V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Применение CAD/CAM - технологий для создания логотипа

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Григорьева Н.А. 1

---

1ГБОУ СОШ №5 г. Сызрани

Паравина А.С. 1

---

1ГБОУ СОШ №5 г.Сызрани

Работа в формате PDF

1.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Проблема: для развития машиностроительных предприятиий необходимо активное внедрение CAD/CAM – систем и новейшего станочного металлообрабатывающего оборудования вместо ручного труда.

Актуальность моего исследования в том, что, одним из важных, для машиностроительных предприятий, вопросов является внедрение CAD/CAM – систем и нового производственного оборудования вместо ручного труда. С внедрением CAD/CAM-систем и, соответственно необходимого станочного оборудования в производство, можно не только значительно сократить время на изготовление деталей (заготовок), но и уменьшить стоимость их изготовления. Соответственно, применение CAD/CAM-систем значительно повышает эффективность машиностроительного производства.

CAD/CAM-системы представляют собой сложный комплекс программных, технологических, технических и информационных инструментов, в т.ч. проектно-конструкторскую документацию, основной задачей которой является автоматизация процессов проектирования. Реализация данной задачи позволяет существенно повысить эффективность работы инженеров и снизить временные и финансовые издержки на разработку и внедрение новой продукции, а кроме того – вывести проектирование на иной качественный уровень.

Сегодня, на АО «ТЯЖМАШ» в полную силу применяются CAD/CAM – системы. Также очень эффективно и быстро принимаются решения по внедрению нового металлообрабатывающего оборудования.

Цель исследования

Оценить возможности внедрения CAD/CAM-систем и применения станочного оборудования для лазерной резки листового металла на основе АО «ТЯЖМАШ»

Задачи

Изучить возможности CAD/CAM-систем.

Узнать как применяются CAD/CAM-системы на АО «ТЯЖМАШ»

Основная часть

Компьютерное проектирование. CAD/CAM – системы

CAD – система

Главная задача, которую решают CAD системы автоматического проектирования – это повышение производительности труда инженера-конструктора. В рамках поставленных задач CAD системы помогают автоматизировать оформление документации, обеспечить информационную поддержку принятия решений, унифицировать проектирование, повторно применять использовавшиеся проектные наработки, повысить качество управления прикладными процессами.

CAM – система

Главная задача, которую решают CAM системы автоматического проектирования – это повышение производительности труда инженера-технолога.

Одной из основных функций инженера является проектирование изделий или технологических процессов их изготовления. Традиционно эти функции разделены как при подготовке специалистов, так и в сфере их деятельности на производстве.

САПР – CATIA

CATIA (Computer Aided Three-dimensional Interactive Application) — система автоматизированного проектирования (САПР) французской фирмы Dassault Systemes. CATIA – это комплексная система автоматизированного проектирования (CAD), технологической подготовки производства (CAM), включающая в себя передовой инструментарий трёхмерного моделирования, подсистемы программной имитации сложных технологических процессов, развитые средства анализа и единую базу данных текстовой и графической информации.

Система позволяет эффективно решать все задачи технической подготовки производства - от внешнего (концептуального) проектирования до выпуска чертежей, спецификаций, монтажных схем и управляющих программ для станков с ЧПУ.

Предлагается на рынке компанией IBM и ее партнерами.

Компания Dassault Systemes изначально была частью известной авиастроительной компании Dassault Aviation, и создавала авиастроительную CAD-систему для собственных нужд. Затем благодаря развитым возможностям моделирования (особенно поверхностного) и грамотной политики завоевала рынок CAD для авиастроения еще в конце 80-х. В настоящее время CATIA занимает около 70% мирового рынка систем автоматизированного проектирования и технологической подготовки производства в авиакосмической промышленности и более 45% в машиностроении.

В число крупных пользователей системы входят такие компании, как Boeing, Airbus, Renault, Merсedes-Benz, BMW, Chrysler, Volvo, Peugeot, Fiat, Ferrary, Volkswagen, Black&Decker, Motorola, GoodYear, Electrolux и многие другие. В настоящий момент ее используют 14 из 20 крупнейших компаний. Cреди российских пользователей – ТЯЖМАШ, ГАЗ, ВАЗ, ЗИЛ, УралАЗ, ВПК МАПО-МИГ, Подольский и Белгородский машиностроительные заводы, Саратовский авиазавод, ГСС, ВСМПО, фирма КАМОВ, Красноярский комбайновый завод и многие другие.

CATIA содержит мощные инструменты для проектирования трехмерных механических деталей, ассоциативные функции, основанные на элементах, и средство динамического построения эскизов. Позволяют пользователям добавлять спецификации к создаваемым проектам как в процессе работы, так и после завершения проектирования. Древовидная структура графически представляет организацию иерархии элементов, что позволяет ясно представлять влияние на проект вносимых в него изменений. В процессе изменения проекта пользователи могут выделять, копировать и добавлять целые группы элементов.

Программные модули CATIA позволяют проектировать детали любой сложности.

Программные модули CATIA реализуют возможность автоматического генерирования чертежей из 3D-моделей.

Примеры разработки деталей сложной формы с применением программных модулей CATIA на АО «ТЯЖМАШ»

Применение CAD/CAM - системы

Комплексное применение CAD/CAM-систем позволяет:

• снизить трудоемкость процессов;
• сократить сроки подготовки проектов;
• снизить себестоимость труда инженеров и конечной продукции;
• повысить качество и технико-экономический уровень проектирования;
• уменьшить затраты на моделирование и испытание образцов.

2.2.1 Этапы проектирования

Проектирование технического объекта — создание, преобразование и представление в принятой форме образа еще не существующего объекта. Образ объекта или его составных частей может создаваться в воображении человека в результате творческого процесса или генерироваться в соответствии с некоторыми алгоритмами в процессе взаимодействия человека и компьютера. В любом случае инженерное проектирование начинается при наличии выраженной потребности общества в некоторых технических объектах, которыми могут быть объекты строительства, промышленные изделия или процессы. Проектирование включает в себя разработку технического предложения или технического задания (ТЗ), отражающих эти потребности, и реализацию ТЗ в виде проектной документации.

Обычно ТЗ представляют в виде некоторых документов, и оно является исходным (первичным) описанием объекта. Результатом проектирования, как правило, служит полный комплект документации, содержащий достаточные сведения для изготовления объекта в заданных условиях. Эта документация и есть проект, точнее окончательное описание объекта. Более коротко, проектирование — процесс, заключающийся в получении и преобразовании исходного описания объекта в окончательное описание на основе выполнения комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера.

Преобразование исходного описания в окончательное порождает ряд промежуточных описаний, подводящих итоги решения некоторых задач и используемых для обсуждения и принятия решений для окончания или продолжения проектирования. Такие промежуточные описания называют проектными решениями.

Проектирование, при котором все проектные решения или их часть получают путем взаимодействия человека и компьютера, называют автоматизированным проектированием (САПР, в англоязычном написании CAD System — Computer Aided Design System), в отличие от ручного (без использования компьютера) или автоматического (без участия человека на промежуточных этапах).

2.2.1.1 Первый этап – разработка конструкторской документации. Проводится перед изготовлением изделия и является основным в изготовлении какого-либо изделия.

Конструкторская документация (КД) – графические и текстовые документы, которые, в совокупности или в отдельности, определяют состав и устройство изделия и содержат необходимые данные для его разработки, изготовления, контроля, эксплуатации, ремонта и утилизации. КД также является основополагающим элементом любого машиностроительного производства, определяющим один из критериев качества готовой продукции. Грамотная разработка КД, в свою очередь, зависит от профессионализма разработчиков и их оснащения современными системами автоматизированного проектирования.

КД разрабатывается на различные виды изделий по техническому заданию. В настоящее время на АО «ТЯЖМАШ», все проектные работы проводятся в программах автоматизированного проектирования. Основной и единственной является система CATIA.

Комплект конструкторской документации включает в себя:

• спецификации;
• чертежи заготовок;
• чертежи деталей;
• сборочные чертежи отдельных узлов;
• монтажные чертежи;
• сборочный чертеж всего изделия.

Конструктора проводят моделирование, выполняют необходимые прочностные, кинематические, динамические, тепловые расчёты элементов модели, а также проверку и согласование с заказчиком различных параметров будущего изделия (эргономика, надежность, технологичность и пр.). В конечном виде получаются 2D и 3D модель изделия в целом и отдельные его узлы до того, как они будут изготовлены на производстве. По результатам согласования с техническими службами в документацию вносятся изменения и дополнения.

Исходными данными для работы конструктора является техническое задание заказчика, включающее описание изделия.

На основе технического задания создаются:

• дизайн-проект;
• эскизы;
• 3D модель изделия
• чертежи и т.д.

При завершении разработки и согласования, вся конструкторская документация передается технологам.

2.2.1.2 Второй этап – разработка технологической документации проводится на основании КД и определяет стадии изготовления, необходимого станочного, измерительного и другого оборудования, а также квалификацию персонала, который будет выполнять работы.

Технологическая документация (ТД) – комплект графических и текстовых документов, определяющих технологию изготовления (ремонта) изделия, которые содержат данные для организации производственного процесса. ТД также как и КД является основополагающим элементом машиностроительного производства и также является одним из основных критериев качества готовой продукции и эффективности производственного процесса.

ТД разрабатывается на все стадии производства, начиная от заготовки и заканчивая изделием в целом, а также описывает все процессы изготовления, измерения, контроля и сборки. В настоящее время на АО «ТЯЖМАШ», разработка всей технологической документации проводится в системах автоматизированного проектирования. Основной и единственной является система CATIA.

На АО «ТЯЖМАШ» время для разработки технологических процессов изготовления изделия, затрачивается намного меньше, чем на предприятиях не имеющих данных систем.

Автоматизация технологического процесса – это совокупность методов и средств, предназначенная для реализации системы или систем, позволяющих осуществлять управление производственным процессом без непосредственного участия человека.

Основными целями автоматизации технологического процесса являются:

• повышение эффективности производственного процесса, исключая из него человеческий и производственные факторы;
• повышение безопасности производственного процесса.

Цели достигаются посредством решения следующих задач автоматизации технологического процесса:

• улучшение качества регулирования;
• повышение коэффициента готовности оборудования;
• улучшение эргономики труда операторов процесса.

3. Пример применения CAD/CAM-систем и эффективность ее применения при разработки логотипа школы.

На основе доступных CAD-систем я решила разработать логотип своей школы №5. На АО «ТЯЖМАШ» я научусь работать и применять системы разработки Dassault Systemes.

Для начала был создан эскиз логотипа на бумаге. В программе КОМПАС 3D была создана модель логотипа в формате 2D. (рисунок 17)

Рисунок17. Модель логотипа школы

По замыслу, логотип должен быть объемным. Для этого необходимо разделить его на составные части.

Рисунок 18. Глобус

Первый элемент – глобус (рисунок 18). Элемент круглой формы с нанесенным, с применением лазерной гравировки, рисунком.

Рисунок 19. Книга

Второй элемент выполнен в виде развернутой книги (рисунок 19).

Рисунок 20. Перо

Третий элемент – перо (рисунок 20).

Все три элемента должны быть выполнены с применением лазерной резки.

3.1 Лазерная резка металла

Лазерная резка металла, как понятно из ее названия, выполняется при помощи луча лазера, получаемого при помощи специальной установки. Свойства такого луча позволяют фокусировать его на поверхности небольшой площади, создавая при этом энергию, характеризующуюся высокой плотностью. Это приводит к тому, что любой материал начинает активно разрушаться (плавиться, сгорать, испаряться и т.д.).

Станок лазерной резки металла, позволяет концентрировать на поверхности обрабатываемого изделия энергию, плотность которой составляет 108 Ватт на один квадратный сантиметр. Для того чтобы понять, как удается добиться такого эффекта, необходимо разобраться, какими свойствами обладает лазерный луч:

Лазерный луч, в отличие от световых волн, характеризуется постоянством длины и частоты волны (монохроматичность), что и позволяет легко фокусировать его на любой поверхности при помощи обычных оптических линз.

Исключительно высокая направленность лазерного луча и небольшой угол его расходимости. Благодаря такому свойству на оборудовании для лазерной резки можно получить луч, отличающийся высокой фокусировкой.

Лазерный луч обладает еще одним очень важным свойством – когерентностью. Это значит, что множество волновых процессов, протекающих в таком луче, полностью согласованы и находятся в резонансе друг с другом, что в разы увеличивает суммарную мощность излучения.

При воздействии луча на поверхность металла происходит быстрое нагревание и последующее расплавление подвергаемой обработке площади.

Быстрому распространению зоны плавления вглубь обрабатываемого изделия способствуют несколько факторов, в том числе и теплопроводность самого материала. Дальнейшее воздействие лазерного луча на поверхность изделия приводит к тому, что температура в зоне контакта доходит до точки кипения и обрабатываемый материал начинает испаряться.

Лазерную резку металла может выполняться двумя способами:

• плавлением металла;
• испарением обрабатываемого металла.

Для того чтобы выполнить резку металла методом испарения, требуется большая мощность оборудования и, как следствие, значительные энергозатраты, что не всегда целесообразно с экономической точки зрения. Ограничивают использование такого метода и строгие требования к толщине обрабатываемых изделий. Именно поэтому данный метод используют только для резки тонкостенных деталей.

Использование кислорода в качестве вспомогательного газа при выполнении лазерной резки позволяет одновременно решить такие важные задачи, как:

• активизация процесса окисления металла (это позволяет снизить его отражающую способность);
• повышение тепловой мощности в зоне реза (поскольку металл в среде кислорода горит более активно);
• выдувание из зоны реза мелких частиц металла и продуктов сгорания кислородом, подаваемым под определенным давлением (это облегчает приток газа в зону обработки).

Лазерная резка металлических изделий имеет целый ряд весомых преимуществ по сравнению с другими способами резки. Из многочисленных достоинств данной технологии стоит обязательно отметить следующие:

- Нет окалины

- Большие объемы работ

- Минимум энергозатрат

- Высокая эффективность

- Бесконтактная обработка заготовок

- Гладкие края, тонкий срез и вертикальная кромка

- Обработка разных металлических поверхностей

- Дополнительная обработка не требуется

- Диапазон толщины изделий, которые можно успешно подвергать резке, достаточно широк: сталь – от 0,2 до 20 мм, медь и латунь – от 0,2 до 15 мм, сплавы на основе алюминия – от 0,2 до 20 мм, нержавеющая сталь – до 50 мм.

- При использовании лазерных аппаратов исключается необходимость механического контакта с обрабатываемой деталью. Это позволяет обрабатывать таким методом резки легко деформирующиеся и хрупкие детали, не переживая за то, что они будут повреждены.

- Получить при помощи лазерной резки изделие требуемой конфигурации просто, для этого достаточно загрузить в блок управления лазерного аппарата чертеж, выполненный в специальной программе. Все остальное с минимальной степенью погрешности (точность до 0,1 мм) выполнит оборудование, оснащенное компьютерной системой управления.

- Аппараты для выполнения лазерной резки способны с большой скоростью обрабатывать тонкие листы из стали, а также изделия из твердых сплавов.

- Лазерная резка металла способна полностью заменить дорогостоящие технологические операции литья и штамповки, что целесообразно в тех случаях, когда необходимо изготовить небольшие партии продукции.

- Можно значительно снизить себестоимость продукции, что обеспечивается за счет более высокой скорости и производительности процесса резки, снижения объема отходов, отсутствия необходимости в дальнейшей механической обработке.

4. Вывод

CAD/CAM – системы, с взаимодействием с новейшим станочным металлообрабатывающем оборудованием, позволяют повысить эффективность труда, включая:

• сокращения трудоёмкости проектирования и планирования;
• сокращения сроков проектирования;
• сокращения себестоимости проектирования и изготовления, уменьшение затрат на эксплуатацию;
• повышения качества и технико-экономического уровня результатов проектирования;
• сокращения затрат на натурное моделирование и испытания.

Достижение этих целей обеспечивается путём:

• автоматизации оформления документации;
• информационной поддержки и автоматизации процесса принятия решений;
• использования технологий параллельного проектирования;
• унификации проектных решений и процессов проектирования;
• повторного использования проектных решений, данных и наработок;
• стратегческого проектирования;
• замены натурных испытаний и макетирования математическим моделированием;
• повышения качества управления проектированием;
• применения методов вариантного проектирования и оптимизации.

5. Библиографический список

1 http://www.adem.ru/press/atricles/naibolee-rasprostranennyie-problemyi-obrabotki-na-stankax-s-chpu,-reshaemyie-s-pomoshhyu-cad/cam/capp-sistemyi-adem/ (дата обращения 18.01.18)

2 http://asapcg.com/press-center/articles/cam-cad-sistemy/ (дата обращения 20.01.18)

3 http://asapcg.com/press-center/articles/cad-sistemy/ (дата обращения 20.01.18)

4 https://www.dipos.ru/company/news/922431/ (дата обращения 26.01.18)