Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Пути автоматизации процесса проектирования и изготовления технологической оснастки 9
1.1. Общие сведения о технологической оснастке обуви 9
1.1.1. Пресс-формы для литьевого метода крепления низа обуви . 9
1.1.2. Пресс-формы для изготовления формованных подошв 14
1.2. Автоматизация процессов проектирования и изготовления в обувной промышленности 25
1.2.1. Существующие САПР обуви, их возможности и структура . 25
1.2.2. Анализ потенциала машиностроительных СAD/CAM систем . 30
1.3. Аппаратные возможности и программные средства САПР 37
1.3.1. Анализ современных технических и программных средств . 37
1.3.2. Связь САПР с технологическим оборудованием 41
Выводы по главе 1 43
ГЛАВА 2. Математические аппараты разработанного программно-методического комплекса 44
2.1. Разработка методов подготовки исходных данных для
проектирования и изготовления различных видов пресс-форм . 44
2.1.1. Способы получения и представления исходной информации . 44
2.1.2. Аппарат векторизации растровых изображений 50
2.1.3. Аппарат обработки и трансформации цифровых данных . 56
2.1.4. Математические аппараты, описывающие кривые и каркасы обувной оснастки 68
2.2. Разработка механизма серийного градирования для проектирования пресс-формовой оснастки 79
2.2.1. Основы и методы серийного градирования 79
2.2.2. Особенности градирования элементов пресс-форм 83
Выводы по главе 2 91
ГЛАВА 3. Способы представления и проектирования 3D элементов технологической оснастки в CAD/CAM-среде 93
3.1. Представление поверхностей обувных колодок 94
3.1.1. Механизмы задания каркаса колодки 94
3.1.2. Проектирование поверхности колодки 99
3.2. Проектирование пресс-форм для изготовления деталей низа обуви 110
3.2.1. Проектирование формованной подошвы 110
3.2.2. Методика проектирования серии пресс-форм на основе полученной пространственной модели подошвы 118
3.2.3. Проектирование поверхностей вкладных деталей низа и пресс-форм для их изготовления 126
Выводы по главе 3 129
ГЛАВА 4. Модульные решения разработанного программно-методического комплекса 131
4.1. Автоматизация процесса получения и подготовки данных при производстве пресс-форм для изготовления формованных подошв . 132
4.1.1. Программно-независимый модуль SCANII 132
4.1.2. Специализированная утилита INTEGRII 146
4.2. Автоматизация процесса получения и представления данных при производстве пресс-форм для литьевого крепления низа на обуви . 149
4.2.1. Утилита SECHEN
4.2.2. Программно-независимый модуль KOLODKA 152
4.2.3. Утилита-интегратор BOOT 156
4.3. Характеристика разработанного ПМК 158
4.3.1. Требования к различным видам обеспечения 158
4.3.2. Практические результаты 163
Выводы по главе 4 165
Заключение 166
Список использованной литературы 168
Приложения 173
- Существующие САПР обуви, их возможности и структура
- Математические аппараты, описывающие кривые и каркасы обувной оснастки
- Методика проектирования серии пресс-форм на основе полученной пространственной модели подошвы
- Автоматизация процесса получения и представления данных при производстве пресс-форм для литьевого крепления низа на обуви
Существующие САПР обуви, их возможности и структура
Далее копируют щупом копировально-фрезерного станка с ЧПУ исходные шаблоны проекции внутреннего контура подошвы и производят обработку заготовок вставок (в окна пуансона). Затем проектируют эквидистантную кривую границы полки приклея (затяжной кромки). Фрезеруют на вставке поднутрения и полку приклея. Получив заготовку пуансоновой вставки, переходят к проектированию и механообработке внутренних освобождений подошвы (сетки или волны, цилиндрических отверстий или решетки).
Запрессовав вставки в окна пуансона, переходят к слесарной обработке вспомогательных элементов пресс-форм (штифты, втулки, литники). Для жесткого позиционирования элементов пресс-формы, изготавливают на матрице штифты (колонки), а на пуансоне отверстия для этих штифтов. Обрабатывают литниковую систему. Основной литниковый канал располагается, как правило, в литниковой втулке в виде усеченного конуса. Диаметр входного отверстия зависит от впрыскиваемой массы и свойств материала. Осуществив слесарную обработку вспомогательных элементов пресс-форм, переходят к испытаниям и доводке. Испытаниям подвергают опытную пресс-форму и в случае обнаружения брака вносят определённые корректировки. Доводку осуществляют специальными пастами и шлифовальным инструментом.
Технологический процесс проектирования и изготовления пресс-форм методом фрезерования происходит следующим образом. По исходным плоским шаблонам проекции внутреннего контура подошвы и его профиля, линии разъёма проектируют и изготавливают серию пластмассовых копиров. Причём в настоящее время используют два способа проектирования и изготовления шаблонов на серию пресс-форм: 1) создание таблицы размерно-полнотного ассортимента (с учётом усадки) по шаблонам исходного размера с дальнейшим изготовлением копиров; 2) CAD-проектирование и вырезание на плоттере сразу всей серии исходных шаблонов (с учётом усадки) с дальнейшим их обмером на станке с ЧПУ и изготовлением по полученным данным копиров.
По полученным пластмассовым копирам линии разъёма, используя копировальные станки, производят механообработку прессканта на плитах пресс-формы. Затем, используя данные CNC-обмера шаблона проекции внутреннего контура и чертежи подошвы или пресс-формы, приступают к фрезерной обработке окон на плитах матрицы и пуансона (рис. 1.8). По исходному шаблону проекции внутреннего контура подошвы и её чертежу вырезают заготовки вставок в окна ходовой и ляписной плиты (рис. 1.9).
Далее приступают к обработке матричной вставки. Матричные вставки, запрессуемые в дальнейшем в окна ходовой плиты, предназначены для формирования ходовой поверхности подошвы. Хотя изготовление или не изготовление вставок для матрицы зависит от вида обуви и от степени сложности ходовой поверхности подошвы. Иногда обходятся без изготовления матричных вставок, сразу фрезеруя элементы ходовой поверхности на основании оконной полости ходовой плиты.
Проектирование и изготовление рисунка ходовой поверхности подошвы осуществляют так же, как и при литьевом методе изготовления пресс-форм. Отсканированный сложный рисунок обрабатывается в системе ArtCAM, создаётся УП и производится фрезерная обработка рисунка на оргстекле. Полученный таким образом шаблон рисунка ходовой поверхности нагревают и формуют по копиру линии разъёма (если она совпадает с профилем ходовой поверхности подошвы, если же нет, то - по отдельному шаблону профиля ходовой поверхности). Так поступают только для подошв монолитного типа. Если подошва с каблуком, то шаблон не изгибают. Затем изогнутый/не изогнутый шаблон ходовой поверхности подошвы обмеряют щупом копировально-фрезерного станка и на основе полученных цифровых данных производят фрезерную обработку матричной вставки (рис. 1.10). Несложный рисунок ходовой поверхности обычно фрезеруют сразу стандартными или специально изготовленными фрезами на станке (или вручную) на заранее обработанной по копиру профиля ходовой поверхности подошвы заготовке вставки (на рис. 1.10 она сверху).
Изготовленные матричные вставки запрессовывают в окна матрицы и переходят к изготовлению вставок в окна пуансона. Проектируют по исходному шаблону проекции внутреннего контура подошвы эквидистантную кривую границы полки приклея (затяжной кромки). Фрезеруют (на вставке) поднутрения и полку приклея. Получив таким образом заготовку пуансоновой вставки, переходят к проектированию и фрезерной обработке внутренних освобождений подошвы (сетки или волны, цилиндрических отверстий или решетки). Запрессовав вставки в окна пуансона, переходят к слесарной обработке вспомогательных элементов пресс-форм (штифты, втулки, литники). Производят такие же операции, как и при изготовлении пресс-форм литьевым методом. Затем переходят к испытаниям и доводке (см. рис. 1.11).
Итак, закончив описание пресс-форм для изготовления формованных подошв, необходимо ещё раз подчеркнуть, что были описаны (в сжатой форме) основные и стандартные этапы проектирования и изготовления пресс-форм. На самом деле существует огромное количество нестандартных подходов к проектированию и изготовлению пресс-форм, количество которых определяется многообразием разновидностей подошв и зависит прежде всего от сложившейся на предприятии технологии производства пресс-форм.
Математические аппараты, описывающие кривые и каркасы обувной оснастки
Проектирование технологической оснастки обувного производства отличается высокой сложностью форм обрабатываемых поверхностей. Поэтому выбор математического метода описания кривых и поверхностей того или иного элемента пресс-формовой оснастки влияет на сложность алгоритма и величину программы построения различных геометрических объектов. Проанализируем суть математических методов описания кривых и поверхностей, положенных нами в основу разработки ПМК.
Рассмотрим основные положения теории сплайнов. Решение задачи построения гладкой поверхности по соответствующим образом выделенным опорным точкам путём подбора нужных фрагментов далеко не однозначно, так как приблизить массив точек плавно изменяющейся кривой (или поверхностью) можно очень многими способами. Выбор элементарных фрагментов, представляющих собой вырезки гладких кривых или поверхностей, должен быть таким, чтобы их описание было простым, геометрически наглядным и универсальным. Обычно оказывается, что вполне достаточно достижения геометрической непрерывности, т.е. гладкого изменения касательной к кривой и её кривизны или соответственно касательной плоскости к поверхности и её кривизны. Если использовать для описания фрагментов полиномиальные скалярные функции, то такой непрерывности можно добиться, ограничившись многочленами 3-ей степени (в 2D случае по каждой из двух вспомогательных переменных) [50].
Немаловажную роль играет и проблема единственности решения задачи приближения. Использование известных классов кривых или поверхностей (например, задаваемых многочленами или кусочно-линейными функциями) позволяет удовлетворить только части указанных требований. Поэтому необходимо объединить большую часть достоинств этих классов и указать вполне естественные требования, которые нужно наложить на выделяемые классы кривых и поверхностей, выполнение которых необходимо для успешного разрешения задачи приближения: 1) выбираемый класс должен описываться достаточно просто; 2) кривые или поверхности, входящие в выделенный класс, должны быть гладкими - нигде не обрываться, иметь непрерывно изменяющуюся касательную или непрерывную кривизну; 3) поиск нужной кривой или поверхности в выделенном классе должен быть сравнительно лёгким, что предполагает наличие эффективного алгоритма её построения [50]. Кривые и поверхности, удовлетворяющие перечисленным требованиям, составлены из "ладно пригнанных гладких кусочков". Именно такие кривые и поверхности принято называть сплайнами. Рассмотрим физическое понятие сплайна на примере гибкой идеально тонкой линейки, проходящей через опорные точки массива (х,-,у,), где /=0,1 ,...,т-1 ,т. Согласно закону Бернулли-Эйлера [50] линеаризованное уравнение изогнутой линейки будет иметь вид: EIS"(x)=-M(x), где SfxJ-изгиб; М(х)-линейно изменяющийся от опоры к опоре изгибающий момент; /-жесткость линейки. Ясно, что сплайн - описывающая форму линейки функция S(x), которая является многочленом 3-й степени между каждыми двумя соседними точками массива (опорами) и дважды непрерывно дифференцируема на всём промежутке рассматриваемой области [а,Ь].
В практике "обувного" проектирования многие кривые и поверхности имеют довольно сложную форму, не допускающую универсального аналити ческого задания при помощи элементарных функций. Поэтому их аппроксими руют, т.е. собирают из сравнительно простых гладких фрагментов - отрезков (кривых) или "заплат" (поверхностей), каждый из которых может быть предс тавлен в виде элементарной функции одной или двух переменных. Для того, чтобы получающаяся в результате составная кривая или поверхность была дос таточно гладкой, необходимо уделять особенное внимание местам состыковки. В связи с этим необходимо, чтобы гладкие функции, графики которых исполь зуются при построении частичных кривых или поверхностей, имели схожую природу, например, были многочленами одинаковой степени. Степень выби рается из простых геометрических соображений и, как правило, невелика: для гладкого изменения касательной вдоль всей составной кривой достаточно опи сывать стыкуемые кривые при помощи многочленов 3-ей степени. Коэффи циенты этих многочленов всегда можно подобрать так, чтобы соответствующая составная функция имела непрерывную 2-ую производную [50]. Наиболее час то приходится рассматривать задачи интерполяции и сглаживания, когда тре буется построить тот или иной сплайн по заданному массиву точек на плоскос ти (Х/,у;), где /=0,1 ,...,171. В задачах интерполяции требуется, чтобы график сплай на проходил через точки (х/,у/), /=0,1 т, что накладывает на его коэффициенты т+1 дополнительных условий (уравнений). Учитывая, что функция S(x), задан 71 ная на отрезке [а,Ь], называется сплайном порядка р+1 (многочленом степени р), то остальные р-1 условий (уравнений) для однозначного построения сплайна чаще всего задают в виде значений младших производных сплайна на концах рассматриваемого отрезка [а,Ь] - граничных условий. Возможность выбора граничных условий позволяет строить сплайны, обладающие разными свойствами [50]. В задачах сглаживания сплайн строят так, чтобы его график проходил вблизи точек (х;,у/), /-0,1 т, а не через них. Мера этой близости определяется по-разному, что приводит к большому разнообразию сглаживающих сплайнов. В последнее время наиболее широкое применение в компьютерном проектировании нашли следующие методы аппроксимации: кусочно-линейная аппроксимация; радиусо-графический метод; аппроксимация какими-либо системами функций; аппроксимация сплайнами. При аппроксимации контура, заданного множеством точек [4,50], задача сводится к выбору одной или нескольких аппроксимирующих (подходящих для приближения) функций F(x,A), задающих кривую, проходящую на минимальном удалении от заданных точек исходного контура, положение которых можно считать заданным функцией f(x). Здесь А=(аі,а2,аз,...,ап) - обозначение векторов параметров, которые должны быть определены из условия обеспечения минимальной удалённости аппроксимирующей кривой от заданного контура.
Методика проектирования серии пресс-форм на основе полученной пространственной модели подошвы
За время выполнения экспериментальных исследований нами были разработаны не только математические методы и механизмы, изложенные во 2-ой главе данной работы, но и параллельно с созданными программными средствами (см. главу 4) выработана методика, позволяющая получать электронные модели проектируемых элементов оснастки, являющихся логичным результатом применения функциональных возможностей разработанного нами ПМК в связке с адаптированными CAD/CAM-технологиями. Необходимость разработки методики CAD/CAM-проектирования технологической оснастки вызвана тем, что создание отдельных программно-независимых модулей не может комплексно решить многогранную проблему автоматизации данной области. При разработке программно-независимого ПО предусмотреть все необходимые функции и возможные итерации проектирования различных по сложности и конфигурации элементов оснастки просто невозможно. Как уже отмечалось в первой главе данной работы, производители обуви всё большее внимание в настоящее время уделяют высокоразвитым неспециализированным (и, следовательно, широко профильным) CAD/САМ системам, что вызвано требованиями времени и технологического процесса современного производства пресс-формовой оснастки. Поэтому при рассмотрении множества подходов к проблеме автоматизации данной области производства нами был выделен подход, связанный с внедрением современных CAD/САМ технологий в процесс создания ПМК, позволяющего автоматизировать стадию проектирования и изготовления различных элементов обувной оснастки. Вызвано это было ещё и тем, что применяемая до настоящего времени на предприятиях отрасли методика CAD/CAM-проектирования пресс-форм обувного производства не основана на применении адаптированных к решению обувных задач CAD/САМ систем, а также на использовании автоматизированной подготовки и обработки исходных данных и носит произвольный, а местами и хаотичный характер.
Предлагаемая нами на примере использования CAD/САМ системы Cimat-гоп (см. п. 1.2.2) методология автоматизированного проектирования формованных подошв, серии пресс-форм для их изготовления, прессовых и затяжных колодок, пресс-форм для термоформования сжатием вкладных деталей низа обуви основана на применении современных, наукоёмких и высокоинтеллектуальных CAD/САМ технологий, наряду с использованием разработанных нами программно-независимых модулей, программно-ориентированных утилит, интеграторов и так называемых программных посредников. Это позволит повысить конкурентоспособность выпускаемой продукции и гибкость производства, что в свою очередь обеспечит предприятиям отрасли переход на качественно новый уровень оперативного решения конструкторско-технологических задач в современных условиях изготовления пресс-формовой оснастки. Суть и достоинство выработанной нами методики заключается в том, что проектирование тех или иных объектов ведётся не с нуля, а на основе специально подготовленных, благодаря разработанному ПО, данных, необходимых для осуществления полноценного проектирования в среде той или иной CAD/САМ системы.
Итак, перейдём к описанию разработанной методики, являющейся наравне с созданными математическими механизмами, алгоритмами и программными средствами результирующим звеном проведённого нами эксперимента, определяющего актуальность, новизну и практическую значимость работы.
Основным носителем исходной информации, определяющим форму и размер изделия, а также влияющим на конструктивное решение верха и низа обуви, является затяжная колодка. Её по праву можно назвать базовой оснасткой обувного производства, так как на ней производится сборка и формование обуви. Колодки являются фундаментом для проектирования практически всех видов техоснастки: пресс-форм для деталей низа, каркасных деталей; специализированных прессовых колодок для литьевого метода крепления низа обуви; элементов пресс-форм для цельноформованной обуви [40]. В связи с этим, совершенствование метода проектирования пространственно-сложной поверхности колодки является одной из первоочередных задач.
В результате проведённого во второй главе анализа способов получения исходной информации о поверхности колодки нами были предложены наиболее перспективные из них: а) CNC-обмер колодки; б) сканирование и дигитали-зация основных сечений колодки, полученных в процессе проектирования или в ходе обмера на контурографе уже существующей колодки. Естественно, что выбор вышеуказанных способов получения исходных данных оказал не только влияние на создаваемое ПО для их обработки (см. главу 4), но и на механизмы задания каркаса колодки. Как уже отмечалось ранее, основным элементом пресс-форм для литьевого метода крепления низа на обуви является прессовая колодка (см. п. 1.1.1), законы формообразования которой мало чем отличаются от затяжной колодки. Фактически, с геометрической точки зрения, прессовая колодка отличается от затяжной наличием голенища, которое никоим образом не влияет на принцип построения формообразующего каркаса (рис. 3.1). В связи с этим, при разработке ПМК нами было решено реализовать такой универсальный механизм задания каркаса колодки, который бы удовлетворял CAD-проектированию поверхности как затяжной колодки, так и прессовой колодки.
Автоматизация процесса получения и представления данных при производстве пресс-форм для литьевого крепления низа на обуви
Такой вид каркаса представляется наиболее пригодным для описания внутренней формы обуви. В самом деле, методы, основанные на разбиении поверхности на отдельные порции, хорошо зарекомендовали себя при решении проектно-конструкторских задач в различных областях производства. Обладая высокой универсальностью и хорошо увязываясь с ЭВМ, они стали незаменимыми при создании САПР различных пространственных объектов. В ходе работы, связанной с выбором конструкции оптимального каркаса, нами было рассмотрено множество подходов к проектированию поверхности колодки по заданному тем или иным способом каркасу. При этом, на примере затяжной колодки, оценивались все возможные методы проектирования поверхности, предлагаемые системой Cimatron. В ходе анализа результатов нами было предложено использовать для этих целей вышеописанную звеньевую каркасную конструкцию и принцип "жёсткого" проектирования, основанный на использовании одной базовой функции построения поверхности на основе заданного каркаса колодки в системе Cimatron. Такой подход был вызван желанием структурировать и унифицировать процесс проектирования поверхности, тем самым заметно упрощая и ускоряя его.
Для обоснования выбранной нами функции построения поверхности колодки на базе заданного каркаса приведём типологию поверхностей, использующихся в CAD/САМ системе Cimatron [15,30], при этом раскроется и терминология, которая будет использоваться в дальнейшем. Как известно, поверхность - это трёхмерный геометрический элемент, определяющий форму и границу тела (объёма). Для создания поверхностей, имеющих сложную пространственную форму, математическим аппаратом подсистемы поверхностного моделирования системы Cimatron используется их параметрическое представление. Каждая точка создаваемой поверхности задаётся координатами X,Y,Z, которые зависят от параметров U и V. Таким образом, координаты любой точки поверхности однозначно определяются следующим параметрическим видом: X=fx(U,V), Y=fy(U,V), Z=fz(U,V), где f - используемая интерполяционная функция. При необходимости, направления и величины параметров U и V определяются пользователем при создании поверхностей с помощью имеющихся в системе функций.
Отметим, что на экране поверхности отображаются своими границами и параметрическими кривыми. Как и в любой CAD/САМ системе, в системе Cimatron кривые в направлении U (V=C0nst) называются сечениями, а кривые в направлении V (U=const) - поперечными сечениями. Количество и качество изображаемых на экране параметрических кривых ("дисплейных"), составляющих изображение поверхности, никак не связано с точностью поверхности и может быть изменено. При создании поверхности системой предоставляется возможность задания значения точности (Тої.), которое влияет на число сегментов поверхности. В некоторых функциях моделирования поверхностей (например, MESH, BLEND) количество сегментов поверхности определяется ещё и количеством задаваемых кривых - сечений (Section) и поперечных сечений (Cross-sections).
В результате изучения типов, используемых в системе Cimatron поверхностей, нами были выделены такие типы поверхностей, которые могут быть построены функциями дополнительного (расширенного) поверхностного моделирования [15,30]. Функции расширенного поверхностного моделирования используются для создания самых разнообразных типов поверхностей, достоинством которых является возможность использования контрольных точек для управления формой поверхности. Корректировка этих поверхностей не требует изменения их границ. Из множества предлагающихся видов поверхностей нами была выделена NURBS-поверхность (подобна поверхности Безье). Non Uniform Rational B-Spline-поверхность состоит из сегментов, каждый из которых определяется контрольными точками. Данные поверхности обладают двумя важными преимуществами: 1) они всегда гладкие, т.е. не терпят разрыв во второй производной; 2) изменение расположения контрольной точки или её весового коэффициента влияет только на близлежащую к этой точке область, оставляя остальную поверхность без изменений. При этом для каждой контрольной точки может быть задан "вес" (относительное влияние). Чем больше весовой коэффициент контрольной точки, тем больше её влияние на форму поверхности.
Благодаря проведённому анализу, среди функций, позволяющих создавать NURBS-поверхности была выбрана функция MESH (сетка), как наиболее подходящая к решению ранее перечисленных задач и наиболее эффективная с точки зрения построения поверхности обувной колодки на основе её каркасного представления, основанного на предложенной нами конструкции. Функция MESH позволяет создавать NURBS-поверхность, плавно проходящую через заданные каркасные кривые - продольные сечения и поперечные сечения (CAD-термины), тем самым образуя сеть. При этом, для достижения высокой точности, кривые - сечения должны обязательно пересекаться с другими кривыми -поперечными сечениями. Данная функция предусматривает возможность выбора многих модальных параметров [30].
Представим предлагаемую нами методику проектирования поверхности колодки на примере затяжной колодки. При этом разобьём последовательность проектирования поверхности колодки в системе Cimatron на несколько этапов.
Этап I. Подготовка к проектированию. Используя разработанный нами ПМК (утилиту "SECHEN" или ПМ "KOLODKA" и утилиту-интегратор "BOOT"), загружаем в автоматизированном режиме 3D каркасную конструкцию колодки в среде CAD/САМ системы Cimatron. Выбираем режим поверхностного моделирования.
Этап II. Проектирование поверхности в пяточной части. Вначале необходимо поделить кривую поперечно-вертикального сечения (№ 4), образованную верхним звеном, характеризующим боковую поверхность, на два отдельных элемента. Деление осуществим относительно точки-звена, расположенной между линией, определяющей высоту гребня (от установочной площадки), и линией гребня (POINT Single points Inters; TRIM Devide by point). Поделив поперечно-вертикальное сечение, расположенное на границе между пяточной и ге-леночной частями, перейдём к созданию боковой поверхности. Активизировав функцию MESH, отметим каркасные сечения, образующие форму боковой поверхности пяточной части, в следующем порядке (рис. 3.5).
