотеку постпроцессоров и позволяющая создать программные средства автоматического постпроцессирования огромного ко­личества программ на различные стой­ки ЧПУ, в зависи­мости от конкретной производственной загрузки оборудова­ния. Кроме того, обычно станочник вносит кор­рективы в програм­му, оптимизируя режимы резания, подключение охлаждения и т.п. Для нормальной органи­зации производства необходимо иметь архив уже отлажен­ных программ. Эта проблема решается установкой в цехе системы прямого управления станка­ми, в которой архи­вы NC-программ можно организовать как в формате APT, так и в машинном коде, причем любая программа может быть откорректиро­вана в текстово-графическом диалоге (исправляем текст и тут же видим изменение траекто­рии на экране). Опыт ПО «Витязь» и Барановичского станкост­роительного завода показал, что затраты на организацию сетевого управления станками через персо­нальный компьютер полностью оправдали себя и в итоге пред­приятия смогли перейти к комп­лексной автоматизации проекти­рования и производства.

В условиях административно-плановой экономики производство шло по пути укрупнения, то есть увеличения количества изделий одной партии. Это было обусловлено не только стремлением к уменьше­нию времени переналадки оборудо­вания, но и прежде всего большой длительностью цикла технологичес­кой подготовки производства ново­го изделия. Существовала доволь­но стройная система стандартов для оформления технологической доку­ментации. В технологических кар­тах, казалось бы, было учтено все: припуск, инструмент, подача, ско­рость оборотов шпинделя, поверх­ности обработки. За одним исклю­чением — отсутствовала последовательность проходов обработки конкретной поверхности. Счита­лось, что решение этой задачи оп­ределяется либо самим технологи­ческим оборудованием, либо достаточной квалификацией станочника. Но чем сложнее была форма изде­лия, тем больше требовалось под­готовить бумаг, чтобы уменьшить зависимость качества изделия от квалификации рабочих. При мел­косерийном производстве практи­чески все изделия изготовлялись на универсальном оборудовании ста­ночниками высокой квалификации, которые по чертежу детали были способны выполнить необходимую работу. С приходом на производ­ство станков с ЧПУ произошел качественный скачок в технологичес­кой подготовке производства: программа управления станком вклю­чает в себя значительную часть технологической информации, а именно номера инструментов в магазине, режимы резания и т.д. Од­нако эта информация является абсолютно бесполезной, если не при­ложить к программе карту наладки инструмента и последовательность запуска управляющих программ. С появлением компьюте­ров стали проводиться работы по архивированию этой информации на персональных компьютерах — по­средством либо создания специаль­ных систем управления базами дан­ных, либо использования доступ­ных средств работы с файлами (например, архива системы ГеММа-3D).

Опыт совместной работы авто­ров статьи с ПО «Витязь» для единичного инструментального производства показал эффективность представления технологического процесса в виде графических технологических карт. В комплект до­кументации входят эскиз заготовки для операции на станке с ЧПУ, карта наладки для различных уста­новок, карты с фотографи­ями технологических переходов, содержащих дополнительную тек­стовую информацию — характеристики инструмента, имя програм­мы. Конечно, для внедре­ния подобной графической техно­логии в промышленном масштабе следовало бы, наверно, провести экономические исследования и научно обосновать оптимальный состав информации. Так, на наш взгляд, форму 2 ГОСТ 3.1404-86, регламентирующую оформление операционной карты на технологическую операцию, выполняемую на станке с ЧПУ, следует дополнить формой 2а, отражающей последовательность технологических переходов в виде как текстовой, так и графической информации.

Чрезвычайно важен вопрос ускорения технологической подготовки компьютеризированного ин­струментального производства. Компьютеризация инструментального производства усиливает требования к квалификации техноло­га-программиста и значительно повышает его роль в процессе за­пуска в производство новых изде­лий. Интенсификация труда техно­лога-программиста должна сопро­вождаться удобством его работы с компьютером и автоматизацией рутинных работ. Главным достоин­ством CAD/CAM-систем высшего уровня автоматизации является то, что они не только содержат техно­логическую информацию в удоб­ном для обзора виде и позволяют отделить процесс формирования NC-программ на языке APT от формирования технологической информации как таковой (этим свойством обладает и система сред­него уровня ГeММа-ЗD), но и вы­полняют расчет необработанных зон, дают возможность реализовать практически любую технологию обработки за короткий срок. Одна­ко каждый час работы CAD/CAM высшего уровня в несколько раз дороже работы системы ГеММа-3D. Следовательно, нужно созда­вать и применять программные средства автоматического размножения симметричных технологи­ческих переходов, деления про­грамм на части, приемлемые по объему оперативной памяти имеющихся станков, рационально распределять детали между систе­мами высшего уровня и системой ГеММа-3D, перенести этап постпроцессирования из систем высше­го уровня в систему ГеММа-3D.

Опыт внедрения системы CATIA на автомобильных заводах Германии показал, что время раз­работки программ значительно снижается при наличии типовых технологических процессов разработки NC-программ. К тому же эти процессы не «зашиты» внутри алгоритмов системы CATIA, а оформлены в виде фай­лов, легко доступны для чтения и внесения изменений как в тексто­вом редакторе, так и в диалоге с технологом при разработке NC-программ в среде системы CATIA. Такие техпроцессы, создаваемые совместно с опытными технолога­ми-производственниками, прохо­дят апробацию при внедрении про­грамм в производство и хранятся отдельно от моделей деталей. При их использовании снижается не только стоимость разработки NC-программ, но и количество допу­щенных технологических ошибок, а значит, и стоимость переделки брака. Существенно облегчает ра­боту и наличие в данных процес­сах элементов описания техноло­гии обработки необработанных зон предыдущим инструментом. При разработке NC-программы остает­ся только запустить автоматичес­кий расчет кривых, ограничиваю­щих эти зоны, по которым систе­ма CATIA автоматически опреде­лит дальнейшие зоны работы следующего инструмента. В связи с этим особую актуальность при­обретает задача использовать дан­ные возможности системы CATIA для условий отечественного (как белорусского, так и российского) инструментального производства.

Время разработки программ значительно сокращается за счет создания макропроцедур, то есть одних и тех же последовательностей строк, повторяющихся в различных NC-программах. Макропро­цедуры созда­ются заранее, и при разработке NC-программ нужно только сослаться на них и назна­чить значения параметрам. Макропроцедурами можно описать требо­вания подхода к детали, отхо­да от нее, пере­мещения между различными зона­ми обработки, перемещений нача­ла и конца обработки на конкрет­ном станке.

Четырехлетняя практика сквоз­ного компьютерного проектирования в НИП «Системы автомати­зации» Национальной академии наук Белоруссии в творческом и производственном союзе с ПО «Витязь» продемонстрировала хорошее взаимодействие систем CATIA и ГеММа-3Dна этапе тех­нологической подготовки производства. Имеются также примеры положительного взаимодействия системы ГеММа-3D с системами Unigrahpics и Pro/Engeneer (ПО «Витязь», ПО «Горизонт»). Таким образом, можно сделать вывод, что главным фактором в компью­теризации технологической подго­товки инструментального произ­водства является не столько выбор системы высшего уровня, сколь­ко организация взаимодействия компонентов компьютерной тех­нологии в целом. Экономию тре­буемых капитальных вложений в компьютеризацию инструменталь­ного производства можно полу­чить посредством как рациональ­ного подбора компонентов для организации сквозной компьютер­ной технологии изготовления де­талей оснастки, так и комплексного подхода к решению всего круга методических, организационных, программных и информационных задач реализации указанной техно­логии.