CC BY
105
УДК 629.7 Артюшенко Владимир Михайлович,
д. т. н. профессор, зав. кафедрой информационных технологий и управляющих систем, Московский государственный областной технологический университет, г. Королев,
тел. 8-915-174-03-73, e-mail: [email protected] Аббасов Александр Эльшанович, аспирант, Московский государственный областной технологический университет, г. Королев,
тел. 8-909-969-80-59, e-mail: [email protected]
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ ВИЗУАЛИЗАЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ 3D-ОБРАЗОВ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СБОРКИ И ОТРАБОТКИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
V. M. Artyushenko, A E. Abbasov
USE OF IMAGING TECHNIQUES USING 3D-IMAGES FOR THE TECHNOLOGIES OF COMPLEX TECHNICAL DEVICES ASSEMBLY AND DEVELOPMENT
Аннотация. Проанализированы технологические схемы сборки сложных технических изделий, устройств и агрегатов; определена целесообразность применения технологий трехмерного моделирования и аддитивных технологий при их сборке и отработке; разработана инструкция технологического процесса сборки с использованием методов визуализации с помощью 3D-образов; определены аналитические зависимости для оценки эффективности трехмерного моделирования при отработке и сборке изделий, устройств и агрегатов; для оценки эффективности использования информационных технологий для визуализации процесса сборки и обнаружения технологических несоответствий на стадии моделирования были рассмотрены комплекты документов по технологическим процессам сборки, разработанные в рамках предложенных подходов, с применением методики оптимизации параметров моделируемых устройств; проведен анализ статистических данных по определению количественных показателей сокращения сроков работы со сборочными документами.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, визуализация, аддитивные технологии.
Abstract. Technological schemes of assembly of complex technical products, devices and components are analyzed; the appropriateness of the use of three-dimensional modeling technologies and additive technologies in their assembly and testing is determined; a manual for assembly process using imaging techniques with help of 3D-images is developed; analytical dependences are defined to evaluate the effectiveness of three-dimensional modeling in development and assembly of products, devices and components; to evaluate the effectiveness of the use of information technology for the assembly process visualization and detection of inconsistencies in the process modeling stage sets of documents on technological processes of assembly developed under the proposed approach were considered, using methods of optimizing the parameters of the simulated devices; the analysis of statistical data on quantifying shortening of period of work with assembly documents was performed.
Keywords: computer modeling, visualization, additive technology.
Актуальность темы
От качества технологических процессов сборки и отработки зависит обеспечение требуемых эксплуатационных параметров устройства (изделия). Развитие технологии производственных процессов характеризуется тенденцией перехода к научно-ориентированному процессу на основе создания оптимизированных компьютерных технологий. Методика обучения в средних специальных и высших учебных заведениях при подготовке специалистов для различных производств меняется, лаборатории с реальным физическим оборудованием заменяются виртуальными лабораториями. Актуально сокращение процесса сборки и отработки устройств технических систем с помощью информационных технологий для визуализации процесса сборки и обнаружения технологических несоответствий на ранней стадии. В работе [1] показано, что возможности информационных технологий для компьютерного моделирования процесса сборки дополняют или полностью заменяют традиционные расчётные методы проверки правильности результатов проектирования изделий и
устройств, при этом обеспечивается наиболее эргономичный и удобный способ их решения. Однако необходимо не только проверить правильность сборки, но и осуществить отработку изделия, моделируя различные условия эксплуатации. В работе [2] рассмотрено применение аддитивных технологий для изготовления 3D-макетов изделия в пластике для последующей его отработки, которое дает уменьшение расходов на опытно-конструкторские разработки или предпроектные исследования в 10-15 раз. Однако такой подход по отношению к сложным техническим устройствам не всегда целесообразен, так как в пластике трудно реализовать резьбовые соединения, электрические обмотки, сложные соединения сборки. Технологии 3D-сканирования [3], упрощающие создание цифровой трехмерной модели, также имеют ограниченное применение по вышеназванной причине. Использование методов визуализации с применением 3D-образов для отработки и сборки сложных технических устройств должно осуществляться с учетом целесообразности применения технологий трехмерного моделирования и ад-
Машиностроение и машиноведение
дитивных технологий. Эффективность внедрения 3-мерных технологий для отработки и сборки изделий и устройств обычно доказывается сокращением временных затрат [1, 2]. Кроме сокращения временных затрат, необходимо улучшать технические показатели моделируемых устройств путем совершенствования алгоритмов расчета параметров устройств в трехмерных средах [4, 5]. Необходимы методики оценки эффективности подходов к выбору программных сред моделирования и способов конвертирования моделей из среды моделирования в специализированную расчетную среду. При применении ранее разработанных программ в новых разработках, а также автоматизации изготовления и хранения программной документации следует учитывать, что применение ЕСПД (Единая система программной документации, набор ГОСТов) на территории РФ носит только рекомендательный характер, то есть ЕСПД применяется на добровольной основе (если иное не предусмотрено договором, контрактом, отдельными законами, решением суда).
Анализ технологических схем сборки сложных технических устройств
Заключительным этапом технологического процесса (ТП) является сборка технического изделия, при котором узлы и детали соединяются в готовом изделии. Схема сборки - это графическое обозначение в виде условных обозначений последовательности сборки изделия (его составной части). Каждый элемент (деталь, сборочная единица) изображается по схеме прямоугольником, разделенным на 3 части, где указывается наименование элемента и число, входящее в данное соединение. При построении схемы сборки должно быть осуществлено максимальное разделение изделия на сборочные единицы. Схемы и ступени сборки устройств технических систем описаны в табл. 1.
Пример чертежа схемы сборки в соответствии с требованиями ГОСТ приведен на рис. 1. Выбор вида схемы сборки (или комбинированного варианта) влияет на формирование отдельных технологических операций и составление наиболее рациональных их последовательностей в ТП, однако во всех перечисленных в табл. 1 схемах сборки не хватает наглядности (визуализации), так как сборочные единицы обозначаются условными графическими значками. В процессе сборки имеются существенные трудности по отработке (проверке изделия) на точность геометрических параметров и по осуществлению анализа характеристик изделия при изменении некоторых его параметров в процессе сборки.
Т а б л и ц а 1
Последовательность операций при технологическом процессе сборки
Наименование схемы'ступени Функциональное предна значение Отображение сборочных элементов и последовательности сборки
1, Схема сборочных элементов Отражение только сборочных элементов: число, порядок, ко мплектующие, наименования и связи между сборочными элементами Графическое изображение в виде условных обозначений последовательности сборки изделия или его составных частей
2, Технологическая схема сборки Схема сборочного элемента и операции, сопровождающие сборку Операции регулировки, пайки, намотки, изолировки, балансировки между сборочными элементами
а) схема сборки с базовой деталью Использование основной (базовой) детали, с которой начинается технологический процесс (шасси, станина, вал, каркас, и др.) Местоположение на схеме сборки деталей и сборочной единицы показывает очередность их поступления на сборку, направление движения указывают линии со стрелками
б) схема сборки «веерного» типа Показано, из каких деталей образуется сборка Простота схемы, не отражена последовательность сборки
Первая ступень сборки Простейшие сборочные единицы Детали для сборочных единиц
Вторая и последующие ступени сборки Сборочные единицы с возрастающей степенью Сборка простейших сборочных единиц
Последняя ступень сборки Общая сборка всего изделия Дифференциация процессов сборки
Рис. 1. Пример технологической сборки сложного технического устройства в соответствии с требованиями ГОСТ
На рис. 2 показано, как для сложного изделия строится укрупненная технологическая схема для общей сборки.
Рис. 2. Варианты модулей, обозначающие исходные сборочные элементы ступеней сборки
Схема, приведенная на рис. 2, еще больше усложнит проблему визуализации сборочных единиц.
Проведенный анализ представленных вариантов технологического процесса сборки технических устройств и изделий показал, что качество процессов не соответствует показателям или по точности результата, или по трудоемкости и затратам материальных и энергетических ресурсов. Для обнаружения ошибок и несоответствий на ранней стадии сложных сборных систем, состоящих из агрегатов и устройств различного назначе-
ния, связанных между собой сложной геометрической компоновкой (например, ракетные двигатели и связанные с ними системы, устройства систем управления в машиностроении, оборудование для связи управляющих и телекоммуникационных систем), необходимы новые подходы.
Целесообразность применения технологий трехмерного моделирования и аддитивных технологий Обеспечение оптимального сочетания высокой точности размеров проектируемых устройств и минимальных затрат в процессе их сборки возможно за счет применения технологий трехмерного моделирования [6, 7]. С помощью трехмерного моделирования можно упростить конструкцию изделия. Помимо значительного сокращения линейных размеров устройства [7], можно упростить сборку изделия. Для многих технических устройств очень важно взаимное пространственное расположение сборочных элементов, это отдельная процедура сборки. При использовании технологии трехмерного моделирования сама форма основания базовой детали задает положение сборочных элементов, тем самым сокращая и упрощая процедуру сборки и отработки.
Рассмотрим целесообразность применения аддитивных технологий, которые сокращают время преобразования исходной информационной модели устройства (изделия) в трехмерную модель, для сложных сборных систем. Традиционные методы механообработки изделия осуществляются путем «вычитания» материала из массива заготовки изделия. В аддитивных технологиях (Additive Fabrication (AF) или Additive Manufacturing (AM)) применяются методы получения изделия «добавлением» (аддитивный метод), прототи-пированием (метод послойного синтеза) и все методы синтезирования деталей и конструкций -прототипов, опытных образцов, серийных изделий. В основе аддитивных технологий - цифровые технологии, с помощью которых осуществляется цифровое описание изделия и строится трехмерная компьютерная модель. Создание цельных трехмерных объектов практически любой геометрической формы на основе цифровой модели осуществляется с помощью технологий SD-печати, которые устраняют ограничения «псевдотрехмерного рисунка», созданного с помощью компьютерных технологий трехмерного моделирования. Созданный таким образом прототип изделия можно использовать в качестве опытного образца (макета) для отработки изделия на этапе проектирования и оптимизации его параметров.
Обычно предпроектная апробация и отработка изделия проводится при сборке макетов изделий в металле. В случае неудовлетворительных результатов при сборке и апробации возможно
повторное изготовление деталей и сборочных единиц, изменивших свою геометрию в процессе увязки компоновки изделия, что удваивает стоимость описанного процесса (возможны и дополнительные затраты после повторно проведенной отработки). Способ замены конструкторских металлических макетов макетами, изготовленными с помощью технологии 3D-печати в пластике, выполняющими те же функции, что и обычные металлические макеты, позволяет сократить затраты в 10-15 раз на разработку и ускорить процесс изготовления макетов [2].
Однако применение аддитивных технологий для изготовления 3D-макета изделия в пластике для последующей его отработки не всегда целесообразно. Изделие может состоять из различных сборочных единиц: клапаны, регуляторы, элементы силовой схемы (кронштейны, опоры) и элементы крепежа (болты, гайки). Если в изделии присутствуют трубопроводы для соединения отдельных узлов и агрегатов, то соединить концевые элементы трубопроводов с ответными элементами трубопроводов с использованием 3D-пластика затруднительно, лучше заменить их металлическими трубами. Но при этом надо уменьшить массогаба-ритные размеры этих труб (например, толщину трубы) для того, чтобы снизить нагрузку на несущие элементы макета, выполненные из пластика. В связи с трудоемкостью выполнения 3D-моделей крепежа с «прорисованной» резьбой также предпочтительнее использовать металлический крепеж. Это дополнительное время и дополнительные материалы.
При прототипировании электротехнических устройств (например, электропривода, трансформатора) невозможно обеспечить нужную плотность укладки электрических обмоток.
Таким образом, аддитивные технологии 3D-печати на современном этапе развития не позволяют создать на 3D-принтере прототипы сложных технических устройств, в составе которых имеются резьбовые соединения, трубопроводы малого сечения [2], электрические обмотки. Упрощение создания цифровой модели с помощью 3D-сканирования также невозможно для вышеперечисленных изделий.
При оценке эффективности по сравнению с макетами необходимо учитывать, что ценным становится владение не деталью (изделием), а его информационной моделью (цифровой информацией), а также возможность либо воспроизвести эту цифровую информацию в виртуальной среде, либо напечатать с помощью аддитивных технологий.
Отработку и корректировку параметров для устройств и изделий, которые трудно прототипи-ровать с помощью аддитивных технологий, целесообразно провести с помощью методики, по-
Машиностроение и машиноведение
дробно описанной автором в работах [8, 9]. Методика заключается в создании цифровой модели устройства на основе базовой модели, создании трехмерной компьютерной геометрической модели и конвертировании ее в специализированный расчетный пакет для нахождения оптимальных по выбранному критерию параметров функционирования. Далее рассматривается применение построенных компьютерных геометрических моделей для упрощения технологического процесса сборки.
Разработка подходов к технологическому процессу сборки с применением технологий трехмерного моделирования
Пример традиционной веерной сборки приведен на рис. 3, пример веерной сборки с использованием современных технологий 3Б-моделирования - на рис. 4.
С»ИСДК0ДН1Л г -Коре-Сб]
светодиодная
□рвдскраншми.
рефлектор* «бореСН
скетодкодк&х
Рис. 3. Пример традиционной веерной сборки осветительного устройства
/Адом Дую ) Ьощс < <ш
* О/оит Ыиго
5 (крожм 'ош
6 ЛктюМиЧ
* Водик
8 Лмршмгдей* 9Ц/руп*.), 0)П1СТ«Ь Ю корпус Нояы» о
П Упюптш С /7вто потеициомеярв О Прут* к /Ьир<е> 5 кртто доячим
« Н*оуояжЫМсор :сгг* 50к 762-Н5.16-Ю" 17 Ротор К Ногин*
19 когщорорми
20 ГЫшипм рошя
21 ЯммрЫ А» Лв
22 Нс.'мияотШ ипща
23 ОЬготю А Оснобт/
25 корпус
26 Уп ттш скЛшштывр 2" ГЫшлн* втшрж 28 Уп пяжиерояцм
нако последовательность сборки в схеме «веерного типа» даже с использованием компьютерных моделей не будет отражена. Использовать такую сборку можно в дополнение к существующим технологическим процессам сборки в виде приложений, которые выполнены в соответствии с требованиями ГОСТ к чертежам.
Предлагается заменить чертежи (подобно чертежам, приведенным на рис. 1 и 2) визуально-наглядной инструкцией для описания сборки технологического процесса, выполненной в виде таблицы на одном-двух листах. Требования КД будут написаны в допустимой упрощенной форме. Большинство операций в стандартных технологических процессах расписывается на 3-5 чертежных листов. При представлении процесса сборки 1 -2 листами с использованием различных методов визуализации для ускорения понимания конструкции устройств и технологического процесса сборки повышается скорость сборки.
В табл. 2 приведен фрагмент визуально-наглядной инструкции сборки, в которой базовой деталью является электромеханический клапан рециркуляции. Направление движения деталей и узлов показано стрелками.
Т а б л и ц а 2 Фрагмент инструкции по технологическому процессу сборки клапана рециркуляции
с использованием трехмерных компьютерных моделей
Наименование операции и описание
Монтажная Одеть на ротор упорное кольцо фаской снаружи.
Монтажная Вставить ротор в корпус сверху.
Прессовая Запрессовать вюгку привода на ротор.
Монтажная Установить в нижней
части уплотнение корпуса электропривода на посадочное место
Оборудование
Стол монтажный
Стол монтажный
Пресс АР-5
Стол монтажный
Пр испо собл ения. инструмент
Перчатки х/б ТУ-205, спецтара, спецоправка
Перчатки х/б ТУ-205, спедоправка. спецтара
Перчатки х/б ТУ-205,
Перчатки х/б ТУ-205, спедоправка. спецтара
1Г
*
Рис. 4. Пример веерной сборки клапана рециркуляции с использованием трехмерных компьютерных моделей
Анализ изображения веерной сборки на рис. 4 показывает, что при использовании трехмерных компьютерных геометрических моделей появляются дополнительные возможности анализировать различные варианты компоновки элементов устройств, осуществлять системный анализ элементов, устройств и системы в целом, в которую входят эти устройства, на любом уровне сложности, а также выбирать параметры устройств. Од-
На градообразующих предприятиях города Королева Московской области и многих других предприятиях КД ведется на основе методологии нисходящего проектирования с запуском в производство документов в виде аннотированных трехмерных моделей [6]. Разрабатываемая в таком виде КД содержит всю необходимую информацию о геометрии, размерах и технических требованиях. Параллельно созданию модулей данных об изделиях в специализированном программном обеспечении на основе 3D-моделей создаются необходимые мультимедийные файлы, которые также мож-
но использовать при технологическом процессе сборки.
Оценка эффективности предлагаемых
организационно-технических мероприятий
Моделирование изделия (устройства) в трехмерной среде позволяет более точно определить массогабаритные характеристики и улучшить их путем совершенствования компоновочной схемы. При конвертировании трехмерных моделей в специализированный программный пакет есть возможность подобрать с помощью программных средств материалы моделируемых изделий (устройств), использование которых позволяет уменьшить размеры, массу.
Экономический эффект от мероприятия по снижению массы проектируемого изделия определяется:
Эмат = (ббаз - бпиЩ-Крип, руб./шт., (1) где 0баз - масса базового изделия; Qm - масса проектируемого изделия; Ц - оптовая цена материала (например, металла) за 1 кг, руб.; Крип - коэффициент, учитывающий припуск на обработку материалов (Кприп = 1,25, ..., 1,35).
Также в специализированной расчетной среде можно смоделировать различные режимы функционирования устройства и рассчитать его параметры, удовлетворяющие заданному критерию оптимизации [10].
Трехмерные модели технических изделий и устройств основаны на математическом описании и программной реализации структур данных моделируемых объектов. Должна быть произведена программная обработка координат вершин треугольников и нормалей, из которых состоит трехмерная модель; а также твердотельных объектов, прямых линий, кривых, точек, информации об иерархических структурах сборочных узлов, количестве треугольников, сборочных узлов, твердотельных объектов, поверхностных объектов, прямых и кривых линий, точек.
Аналитические соотношения для теоретической оценки сложности программной реализации 3D-моделей
P* № (x, y, z )+wN (nw )); (2)
PsteP=éi É: 1 <+E: 1 +É t <+
+EM=t wr+EL t wT+wAsH ) (3)
где w,
(x, y, z) wN (nx, y, z )
затраты на хранение
объектов, прямых линий, кривых, точек, информации об иерархических структурах сборочных узлов; j - количество треугольников в модели; i -количество сборочных узлов; н - количество твердотельных объектов; к - количество поверхностных объектов; l - количество прямых линий; m - количество кривых линий; n - количество точек.
Для оценки эффективности использования информационных технологий для визуализации процесса сборки и обнаружения технологических несоответствий на стадии моделирования были рассмотрены комплекты документов по технологическим процессам сборки, разработанные в рамках предложенных подходов, с применением методики оптимизации параметров моделируемых устройств. Выборка данных включает более 650 комплектов документации, которые обработаны в единой информационной системе КД за 2014 год и получены из системы электронного архива и технического документооборота. Количественные показатели сокращения сроков работы со сборочными документами приведены на рис. 5, по оси абсцисс указаны присвоенные в порядке возрастания номера комплектов документации, по оси ординат - время (в днях), затраченное на работу.
зоо
250
в памяти и программную обработку координат
....sol ...surf
вершин треугольников и нормалей; wh¡ , wtí ,
tí, curve point AsH
wn , wmi , Wmi , wi - затраты на хранение в памяти и программную обработку твердотельных
Номер процесса по порядку Рис. 5. Сокращение сроков отработки и сборки изделий
Неровный характер графика, приведенного на рис. 5, в диапазоне с 1 по 400 комплектов документации наглядно иллюстрирует процесс совершенствования технологического процесса сборки с применением технологий трехмерной визуализации. В этот промежуток времени внедрялась предложенная методика с учетом данных практического опыта, в систему электронной КД вносились изменения в настройках, проводился анализ статистических данных. С момента принятия предложенных подходов в промышленную эксплуатацию ситуация стабилизировалась, количество изменений в настройках систем сократилось.
Машиностроение и машиноведение
Проведенные исследования показали, что реальная картина процесса разработки электронной КД для технологического процесса сборки и отработки позволяет свести к минимуму долю ручного труда по формированию электронной структуры изделия (устройства). Комплексное применение информационных технологий трехмерного моделирования и аддитивных технологий позволяет сократить срок разработки изделия (устройства) по сравнению с традиционными методами организации технологического процесса сборки и отработки более чем на 40 %. Количество изменений, вносимых при отработке и сборке на разных стадиях проектирования изделий (устройств) по причине технологических несоответствий и недостатков конструкции, снижается в 2-2,5 раза.
Использование современных технологий обработки информации в трехмерных средах применимо не только к технологии сборки и отработки изделий (устройств) и оптимизационных расчетов - но и возможен полный переход на новые стандарты КД с использованием методов визуализации с применением стандартных 3Б-образов.
Выводы
Предложенный подход визуально-наглядной инструкции сборки с использованием современных технологий обработки информации в виде аннотированных 3Б-моделей позволит не вникать в сложность чертежей и обозначить подходящую деталь, которую проще найти визуально, а не на чертежах. Целесообразность применения аддитивных технологий прототипирования для сокращения времени создания цифровой модели трехмерного объекта зависит от особенностей и сложности конструкции собираемого изделия. Для отработки изделия и определения его характеристик в различных условиях эксплуатации необходимо моделирование не только самих устройств, но и различных режимов его работы. Определена аналитическая зависимость для расчета экономического эффекта от мероприятия по снижению массы и размеров проектируемого в трехмерных средах устройства.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
1. Игнатов П.В., Д.А. Ветчинников, В.В. Марков Компьютерное моделирование процесса сборки изделий в машиностроении // Прогрессивные технологии и процессы : сб. науч. ст. Междунар. молодежной науч.-практ. конф. Курск, 2014. С. 268-271.
2. Панченко В. А. Применение аддитивных технологий при проектировании изделий и блоков для ракетно-космических систем : тезисы докл. ХХ науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. Королев, 2014. С. 400-402.
3. Гордлеев С.Д. Проблемы и перспективы технологии сканирования 3D поверхностей // Вестник Волж. гос. акад. вод. трансп. 20l4. № 41 (41). С. 61-64.
4. Аббасов А. Э., Аббасов Э.М., Аббасова Т.С. Проблемы моделирования переходных электромагнитных процессов оборудования системы рециркуляции автомобиля // Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации (ITRT-2014) : сб. ст. IV междунар. заоч. науч.-техн. конф. Тольятти, 2014. С. 7-12.
5. Аббасов, А. Э., Аббасова, Т. С. Визуализация и анализ информации при построении 3Б-моделей данных для микропроцессорной системы управления // Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения : сб. ст. 14-ой Междунар. науч.-практ. конф. Новочеркасск, 2014. С. 3-4.
6. Артюшенко В.М., Аббасов, А. Э., Аббасова, Т. С. Условия эффективного применения виртуальных лабораторий для инженерного образования // Инновационные технологии в современном образовании : материалы II междунар. науч. -практ. интернет-конф. М, 2015. С. 12-19.
7. Аббасов А.Э. Геометрические модели устройств системы управления рециркуляцией отработавших газов автомобиля // Мир транспорта. 2015. №1.
8. Аббасов А.Э. Аббасова Т.С. Разработка методики 3Б-моделирования оборудования системы управления рециркуляцией выхлопных газов автомобиля // Информационно-технологический Вестник. 2014. №
1 (01). С. 3-12.
9. Аббасов А.Э. Конвертирование трехмерных компьютерных геометрических моделей для оптимизации параметров моделируемых устройств // Компьютерные исследования и моделирование. 2015. Т. 7. № 1. С. 81-91.
10. Аббасов А.Э. Расчёт параметров клапана системы рециркуляции в программной среде Maxwell 14.0 // Информационно-технологический Вестник. 2014. №
2 (02). С. 3-10.
