Дипломная работа: Автоматизация технологической подготовки производства в машиностроении
В различных CAD/CAM-системах могут быть реализованы как некоторые из перечисленных типов моделирования, так и все из них.
Созданные модели могут передаваться из одной CAD/CAM-системы в другую через специальные интерфейсы - согласованные форматы данных для обмена информацией.
Существует ряд так называемых стандартных интерфейсов. Они имеют формат символьных (ASCII) файлов, где описание геометрических и других характеристик модели выполняется в соответствии с принятым стандартом. На практике каждый формат имеет свои приоритетные области применения. Так, стандартный формат DXF используется в основном для передачи чертежно-графической информации; формат IGES - для передачи геометрии поверхностных моделей; формат STL - для передачи модели, аппроксимированной плоскими элементами, из CAD-системы в САМ-систему, САЕ-систему или в установку для быстрого прототипирования изделий.
В последнее время все более важное значение приобретает стандартный формат STEP, в котором, наряду с описанием геометрии модели, предусматривается описание других характеристик изделия. Существуют различные протоколы стандарта STEP, определяющие полноту состава передаваемой информации об изделии.
В ряде случаев CAD/CAM-системы могут “понимать” внутренние форматы друг друга, используемые для представления моделей. В этом случае говорят о наличии прямых интерфейсов между системами.
Одним из практических примеров использования интерфейсов является передача конструкторским бюро информации о спроектированном изделии (в электронном виде) на завод-изготовитель, в случае, когда конструкторское бюро и завод применяют в своей работе разные CAD/CAM-системы.
Сегодня в мире предлагается большое число различных CAD-, САМ-и CAD/CAM-систем, отличающихся по функциональной мощности, области применения, степени сложности освоения системы пользователем, стоимости. Из наиболее распространенных в мире CAD-, САМ- и CAD/CAM-систем, в России хорошо известны Catia, Unigraphics, Pro/Engineer, Cimatron, PowerShape/PowerMill, SolidWorks, AutoCAD. Значительных успехов достигли также отечественные разработки -системы Компас, T-Flex, Спрут и др.
Термин САЕ (ComputerAidedEngineering) можно перевести как "компьютеризация инженерных исследований" или "компьютеризация инженерного анализа". Инженерные исследования являются неотъемлемой частью процесса конструкторского проектирования, если пониматьпроектирование в широком смысле этого слова. Однако, в отличие от CAD-систем, решающих геометрические задачи, САЕ-системы моделируют физические процессы поведения проектируемого объекта -например, поведение изделия при различных механических нагрузках, ударах, различных температурных режимах и др. В результате исследований оптимизируются соответствующие прочностные или тепловые характеристики, повышается ресурс и долговечность объекта.
Исследоваться могут не только проектируемые изделия или детали, но и проектируемые технологические процессы - например, процесс горячей штамповки, гибки, прокатки или литья. Оптимизация параметров технологического процесса приводит к улучшению качества и повышению долговечности изготавливаемого изделия, уменьшению его материалоемкости. Кроме того, при исследовании технологического процесса вырабатываются рекомендации, способствующие улучшению характеристик соответствующей оснастки.
На рис. 5 приведена общая схема совместного использования CAD- и САЕ-систем применительно к задаче проектирования средств технологического оснащения. Разрабатываемые в CAD-системе конструкторские решения подвергаются исследованиям с помощью САЕ-системы. По результатам исследований выполняются соответствующие изменения конструкции или параметров проектируемой оснастки. При
необходимости выполняются повторные исследования и т. д., до получения оптимального (или просто приемлемого) результата.
Математической основой инженерных исследований являются методы нелинейного конечноэлементного анализа (FEA - FiniteElementAnalysis). FEA - это чрезвычайно мощное средство, которое дает инженеру возможность моделировать структурное поведение объекта, выполнять изменения и наблюдать результаты этих изменений.
Метод конечных элементов работает на основе расщепления геометрии объекта на большое число (тысячи или десятки тысяч) элементов (например, параллелепипедов). Эти элементы образуют ячейки сети с узлами в точках соединений. Поведение каждого малого элемента стандартной формы быстро рассчитывается на основе математических уравнений. Суммирование поведения отдельных элементов дает ожидаемое поведение объекта в целом. По существу, FEA является численным методом решения инженерных задач, таких как анализ напряжений, теплопередача, электромагнитные явления и течение жидкостей.
В зависимости от того, отвечает ли исследуемая модель требованию линейности, используется линейный или нелинейный конечноэлементный анализ. В отличие от линейного FEA, где решение достигается в одном шаге, нелинейный FEAпредставляет собой итерационную процедуру,которая может потребовать сотен и даже тысяч шагов. Существует три основных типа нелинейностей:
1.Материальные - пластичность, ползучесть, вязкость, упругость материала;
2.Геометрические - большие деформации или растяжения, резкие изгибы;
3.Граничные - контакты с другими объектами, трение, дополнительные силы.
В практических ситуациях чаще всего имеют место нелинейные модели, требующие применения нелинейного конечноэлементного анализа.
Теоретически нет ограничений на приложения с использованием FEA. Методы FEA впервые были применены в аэрокосмической и автомобильной промышленности, но затем распространились практически на все другие отрасли. Сегодня любой проектируемый объект, может быть, подвергнут моделированию с использованием технологий FEA.
Первые системы для автоматизации задач инженерного анализа появились более 30 лет назад. Одна из таких широко известных в мире систем - это система MSC.Nastran(разработка компании MSC.Software). Сегодня MSC.Nastran обеспечивает решение самого широкого спектра инженерно-конструкторских задач, включая расчет напряженно-деформированного состояния, частот и форм собственных колебаний, анализ устойчивости, решение задач теплопередачи, исследование установившихся и переходных процессов и т. д.В подготовке производства, как мы уже отмечали, важным также является компьютерное моделирование технологических процессов. Для этих целей компания MSC.Software предлагает ряд специальных САЕ-систем, к которым относятся системы MSC.SuperForge, MSC.SuperForm, MSC.Marc и др.
Так, система MSC.SuperForgeявляется быстрым и простым в использовании средством для анализа производственных процессов горячей штамповки и ковки. При анализе система учитывает подробные характеристики материала заготовки, параметры пресса, наличие трения и температурных эффектов, фактор упругости материала, возможность скольжения заготовки при ее укладке (ручной или автоматической) и др. Использование MSC.SuperForge позволяет сократить цеховые испытания путем оптимизации технологических процессов на основе экономичной и быстрой компьютерной имитации. В результате улучшается качество изделия, уменьшается время ТПП.
Другая система, MSC.SuperFormобеспечивает моделирование широкого спектра производственных процессов объемного формования, включая горячую и холодную штамповку, экструзионное прессование, осевую и кольцевую прокатку, вырубку заготовок из листа, прокатку слитков, гибку толстых листов и резание. Система выполняет анализ процесса формования (определяет степень заполнения зоны формообразования, предсказывает появление складок и других дефектов, рассчитывает температуры и остаточные напряжения), проводит анализ поведения материала (определяет зернистость и локальные упрочнения, предсказывает разрушения), рассчитывает нагрузки на инструмент, определяет его износ и ресурс.
Результаты компьютерного моделирования могут быть представлены как в виде таблиц и графиков, так и в виде реалистичных изображений положений и состояний объектов в разные моменты времени и при различных условиях (нагрузках, температурных режимах и др.). Например, объемная модель детали “раскрашивается" разными цветами, в соответствии с текущими значениями температур в каждой точке детали.
В качестве примера, на рис. 6 показаны результаты компьютерного моделирования процесса горячей штамповки в системе MSC.Superforge. Здесь моделируется изменение состояния заготовки при штамповке детали "соединительный рычаг". В данном примере из одной заготовки изготавливаются сразу две детали, а процесс горячей штамповки выполняется в два этапа (за два перехода).
Рис. 6. Компьютерное моделирование процесса горячей штамповки в САЕ MSC.Superforge: а - изменение состояния заготовки в переходах;
б - готовая деталь
Технологические процессы литья изделий из металлов имеют свою специфику. Здесь в качестве примеров САЕ-систем, успешно используемых для компьютерного моделирования, можно отметить системыProCASTи Полигон. Они обеспечивают решение таких задач анализа процессов литья изделий из металлов, как: моделирование процессов затвердевания; моделирование образования усадочных раковин и макропористости; моделирование образования микропористости; моделирование развития деформаций для прогноза кристаллизационных трещин; формирование любых критериев качества и соответствующие расчеты для прогноза структуры, механических свойств.
2.2 PDM -системы для управления ТПП