Когда проект готов, конструктор должен удостовериться, что он обеспечивает выполнение всех функций, которые изначально предполагались. Простая функциональная оценка может включать проверку практичности сборки, кинематических и аэродинамических характеристик.
Ниже приведен перечень технологии производства, в которых в качестве шаблонов можно использовать прототипы, созданные методом быстрого прототнпирования:
□ вулканизацнонное литье из силикона при комнатной температуре;
□ вакуумное литье;
□ формовое блочное литье;
□ аэрозольное металлическое литье;
□ литьевое прессование пластмасс;
□ литье в песчаные формы из алюминия и черных металлов;
□ литье по выплавляемым моделям;
□ инструменты для электроэрознонпой обработки.
Какая из технологий окажется наиболее выгодной, зависит от размеров и геометрии прототипа, типа материала функционального компонента, требуемой точности и количества компонентов, которые необходимо изготовить.
ЛЕКЦИЯ 13
Виртуальная инженерия
Виртуальная инженерия (virtual engineering) — это имитационный метод, помогающий инженерам в принятии решений и управлении. Виртуальная среда представляет собой вычислительную структуру, позволяющую точно имитировать геометрические и физические свойства реальных систем. Виртуальная инженерия включает имитацию различных видов инженерной деятельности, таких как машинная обработка, сборка, управление производственными линиями, осмотр и оценка, а также процесс проектирования. Таким образом, виртуальная инженерия может охватывать весь цикл разработки и производства продукта. После того как смоделирована деталь, имитируется ее машинная обработка и сборка. Затем, также с помощью имитации, собранный прототип тестируется, и в его конструкцию вносятся необходимые изменения. Когда прототип одобрен, имитируется производственная система и ее функционирование. Прогнозируются также себестоимость и график поставок. В результате этих имитаций получается оптимизированный конечный прототип и производственные процедуры, на основе которых затем реализуется физическая система.
Виртуальная инженерия дает совершенно новый подход к инженерным задачам. Использовании имитации устранит необходимость в дорогостоящих физических прототипах и физических экспериментах. Время разработки коренным образом сократится, появится возможность проверить большее количество альтернативных вариантов конструкции, повысится качество конечного продукта. Виртуальная инженерия обеспечит также превосходный интерфейс для клиента, позволяя ему заранее увидеть трехмерную модель продукта и запросить конструктивные изменения. Можно будет построить прототип продукта, который недоступен, слишком опасен или слишком дорог для того, чтобы создавать его в реальности. Такая возможность будет неоценима в горной промышленности, где физические макеты стоят дорого, время разработки велико, продукты крайне сложны и требуется глубокая обратная связь от клиентов.
Компоненты виртуальной инженерии
Основным компонентом виртуальной инженерии является виртуальное производство. Виртуальное производство (virtual manufacturing) определяется как интегрированная синтетическая производственная среда, используемая для расширения всех уровней принятия решений и управления. Оно может быть классифицировано как проектно-ориентированное, производственно-ориентированное и управленчески-ориентированное.
Проектно-ориентированное виртуальное производство - это имитационная среда для проектирования продукта и оценки возможности его производства.
Производственно-ориентированное виртуальное производство - это имитационная среда для планирования технологических процессов производства.
Управленчески-ориентированное виртуальное производство - то имитационная среда для моделирования функционирования производственного цеха.
Виртуальное производство можно также классифицировать в терминах жизненного цикла продукта как виртуальное проектирование, цифровую имитацию, виртуальное прототипирование и виртуальный завод.
Виртуальное проектирование выполняется с помощью устройств виртуальной реальности.
Цифровая имитация позволяет проверять и оценивать работу продукта без использования физических прототипов.
В процессе виртуального прототипирования строится компьютерный прототип, имеющий ту же геометрию и физическое поведение, что и реальный продукт.
Виртуальный завод — это имитация заводской производственной линии.
Виртуальное проектирование
Виртуальное проектирование выполняется в виртуальной среде с использованием технологий виртуальной реальности. Используя технологии виртуальной реальности, конструкторы могут погрузиться в виртуальную среду, создавать компоненты, модифицировать их, управлять различными устройствами и взаимодействовать с виртуальными объектами в процессе конструкторской деятельности. Конструкторы могут видеть стереоскопическое изображение виртуальных объектов и слышать пространственный реалистичный звук. Эти изображение и звук возникают, когда рука конструктора движет виртуальной рукой и пальцем. Прикосновение к виртуальному объекту ощущается конструктором в виде обратной связи. Тем самым замысел конструктора эффективно воплощается в проекте и проверяется функциональное поведение конструкции.
Цифровая имитация
Проверка процесса — одна из наиболее важных целей цифровой имитации. Машинные операции необходимо тщательно проверить, прежде чем начинать реальную работу. Если в управляющем коде имеется ошибка, это может привести к серьезной поломке станка. Используя цифровую имитацию, пользователь перед началом работы может проверить траекторию перемещения инструмента станка с ЧПУ, щупа координатно-измерительной машины или руки робота. Например, процессом машинной обработки можно управлять графически, как если бы это делалось на реальном станке: виртуальный станок с ЧПУ, читая стандартные инструкции, будет выполнять всю обработку в реальном времени, включая перемещение инструментов, принадлежностей, укладчиков и деталей. Непрерывный контроль за снятием материала позволяет пользователю выявить ситуации, приводящие к вибрации и поломке инструмента. С помощью имитации пользователь может также спрогнозировать столкновения между инструментом и приспособлением или деталью.
Виртуальное прототипирование
Виртуалънъм прототипировапием (virtual prototyping) называют построение прототипа агрегата из геометрических моделей его отдельных частей. Виртуальный прототип называют иногда цифровым макетом, предварительной цифровой сборкой.Системы цифрового прототипирования позволяют визуализировать процесс сборки и проверять осуществимость предлагаемых агрегатов в рамках имеющихся производственных мредств.
Основная функция виртуального прототипирования заключается в проверке осуществимости операции сборки. Система проверяет сопряжение деталей в контексте сборочных ограничений и требований к допускам. Функции обнаружения столкновений указывают на мешающие друг другу детали. Проверяется также последовательность сборки и траектории движения деталей. Кроме того, можно определить оптимальные траектории сборки. Передовые системы позволяют также проводить структурный и функциональный анализ виртуального прототипа, используя встроенное аналитическое программное обеспечение. Часто выполняется кинематическая и динамическая имитация прототипа.
Идеальная ситуация будет достигнута тогда, когда виртуальный прототип будет иметь всю совокупность характеристик физического прототипа. Таким образом, в конце концов виртуальное прототипирование устранит необходимость в дорогих и трудоемких физических прототипах.
Виртуальный завод
Виртуальный завод (virtual factory) — это смоделированная на компьютере полная производственная система. Виртуальный завод имитирует конструкции производственных участков, производственные процессы и складские системы. Кроме того, для него можно программировать автоматизированное заводское оборудование — роботы, конвейеры и станки. Система моделирует и имитирует такие компоненты, как конвейеры, накопители, доки, производственные участки и процессы. Кроме того, система моделирует процедуры — маршруты, последовательности и слияния. После этого модель производства анализируется в терминах затрат на рабочую силу, инвентаризации, эксплуатационных расходов, затрат на обработку и длительностей цикла.
Эти возможности позволяют использовать виртуальный завод для планирования производства, включая оценку проектов производственных систем и сравнение альтернативных способов производства.
Оценка возможности производства
Виртуальная инженерия позволяет оценивать возможность производства различных вариантов конструкции. Такая оценка дает информацию о длительности обработки, времени цикла, затратах и качестве продукта. Она позволяет также прогнозировать время подготовки к работе, время выполнения и затраты на рабочую силу. Разумеется, для такого рода оценок требуются исчерпывающие модели производственного процесса. Требуется принять решение, подходит ли данная конструкция для производства. Можно сделать также качественную оценку возможности производства, позволяющую охарактеризовать простоту производства. Если данная конструкция не подходит для производства, можно выявить, исследовать и необходимым образом изменить атрибуты конструкции, являющиеся причиной затруднений.
Оценка и контроль качества
Имитация тестирования и процесса эксплуатации позволяет оценить сборку или эксплуатационные характеристики продукта. Имитация процесса эксплуатации позволяет выполнить ряд статистических тестов на модели для определения ее чувствительности к конструктивным и производственным изменениям. Затем можно определить индекс качества по отношению к возможности выполнения определенного процесса или конструктивному допуску. Это дает оценку качества до начала реального производства.
В процессе оценки качества определяются также основные факторы, влияющие на него. Имея эту информацию, можно усовершенствовать конструкцию, модифицируя те факторы, которые были идентифицированы как ухудшающие качество. Кроме того, качество продукта можно повысить, улучшив производственное оборудование. Так как интерактивный процесс проектирования является менее строгим при использовании виртуальной системы, можно исследовать весь спектр альтернативных вариантов конструкции для нахождения оптимума. Оценка возможности производства и оптимизация конструкции позволяют организовывать реальный производственный процесс наиболее эффективным способом. Эти процедуры приводят к созданию лучше спроектированного и изготовленного продукта с минимальным количеством дефектов.
Оценка и оптимизация производственного процесса
Цифровая имитация позволяет проверять операции обработки на станке с ЧПУ, действия роботов и траектории измерений с помощью координатно-измерительной машины до начала реального производства. Траектория движения инструмента, руки робота или щупа, заданные в плане процесса, визуализируются и оцениваются по результатам имитации. При имитации можно выявить и предотвратить потенциальные столкновения и другие ошибки. В качестве альтернативы можно автоматически определить траекторию движения без столкновений, тем самым избежав дорогостоящих повреждений, которые могут возникнуть в реальном процессе.
Помимо общей оценки процесса, оценка ключевых его элементов позволяет оптимально спланировать процесс. К ключевым элементам относятся закрепление детали, подача деталей, обработка компонентов и перемещения в процессе обработки.
Коллективная разработка
Виртуальная инженерия обеспечивает основу для коллективной разработки. Инженеры и конструкторы, работающие над одним и тем же проектом, могут легко делиться друг с другом данными о продукте в цифровом виде. Используя общие виртуальные среды, инженеры, находящиеся далеко друг от друга, могут совместно и одновременно изучать цифровой прототип. Они могут работать параллельно в контексте общих производственных требований. Кроме того, эти среды позволяют инженерам и конструкторам получить более глубокое представление о продукте, повысить его качество, сократить интервал до выхода продукта на рынок и с самого начала обеспечить правильность конструкции, снизив потребность в дорогостоящих переделках на более поздних стадиях процесса.
Аппаратура
Виртуальная инженерия — чисто программная технология, и поэтому сама по себе не требует какого-либо специального оборудования. Однако для взаимодействия с пользователем необходимо оборудование виртуальной реальности. Это оборудование включает в себя как устройства ввода, так и устройства вывода. Устройства вывода дают пользователю ощущения от виртуальной среды. Поскольку самый эффективный способ сенсорного восприятия — это зрение, главными компонентами систем виртуальной реальности являются устройства отображения. Эти устройства должны обеспечивать пользователю стереоскопический обзор.
Головной дисплей — это устройство отображения с полным погружением. Шлем полностью закрывает глаза и позволяет смотреть только прямо перед собой. Небольшой экран, смонтированный перед глазом пользователя, дает стереоскопическое изображение. Прибор имеет встроенную следящую систему, благодаря которой изображение на дисплее меняется при изменении положения иориентации головы пользователя.
Бинокулярные всенаправленные мониторы - это механическая версия головного дисплея. Они состоят из дисплейной коробки, которая сбалансирована по весу на многозвенной стреле. Пользователь смотрит на дисплей, а движение его головы отслеживается через систему механических звеньев. Основным преимуществом бинокулярных всенаправленных мониторов перед головными дисплеями является быстрое и точное слежение.
Дисплеи пространственного погружения. В дисплеях пространственного погружения используется панорамный видеоэкран, окружающий пользователя, так что пользователь чувствует себя погруженным в виртуальную среду. Дисплеи пространственного погружения обеспечивают большое поле зрения и свободу передвижения в виртуальной среде.
Шторные очки - это недорогое устройство отображения. Пользователь надевает устройство, напоминающее очки, которое попеременно закрывает обзор то одному, то другому глазу. Монитор или другое устройство отображения, синхронизированное с очками, имеет в два раза большую частоту обновления и попеременно показывает картинку для левого и для правого глаза. В результате на экране монитора пользователь видит стереоскопическое изображение. Данное устройство может использоваться вместе с выпускаемыми в настоящий момент дисплеями, поэтому оно экономически выгодно. Однако оно обеспечивает недостаточное погружение для того, чтобы пользователь увидел реальную среду, так как поле зрения ограничено размерами монитора.
Устройство осязания дает ощущение физического прикосновения. Такое устройство позволяет пользователям почувствовать реальный объект через систему силовой обратной связи, создающую иллюзию работы с реальным материалом. Примером устройства осязания является джойстик с силовой обратной связью, через который пользователь ощущает силу реакции на рабочей руке. Более передовым типом устройства осязания является экзоскелет — сложная система механических звеньев, окружающая всю руку и палец, так что каждый палец и сустав независимо получают силовую обратную связь. Он объединяет в себе информационную перчатку и устройство осязания.
Следящие устройства используют электромагнитную, ультразвуковую, оптическую или механическую систему для определения положения и ориентации отслеживаемого объекта. Следящее устройство может быть встроено в головной дисплей для отслеживания направления взгляда и положения головы или в информационную перчатку — для отслеживания положения руки.
Информационная перчатка имеет на каждом суставе пальцев руки датчики, измеряющие изгиб пальца. Положение руки в целом определяется следящей системой, прикрепленной к перчатке. Обычно информация, получаемая с перчатки, преобразуется в виртуальной среде обратно в изображение, форма и положение которого динамически изменяются, следуя за движениями руки пользователя.
Примеры промышленного применения виртуальной инженерии
Самолет Boeing 777 - это первый коммерческий самолет, успешно спроектированный безбумажным методом. Компания Boeing использовала CAD-систему CATIA Перед сборкой первого самолета не было изготовлено ни одного физического прототипа, кроме макета носовой части (для проверки критической проводки). Виртуальное прототипирование было настолько успешным, что несоосность при монтаже левого крыла составила всего 0,03 мм.
Дизайн интерьера салона автомобиля фирмы Chrysler.
Проектирование кораблей для Королевского военно-морского флота Великобритании. С помощью программы ENVISION Имитация включала движение корабля (с шестью степенями свободы) и его влияние на работающее оборудование, людей на борту и условия освещения в каютах.
Программные продукты
Программа ADAMS от Mechanical Dynamics - это программный пакет для имитации и анализа автомобилей. В отличие от других программных пакетов, ориентированных главным образом на кинематическую имитацию, эта программа точно реализует динамическую имитацию.
Программное обеспечение Deneb Robotics производит программы виртуального проектирования, виртуального прототипирования и имитации производственных участков и заводов. Возможные виды имитации включают визуализацию, обнаружение столкновений и оценку длительности производственного цикла. Компанией выпускаются следующие программные продукты: ENVISION (виртуальное проектирование и прототипирование), IGRIP (проектирование роботов и планирование движения) и ERGO (имитация и анализ эргономики и человеческого фактора). Имеется модуль имитации дискретных событий QUEST, с помощью которого можно имитировать заводскую линию. Кроме того, имеется модуль VirtualNC для имитации станков с ЧПУ.
Программное обеспечение Engineering Animations. VisMockUp — это программа виртуального прототипирования от Engineering Animations, делающая упор на трехмерную визуализацию. Пользователи могут исследовать сборку и детали компонентов с помощью различных средств визуализации. Аналитические функции включают обнаружение помех и столкновений.
Программное обеспечение SILMA. Компания SILMA производит серию модулей виртуальной инженерии. SoftAssembly обеспечивает имитацию последовательности сборки, запись оптимальной траектории и визуализацию. Столкновения выявляются в процессе имитации последовательности сборки. SoftMachine — это модуль для имитации обработки на станке с ЧПУ. CimStation Robotics — это модуль имитации роботизированного производственного участка.
Программное обеспечение Prosolvia. Prosolvia выпускает линейку модулей виртуального прототипирования и визуализации под названием Oxygen. Oxygen Assembly — это модуль виртуального проектирования и прототипирования, с помощью которого пользователи могут имитировать ручную сборку в виртуальной среде для обзора и анализа последовательности сборки. Oxygen Showroom позволяет рассматривать и оценивать варианты конструкции продукта в реалистичной и интерактивной среде. Oxygen MMI имитирует эргономический анализ, посредством которого пользователь может проверить расстояния, доступность, обзор и комфорт. Oxygen Sketchmap преобразует двумерные рисунки в трехмерные модели, которые могут использоваться в виртуальной среде.