С проблемами, обусловленными несоответствием фактической формы заготовки с ее теоретической CAD-моделью, столкнулись специалисты Ижевского завода штампов и пресс-форм «ИжРЭСТ» (http://izhrest-ru.all.biz). Габаритные размеры заготовок (рис. 1) составляли более 1200х900х500 мм, а время обработки формообразующих поверхностей на станке с ЧПУ превышало 200 часов. В процессе обработки заготовок из жаропрочных сплавов марок ЭП‑202 и ЖС6‑У наблюдался повышенный износ режущего инструмента, вызванный неравномерностью припуска обрабатываемого материала, а также была отмечена низкая эффективность управляющих программ из-за многочисленных проходов инструмента на рабочих подачах вне зоны контакта с заготовкой.

Рис. 1. Жаропрочные заготовки штамповой оснастки, обрабатываемые на станках с ЧПУ.
 

Рис. 2. Облако точек одной из сканированных заготовок (слева) и соответствующая ей теоретическая CAD-модель.

Для поиска возможных методов повышения эффективности обработки пресс-форм заводом «ИжРЭСТ» к выполнению проекта были привлечены сотрудники ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М. Т. Калашникова» (в рамках хоздоговорных работ). Данный университет располагает не только квалифицированными кадрами, но и необходимым оборудованием и программным обеспечением.

Для построения фактической 3D-модели заготовки предприятию было предложено использовать метод реверсивного инжиниринга, реализуемый при помощи CAD-системы PowerSHAPE Pro (разработка компании Delcam, www.delcam.com). Оцифровка физического прототипа может выполняться при помощи различных координатно-измерительных машин и 3D-сканеров. На основе сканированных точек строится точная фактическая CAD-модель заготовки, которая впоследствии используется наравне с 3D-моделью готового изделия для разработки управляющих программ для станка с ЧПУ. Это позволяет равномерно распределить припуск на обработку и минимизировать «резание воздуха», благодаря чему значительно сокращается время обработки на станке с ЧПУ.

Учитывая сложную форму и большие габариты заготовок, их сканирование решено было осуществлять непосредственно на предприятии заказчика посредством портативной координатно-измерительной машины (КИМ) СimСore INFINITE 2.0, оснащённой лазерным сканером ScanWorks. С её помощью было произведено 3D-сканирование трёх заготовок. Процесс сканирования осуществлялся в несколько переустановов КИМ, необходимых для доступа к элементам изделия со всех сторон. В итоге, для каждой заготовки было получено до шести файлов, описывающих ее форму при помощи облаков сканированных точек в различных системах координат.

Затем при помощи CAI-системы PowerINSPECT (также разработка Delcam) файлы были объединены в единую систему координат. На рис. 2 представлен результат сканирования в виде облаков точек (слева) и теоретическая CAD-модель заготовки, построенная по конструкторской документации. После обработки в PowerSHAPE Pro сканированных данных (удаления лишних и заведомо ошибочных точек, прореживания и сглаживания поверхностей) были построены триангулированные 3D-модели фактических заготовок (рис. 3).

Рис. 3. Примеры триангулированной 3D-модели заготовки.

Для того чтобы полученные 3D-модели фактических заготовок можно было использовать в применяемой на предприятии CAM-системе, в PowerSHAPE Pro также потребовалось создать на основе триангулированных поверхностей традиционные твердотельные CAD-модели заготовок с точным математическим описанием (рис. 4). Кроме того, были построены вспомогательные плоскости, служащие для базирования теоретической CAD-модели детали относительно фактической заготовки.

Рис. 4. Твердотельная CAD-модель одной из заготовок.
 

После построения твердотельных CAD-моделей реальных заготовок было выполнено совмещение каждой CAD-модели теоретической детали с моделью реальной заготовки исходя из условия обеспечения максимально равномерного припуска на обработку (рис. 5).

Рис. 5. Процесс совмещения CAD-модели теоретической детали с моделью реальной заготовки для достижения равномерного распределения припуска.
 

PowerSHAPE Pro является самостоятельной независимой CAD-системой, способной интегрироваться с другими компонентами комплексного CAD/CAM/CAI-решения от компании Delcam, предназначенного для конструктивно-технологической подготовки производства. Основное предназначение PowerSHAPE Pro — создание качественной CAD-модели, пригодной для последующей разработки на ее основе эффективных управляющих программ для станков с ЧПУ. Программа PowerSHAPE Pro позволяет одновременно оперировать в едином геометрическом пространстве 3D-модели с твердыми телами (традиционное твердотельное моделирование), поверхностями с точным математическим описанием (поверхностное моделирование и прямое редактирование), триангулированными сетками (фасетное моделирование) и облаками сканированных 3D-точек. В большинстве конкурирующих гибридных CAD-систем реализовано лишь поверхностное и твердотельное моделирование, а триангулированные сетки и облака 3D-точек если и могут быть визуализированы, то их нельзя взять за основу для построения CAD-модели. Способность PowerSHAPE Pro эффективно обрабатывать сканированные облака точек позволяет избежать необходимости многократной передачи 3D-данных между различными программами (модулями) и значительно повысить эффективность работы.

Применение реализованных в ПО Delcam средств реверсивного инжиниринга позволило в сжатые сроки успешно решить задачу построения твердотельных CAD-моделей фактических заготовок. Это, в свою очередь, дало возможность программистам-технологам равномерно распределить припуск на обработку и точно задать границы зон гарантированно безопасных перемещений инструмента на ускоренных подачах. Благодаря проделанной работе существенно повысилась эффективность управляющих программ и снизилась вероятность поломки инструмента и оборудования.

Алексей Гертрудович Бажин
Иван Андреевич Печёнкин
Владимир Юрьевич Пузанов
Ижевский государственный технический университет г. Ижевск, Россия