SolidWorks: стандартный и специализированный инструментарий для конструкторов оснастки и технологов

От авторов

Этой статьей мы продолжаем рассказ о технических особенностях САПР SolidWorks, начатый в наших предыдущих публикациях (см. статьи "SolidWorks - стандарт трехмерного проектирования", "САПР и графика" N1, 2003 г., "Электронный EXCHANGE: основа современного производства", "САПР и графика" N2, 2003 г.). На этот раз речь пойдет о стандартном и специализированном инструментарии SolidWorks для конструкторско-технологической подготовки производства изделий из пластмасс.

SolidWorks - не панацея, а средство повышения качества работы

Подходит к концу первый месяц лета: на улице тепло и зелено. Так непросто сосредоточиться на работе, все мысли об отпуске ... Немым упрёком маячит перед глазами, сверкая своей белизной, лист ватмана, вольготно разлёгшийся на кульмане. Плиты, толкатели, знаки, крепеж - как легко и споро всё это ложилось на лист уверенными штрихами хорошо отточенного карандаша зимой, когда за окном метель, а в инструментальном бюро - теплынь и уютно потрескивает обогреватель ... Картина, на наш взгляд, очень близкая российским конструкторам, проектирующим оснастку. Как не прискорбна ситуация, но наша действительность такова, что лишь небольшое количество от общего числа промышленных предприятий использует в своем цикле производства программные продукты, позволяющие решать весь круг задач, резко сокращая, как сроки проектирования и изготовления продукции, так и процент брака.

Человек раздвоен снизу, а не сверху, для того,
что две опоры надежнее одной.
Козьма Прутков

Функциональные возможности и степень интеграции прикладных модулей SolidWorks таковы, что программное решение может быть гибко настроено на реализацию всего спектра типовых и специальных задач конструкторско-технологической подготовки производства изделий из пластмасс (рис. 1.). Это достигается за счет того, что SolidWorks представляет собой двухуровневую структуру:

• Базовое решение SolidWorks: 3D моделирование деталей и сборок, анализ уклонов, задание усадки, экспресс-анализ кинематики и прочности, оформление чертежей.
• Специализированные модули: анализ проливаемости, построение поверхности разъема, генерация пресс-форм из стандартных комплектующих, электроэрозионная и механическая обработка и т.п.

О базовых возможностях и о специализированном инструментарии для конструкторско-технологической подготовки производства изделий из пластмасс, т.е. о работе программного комплекса SolidWorks на каждом из вышеозначенных уровней специализации, и пойдет речь ниже.

Рис. 1.
Комплексные решения SolidWorks для конструкторско-технологической подготовки производства изделий из пластмасс.

Возможности базовой конфигурации SolidWorks

Перочинный ножичек в руках искусного хирурга
далеко лучше иного преострого ланцета.
Козьма Прутков

Пакет SolidWorks, предлагая для решения каждой конкретной задачи определённый специализированный модуль, сам обладает могучим базовым функционалом, позволяющим решать массу вопросов, не прибегая к дополнительным программным средствам. Поскольку наиболее логичным подходом при создании пресс-формы является предварительное моделирование детали-оригинала, мы рассмотрим в этой главе методы и средства, позволяющие подготовить исходную 3D модель и создать полноценную пресс-форму базовыми средствами SolidWorks.

Одной из стандартных возможностей SolidWorks, которую следует использовать при проектировании детали-оригинала, является функция "Анализ уклонов" (рис. 2), предназначенная для проверки литьевой детали на технологичность и определения возможного места прохождения линии разъема. В результате анализа, грани модели окрашиваются в различные цвета, в зависимости от их принадлежности к той или иной группе формообразующих поверхностей:

• грани, параллельные плоскости разъема или имеющие уклон больше заданного значения;
• грани, имеющие уклон меньше заданного;
• грани не имеющие уклона;
• грани, нуждающиеся в редактировании и т.п.

Рис. 2.
В базовую конфигурацию SolidWorks входит функция "Анализ уклонов".

Существуют различные способы создания детали-оригинала, одним из которых (наиболее часто используемым) является создание специального технологического варианта исполнения (отливка), в которой часть составляющих элементов 3D модели будет погашена. Все многообразие конструкторских и технологических исполнений (рис. 3) хранится в едином файле модели, что существенно экономит дисковое пространство и облегчает поиск нужного варианта.


Рис. 3.
Использование механизма конфигураций SolidWorks для создания различных вариантов исполнения модели.

После того, как создана геометрия детали и отливки, необходимо получить отпечаток отливки на матрице и пуансоне. Для этого следует определиться с дальнейшей стратегией проектирования. SolidWorks позволяет конструктору пойти двумя путями:

• создать полость, задав коэффициент усадки (рис. 4), соответствующий материалу отливки;
• пропорционально увеличить модель с необходимым коэффициентом масштаба (равномерным или переменным по трем координатным осям), после чего также создать полость, но уже без усадки.

Рис. 4.
Создание полости с усадкой.

После создания полости необходимо построить поверхность разъёма для отделения матрицы от пуансона. И в этом случае SolidWorks даёт возможность идти тем путём, который наиболее привычен конструктору: в программе имеется специальная панель инструментов, позволяющая создавать поверхность разъёма, выбирая соответствующие кромки модели. Создав поверхность разъема, ее можно использовать для отделения матрицы от пуансона (рис. 5). После этого остается наполнить пакет нормализованными деталями, и пресс-форма готова (рис. 6).

Рис. 5.
Отделение матрицы от пуансона с помощью поверхности разъема.





Рис. 6.
Пример пресс-формы, спроектированной стандартными средствами SolidWorks. ОАО "Калужский завод электронных изделий "Автоэлектроника".

Опытному конструктору создать в контексте сборки необходимое количество стержней и выталкивателей - дело нескольких минут. А вот на сопряжение множества стандартных деталей и узлов уходит действительно немало времени. SolidWorks позволяет решить подобную проблему с помощью специального инструмента - автосопряжений. Система анализирует геометрию и предлагает наиболее подходящий тип сопряжения. В итоге, благодаря этой функции, время компоновки пресс-формы сокращается на порядок. А если учесть возможность проверки интерференции компонентов, то тут легко можно говорить о полном исключении ошибок на этапе проектирования, что в свою очередь положительно скажется при реализации пресс-формы в металле.

Большинство деталей пресс-формы если и не стандартизованы, то являются типовыми. Поэтому большая их часть может заимствоваться из одного проекта в другой. Хотя, по мере того, как растет количество выполненных проектов, всё более проблематичным становится поиск нужных стандартных узлов и деталей. Поэтому имеет смысл сказать несколько слов о менеджере проектов SWR-PDM (рис. 7). Эта разработка компании SolidWorks Russia позволяет таким образом организовать структуру проектов, пользователей, групп и систему классов, что появляется отличная возможность осуществлять поиск, используя атрибуты электронных документов. SWR-PDM позволяет сохранить условия запроса в отдельный файл, а затем при следующем поиске, использовать его с возможностью корректировки параметров.
Рис. 7. Классификатор SWR-PDM для типовых деталей пресс-форм.

Резюмируя всё выше сказанное, можно смело заявить, что базовый инструментарий SolidWorks обладает достаточным набором функций для создания пакета пресс-форм практически любой сложности. Однако не следует забывать о том, что помимо базовых возможностей существует еще и целый ряд специализированных модулей, нацеленных на существенное ускорение процессов проектирования изделий и оснастки, о чем и пойдет речь ниже.

Любой житель, скажем черноморского побережья, прекрасно плавает и ныряет. Но, каким бы замечательным пловцом он не был - сравнивать его навыки с профессиональными пловцами нет смысла.
Козьма Прутков

Специализированные модули SolidWorks

Plastics Advisers

Для того чтобы еще на этапе проектирования детали провести анализ проливаемости пресс-формы, применяются продукты серии Plastics Advisers (рис. 8). Эти программные решения предназначены как для конструкторов деталей, так и для конструкторов оснастки и включают в себя два программных продукта: Part Adviser (анализ проливаемости без учета литниковой системы) и Mold Adviser (анализ проливаемости с учетом литниковой системы). Модули Plastics Advisers позволяют решать следующие задачи:

• расчет течения пластмассы в пресс-форме любой сложности;
• определение мест скопления газов, линий спая;
• оптимизация точек впрыска полимера;
• определение качества поверхности, зон недостаточного охлаждения;
• определение оптимальных параметров термопласт-автоматов.

Рис.8.
Анализ проливаемости пресс-формы на корпусную деталь электроутюга в модуле Part Adviser. ОАО "Прибор", г. Курск.

Использование пакетов Plastics Advisers вместе с SolidWorks экономит время конструирования деталей и оснастки, а также позволяет сократить сроки доводки пресс-формы и избежать брака при изготовлении.

FaceWorks

Одним из хорошо зарекомендовавших себя специализированных модулей SolidWorks для проектирования технологической оснастки является FaceWorks. В чем-то FaceWorks повторяет стандартную для SolidWorks функцию "Анализ уклонов" (о которой говорилось ранее), предназначенную для проверки детали на технологичность и определения возможного места прохождения линии разъема. Однако так может показаться только на первый взгляд, т.к. основное назначение FaceWorks заключается в автоматизации процесса построения матрицы и пуансона.

Что же умеет FaceWorks? Во-первых, при указании направления разъёма FaceWorks автоматически определяет грани с положительными и отрицательными уклонами, перекрашивает эти грани в разные цвета, размещая их по соответствующим папкам. Очень удобной и наглядной функцией является возможность "растащить" две половинки будущей пресс-формы ещё до её создания. Эта функция FaceWorks называется анимацией разъёма.

Следующим шагом необходимо указать FaceWorks кромки, по которым будет создаваться поверхность разъёма. Пользователь всегда может выбрать замкнутую цепочку вручную, но система предлагает на выбор автоматически определённые контуры. Затем указывается величина смещения от внешнего контура модели и создаётся поверхность разъёма. Как и у любого интегрированного в SolidWorks модуля, у FaceWorks имеется собственная закладка в дереве конструирования, а также меню и панель инструментов. Большим удобством является хорошо продуманная структура папок. Также система позволяет "зашить" сквозные отверстия для корректного построения пуансона или стержней в дальнейшем.
Рис. 9. Автоматизированное построение матрицы и пуансона с помощью FaceWorks.

Завершающим этапом работы FaceWorks является разделение формообразующих поверхностей на матрицу и пуансон (рис. 9). Оговариваются имена создаваемых деталей и сборок, после чего запускается процесс генерации сборки. Таким образом, FaceWorks значительно ускоряет процесс проектирования литьевых форм, дополняя базовые возможности SolidWorks мощным инструментом по работе с формообразующими поверхностями и автоматической генерацией матрицы и пуансона.

MoldWorks

Пакет MoldWorks - превосходный помощник конструктору оснастки, работающему в среде SolidWorks. В качестве исходной геометрии MoldWorks использует узел, состоящий из матрицы и пуансона, полученных, например, с помощью FaceWorks.

MoldWorks имеет собственные встроенные библиотеки нормалей, в каждой из которых пользователь может подобрать подходящую для его случая конфигурацию плит с возможностью выбора размеров пакета из нормального ряда для данной библиотеки. Помимо того, что можно воспользоваться набором плит со стандартными размерами, всегда есть возможность корректировать размеры плит, вводя числовое значение вручную. В графической области при изменении параметров и числовых значений динамически меняются состав пакета и габариты (рис. 10). После этого запускается процесс автоматического формирования элементов пресс-формы. По заданным пользователем параметрам MoldWorks, используя механизмы построения моделей SolidWorks, разворачивает перед конструктором целое действо, автоматически вытягивая бобышки, выступы, поднутрения. Согласуясь с выбранной схемой расположения колонок и направляющих втулок, MoldWorks сверлит под них отверстия. Тут же, с учётом всех зазоров, строятся сами втулки и колонки. Именно в этот момент конструктор понимает всю прелесть использования MoldWorks.
Рис. 10. Выбор типоразмера пакетника.

После того как MoldWorks закончил построение пакетника, необходимо определить местоположение и количество выталкивателей. Для этого используется компоновочный эскиз, позиционированный на грани плиты толкателей. MoldWorks прорезает отверстия заданного типа (с цековкой, ступенчатые) во всех указанных плитах и вставляет по выбранной форме отверстия выталкиватели соответствующей геометрии, которые затем обрезаются по форме поверхности отливки. И, что примечательно, - при изменении формы поверхности выталкиватели тут же повторяют её контуры. При выборе типа прорезаемого отверстия указывается класс точности и величина зазора между отверстием и выталкивателем. Также, если это необходимо, можно выбрать выталкиватель с фиксатором от проворота.

MoldWorks позволяет выбрать из встроенной библиотеки тип крепежного элемента, затем по выбранному крепежу сам прорезает соответствующее отверстие и вставляет в него нужный винт. Как и в случае с расположением выталкивателей, под крепёжные отверстия также необходимо указать реперные точки. Так как MoldWorks является диалоговой системой, при возникновении конфликтных моментов пользователю будет предложено решение. Например, если длина резьбовой части отверстия менее полутора диаметров, MoldWorks предложит либо увеличить эту длину, либо пересмотреть другие параметры.
Рис. 11. Размещение каналов охлаждения.

Осталось расположить каналы охлаждения, вставить в них штуцеры и уплотнительные кольца (рис. 11). Все эти операции MoldWorks опять же делает в автоматическом режиме. Для создания каналов необходимо указать эскиз, а именно линию, конечные точки которой как раз и будут пересекать оси охлаждающих каналов. На данном этапе пользователь оговаривает длины и диаметры каналов, наличие уплотнительных колец или манжет и запускает процесс генерации. А затем остаётся вставить штуцеры из библиотек MoldWorks. Однако помимо встроенных библиотек пользователь может всегда подключить и свою собственную библиотеку стандартных элементов, узлов, либо плит. В итоге время проектирования комплекта сокращается в несколько раз, по сравнению с использованием только базового функционала, и на порядки - при прорисовке на кульмане.

Таким образом, проблема создания электронной модели пакета технологической оснастки заключается лишь в выборе инструмента проектирования. Для этого остаётся оценить необходимость использования либо базовых функций SolidWorks, либо специализированных модулей.

CAMWorks

Итак, дело остается за малым - изготовить спроектированную пресс-форму. Наибольшую трудоемкость в изготовлении занимают, как правило, формообразующие элементы изделия. Чаще всего, их делают, используя оборудование с программным управлением. Подготовку производства на таком оборудовании рассмотрим на примере использования модуля CAMWorks.

Несколько общих слов об этом продукте. CAMWorks позволяет формировать программы для фрезерной, токарной, электроэрозионной обработки по моделям SolidWorks непосредственно в его среде. CAMWorks обладает в высшей степени дружественным интерфейсом (рис. 12), необходимые для работы технологу геометрические построения выполняются средствами SolidWorks. В программе есть несколько отдельно реализованных модулей - это сам модуль обработки, модуль настройки режимов резания и технологическая база данных.
Рис. 12. Путь инструмента автоматически обновляется при изменении геометрии обрабатываемой детали.

Вид создаваемой обработки вы определяете типом используемого оборудования. После этого вы указываете системе дополнительные сведения по станку, например для фрезерной обработки выбирается предопределенный магазин инструментов. После этого в проектируемых операциях будет использоваться инструмент из этого магазина, что устраняет возможность создания путаницы с номерами инструмента в программе. Также можно указать дополнительные поворотные оси (CAMWorks поддерживает 3-осевое фрезерование с позиционированием по 4-ой и 5-й осям). В качестве заготовки вы можете использовать охватывающий деталь параллелепипед (со смещением по любой из осей), или эскиз, вытянутый на задаваемую глубину.

CAMWorks разделяет геометрические данные для обработки и собственно технологические операции. Для этого к стандартным закладкам дерева конструирования SolidWorks добавляются еще две: "Элементы CAMWorks" и "Операции CAMWorks". CAMWorks различает 3-осевые элементы, указывать которые нужно в интерактивном режиме, и 2.5-осевые элементы, которые система может распознавать в автоматическом режиме. При этом в CAMWorks существует широкая классификация 2.5 осевых элементов, есть, например, так называемый угловой паз (то есть выемка идет сбоку от основного материала, и фреза заходит, выходит и перебегает по открытым кромкам), карманы бывают прямоугольные, овальные, круглые, открытые (с любого количества сторон), и в общем случае - нерегулярной формы. Все это, плюс возможность автоматически распознавать геометрию, формируя механообрабатываемые элементы, делает CAMWorks очень эффективным для обработки призматических деталей.

После формирования списка элементов создаем стратегии обработки каждого из них. Можно сделать это, добавляя операции вручную, можно воспользоваться базой данных, она подберет их автоматически. Следующий этап - адаптация параметров операций для достижения необходимого результата. Как правило, при обработке деталей прессформ, используются 3-х осевые элементы. В CAMWorks существуют три типа операций для обработки таких элементов, черновое, чистовое фрезерование, и карандашная обработка, с соответствующим набором параметров для каждой операции. Проверять сгенерированную траекторию можно пошаговым ее прохождением, или используя встроенный визуализатор обработки (рис. 13). Если обработка проектировалась на уровне сборочной модели SolidWorks, то помимо обрабатываемой детали вы можете учесть в расчете стол, прижимы, указать системе генерировать траектории с учетом обхода этих деталей, а на визуализаторе проконтролировать на столкновение элементы технологической оснастки (например, патрон с прижимом).
Рис. 13. Визуализация процесса механообработки в модуле CAMWorks.

И, конечно же, есть возможность сравнить результаты обработки с исходной моделью. Цветовой шкалой CAMWorks показывает разницу, зеленный цвет - обработка "в ноль", желтый и красный - зарезы, голубой и синий - недорезы детали.

Полученную программу можно отпостпроцессировать. С CAMWorks поставляется набор готовых постпроцессоров для самых популярных стоек. Также есть возможность настроить нужный вам постпроцессор с помощью специального модуля. Построен он в виде мастера, собственно настройка контролера заключается в выборе соответствующих опций.

В последнее время производители CAM-систем повышенное внимание уделяют процедурам выбора режимов обработки. В CAMWorks вы можете вручную поставить значения рабочих подач, подач врезания, частот вращения шпинделя для каждой траектории, а можете вычислить их. Настройка этого расчета представляет собой заполнение таблицы, где на вход подаются обрабатываемый диаметр (для фрезерования это диаметр инструмента), и величина снимаемого слоя материала. Такая таблица представляет собой случай, который определяется: материалом заготовки, видом обработки (фрезерования, точение, сверление и т.д.). Кроме того, учитывается нагруженность станка (это внутрисистемная характеристика оборудования - легконагруженное, средненагруженное, тяжелонагруженное), и материал режущей части инструмента.

Напоследок, несколько слов о технологической базе данных CAMWorks. Строго говоря, эффективность любого CAM-пакета (и не только), определяется во многом степенью автоматизации и сокращением рутинных процедур исполнителя на его рабочем месте. Стремясь предоставить пользователям максимальные возможности в этом направлении, создатели CAMWorks включили в базу данных возможность настройки и запоминания практически любых действий технолога. К любому геометрическому элементу, распознаваемому CAMWorks как механообрабатываемый, можно создать и впоследствии присваивать любое количество атрибутов, позволяющих автоматически подбирать стратегию обработки и настраивать параметры технологических операций. Имея такие настройки, вы можете автоматически и интерактивно преобразовать геометрию вашей трехмерной модели в элементы CAMWorks, присвоить каждому этому элементу свой атрибут, и нажатием пары кнопок сгенерировать траектории для УП. После этого можно сказать, что вся действительно существенная часть работы сделана (естественно, чем тщательнее подготовлена база данных, тем меньше изменений вам придется вносить в обработку). Сама база данных выполнена на Microsoft Access, ее освоение - вопрос максимум нескольких часов.

Заключение

В рамках этой статьи мы постарались пролить свет на наиболее важные аспекты использования стандартного инструментария SolidWorks и ряда специализированных модулей для конструкторско-технологической подготовки производства. Подводя итог вышесказанному, можно констатировать тот факт, что функциональные возможности и степень интеграции прикладных модулей SolidWorks таковы, что программное решение может быть гибко настроено на реализацию всего спектра типовых и специальных задач, что, собственно, и является залогом успешного внедрения программных решений SolidWorks в промышленности, примеров чему немало.