Введение к работе
Объект исследования и актуальность темы.
При проектировании оснастки и технологических процессов изготовления деталей сложных конструктивных форм с высокими требованиями к размерной точности и эксплуатационному ресурсу все шире используется высокоточное численное моделирование. Еще недавно проектные и технологические параметры определялись на основе простых, полуэмпирических математических моделей. Установление основных соотношений этих моделей требуют накопления и анализа огромных массивов экспериментальных и натурных производственных данных, что сопряжено со значительными материальными и временными затратами, которые в современных условиях хозяйствования приводят в конечном итоге к неконкурентоспособности и нерентабельности производства. Бизнес процесс такого проектирования оснастки представлен на Рис. 1 Поэтому современная организация труда и работы требует внедрения более точных методов проектирования оснастки с использованием расчетных технологий CAD/CAM/CAE, с целью выполнения этих итераций в компьютере, а не в металле на производстве.
Результатом численных расчетов являются новая геометрия заготовки (развертки) или геометрия штамповой оснастки, представленная сеточной (полигональной) 3D электронной моделью. Для разработки программ обработки заготовок на станках с ЧПУ с использованием уже имеющегося программного обеспечения и опыта, снижения времени обработки и для получения качественных поверхностей после обработки, в современных САМ системах используется гладкое, аналитическое (например, сплайновое) представление поверхностей заготовок в CAD системе. С другой стороны, для более эффективного использования высокопроизводительного обрабатывающего оборудования необходимо максимально рационально преобразовать полигональную модель в аналитическую, т.е. где возможно в пределах допуска и расчетной ошибки построить плоские, цилиндрические и линейчатые поверхности. Особенно это важно для разверток, поскольку в них таких поверхностей по определению достаточно много. Формообразование таких поверхностей
модели деталей
3D модели оснастки и развертки
Корректировка геометрии
3D моделей развертки и
оснастки
Развертка,
Формовочная
Оснастка
5-7 раз
Формование деталей
Готовые детали
Рис. 1. Бизнес процесс проектирования оснастки "как есть"
производится с контактом инструмента по линии или плоскости, что более эффективно по времени обработки и качеству получаемой поверхности.
Очевидно, что формообразование при контакте инструмента с обрабатываемой поверхностью по линии или плоскости является более эффективным методом в силу следующих причин:
объем удаляемого материала за один проход определяется длиной режущей части инструмента, а для плоскости еще и диаметром;
остаточная высота гребешка между проходами в силу "нахлеста" двух соседних проходов равна нулю.
Для деталей, имеющих пространственно сложные поверхности двойной кривизны, (Гауссова кривизна не равна нулю) при моделировании процесса формообразования допускается только точечный контакт инструмента с моделью детали, что менее эффективно по вышеприведенным причинам. Поэтому построение сглаженной аналитической поверхности по расчетной сетке, адаптированной для программирования обработки на станках с
ЧПУ, является актуальной задачей. Существующие системы Reverse Engineering или Обратного Проектирования предназначены для несколько иных целей и поэтому их применение менее эффективно.
Именно решению этой проблемы и посвящена данная диссертационная работа.
В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы является разработка алгоритмов построения аналитических трехмерных моделей заготовок деталей, типа панелей планера самолета, в CAD системе по расчетной сетке, адаптированных для программирования их обработки на станках с ЧПУ. В рамках данной работы ставятся следующие задачи:
разработка алгоритма сегментация поверхности расчетной (полигональной) сетки на однородные участки и выделение линий разделяющих их;
разработка алгоритма анализа и распознавания типов сегментированных участков поверхности;
разработка алгоритма сглаживания участков поверхности;
разработка алгоритмов преобразования участков поверхности полигональных трехмерных моделей в аналитическое представление в CAD системе;
разработка комплекса ПО, включающего перечисленные алгоритмы, адаптированные для CAD системы Unigraphics;
Методы исследования. Поставленные в работе задачи решались методами системного анализа, вычислительной геометрии, теории сплайнов, объектно-ориентированного программирования с использованием основных положений технологии машиностроения и ряд других методов и алгоритмов.
Научная новизна:
1. Разработаны и реализованы новые алгоритмы сегментации (выделения) участков поверхности полигональных 3D моделей заготовок авиационных крупноразмерных деталей и их
преобразования в аналитическое представление в системе Uni-graphics с обеспечением критерия соответствия;
Доработан и реализован алгоритм сглаживания неровностей выделенных участков поверхности, учитывающий особенности поверхностей исследуемых деталей;
Разработаны и реализованы новые алгоритмы распознавания плоских, цилиндрических и линейчатых участков поверхности, с учетом накопившихся погрешностей, позволяющие упростить разработку программ для станков с ЧПУ и уменьшить время обработки;
Разработаны и реализованы новые алгоритмы выделения ребер сопрягаемых поверхностей их сглаживание и построение в системе 3D моделирования Urographies с заданной точностью.
Практическая ценность заключается в:
в разработке комплекса методологического и программного обеспечения для функционирования в составе интегрированной CAD/CAM/CAE системы;
в применении модифицированной интегрированной CAD/CAM/CAE системы для преобразования расчетных данных в эффективные для производства модели;
в обеспечении регламентированной точности моделей при построении поверхностей типа плоскость, цилиндр, линейчатых и произвольных криволинейных поверхностей, за счет использования разработанных
методов.
Положения, выносимые на защиту:
Алгоритмы анализа полигональных 3D моделей, сегментации (выделения) и распознавания типов участков поверхностей;
Алгоритмы преобразования участков поверхности полигональных 3D моделей в аналитическое представление;
3. Комплекс программ, реализующий разработанные алгоритмы в системе 3D моделирования Unigraphics, позволяющий упростить разработку программ для станков с ЧПУ и уменьшить время обработки.
Внедрение результатов работы. Разработанное программное обеспечение было апробированно на КнААПО на опытной детали, показало хорошие результаты и находится в процессе внедрения в производство.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы обсуждались на научно-технических конференциях: 5й Московской Международной Конференции ТПКММ, Москва, 2007 г. и "Параллельные вычисления 2007", Санкт-Петербург, 2007 г. Результаты, изложенные в данной работе, получены при поддержке грантов ДВО РАН, РФФИ и Минобрнауки РФ (проекты 09-1-П11-03,09-П-СУ-03-001, 07-01-00747, 2.1.1/1686)
Личный вклад автора: разработка алгоритмов сегментации (выделения) полигональных 3D моделей, и распознавания типов участков; разработка алгоритмов преобразования участков поверхности полигональных 3D моделей в аналитическое представление; разработка комплекса программ, реализующего разработанные алгоритмы в системе 3D моделирования Unigraphics, адаптированные для программирования обработки на станках с ЧПУ.
