Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций

Компьютерное проектирование и подготовка производства сварных конструкций

С. А. Куркин, В. М. Ховов, Ю. Н. Аксенов, О. Г. Касаткин.

Ал-др С. Киселев, Алекс. С. Киселев, А. В. Коновалов, А. С. Куркин, Н. С. Куркин.

A. А. Легезо, В. Ф. Лукьянов, А. В. Лыков, Ю. Г. Людмирский, Э. Л. Макаров,

B. А. Марков, С. С. Мармузевич, А. П. Пашкевич, М. В. Солтавец, А. С. Супер

Замысел настоящего издания принадлежит профессору кафедры свар­ки МГТУ им. Н. Э. Баумана Сергею Александровичу Куркину. Быстрое раз­витие компьютерных технологий сопровождается значительными измене­ниями не только методик проектирования, но и самой логики решения от­дельных задач. В связи с этим ощущается острый недостаток литературы для студентов и специалистов, в которой был бы систематизирован и обоб­щен появляющийся опыт разработки и использования базовых и специали­зированных программных комплексов.

Диапазон проблем подготовки производства сварных конструкций весьма велик и включает в себя вопросы конструкционной прочности, ана­лиз физических и металлургических процессов в металлах при нагреве, плавлении и кристаллизации (технологическая прочность), разработку тех­нологической оснастки, проектирование сложнейших сварочных роботизи­рованных автоматических линий. По каждому направлению необходим не только ведущий специалист в своей области, но и разработчик наиболее эф­фективных компьютерных технологий и программных комплексов, уже ис­пользуемых промышленными предприятиями. Поэтому к работе по написа­нию отдельных разделов этого учебного пособия были привлечены ведущие специалисты по созданию программных средств. География представителей авторского коллектива учебного пособия оказалась весьма обширной. Это представители Москвы (МГТУ им. Н. Э. Баумана, МИИТ, АО «Буран», ин­ститут атомной энергии им. И. В. Курчатова), Минска (Белорусский госу­дарственный университет информатики и радиотехники, институт техниче­ской кибирнетики), Киева (ИЭС им. Е. О. Патона), Ростова-на Дону (кафедра сварки ДГУ, завод Ростсельмаш), специалисты крупнейших автозаводов ВАЗ, ГАЗ, ЗИЛ.

При работе над текстом рукописи основное внимание было сосредо­точено не только на описании отдельных программных комплексов, но и на принципах, постановке и практике решения конкретных задач сварочных технологий с использованием современных возможностей компьютерных систем. Тем более что новые уточненные версии программных комплексов появляются каждые 1—2 года, в то время как принципы решения задач яв­ляются гораздо более стабильными.

Материал учебного пособия распределился между гвтггдмн следую­щим образом:

глава 1 — А. П. Пашкевич (1.1-1.4), А. С. Супер (1.5): глава 2 — А. С. Куркин (2.1—2.4), Ю. Н. Аксенов (2.5), Алекс. С Киселев и Ал-др С. Киселев (2.6);

глава 3 — С. А. Куркин и В. Ф. Лукьянов (3.1), А. С. Куркин (5.2). В. Ф. Лукьянов (3.3—3.4);

глава 4 — Э. Л. Макаров, А. В. Коновалов, О. Г. Касаткин; глава 5 — В. М. Ховов, А. В. Лыков;

главы 6, 7 — С. С. Мармузевич, Н. С. Куркин, В. А. Марков, А. А. Леге - зо, А. С. Супер;

глава 8 — С. С. Мармузевич, В. А. Марков, А. А. Легезо (8.1, 8.2),

Н. С. Куркин (8.3), Ю. Г. Людмирский, В. Ф. Лукьянов, М. В. Солтовец (8.4, 8.5).

Методики и технологии, приведенные в настоящем учебном пособии, являются оригинальными разработками авторов издания, как правило, дове­денными до широкого практического использования с помощью работников исследовательских и производственных предприятий.

Авторы выражают благодарность за помощь и участие в работе

B. Г. Игнатову (ОКБ «Робот»), А. И. Акбулатову и В. И. Ломоносову (НПО Автоматики приборостроения), А. Г. Андрееву (Лаб. Робототехники МГТУ - Станкин), Н. И. Лобзину, С. М. Локшину, В. В. Голованову, В. А. Шашунькину (ОАО ГАЗ), В. Д. Шугаеву, В. И. Баранову, В. Г. Буракову (АО АВТОВАЗ), Г. А. Яркову, В. Г. Попову, Н. А. Зондбергу (АМО ЗИЛ), Е. П. Кукареко (Бе­лорусский государственныйц университет информатики и радиотехники),

C. В. Медведеву (Институт технической кибернетики, Минск), К. П. Турско­му (ИЭС им. Е. О. Патона).

В. М. Ховов

В настоящее время возможность подъема и расширения производства сварных конструкций в значительной мере связана с объединением в еди­ный непрерывный процесс этапов проектирования изделия и технологиче­ской подготовки производства. Хотя в общем виде эта идея высказывалась и даже реализовывалась давно, но лишь в условиях глобальной компьютери­зации инженерного и производственного труда она призвана радикально изменить традиционно сложившуюся ситуацию.

Опыт ведущих зарубежных фирм показывает, что многими своими успехами они обязаны развитию и реализации принципа, когда широкое применение компьютеров охватывает проектирование изделий, деталей и технологических процессов, программирование автоматически действую­щих устройств, планирование производства, изготовление, прием, хранение и перевозку материалов, деталей, узлов и изделий.

Для снижения затрат ресурсов и времени на проектирование и изго­товление сварной конструкции необходимо перейти от автоматизации про­ектирования отдельных работ или этапов к интегрированным системам, обеспечивающим целостную автоматизацию работ на протяжении всего жизненного цикла проектируемого объекта от технико-экономического обоснования и эскизного проектирования до автоматизации управления ра­ботой оборудования, а также перейти от автоматизации отдельных рабочих мест к автоматизации в масштабах всего проекта и предприятия и к распре­деленному проектированию и моделированию. При этом основными стано­вятся системы коммуникации и диспетчеризации всего проекта, которые должны отслеживать варианты и целостность проекта, последовательность и прохождение всех этапов, фиксировать исполнителей частей проекта и лиц, принявших решение на той или иной стадии проектирования и подго­товки производства.

Тесная интеграция этапов и общие базы данных делают возможным увеличение количества итерационных циклов и обратных связей, а также по­зволяет одновременно проектировать различные варианты с обоснованным выбором наилучшего, что приводит к уменьшению ошибок и их исправлению на более ранних этапах. Известно, что цена ошибки, не обнаруженной на на­чальных стадиях, в конце проектирования и подготовки производства возрас­тает многократно. Поэтому повышение качества принимаемых решений, уст­ранение ошибок на более ранних стадиях приводит к уменьшению затрат на последующих этапах, особенно на этапах внедрения и производства, и в ко­нечном счете к существенному удешевлению всего проекта.

Опыт работы с наиболее совершенными компью терными технология­ми показывает, что автоматизированные системы необходимо и выгодно проектировать с избыточными функциональными возможностями, опере­жающими потребности пользователей, а также следует предусмотреть воз­можность их модификации для решения задач, которые могут возникнуть при эксплуатации системы.

Целью настоящего учебного пособия является анализ проблем и из­ложение имеющегося опыта создания и использования автоматизированных систем решения задач сварочного производства. При этом показана общая концепция сквозного конструктивно-технологического проектирования на базе компьютерных технологий, а также даны описания и характеристики программных комплексов в качестве примера возможного и уже отработан­ного варианта решения отдельных конкретных задач.

Сразу же следует отметить две особенности рассматриваемых про­блем. Первая — это бурное развитие компьютерных технологий в последнее десятилетие и в связи с этим возможное разнообразие решений однотипных задач в разных организациях. Вторая особенность состоит в том, что боль­шинство задач решалось в отрыве от остальных процессов проектирования сварных конструкций и технологии, и только в последние годы, с появлени­ем достаточного опыта, значительных вычислительных ресурсов компью­терной техники и с повышением общей культуры использования форматов, баз данных и сетевых технологий обработки данных, отдельные подсистемы постепенно встраиваются в более мощные комплексные автоматизирован­ные системы.

На рис. В.1 приведена структурная схема последовательности автома­тизированного решения отдельных конструкторских и технологических за­дач сварочного производства. Такая последовательность близка к традици­онной, применявшейся при ручном проектировании, остается практически неизменной и определяется последовательностью формирования данных, получаемых на каждом отдельном этапе проектирования и необходимых для начала реализации последующего этапа. Однако принципиальным отли­чием и достоинством комплексной системы автоматизированного проекти­рования является расширение использования обратных связей с предыду­щими этапами в целях совершенствования показателей всего проекта.

Следует заметить, что обратные связи при проектировании и техноло­гической подготовке производства действовали и раньше, когда проблемы, возникавшие на отдельных этапах, устранялись при доработке предыдущих этапов. Однако эти доработки, связанные с необходимостью переделки уже

Рис. В.1. Взаимосвязь этапов проектирования, технологической подготовки, изготовления и эксплуатации сварной конструкции

завершенных и принятых этапов вместе с изменением часто обширной кон­структорской и технологической документации, являлись скорее досадной необходимостью, сопровождаемой незапланированными издержками вре­мени, материальными и другими затратами, чем естественным процессом комплексного проектирования.

В первых четырех главах рассмотрены принципы и методы моделиро­вания сварных конструкций и процессов, протекающих при их изготовлении и эксплуатации. В последующих главах изложены методики и дано описа­ние конкретных компьютерных программ, используемых при проектирова­нии конструкций и технологии изготовления. В последней главе приведены примеры успешной разработки автоматизированных участков сварочного производства.

Поскольку в основе потоков данных о сварной конструкции практически для всех отдельных подсистем лежат графические данные о деталях, в главе 1 рассмотрены компьютерные средства проектирования и графического модели­рования. В этой области за короткое время произошли существенные измене­ния, связанные с переходом при проектировании от плоского проекционного отображения деталей и узлов к трехмерному поверхностному и твердотельно­му моделированию. Формирование трехмерных образов позволяет резко уско­рить процесс проектирования, автоматически получать привычные плоские проекционные виды и стандартные чертежи, достаточно легко проверять соби­раемость и моделировать кинематические движения и связи.

В главе 2 рассмотрены принципы и приемы моделирования физиче­ских процессов в сварных конструкциях, таких, как протекание сварочного тока, распространение теплоты, диффузия примесей, образование деформа­ций и напряжений, появление и развитие дефектов. Из известных методов такого моделирования выбран наиболее гибкий и универсальный — метод конечных элементов (МКЭ). Кроме основных положений и возможностей самого метода приведено описание трех программных комплексов, создан­ных для решения различных задач сварочного производства.

Глава 3 содержит описание задач расчетного анализа прочностных и деформационных характеристик сварных конструкций. Здесь показаны не столько простые и стандартные методы и методики расчета прочности, сколько возможности использования более сложных методик расчета, кото­рые учитывают наличие констру кционных и технологических концентрато­ров напряжений и деформаций и позволяют моделировать работу и поведе­ние сварной конструкции вплоть до начала нестабильного развития разру­шения. Использование критерия предельной пластичности материала в сочетании с моделированием напряженно-деформированного состояния с помощью МКЭ практически снимает ограничения на сложность решаемых задач как по условиям нагружения, так и по геометрии и свойствам мате­риала. Это позволяет учитывать одновременно неоднородность механиче­ских свойств материала, форму и расположение концентраторов, темпера­турные и остаточные напряжения, т. е. все те факторы, что осложняют рас­четы на прочность сварных конструкций.

При определении ресурса проектируемой сварной конструкции в ус­ловиях переменного нагружения учет наличия концентраторов и дефектов осложняется многообразием взаимодействия факторов, имеющих случай­ный характер, что заставляет использовать вероятностные модели разрушения, построенные на основе метода статистического моделирования. Методика использования такого подхода и оценки ресурса оболочковых сварных кон­струкций при малоцикловом нагружении с использованием методов меха­ники разрушения также изложена в этой главе.

Глава 4 посвящена анализу технологических проблем сварки конст­рукционных низколегированных сталей и сплавов. При выборе оптималь­ных режимов сварки и оптимального состава сварочных материалов, а так­же при оценке интервала рассеяния свойств сварных соединений, связанных со случайными колебаниями технологических факторов, критерий опти­мальности является комплексным и содержит требования к различным свойствам металла (прочности, пластичности и ударной вязкости металла шва и околошовной зоны). Изложена расчетно-экспериментальная система, позволяющая находить оптимальные значения технологических факторов путем использования регрессионных моделей, полученных на основе обра­ботки значительного объема экспериментальных данных. Рассмотрена сис­тема компьютерного анализа свариваемости и технологии сварки конструк­ционных низколегированных сталей. Система использует полученные экспериментальные данные для анализа структурно-водородного и напря­женного состояния металла сварных соединений, а также для расчета конст­руктивно-технологических параметров процесса изготовления сварных конст­рукций, обеспечивающих как заданные механические свойства сварных со­единений, так и отсутствие холодных трещин.

Необходимость автоматизации проектирования технологии сборочно­сварочных операций назрела давно. Технологическая подготовка сварочного производства в общем объеме трудоемкости иногда занимает более 60 %, т. е., как правило, существенно превышает затраты на проектирование сварной конструкции. Для автоматизации проектирования технологии необходимо решить главную задачу — как наиболее эффективным способом воспользо­ваться мощной вычислительной техникой и программными средствами. Традиционные (ручные) методы проектирования технологии необходимо оптимизировать для машинного проектирования.

Технология выполнения сборочно-сварочных операций включает в себя десятки самостоятельных операций: установку и базирование загото­вок, прихватку, сварку, кантовку, доварку, различные виды зачистки шва и зоны сварки, правку, контроль, маркировку и др. Разработка технологии предусматривает выбор схем базирования, последовательности сборки, тех­нологической оснастки, элементов приспособлений, вспомогательного ин­струмента и материалов. Кроме того, при разработке технологии решается еще ряд отдельных задач:

• выбор сварочного оборудования;

• назначение параметров сварочного материала (марка и диаметр сва­рочной проволоки, марки и характеристики защитных газов и др.);

• назначение режимов сварки (скорость, ток, напряжение);

• назначение, как правило, разнообразных методов контроля в процес­се и после завершения сборочно-сварочных операций.

Даже из этого краткого анализа специфических особенностей техно­логии сборочно-сварочного производства становится очевидной сложность как ее формирования, так и в особенности автоматизации ее проектирования.

Подготовка сварочного производства имеет, во-первых, большой пе­речень решаемых задач, таких, как анализ сварной конструкции, разработка маршрутной и операционной технологии заготовительных и сборочно­сварочных операций, проектирование нестандартной специализированной оснастки и ее изготовление, проектирование отдельных автоматизирован­ных и роботизированных комплексов, проектирование автоматизированных технологических линий, изготовление, отладка и монтаж технологических линий. Во-вторых, по каждой задаче обрабатывается большое количество отдельных сварных узлов и подузлов. Большой объем работы еще увеличи­вается при доработке конструкции и технологии ее изготовления уже в про­цессе подготовки и отладки производства. Требование резкого сокращения трудоемкости дополняется и существенным повышением ответственности принимаемых решений, поскольку любые изменения на более поздних эта­пах непременно вызовут значительные финансовые издержки.

При традиционной технике и технологии выполнения подготовки производства, например в автомобильной промышленности, сроки работ ранее занимали до 10 лет и более. Конечно, такие сроки подготовки произ­водства абсолютно неприемлемы. В настоящее время имеются реальные возможности снижения трудоемкости и сокращения сроков работ, связан­ных с развитием компьютерной техники и технологии, примерно в 10 раз.

Вопросы автоматизации проектирования технологии сборочно-сва­рочного производства рассмотрены в главе 5. Здесь большое внимание уделено формированию и представлению исходных данных, организации и взаимосвязи баз данных и пользовательскому интерфейсу для удобной и производительной работы сварщиков-технологов по формированию маршрутной и операционной технологии изг отовления узлов сложных сварных конструкций.

В главе 6 рассмотрены технологии автоматизированного проектиро­вания сборочно-сварочных приспособлений. Проектирование и изготовле­ние сварочной оснастки — один из наиболее важных этапов организации сварочного производства. Помимо высокой трудоемкости этого этапа, он часто имеет определяющее значение для обеспечения точности конструк­ций, производительности и автоматизации действующего производства.

Последовательность традиционного проектирования сборочно-свароч­ных приспособлений обычно сводится к следующим этапам:

1) определение рационального порядка установки деталей и наложе­ния сварных швов;

2) выбор базовых элементов и поверхностей;

3) выбор типа опорных и зажимных элементов;

4) разработка компоновочной схемы приспособления (в упрощенном виде на стандартных проекциях);

5) проектирование приспособления по компоновочным схемам.

Сравнение вариантов традиционными способами не приводило к вы­бору наилучшего, и к окончательному оформлению принимался либо пер­вый прорабатываемый конструктором вариант, либо аналогичный имеюще­муся на данном предприятии. Лишь с использованием информационных технологий положение меняется.

За рубежом автоматизация проектирования сварочной оснастки раз­рабатывается с применением весьма дорогих универсальных и специализи­рованных программных систем на базе рабочих станций. Поиск более деше­вых подходов без ущерба их технологическим возможностям привел к соз­данию фирмой «Буран» (Россия) системы, использующей визуальное моделирование взаимодействия между объемными моделями сварного узла, сварочного инструмента, робота и сборочно-сварочного приспособления. Однажды введенное описание 3 D-образа сварного узла многократно ис­пользуется технологами и конструкторами по оснастке для решения необ­ходимых задач увязки конструкции узла и технологии его изготовления, а также автономного программирования промышленного робота.

Главы 7 и 8 посвящены применению роботов в сварочном производ­стве, автоматизации проекгирования роботизированных сварочных техно­логических комплексов и изложению опыта применения роботов в машино­строительном производстве и автомобилестроении. Создание роботизиро­ванных линий и бурный рост производительности вычислительной техники привели к появлению систем разработки сварочной технологии, основанных на моделировании процессов работы технологического оборудования в ре­альном режиме времени.

В настоящее время более трети от общего числа промышленных роботов используются для сварки изделий в автомобильной промышлен­ности. Первоначально область их применения ограничивалась точечной контактной сваркой, но постепенно они стали использоваться и при ду­говой сварке. Роботизированные комплексы дуговой сварки применяются во многих отраслях промышленности. Наиболее широко их применяют при производстве крупногабаритных конструкций: кузовов тяжелых гру­зовых автомобилей, сельскохозяйственных машин, судов, железнодо­рожных вагонов и т. д.

Опыт эксплуатации роботизированных технологических комплексов сварки показывает, что применение роботов существенно повышает качест­во продукции, производительность и технологическую гибкость производ­ства. Разработка методов автоматизированного проектирования роботизи­рованных технологических комплексов сварки представляет собой актуаль­ную научно-техническую задачу. В западном компьютерно-интегрирован­ном производстве широко применяют универсальные системы автоматизи­рованного проектирования, включающие в себя множество разнообразных программ-приложений, обеспечивающих решение практически всех про­блем подготовки современного сварочного производства. Однако высокая стоимость таких программных продуктов пока практически исключает воз­можность их широкого применения в России. Использование относительно дешевых персональных компьютеров и популярной графической системы Autocad более доступно как в России, так и за рубежом для мелких и сред­них фирм. Возможности персональных машин и программного обеспечения для них в настоящее время вплотную приближаются к возможностям мощ­ных рабочих станций. Гру ппой российских специалистов создан пакет про­грамм РОБОМАКС, предназначенный для конструирования, моделирования и компьютерного программирования роботизированных комплексов и авто­матических линий дуговой и контактной точечной сварки на базе промыш­ленных роботов. Этот комплекс реализован на базе массовых и дешевых моделей компьютерной техники.

В главе 7 дано описание использования пакета программ РОБОМАКС при автоматизированном проектировании роботизированного сварочного производства. Рассматривается ряд последовательных этапов: принятие предварительных конструктивно-технологических решений, проектирова­ние сварочного инструмента, выбор компонентов РТК, разработка компо­новки РТК, его обучение и off-line-программирование. Задача проектирова­ния РТК имеет множество вариантов решения. Программный комплекс ис­пользует визуализацию процессов и результатов проектирования, отображая все движения робота, манипулятора и сварочного инструмента на экране монитора.

Опыт разработки роботизированных сварочных производств еще не­велик. Тем не менее необходимость его обобщения и освоения не вызывает сомнений. С этой целью в главе 8 изложен опыт компьютеризированного проектирования и моделирования работы сварочных РТК на примере авто­мобильной промышленности, а также опыт проектирования и применения роботизированной дуговой сварки при серийном изготовлении крупногаба­ритных сварных узлов изделий сельскохозяйственного машиностроения, имеющих малую пространственную жесткость. Опыт создания и эксплуата­ции РТК свидетельствует о широких возможностях роботизированной дуго­вой сварки в обеспечении выпуска сложных сварных узлов, удовлетворяю­щих требованиям как по точности заданных размеров и конструктивных форм, так и по качеству выполняемых сварных соединений.

На базе приведенных в отдельных главах книги материалов возможна постановка специальных лабораторных работ, которые могут быть полезны как при подготовке студентов, так и при переподготовке специалистов про­мышленных предприятий.