Этапы жизненного цикла промышленных изделий. Автоматизация конструирования в машиностроении

Согласно международным стандартам качества продукции серии ISO 9000 выделяют одиннадцать этапов жизненного цикла (ЖЦ) продукта:

· маркетинг и изучение рынка;

· проектирование и разработка продукта;

· планирование и разработка процессов (технологий производства, эксплуатации и тому подобное);

· закупки;

· производство или предоставление услуг;

· упаковка и хранение;

· реализация;

· установка и ввод в эксплуатацию;

· техническая помощь и обслуживание;

· послепродажная деятельность или эксплуатация;

· утилизация и переработка в конце полезного срока службы.

Для достижения должного уровня взаимодействия промышленных автоматизированных систем требуется создание единого информационного пространства не только на отдельных предприятиях, но и, что более важно, в рамках объединения предприятий. Единое информационное пространство обеспечивается благодаря унификации как формы, так и содержания информации о конкретных изделиях на различных этапах их жизненного цикла.

Унификация формы достигается использованием стандартных форматов и языков представления информации в межпрограммных обменах и при документировании.

Унификация содержания, понимаемая как однозначная правильная интерпретация данных о конкретном изделии на всех этапах его жизненного цикла, обеспечивается разработкой онтологии (метаописаний) приложений, закрепляемых в прикладных CALS-протоколах.

Унификация перечней и наименований сущностей, атрибутов и отношений в определенных предметных областях является основой для единого электронного описания изделия в CALS-пространстве.

Одним из наиболее важных этапов проектирования машиностроительных изделий является этап проектирования (конструирования). Значимость его не только в том, что на этом этапе формируется концептуальный облик будущего изделия, но и в том, что именно на этом этапе создаются математически точные геометрические модели как отдельных деталей, так и всего изделия, которые будут играть определяющую роль на всех последующих этапах жизненного цикла изделия. В настоящее время все существующее программное обеспечение автоматизированного конструирования принято классифицировать по функциональной полноте.

С точки зрения CALS-технологий программное обеспечение автоматизированного конструирования должно удовлетворять не только требованию функциональной полноты. При выборе и установке той или иной конфигурации программного обеспечения важно учитывать специфику моделей и задач, решаемых на каждом рабочем месте. В этом случае вместо одного пакета со множеством универсальных функций должны устанавливаться строго специализированные пакеты программ, разработанные в соответствии с этими задачами.

В основе автоматизированного конструирования машиностроительных изделий лежит объемное моделирование. В этом случае на помощь конструктору при моделировании приходит как его собственный опыт, так и результаты работы других специалистов, воплощенные в рисунках, эскизах, чертежах, реально выполненных образцах изделий в материале, данные сканирования этих образцов и компьютерные геометрические модели ранее разработанных изделий. Для создания объемной модели изделия конструктор может воспользоваться методом трехмерного твердотельного моделирования, методом поверхностного моделирования или сочетанием этих методов.

Принципиален этап концептуальной разработки изделия. На этом этапе должна быть выполнена предварительная разработка некоей идеологии проектируемого изделия. Классификации изделий с рекомендациями к используемым способам построения нет ни в одном пакете проектирования. К настоящему времени еще не создана программная среда, заранее определяющая методологию проектирования в зависимости от типа изделий. Сделать более или менее оптимальный выбор способа построения можно с учетом следующих критериев: компактность модели, время и трудоемкость ее построения, технологичность. Иногда геометрия модели или отсутствие в ее истории конструктивных элементов не позволяет технологу правильно «обработать» деталь, тогда конструктору приходится перестраивать модель. Субъективный подход к использованию тех или иных функций построения лежит в основе методологии проектирования. На практике конструктор убеждается в некорректной методологии проектирования только в процессе работы с моделью.

Одной из важных характеристик твердого тела является история его создания. Содержательная часть истории создания включает описание всех элементов, используемых для построения тела, параметры и последовательность выполненных операций. История создания имеет иерархическую структуру. На нижнем уровне размещаются геометрические примитивы (плоские или объемные), параметры примитивов. На всех последующих уровнях могут размещаться сборки тел, полученные в результате преобразований над объектами нижнего уровня, а также промежуточные результаты топологических операций над отдельными конструктивными элементами. На верхнем уровне истории создания всегда находится результирующее тело (например, деталь) или сборка результирующих тел (например, узел или агрегат).

История создания твердого тела содержит граничное представление всех конструктивных элементов, параметры и названия всех использованных объектов. Выделение самостоятельных геометрических моделей конструктивных элементов производится копированием прямо из истории создания. Это дает возможность быстрого доступа в любых моделях сложных тел, к любым промежуточным результатам и использования их при построении новых тел, а также позволяет организовать коллективный доступ к результатам работы многих конструкторов в едином проекте, не создавая дополнительных (резервных) копий всех конструктивных элементов. Кроме самой геометрии в истории создания хранится описание каждой операции в хронологическом порядке их выполнения, которые можно редактировать прямо в дереве истории создания.

Модификация твердого тела - это процедура преобразования исходной модели в новую модель изделия. Модификация модели зависит от способа ее построения и базируется на истории создания твердого тела. Редактирование модели сложного тела выполняется на любом этапе истории его создания. Так, на самом нижнем уровне можно редактировать параметры контуров, перестраивать их геометрию, а также изменять значения параметров твердотельных примитивов. На любом другом уровне конструктор может выполнять модификацию сложного тела путем манипуляций конструктивными элементами. Различные истории создания тела диктуют тот или иной способ его модификации. Если история создания состоит из двух уровней, бывает проще построить новый формообразующий контур и создать новое тело вращения, чем редактировать существующий в истории контур. В этом случае решающим фактором являются умение конструктора использовать тот или иной метод редактирования. Наличие в истории создания разнообразных твердотельных конструктивных элементов может позволить перестроить их в результирующем теле быстрее, чем создать новую образующую сложной формы.

Модификация сложных тел включает в себя следующие способы:

1. Изменение формы тел путем ввода новых значений параметров (в примитивах), а также методом графического редактирования формообразующих контуров.

2. Редактирование назначенных параметров, обеспечивающих
изменение формы детали в соответствии с установленными зависимостями (параметризация)

3. Изменение положения в составном теле его твердотельных конструктивных элементов - изменение расстояний между элементами и базовыми точками, между осями элементов, изменение на­клона элемента, изменение углового расстояния между массивом элементов, повтор или отмена последнего перемещения.

4. Удаление элемента из составного тела, добавление элемента, замена новым элементом существующего элемента составного тела.

5. Преобразования в дереве истории создания (обмен элементами в дереве истории, выделение их из дерева истории, дублирование элементов) и получение новых версий модели.

Твердотельное моделирование наиболее часто используется в следующих случаях:

• при проектировании типовых деталей и узлов машиностроительных изделий;

• для выполнения модификации модели с использованием истории ее создания;

• для оценки свойств проектируемых деталей (площадь поверхности, масса, центр тяжести и т.п.);

• для контроля взаимного расположения деталей и работы механизма;

• для автоматизации подготовки конструкторской документации;

• для последующей обработки на станках с ЧПУ.

В твердотельном моделировании реализованы два режима создания объектов - режим адаптивной (свободной) параметризации и режим принудительной параметризации. В режиме адаптивной параметризации конструктор создает модель изделия без первоначальных позиционных ограничений на ее конструктивные элементы. Адаптивная параметризация позволяет быстро и оперативно вносить изменения в модель, активизируя необходимые параметры элементов конструкции. Конструктору предоставляется возможность в результате оперативного редактирования просмотреть различные варианты и вернуться к первоначальному варианту, при этом нет необходимости беспокоиться о потере последовательности данных построения. На любом этапе модель может быть модифицирована, проанализирована и выбран окончательный вариант.

Принудительная параметризация предполагает описание арифметическими выражениями или отношениями совокупности связанных друг с другом геометрических элементов конструкции. Любой параметр геометрического элемента можно представить его значением, или переменной, или выражением. При изменении одного параметра все связанные с ним элементы автоматически изменяются.

Поверхностное моделирование предназначено для создания объектов сложной формы, таких, как поверхности деталей внешнего вида (самолеты, автомобили, бытовая техника), для проектирования изделий, изготовляемых штамповкой, и оформляющих элементов прессформ и штампов, для проектирования изделий, изготовляемых литьем и их литьевых форм.

Поверхностное моделирование изделий позволяет:

• достоверно представить изделия сколь угодно сложной формы;

• точно рассчитать инерционно-массовые характеристики проектируемых изделий;

• проконтролировать взаимное расположение деталей, их собираемость;

• готовить управляющие программы для станков с ЧПУ.

Деталь, построенная методами поверхностного моделирования, представляется пустотелой оболочкой - «поверхностью» (surface), состоящей из большого числа элементарных участков - «патчей» (patch - лоскут, патч). Два понятия - топологическая поверхность и патч - являются основными понятиями поверхностного моделирования.

Поверхность является одним из типов геометрических моделей наряду с телами и адаптивными формами.

По определению, поверхность представляет собой границу двух полупространств, на которые она делит рабочее пространство. Математически поверхность - это множество точек, координаты которых удовлетворяют системе уравнений

X = х (U,V) , Y = Y (U,V) , Z = z (U,V) , где U, V - параметры.

Замкнутые и незамкнутые поверхности могут участвовать в топологических операциях.

Геометрические модели поверхностей являются аналитическими и в отличие от тел имеют единственное представление в структуре данных. Поверхности не имеют истории создания. Точность отображения поверхностей на экране монитора регулируется коэффициентом полигонизации.

В программах обычно представлены два типа участков поверхностей - базовые (или точные) и свободные. Различия определяются способом их формообразования.

Базовые поверхности строятся на основе генераторов (линейчатые участки, поверхность вращения, параллелепипед, цилиндр, сфера, призма, конус, тор). При свободном формообразовании поверхности (поверхности Безье, B-spline и др.) качество результата чаще оценивается дизайнером визуально. Точные участки используются для создания конструктивных элементов на сложных деталях и конструктивных элементов деталей, аналогичных построенным методом твердотельного моделирования. Свободные участки используются как для формирования видовых деталей (дизайна изделия), так и для построения сложных сопряжений на деталях, где обычные подходы не позволяют получать удовлетворительные результаты.

Над поверхностями могут выполняться сопряжения и топологические операции (сложение, вычитание, выделение части). При выполнении топологических операций над поверхностями результат может отличаться от результата аналогичных операций над телами. Поверхности можно преобразовать в тела или в адаптивные элементы.

Поверхности могут быть проанализированы на топологию (контроль дефектов), при этом могут быть точно рассчитаны их геометрические и инерционно-массовые характеристики (объем, масса, моменты инерции, площадь поверхности и др.).

Построение изделий методами поверхностного моделирования имеет определенные преимущества:

• многоэлементные поверхности могут обрабатываться как единые геометрические элементы (топологические поверхности);

• пересечения и топологические операции выполняются над поверхностью как над единым объектом;

• поверхности автоматически обрезаются при сопряжении или объединении;

• одну поверхность можно объединять с другими многоэлементными поверхностями;

• по заданной поверхности может быть построена сетка конечных элементов.