Полный текст статьи
Печать

Разработка и реализация современных технологических процессов невозможна без использования средств автоматизации. Прежде всего это автоматизированные системы моделирования и системы технологической подготовки производства. Использование цифровых прототипов на этапах разработки конструкции, подготовки технологии изготовления, отладки и контроля позволяет существенно сократить время на эти этапы и увеличить эффективность этих процессов.

Концепция автоматизации проектирования и производства предполагает повсеместное внедрение новых промышленных стандартов, основанных на комплексном использовании компьютерного моделирования. Применение электрон­ных моделей обеспечивает не только существенное ускорение процессов разработки новых образцов продукции, но и ощутимое повышение их качества за счет снижения ошибок и увеличения точности расчетов. Многократно ускоряется модификация изделий и внесение исправлений, неизбежных в силу итерационности процессов конструкторского проектирования и технологической подготовки производства [1].

Для организации результативного учебного процесса по освоению новых компьютерных технологий необходимо иметь не только самые современные программы и технические средства промышленного назначения, но и соответствующее их уровню методическое обеспечение.

Важным этапом любого процесса проектирования является этап моделирования. В зависимости от требований дальнейших проектных этапов и от конфигурации моделируемых объектов, модели могут быть геометрически точными, а могут быть аппроксимированы. Когда важно прежде всего визуальное представление моделируемого объекта, требования к точности и корректности геометрической формы модели могут быть существенно ниже, что позволяет проще и быстрее разрабатывать модели сложной пространственной формы. Особенно это актуально для художественных изделий и изделий, имеющих эргономичные формы. Если же точность модели определяет точность изготовления детали, так как технологическое проектирование и разработка оснастки и инструмента ведется по модели, то важным является точность и корректность геометрической формы и точность размеров и параметров элементов модели. Это актуально для деталей конструкций, различных устройств и механизмов [2].

В зависимости от конфигурации и назначения моделируемого объекта и технологических особенностей его изготовления выбирается соответствующий метод моделирования и способ представления модели. При этом программное обеспечение может использоваться различное, главное – это конечный вид представления и обеспечение взаимосвязи всех компонентов.

Моделирование в технике, изначально основанное на использовании материальных моделей, на современном витке эволюции снова вернулось к идеям натурного прототипирования деталей. В технологиях быстрого прототипирования первичной уже является компьютерная модель, при помощи которой, с использованием оригинальных технических средств автоматически, порождается материальный прототип.

В образовательном процессе сегодня популярны имитационные методики преподавания, которые, например, позволяют обучающимся участвовать в процессах проектирования и изготовления, выполняя учебные проекты, которые при этом могут быть основаны и на реально востребованных задачах. При выполнении совместного технологического проекта обучающиеся последовательно проходят все основные стадии от процесса моделирования и цифрового прототипирования, технологической подготовки до изготовления прототипа в материале или получения в результате готового изделия. Важным при этом является использование полнофункционального профессионального программного обеспечения и оборудования, позволяющего реализовывать проект в материале.

Быстрое развитие информационно-коммуникационных технологий, доступность и простота использования профессионального программного обеспечения в области проектирования и дизайна, открывает широкие возможности в изучении предметной области «Технология» в общеобразовательной школе. Дает импульс в стремлении к самостоятельной проектной и исследовательской деятельности обучающихся.

Использование профессиональных технологий, адаптированных к простым примерам, позволяют получить необходимые знания и навыки， в области технического и художественно творчества, представление о спектре профессий. Ориентирует на инженерно-техническую деятельность в сфере высокотехнологического производства.

Любой, даже простой проект – это умение работать в коллективе единомышленников. От участника проекта требуется обладание коммуникативными качествами, владение знаниями информационной безопасности. Совместный проект требует организации информационного пространства – места обсуждения концепции проекта, обмена данными, контролем за выполнением, оказание консультаций. Такая задача не может быть решена средствами социальных сетей.

Реализация технологии коллективного проектирования возможна в среде виртуального предприятия. В нашем вузе сейчас реализуется подобный проект. На данном этапе он охватывает только учебные процессы вуза. Но со временем может выступать единой площадкой развития проектной деятельности для учащихся средних и специальных учебных заведений.

Рассмотрим основные этапы реализации проекта на примере гравировки рельефа медали (рис. 1), которое возможно реализовать на гравировальном станке с ЧПУ Roland EGX, имеющемся в лаборатории на кафедре информационных технологий в машиностроении ВятГУ. Основными этапами будут моделирование объекта, разработка технологического процесса изготовления, создание управляющей программы для станка с ЧПУ и изготовление.

 

Рис. 1. Эскиз медали для гравировки.

Моделирование может вестись по фотографиям, рисункам, чертежам и схемам, а также по реальным предметам. Для некоторых реальных предметов можно использовать 3D-сканирование, но не все объекты для него подходят. В рассматриваемом примере моделируемый объект уже представлен в виде 2D изображений.

При создании виртуальной модели средствами компьютерного моделирования первым этапом является определение основных объектов, составляющих моделируемое изделие или объект [3]. Поскольку не все объекты имеют идеальное состояние и целостность формы, то на данном этапе важно выявить основные конструктивные особенности с учетом возможной реконструкции. Это позволит выбрать наиболее целесообразный метод формирования объекта. Необходимо стремиться к тому, чтобы оставалась возможность дальнейшего редактирования объектов, для доводки формы или для возможных вариантов исполнения, что позволит сделать модель более гибкой, а, следовательно, универсальной и подходящей для других подобных объектов.

При выборе средств моделирования можно ориентироваться на итоговые требования к модели, а также рассматривать сложность создания элементов. Одним из направлений является трехмерное твердотельное параметрическое моделирование, которое позволяет создавать точные геометрические модели и на их основе трехмерные сборки. Выбор CAD-системы (системы автоматизированного проектирования) зависит от предпочтений разработчика или от иных требований, так как все системы такого рода обладают сходным инструментарием и функциональными возможностями.

Другим направлением является использование трехмерных графических редакторов, реализующих в первую очередь поверхностное моделирование. Здесь не так важна точность геометрической формы, как визуальные свойства модели. В большинстве случаев важным является то, как выглядит объект, а не его истинная форма и составляющие. То есть, например, объект может состоять из нескольких отдельных несвязанных частей, а выглядеть как единое целое [4]. Эти факторы могут существенно упростить моделирование, особенно сложных по форме объектов с трудноформализуемой геометрией.

Наиболее универсальными методами трехмерного моделирования являются параметрическое моделирование, моделирование на основе сплайнов, лофтинговое моделирование, а также при определенных условиях полигональное моделирование. Каждый из этих методов обладает возможностью настройки исходных параметров, влияющих на форму создаваемого объекта, поэтому, изменяя их, можно воздействовать на конечную форму.

Для моделирования медали можно выбрать либо создание сплайнового каркаса с последующим обтягиванием его поверхностью, либо NURBS-моделирование с использованием U-лофта и соединительных поверхностей, либо полигональное моделирование. Так как эти методы позволяют получить поверхность, то ей еще необходимо придать толщины. Наиболее универсальным программным продуктом трехмерного моделирования для подобных объектов является Autodesk 3ds max.

Для более точного воспроизведения основной формы необходимо загрузить двумерное изображение в программу трехмерного моделирования. Для этого изображение должно быть представлено в растровом виде, что легко обеспечивается либо сканированием с бумажного носителя, либо растеризацией векторного изображения. Перед загрузкой изображений в программу трехмерного моделирования необходимо сделать кадрирование их по размерам в растровом графическом редакторе.

Теперь можно начинать осуществлять работу по созданию трехмерной модели. Как уже отмечалось выше, сначала необходимо создать ориентиры моделируемого объекта, то есть в данном случае отобразить изображение в пространстве редактора. В трехмерном графическом редакторе создается плоскость, по размерам равная габаритным размерам изображения Плоскость помещается в начало координат.

Такого типа модель проще создавать полигональным моделированием за счет последовательного вытягивания полигонов и последующего редактирования ребер и вершин (рис. 2).

 

Рис. 2. Построение полигональной модели по эскизу

Нет необходимости стремиться создать все одним объектом. Можно моделировать по отдельным элементам, а затем все собрать вместе и, например, объединить в один полигональный объект, даже без использования булевых операций (рис. 3).

Полученная модель сохраняется в любой универсальный формат, поддерживаемый системой автоматизации технологической подготовки производства. Чаще всего наиболее подходящим форматом является формат STL (Stereolithography).

 

Рис. 3. Готовая модель

Полученная модель загружается в систему автоматизации технологической подготовки производства. В данном случае был использован ArtCAM.

ArtCAM — удобная и легкая в освоении компьютерная программа для моделирования трехмерных рельефов по плоским рисункам или чертежам и создание управляющих программ для фрезерного станка с ЧПУ. Известен положительный опыт ее использования даже в российских средних школах, где она с успехом управляется школьниками на уроках по основам технологии [1].

В системе выбирается тип операции и ее основные технологические параметры (рис. 4). Далее выбирается инструмент и заготовка (рис. 5).

 

Рис. 4. Выбор операции и ее основных параметров.

Выбор инструмента зависит от конфигурации модели и оборудования, на котором будет изготавливаться изделие. Рациональное построение технологического процесса предполагает разделение операций обработки разных по типу поверхностей и, следовательно, выбор различного инструмента для операций. Например, для обработки плоских поверхностей не подходит сферический инструмент, поэтому эти поверхности целесообразно обрабатывать отдельно.

 

Рис. 5. Выбор инструмента.

После задания всех необходимых параметров генерируются траектории перемещения инструмента и производится верификация этих траекторий, чаще всего с визуализацией процесса снятия материала (рис. 6).

 

Рис. 6. Визуализация обработки.

Если итоговый результат визуализации обработки удовлетворяет разработчиков, то последним этапом генерируется управляющая программа. При создании управляющей программы важно выбрать правильный постпроцессор, соответствующий станку, на котором будет производится обработка (в рассматриваемом примере – Roland EGX, рис. 7).

 

Рис. 7. Генерация управляющей программы.

Полученная программа загружается в систему управления станка, производится установка заготовки и осуществляется обработка по программе.

Таким образом, реализуя подобные проекты, обучающиеся последовательно выполняют основные этапы проектирования и изготовления изделия.

Также возможно использование и более тяжелого и технологически функционального оборудования, например, токарного и фрезерного обрабатывающих центра марки DMG, установленных в лабораториях факультета технологий, инжиниринга и дизайна ВятГУ. При этом этапы подготовки аналогичные, только целесообразно использовать другое программное обеспечение и другие методы моделирования.