Использование 3D моделирования при конструировании сложных сборочных изделий

Роль 3D моделей на различных этапах жизненного цикла изделий

Под 3D моделью объекта понимают его пространственную (трехмерную) компьютерную геометрическую модель, которая может включать в себя также набор атрибутов, описывающих объект. 3D модели могут создаваться на различных этапах жизненного цикла изделия (ЖЦИ), упрощенная схема которого включает в себя следующие этапы: Маркетинг, Проектирование, Технологическая подготовка производства, Производство, Реализация, Эксплуатация, Ремонт и обслуживание, Утилизация.

Проектирование.

Этот этап обычно разделяют на концептуальное проектирование и рабочее (детальное) проектирование. При концептуальном проектировании формируются и уточняются технические требования к изделию, осуществляются поиск и выбор принципиальных решений, обеспечивающих требуемую функциональность. При рабочем проектировании выбранные концептуальные решения конкретизируются, определяются состав узлов и деталей, точные геометрические размеры изделия, а также используемые материалы, формируется конструкторская документация. На этапе концептуального проектирования 3D модели могут использоваться для представления концептуальных решений (например, принципа функционирования механического устройства), их анализа и последующего отбора.

На этапе рабочего проектирования 3D модели служат основной формой представления геометрической информации об изделии, позволяют проводить компьютерные инженерные расчеты на прочность, долговечность и др., анализировать собираемость деталей и узлов, получать чертежно-конструкторскую документацию.

Мышление конструктора, применяющего 3D моделирование, отличается от мышления конструктора, работающего только с чертежами. Эти отличия состоят в следующем:

1. Мысленные “образы чертежей” заменяются “образами моделей”, что раскрепощает пространственное мышление и способствует более быстрому принятию решений.

2. Свобода в создании сложных геометрических форм и понимание того, что эти формы могут быть легко реализованы “в металле” с помощью интегрированных технологий, стимулируют творчество, повышают интерес к работе.

3. Используя при проектировании созданную ранее модель похожего изделия (изделия-аналога), конструктор может иногда в десятки раз сократить общее время работы над проектом. Этот фактор способствует упорядочению информации о выполненных разработках, приводит к большей систематизации мышления.

Важно также, что при 3D проектировании резко уменьшается число ошибок в проекте. Это происходит по следующим причинам: Конструктор может наглядно видеть результат своей работы уже в процессе проектирования; Виды чертежа формируются на основании модели автоматически и поэтому исключаются ситуации, когда информация в одном виде не соответствует другому.

При проектировании сборочных единиц имеется возможность проверять собираемость и выявлять ошибки на уровне моделей. Локальные или полные 3D модели используются как при концептуальном, так и при рабочем проектировании для компьютерного инженерного анализа принимаемых конструкторских решений.

Например, прочностной анализ модели корпуса может выявить его «слабые места» и привести к созданию дополнительных ребер жесткости. При необходимости для анализа конструкторских решений на основании 3D модели может быть создан физический прототип с помощью методов быстрого прототипирования.

Технологическая подготовка производства (ТПП).

До появления средств компьютерного 3D моделирования исходной информацией для этапа ТПП служила чертежно-конструкторская документация. В настоящее время 3D модели рассматриваются как составная часть конструкторской документации на изделие. При этом появляется возможность непосредственного использования геометрии 3D моделей в задачах ТПП. К таким задачам можно отнести: Проектирование сложной формообразующей оснастки и инструмента – пресс-форм, штампов и электродов; Моделирование процессов формообразования (литья, штамповки, ковки и др.) с целью выявления возможных дефектов и их последующего устранения, а также с целью экономии материала; Формирование управляющих программ обработки деталей сложных форм на станках с ЧПУ; Построение операционных эскизов при разработке технологических процессов.

Важно отметить, что роль 3D моделей в ТПП не ограничивается использованием модели изделия и его компонентов. Для изготовления сложных приборов и систем необходимо спроектировать и изготовить большое число приспособлений, пресс-форм, штампов, различные виды специального инструмента, а также нестандартное оборудование. При решении этих задач роль 3D моделей во многом сходна с их ролью на этапе проектирования основного изделия. Еще один аспект использования 3D моделей в сфере ТПП – это создание 3D моделей сложного технологического оборудования с целью виртуального моделирования процесса обработки. Такое моделирование позволяет выявить и устранить возможные коллизии (столкновения) в системе «станок – приспособление – инструмент – деталь».

Производство.

Здесь моделирование используется для анализа и оптимизации производственных процессов. Например, в роботизированной линии по сборке сложного изделия необходим не только контроль столкновений, но и временная синхронизация действий отдельных роботов и людей. Создав 3D модели технологического оборудования и используя систему виртуального моделирования производственных процессов, можно решать указанные выше задачи. Предприятие получает возможность моделировать процессы изготовления изделия параллельно с его проектированием, оперативно учитывая возникающие конструктивные изменения, множественность версий и исполнений изделия, ограничения, налагаемые оборудованием и человеческим фактором. Это позволяет существенно сокращать сроки разработки и запуска в производства новых изделий, повышать их качество и технологичность.

Реализация.

3D модели используются для создания слайдов и анимационных фильмов, выгодно представляющих созданное изделие и поясняющих принципы его работы. Эти слайды и фильмы могут использоваться в коммерческих предложениях или для рекламных целей.

Эксплуатация.

3D модели могут, как и для этапа реализации, использоваться для создания слайдов и анимационных фильмов, которые, в свою очередь, используются в качестве элементов или составных частей эксплуатационной документации.

Ремонт и обслуживание.

3D модели могут использоваться для создания так называемых интерактивных электронных технических руководств (ИЭТР), которые детально поясняют процессы ремонта и обслуживания изделия. ИЭТР наиболее востребованы применительно к сложным видам промышленной продукции. В самом деле, трудно и даже невозможно представить себе ремонт и обслуживание самолета или корабля без соответствующей технической документации. ИЭТР предназначены для решения следующих задач: обеспечение пользователя справочными материалами об устройстве и принципах работы изделия; обеспечение пользователя справочными материалами, необходимыми для эксплуатации изделия, выполнения регламентных работ и ремонта изделия; обеспечение пользователя информацией о технологии выполнения операций с изделием, о потребности в необходимых инструментах и материалах, о количестве и квалификации персонала; подготовка и реализация автоматизированного заказа материалов и запасных частей; планирование и учет проведения регламентных работ; обмен данными между потребителем и поставщиком. В качестве приложений к ИЭТР разрабатываются вопросы организации эксплуатации сложных технических объектов штатным обслуживающим персоналом, иллюстрируются алгоритмы действий конкретных операторов (в том числе при аварийных ситуациях и при ликвидации аварий).

Утилизация.

Когда срок службы сложного изделия окончен, оно должно быть подвергнуто утилизации, которая представляет собой регламентированный процесс. Этот процесс может быть обеспечен инструктивными материалами в форме ИЭТР, разработанными на основе использования 3D моделей.

Таким образом, 3D модели используются практически на всех этапах ЖЦИ. Однако роль 3D моделей наиболее велика на этапах проектирования и технологической подготовки производства изделий, которые можно объединить в этап конструкторско-технологической подготовки производства (КТПП). В последнее время все большее развитие получают средства виртуального моделирования производственных процессов, что дает возможность, за счет использования моделирования, существенно повысить эффективность производства новых изделий.