Автоматизация технологической подготовки производства авиационных конструкций из полимерных композиционных материалов

Аннотация: приведены результаты прикладного исследования эффективности применения лазерных технологий в процессах автоматизации технологической подготовки серийного производства авиаконструкций из полимерных композиционных материалов. 

В настоящее время для выкладки деталей из композиционного материала (далее – КМ) используется следующая технология: на спецоснастку, имеющую вмонтированную вакуумную систему, устанавливают шаблон по базам, производят разметку границ слоя, снимают шаблон, размечают направление слоя по линейке ±45º, укладывают слой, обрезают по линии разметки, прикатывают слой [1].

Для указанных операций технологического процесса требуется оснастка, шаблон, линейка, ножницы для раскроя, рулон стеклоткани, рулон углеродной ленты, рулон облицовочной ткани.

Такая технология имеет ряд недостатков:

1. Низкий коэффициент использования материала (далее – КИМ);
2. Неточная укладка слоев;
3. Высокая трудоемкость, низкая скорость выполнения работ;
4. Высокие требования к квалификации рабочего персонала;
5. Вредность производства узлов и агрегатов из КМ.

С целью оптимизации перечисленных показателей и повышения уровня качества всего процесса подготовки производства авиационных изделий из КМ была проанализирована технология, основанная на лазерном проецировании выкладываемых контуров материала на оснастку, с использованием современной системы «CAD-PRO» (рис. 1).

 

Рис. 1. Вид лазерной проекционной системы:

1 – первый лазерный проектор; 2 – второй лазерный проектор; 3 – распределительный шкаф со шлюзом Ethernet/RS485; 4 – ПК с «PRO-SOFT»; 5 – плоскость проекции; 6 – проекция второго лазерного проектора; 7 – проекция первого лазерного проектора.

При помощи проецированных контуров пользователь получает возможность точного позиционирования заготовок и материалов на плоскости проекции.

Оператор управляет проекционной системой, используя интерфейс управления и дистанционное управление на инфракрасных лучах (рис. 2).

Рис. 2. Совмещение материала с соответствующим контуром проецирования

При этом, сам технологический маршрут довольно простой и состоит из установочной операции, калибровки проекционной системы, запуска файла проецирования, выкладки и прикатки слоя (табл. 1).

Такой технологический процесс позволяет обеспечить высокую повторяемость деталей из полимерных композиционных материалов (далее – ПКМ), уменьшение вредности производства, увеличение коэффициента использования материала. Но необходима серьезная конструкторская проработка электронной модели детали и составление технологических электронных моделей (далее – ТХЭМ) изделия, слоев ПКМ и оснастки для выкладки этих слоев. Все эти процессы выполняются посредством прикладной компьютерной системы Fibersim, интегрированной с системами СAD высокого уровня – Creo Elements/Pro, Siemens NX и CATIA [2, 3, 4]. Являясь комплексным решением, Fibersim охватывает большинство задач, связанных с проектированием и производством изделий из ПКМ.

Таблица 1

 

Для работы с ПО Fibersim необходим начальный файл NX, в котором должны находиться (рис. 3):

1. Поверхность начала выкладки детали;
2. Точка (или точки) начала выкладки, заданная в чертеже детали;
3. Нулевое направление, заданное в чертеже детали;
4. Конструкторская граница детали (выделена желтым цветом);
5. Технологическая граница детали (выделена белым цветом);
6. Линии сбега слоев (выделены синим цветом);
7. Линии для создания сечений, выполненные с целью проверки правильности создания пакета детали (выделены голубым цветом). Весь последующий необходимый конструкторско-технологический анализ проводится с использованием модулей NX [2, 3].

Рис. 3. Электронная модель детали под программное обеспечение Fibersim

На этапе создания электронной модели слоев изделия определяется метод их формирования. Послойный метод применяется для производства несложных деталей (в авиастроении это закрылки, элероны и др.), для чего задействуется модуль Fibersim под названием CEE (Composite Engineering Environment – это среда проектирования изделий из КМ). Для сложных изделий (например, отсеков фюзеляжа или панелей крыла) используются методы зонного или структурного проектирования с помощью модуля Fibersim ACEE (Advanced Composite Engineering Environment). Для того чтобы начать создавать электронную модель каждого слоя детали необходимо в первую очередь создать пакет (Laminate), в котором нужно указать материал слоев, конструкторскую и технологическую границы, точку начала координат и нулевое направление, задать систему координат для данного пакета. При этом изделие может состоять из нескольких «ламинатов». Выполняется сортировка слоев КМ (рис. 4) и контролируется правильность сечений изделия по отдельным зонам (рис. 5). Если все выполнено правильно, то можно переходить к созданию ТХЭМ каждого слоя.

Рис. 4. Сортировка слоев КМ 

Рис. 5. Контроль правильности сечений КМ

При создании ТХЭМ, в зависимости от метода производства изделия (ручная выкладка, формование, выкладка ленты) осуществляется послойный анализ материала на возможные деформации. Если обнаружены излишки материала (гофр), то применяется команда «Надрез», если недопустимый натяг – «Вырез» с формированием слоя с заплатой. Состав слоев приводится в соответствие с шириной используемого материала, выполняются необходимые геометрические построения и расчеты (рис. 6), могут быть введены те или иные технологические припуски.

Рис. 6. Деформационный анализ ТХЭМ – слоя КМ

При разделении ТХЭМ слоя по ширине КМ задается смещение линий соприкосновения материала относительно друг друга (послойно), и окончательно формируются ТХЭМ всех слоев. По завершении формирования слоев пользователь получает исчерпывающие, ассоциативно связанные с исходной геометрией трехмерные данные об изделии – набор автоматически формируемых послойных разверток материала (рис. 7). Развитый интерфейс позволяет применять их для различных целей, например:

• вывести в виде конструкторской документации, например, послойного альбома эскиза слоев;
• отправить в файле формата DXF в виде исходных данных для раскроя материала на раскройных станках с ЧПУ;
• указав реперные точки, отправить информацию на лазерный проектор для точного обозначения контуров мест укладки выкроек.

Рис. 7. Формирование послойных разверток материала

Далее, по данным, подготовленным в Fibersim, на установке Zund 3GL-2500 производится раскрой КМ-материала: рабочему остается только совместить раскроенные ленты с подсвечиваемыми лучом границами слоев.

Для обеспечения высокого качества и низкой стоимости изделия необходима повторяемость производственного процесса, обеспечиваемая путем комплексной автоматизации технологических процессов. При ручной выкладке это можно обеспечить за счет исключения ручного создания и оцифровки шаблонов слоев, применения лазерных проекторов, формирования однозначной конструкторской и технологической документации с использованием ПО Fibersim. В процессе выкладки для точного позиционирования оснастки (рис. 8) относительно лазерного проектора, проекционной системе необходимы опорные точки. Физически опорные точки реализованы в форме оптических мишеней, которые вставляются в отверстия технологической оснастки. Позиции этих мишеней должны быть увязаны с точками в рабочем файле для лазерного проектора.

Рис. 8. Лазерные проекции слоев КМ в цехе выкладки

Для привязки проекций слоев КМ к оснастке необходимо в файле проекций проставить как минимум 6 калибровочных точек за пределами технологического припуска на изделие на дистанции 20 мм от выкладки. Для этого предварительно выполняется доработка чертежа оснастки (рис. 9). На основе этого чертежа создается или дорабатывается ТХЭМ приспособления и оснастки. Такова на сегодняшний день технология проектирования оснастки.

Рис. 9. Формирование зон отверстий на чертеже оснастки

Оснастка изготавливается по ТХЭМ вместе с отверстиями под мишени (рис. 10).

 

Рис. 10. Оснастка с установленными в отверстия мишенями

При создании ТХЭМ оснастки необходимо в нее вводить не только отверстия под мишени, но и калибровочные точки для лазерного проектора (рис. 11).

Рис. 11. Доработанная ТХЭМ с 6-ю отверстиями для установки мишеней и калибровочными точками для лазерного проектора

Если ТХЭМ уже была создана, то ее необходимо доработать с учетом отверстий под мишени на основе данных чертежа оснастки.

В случае, когда отверстия под установку мишеней выполняются в существующем приспособлении, их расположение необходимо проконтролировать, сопоставив с моделью ТХЭМ.

Для этого оснастку сканируют с помощью лазерной насадки без мишеней, а затем устанавливают мишени и снимают координаты центров мишеней (калибровочные точки) механическим щупом (рис. 12). Данные, полученные при сканировании поверхности, подлежат соответствующей обработке [5].

    

Рис. 12. Процесс сканирования: лазерная насадка и механический щуп

После сканирования оснастки необходимо совместить отсканированную поверхность и точки мишеней с соответствующей геометрией на ТХЭМ. Сопряжение производится в системе автоматизированного проектирования NX по обрезу детали или другой характерной геометрии (рис. 13).

Рис. 13. Совмещение ТХЭМ с облаком точек отсканированной оснастки

Если есть расхождения между калибровочными точками в технологической электронной модели и точками, снятыми с приспособления, то необходимо пользоваться отсканированными точками (рис. 14).

Рис. 14. Калибровочные точки в ТХЭМ и оснастке

Затем калибровочные точки переносятся в файл для выкладки в Fibersim и далее – в файл проекций для лазерного проектора.

Также необходимо проверить проекции на оснастке, т. е. провести калибровку по калибровочным точкам (рис. 15) и, если устраивает достигнутая точность, проверить проекции контуров на соответствие разметке непосредственно на оснастке (рис. 16).

Рис. 15. Калибровка лазерного проектора

Рис. 16. Проверка проекции выкладки на оснастке

Теперь сравним схемы выкладки с применением программного продукта Fibersim, и традиционную (табл. 2). Были рассчитаны показатели раскроя и выкладки деталей на примере сотового блока закрылка современного многоцелевого самолета и комплекта всех деталей из композиционных материалов на один самолет по схемам «До» и «После» (табл. 3).

 

Таблица 2

 

Таблица 3

 

Стоимость оборудования и двух рабочих мест с ПО Fibersim составляет 47,6 млн р. Исходя из этого, получено, что при изготовлении 12 комплектов в год окупаемость затрат составит 3,8 года, а при изготовлении 24 комплектов – всего 1,9 года. Для современного серийного производства многоцелевых отечественных летательных аппаратов это очень хороший показатель.

Таким образом, переход на современную технологию проектирования и подготовки производства изделий из композиционных материалов позволяет:

• сократить расход этих материалов за счет применения точных разверток и раскройных станков с ЧПУ;
• увеличить скорость и повысить качество ручной выкладки материала за счет использования точных заготовок и лазерных проекций зон их выкладки;
• добиться высокого уровня повторяемости изделий;
• сократить влияние человеческого фактора на качество производимых изделий;
• снизить требования к квалификации персонала, занятого укладкой слоев полимерных композиционных материалов.

Список литературы

1. Головкин Г. С. Проектирование технологических процессов изготовления изделий из полимерных материалов. – М. : Химия. – Колос С, 2007. – 399 с.
2. Ведмидь П. А., Сулинов А. В. Программирование обработки в NX CAM. – М. : ДМК Пресс, 2014 – 304 с.
3. Гончаров П. С. и др. NX для конструктора-машиностроителя. – М. : ДМК Пресс, 2010 – 504 с.
4. Sansoni G., Trebechi M., Docchio F. State-of-the-art and application of 3D- imaging sensors in industry, cultural heritage, medicine, and criminal investigation // Sensors. – 2009. – V. 9. – P. 568–601.
5. Тишкин В. О. Методика сборки и обработки данных, полученных в процессе 3D-сканирования // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – СПб.: СПбГУ ИТМО, 2011. – № 1 (71). – С. 87–93.

Материал поступил в редакцию 06.04.2017
© Бехметьев В. И., 2017