автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Автоматизация проектирования и производства изделий сложной формы



Министерство Экономики Российской Федерации Департамент авиационно-космической промышленности и судостроения Центральный аэрогидродинамический институт им. Н.Е. Жуковского Государственный Комитет Российской Федерации по высшему образованию Московский государственный технологический университет

[..........- ■' - "''"'"'""^г;станкин

» (I

На правах рукописи

Вермель Владимир Дмитриевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ИЗДЕЛИЙ

СЛОЖНОЙ ФОРМЫ (на примере аэродинамических моделей самолетов)

Специальность: 05.13.07. - Автоматизация технологических процессов и

производств (машиностроение)

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Москва - 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение 4

Глава 1. Проблемы повышения эффективности автоматизации проектирования и производства аэродинамических самолетов 19

§1.1. Эволюция программно-технических средств САПР 19 §1.2. Аэродинамическая модель самолета как объект

комплексной автоматизации. 26

§1.3. Анализ программно-технических средств САПР.

Требования к объектно-ориентированной САПР и ее компонентам. 33

Глава 2. Математическое моделирование поверхности агрегатов

аэродинамической модели и ее компоновки. 43

§2.1. Математические модели поверхностей технических

объектов. 43

§2.2. Аппроксимация обводов поверхностей агрегатов аэродинамической модели параметрическим сплайном с заданными условиями. 57

§2.3. Поиск соответствия точек таблицы и математической

модели. 82

§2.4. Задача пересечения геометрических объектов в САПР

аэродинамической модели. 84

§2.5. Применение аппроксимационной модели

поверхности и геометрических процедур. 96

§2.6. Построение технологических сопряжений

поверхностей. 100

Глава 3. Оценка точности изготовления изделий сложной формы с применением контрольно-измерительных машин.

§3.1. Определение параметров совмещения физической и

математической моделей. 111

§3.2. Оценка точности совмещения физической и

математической моделей. 122

§3.3. Методика оценки точности изготовления составной

поверхности на программируемой КИМ. 130

Глава 4. Совершенствование программного управления

оборудованием с ЧПУ. 138

§4.1. Повышение точности фрезерования сложных

поверхностей. 138

§4.2. Проблемы программирования высокоскоростной

фрезерной обработки на станках с ЧПУ. 151

§4.3. Программно-технические средства обеспечения обработки с повышенной точностью и производительностью на станках с ЧПУ. 172

Глава 5. Автоматизация процесса создания аэродинамической

модели. 181

§5.1. Структура программно-технических средств автоматизации разработки и изготовления аэродинамической модели самолета. 181

§5.2. Сопряжение программно-технических средств в автоматизированном процессе "Проектирование-Производство ". 188

§5.3. Анализ эффективности комплексной автоматизации. 199

Выводы. 220

Литература. 222

Введение

Одним из важнейших факторов ускорения создания изделий машиностроения и повышения их качества является совершенствование проектирования и производства формообразующей технологической оснастки (пресс-формы, штампы, литейные модели и формы, технологические макеты и эталоны и др.), а также экспериментальных моделей и макетов.

Отличительными особенностями изделий, составляющих формообразующую технологическую оснастку являются: повышенные требования к точности и качеству изготовления элементов; значительные объемы совместных дизайнерских, конструкторских, научно-исследовательских и расчетных работ; особо сложная форма поверхности, характерная для современных изделий машиностроения; сочетание высокой удельной трудоемкости механической обработки на ЧПУ с ручной слесарной обработкой; необходимость изготовления специальной контрольно-мерительной оснастки и большие объемы контрольно-поверочных работ. В полной мере данные особенности характерны для аэродинамических моделей самолетов, изготавливаемых в ЦАГИ в обеспечение расчетных и экспериментальных исследований направленных на совершенствование характеристик создаваемых объектов авиационной техники.

Осуществляемая в течение ряда лет автоматизация основных составляющих технологического процесса создания аэродинамических моделей (проектирование, конструирование, программирование обработки на станках с ЧПУ) дала существенное сокращение трудоемкости и повышение качества изделий при значительном усложнении объектов авиационной техники. С ее использованием было выполнено в отведенные сроки производство аэродинамических моделей, обеспечивших разработку самолетов России поколения 90-х годов.

Прошедшие годы характеризуются выпуском широкой номенклатуры производительных ЭВМ различного класса, включая

персональные ЭВМ (ПЭВМ); развитием сетевых программно-технических средств; непрерывным усовершенствованием комплексных САПР; появлением специализированных программных средств для ПЭВМ, ориентированных на определенные виды проектно-технологических работ. Наряду с существенным повышением характеристик режущего инструмента, станочного оборудования, программируемых измерительных систем, образовавшаяся программно-техническая среда создала условия для разработки нового поколения высокоэффективных интегрированных систем "Проектирование-Производство".

Повышение на этой основе уровня автоматизации разработки и производства экспериментальных моделей и формообразующей оснастки, обеспечивающего сокращение сроков и трудоемкости создания изделий при повышении их качества, является важной и актуальной научно-технической задачей.

В современных условиях средства САПР применяются на всех этапах создания сложных технических изделий в автомобилестроении, судостроении, авиастроении. Традиционно лидирующее положение в развитии и внедрении средств САПР занимают предприятия авиационной промышленности. Наиболее развитые комплексные САПР высокого уровня (UNIGRAPHICS, CATIA, CADS-5, EUCLID и некоторые другие) разработаны с непосредственным участием ведущих авиастроительных предприятий. Они ориентированы, прежде всего, на использование ОКБ, опытными и серийными заводами. В состав систем входят средства построения математической модели поверхности создаваемого изделия, разработки внутренней компоновки отсеков и аппарата в целом, ведения базы данных проекта, разработки конструкции, технологической подготовки производства, планирования и диспетчеризации работ. Сложность изделий авиационной техники, а также необходимость проведения значительного объема расчетных исследований обусловили использование ЭВМ с особо высокой производительностью и, соответственно, высокую стоимость технических средств и программного обеспечения САПР.

В принципе автоматизация процесса "Проектирование-Производство" формообразующей технологической оснастки и аэродинамических моделей самолетов может быть осуществлена на основе использования САПР высокого уровня для ЭВМ типа "Рабочая станция". Однако анализ, учитывающий их конструктивные и технологические особенности, показывает нерациональность такого подхода.

Формообразующую технологическую оснастку (прессформы, литейные формы, штампы, литейные модели, мастер-макеты, эталоны) и аэродинамические модели характеризует повышенная сложность формы поверхности и особо высокие требования к точности изготовления, при существенно ограниченных объемах конструкторских работ наряду с малой серийностью производства. В этой связи этапы формирования поверхности изделий и их обработки требуют применения наиболее развитых средств математического моделирования, обеспечиваемыми САПР высокого уровня. Разработка конструкции в отличие от изделий, для которых прежде всего разрабатывались данные САПР может быть выполнена с использованием сравнительно не сложных средств автоматизации. Целый ряд функций САПР (диспетчеризация проекта изделия; ведение базы данных обеспечивающей разработку, выполняемую коллективом исполнителей ряда организаций; управление распределенным производством и др.) останутся не востребованными.

Поскольку в основе производства формообразующей оснастки и аэродинамических моделей лежит механическая обработка сложных поверхностей, ее выполнение с повышенной точностью и производительностью требует применения специализированных средств программирования для станков с ЧПУ, а также контроля точности изготовления с применением программируемых контрольно-измерительных машин.

По сравнению с формообразующей оснасткой, разработка аэродинамических моделей самолетов характеризуется целым рядом усложняющих ее дополнительных особенностей.

Укрупненно этапы разработки аэродинамических моделей включают: формирование математической модели поверхности основных агрегатов (крыло, фюзеляж, оперения, гондолы и др.) и их аэродинамической компоновки; обеспечение расчетов

аэродинамических характеристик и упругих деформаций модели в ходе эксперимента; разработка конструкции модели; проведение модификаций поверхности по результатам расчетных исследований и конструкторских проработок; программирование обработки на станках с ЧПУ; контроль точности изготовления с применением программируемых контрольно-мерительных машин.

Непосредственное применение для автоматизации данных задач САПР высокого уровня существенно ограничивается рядом обстоятельств. В их числе:

- средства формообразования в них ориентированы на применение профессиональными конструкторами ОКБ, которые, используя известные методы описания поверхностей самолетов, создают математические модели поверхностей агрегатов в соответствии с естественным конструктивно-технологическим членением самолета. Построение с использованием того же обеспечения математических моделей для расчетных и экспериментальных исследований специалистами в области аэродинамики и прочности затруднительно вследствие значительных временных затрат на построение и модификацию моделей;

- отсутствие учета специальных требований расчетных и экспериментальных исследований по качеству математической модели поверхности, обуславливаемых необходимостью ее представления в целом, а не по агрегатам, а также удовлетворение специальных условий по гладкости и непрерывности дифференциальных характеристик и др.;

- необходимость в выполнении широких модификаций поверхности, определяемых рассмотрением ряда существенно различающихся вариантов проекта характерном для научных

исследований, направленных на создание методического задела и подготовку рекомендаций промышленности;

- значительный объем локальных модификаций поверхности в модельном производстве, обуславливаемых необходимостью удовлетворения, с одной стороны, критериев подобия аэродинамической модели, с другой - введением поверхностей сопряжения и зализов, отвечающих требованиям обработки на станках с ЧПУ данными типоразмерами фрез;

- программирование фрезерной обработки изделий со сложной формой поверхности из высокопрочных сталей (основной материал для изготовления аэродинамических моделей) с повышенными точностью и производительностью на станках с ЧПУ;

- необходимость контроля аэродинамических моделей с использованием измерительных машин после изготовления, а также в процессе проведения экспериментов.

Решение данных задач, на основе создания интегрированной системы автоматизации "Проектирование-Производство" на современном научно-техническом уровне составляет тему диссертационной работы.

В ней из условия наиболее полного удовлетворения требованиям автоматизации разработки аэродинамических моделей и их изготовления с применением станков с ЧПУ определяется состав программно-технических средств, включающий САПР высокого уровня и специализированные системы для ПЭВМ, наиболее полно соответствующие содержанию и сложности выполняемых работ.

Разрабатываются методические основы интеграции в единый технологический комплекс программно-технических средств САПР различного уровня, их непосредственного сопряжения с технологическим и контрольно-измерительным оборудованием. Решается задача организации информационного обмена и взаимодействия научно-технических дисциплин участвующих в

создании модели. Развиваются методы аппроксимации кривых и поверхностей, а также решения базовых геометрических задач САПР направленные на повышение оперативности построения и обработки сложных поверхностей в условиях модельных и инструментальных производств. Выполняется разработка основ автоматизации программирования фрезерной обработки сложных поверхностей на станках с ЧПУ с повышенной точностью и производительностью, а также методики контроля точности изготовления сложных составных поверхностей с применением контрольно-измерительных машин.

Комплексная автоматизация, интегрируя проведение всех составляющих работ, при рациональном построении должна основываться на программно-технических средствах, соответствующих по сложности и стоимости содержанию работ, выполняемых по этапам создания моделей, обеспечивая максимальную эффективность деятельности специалистов.

Основные идеи комплексной автоматизации технологических процессов сформулированы в работах Ю.М. Соломенцева [1-3], П.Н. Белянина [4], В.Г. Митрофанова [5], В.В. Павлова [6], О.С. Сироткина [7] и ряда других исследователей.

В авиастроении основные положения автоматизации проектирования сформулированы в работах Г.П. Свищева, Г.С. Бюшгенса, JI.M. Шкадова, Н.Г. Бунькова [8], O.JI. Смирнова, С.Н. Падалко [9,10]. Методологические основы автоматизации формирования облика JIA разработаны JI.M. Шкадовым [11], H.H. Моисеевым [12], П.С. Краснощековым [13], О.С. Самойловичем [14], М.И. Осиным [15]. В них показана важность начальных этапов проектирования и принципиальное значение для совершенства создаваемого проекта объема расчетных и экспериментальных исследований, выполняемых в обеспечение выбора его параметров.

Обобщение математических методов моделирования поверхностей в авиастроении дано в работах И.И. Котова [16,17], А.Д. Тузова [18], В.А. Осипова [19], С.А. Кунса [20], П. Безье [21], Д. Роджерса, Дж. Адамса [22], А. Фокса, М. Пратта [23] и ряда других.

Существенным результатом явилась разработка каркасных методов, в которых основой для описания поверхностей самолетов является двухпараметрический набор линий продольных и поперечных обводов. Наиболее эффективным математическим аппаратом при реализации на ЭВМ описания поверхностей технических объектов стали параметрические сплайны. Их практическому использованию посвящены работы Ю.С. Завьялова, В.А. Леуса, В.А. Скороспелова [24], К. Де Бора [25], Дж. Алберга, Э. Нильсона, Дж. Уолша [26], Л. Пигля и В. Тиллера [27] и целого ряда других исследователей.

Описанию поверхностей агрегатов самолета, сокращающего проведение плазово-шаблонной увязки в процессе проектирования и при технологической подготовке производства в отечественном самолетостроении посвящены работы В.А. Андреева [28], Ю.М. Давыдова [29], Е.Б. Рабинского [30] и целого ряда других. Ими показано различие в описании поверхностей с аэродинамической профилировкой типа крыло (крылья, оперения, пилоны) и типа фюзеляжей и гондол, а также поверхностей сопряжений. Вопросы программного обеспечения изготовления аэродинамических моделей на станках с ЧПУ в условиях опытных производств решались В.К. Исаевым, В.А Сухневым [31,32], В.И. Матусевичем [ 33] и рядом других исследователей.

Принципиальное значение для авиационных приложений имеет задача сглаживания аэродинамических профилей. Ее решение на основе применения параметрических сплайнов дано в работах А.Д. Тузова [34 ], В.Е. Ковалева [35], Н.П. Бузовери [36], Фарина Г.Е. [37].

Поверка реализации математических моделей в изделиях в процессе производства требует дополнения решений задач аппроксимации специальным аппаратом обработки измерений. Обобщенное описание методов обработки измерений дано в монографиях Н.В.Смирнова, И.В. Дунина-Барковского [38], А.Н. Журавлева и В.П. Короткова [39]. Современные дополнения при прямых, косвенных и совместных измерениях с однократными и

и

многократными наблюдениями сделаны в работе В.А. Грановского и Т.Н. Сирая [40]. Реализация программно-технического обеспечения измерений в авиастроении осуществлялось под руководством В.Г. Подколзина. Под руководством О.С. Сироткина и А.А. Бородкина осуществляется развитие методов бесплазовой подготовки производства авиационных конструкций.

Методы применения станков с ЧПУ, а также вопросы аппаратного, программного и организационного обеспечения интегрированных систем автоматизированного проектирования и производства рассматриваются в работах В.В. Кувшинского [41], В.Л. Сосонкина [42, 43], Блюмберга В.А., Близнюка В.П. [44], Е.И. Зазерского [45],