Автоматизированное проектирование горно-шахтного оборудования

Алексей Мишнёв, Александр Сущих

АО НПО «Сибсельмаш» — один из крупных производителей машиностроительной продукции в Западно-Сибирском регионе. Длительное время основным видом продукции предприятия были сельхозмашины; выполнялись на нем и государственные заказы. В конце 90-х годов возникла потребность в освоении новых видов продукции. Такие факторы, как близость к заводу угледобывающих предприятий Кузбасского региона и существующая потребность в обеспечении их горно-шахтным оборудованием, определили одно из новых перспективных направлений использования производственных мощностей завода.

В 2000 году на «Сибсельмаше» был размещен первый заказ — на изготовление транспортного оборудования обогатительной фабрики «Антоновская» (г.Новокузнецк). Задача была не из легких: предстояло спроектировать и изготовить 26 конвейерных линий для всей транспортной системы фабрики, включая вспомогательное оборудование (регулируемые пересыпы, ленточные питатели и т.д.). Опыта решения подобных задач у предприятия тогда не было, поэтому риск не справиться с поставленной задачей существовал. Предстояло полностью спроектировать конструкцию транспортной системы для изготовления ее в цехах предприятия. Специалисты «Сибсельмаша» обратились к опыту других производителей подобных изделий. Оказалось, что большинство поставщиков транспортных линий предлагали заказчикам своего рода сборные конструкторы — то есть наборы типовых роликов, опор, барабанов, редукторов, которые монтировались и привязывались к месту сторонними монтажными организациями непосредственно у заказчика транспортной системы. Такая схема работы была удобна для изготовителя конвейера, однако заказчику причиняла целый ряд неудобств:

• большое время запуска купленной транспортной системы в эксплуатацию: для этого необходимо было найти надежную монтажную фирму, провести доработку элементов конструкции с целью привязки к месту и, наконец, выполнить монтаж;

• не всегда удовлетворительное качество смонтированной транспортной системы. В то же время было неясно, кто несет ответственность в случае поломки системы, так как монтажные работы включают подгонку элементов конструкции к их посадочным местам;

• отсутствовала эксплуатационная документация на транспорт­ную систему как единое целое. В случае поломки узла или элемента конструкции его необходимо было обмерять и изготавливать дубликат собственными силами или на ремонтном предприятии.

На «Сибсельмаше» решили пойти навстречу заказчику и спроектировать транспортную систему, что называется, «под ключ» — с полной привязкой к месту будущей эксплуатации и со всем необходимым монтажным оборудованием. Выгоды заказчика при таком подходе очевидны: монтаж транспортной системы не требует высокой квалификации персонала и осуществляется без привлечения сторонних монтажных организаций. Кроме того, запуск транспортной системы может быть произведен в кратчайшие сроки. Реализации данной идеи препятствовало одно: объем предстоящих проектных работ представлялся неимоверно большим и осуществить задуманное силами небольшого конструкторского коллектива предприятия, особенно учитывая нехватку опыта выполнения подобных проектных работ, казалось невозможным. Тем не менее задача была поставлена, и ее нужно было решать.

Типичная транспортная система горно-обогатительной фабрики (ГОФ) должна обеспечивать слаженную работу всех ее технологических подразделений — от подачи сырья из шахты до отгрузки готового продукта потребителю (рис. 1). Основным техническим устройством, с помощью которого осуществляется перемещение сырьевого материала между звеньями технологической цепочки, традиционно является ленточный конвейер. Обобщенная структурная схема транспортной системы ГОФ включает следующие базовые элементы (рис. 2):

• разгрузочный бункер;

• транспортировочное устройство (так называемый линейный став);

• система натяжных устройств;

• приводы;

• строительная часть.

Конструкция транспортной системы разрабатывается на основании технологической схемы транспортировки обрабатываемого продукта и планов строительных привязок к производственным зданиям ГОФ. Наиболее узким местом при проектировании транспортной системы «под ключ» оказался учет всех привязочных размеров элементов конвейеров и их точное согласование со строительными чертежами. Действительно, размеры элементов транспортной системы и их рабочие высоты транспортировки составляют обычно много десятков метров. Сложность контроля всех этих факторов и приводила к технологии «сборного конструктора» при проектировании транспортных систем, которая традиционно использовалась для этих целей. Вручную безошибочно выполнить весь объем проектных работ с точной привязкой к месту не представлялось возможным.

К моменту получения заказа в конструкторских подразделениях уже был накоплен небольшой опыт работы с системами автоматизированного проектирования T-FLEX CAD компании «Топ Системы» (http://www.topsystems.ru/). Функционал данной системы позволил применить методику, которая дала возможность справиться с поставленной задачей в установленные сроки. Суть методики проста: сборочный чертеж конвейера, представляющий собой конструкцию в несколько десятков метров длиной и содержащий сотни узлов и деталей, средствами T-FLEX CAD может быть представлен как чертеж-мозаика, состоящий из фрагментов, каждый из которых является чертежом соответствующего элемента конструкции. Построение такого чертежа осуществляется в два этапа. На первом этапе разработки сборочного чертежа создается схема строительных привязок в точном соответствии со строительной документацией и с соблюдением всех масштабов. На втором этапе конструктор создает изображение сборочных узлов транспортной системы. При этом каждый сборочный узел, отображаемый в сборочном чертеже, не «нарисован» непосредственно в сборочном чертеже, а является прямым отображением реального чертежного изображения соответствующего узла конструкции, хранящегося в отдельном файле (рис. 3).

Изменения, вносимые в любой элемент конструкции конвейера, автоматически отражаются на общем сборочном чертеже. Благодаря этой функциональной возможности системы T-FLEX CAD электронный сборочный чертеж является не чертежом-эскизом, как в традиционном понимании компьютерного проектирования, а полноценной двумерной электронной моделью проектируемого изделия. Поскольку электронная модель конвейера составлена из видов чертежей, входящих в конвейер узлов, она максимально полно соответствует своему оригиналу, насколько это вообще возможно в двумерном проектировании.

Благодаря этому удалось решить очень важную задачу — проверить, во-первых, соответствие проектируемой транспортной системы строительным привязкам, а во-вторых, собираемость конструкции на экране монитора до ее полного изготовления. Проверка собираемости конструкции по электронной модели изделия — одно из основных преимуществ современных систем трехмерного проектирования. Однако даже при сегодняшнем состоянии и развитии систем 3D-моделирования довольно сложно построить полноценную объемную модель конвейера длиной в десятки метров. Тем более примечательно, что подобный результат был достигнут в системе двумерного проектирования при гораздо более скромных затратах вычислительных и интеллектуальных ресурсов.

Подобный подход оказался удобным и для создания сборочных чертежей отдельных узлов транспортной системы. На рис. 4 изображен сборочный чертеж редуктора приводного блока транспортной системы, также полностью составленный из фрагментов, каждый из которых является одним из видов рабочего чертежа соответствующей детали (рис. 5). Поскольку весь сборочный чертеж редуктора составлен из фрагментов чертежей деталей, в нем, естественно, имеется вся необходимая информация о составе изделия.

Средствами модуля спецификаций T-FLEX CAD строится групповая спецификация на редуктор (рис. 6), которая хранится на отдельных листах в том же электронном документе. Групповая спецификация отражает несколько исполнений редуктора и ассоциативно связана с самим сборочным чертежом — изменения в конструкции редуктора автоматически отражаются в спецификации. Благодаря по­строению нескольких электронных прототипов базовых конструкций срок проектирования редуктора для конкретного проекта сократился в разы. Ранее на выпуск рабочей конструктор­ской документации на редуктор отводился месяц. Теперь проектирование редуктора под конкретный типоразмер занимает не более двух-трех рабочих дней, а зачастую — не более нескольких часов. Примечательно, что при такой высокой скорости подготовки конструкторской документации  не страдает качество проектирования. Этому способствует двунаправленная ассоциативность электронной модели изделия — любые неувязки размеров легко обнаруживаются визуально.

Спецификации T-FLEX CAD оказались удобны также в плане интеграции с системами технологической подготовки, применяемыми на предприятии. Поскольку для хранения спецификаций используются открытые форматы СУБД MS Access, стало возможным обеспечить прямой импорт данных о составе проектируемых изделий в эксплуатируемую на заводе систему технологической подготовки собственной разработки. При этом удалось исключить этап ручного ввода состава изделия, а также обеспечить идентичность соответствующей информации у конструкторов и технологов.

Кроме проверки собираемости узлов и строительной привязки транспортной системы, перед специалистами «Сибсельмаша» стояла также проблема большого количества модификаций узлов и деталей транспортной системы. Оказалось, что для внесения изменений в проектируемую конструкцию можно эффективно использовать механизмы геометрической параметризации, лежащие в основе методики создания параметрических чертежей T-FLEX CAD. Принцип геометрической параметризации заключается в следующем: изображение проектируемой детали строится по правилам начертательной геометрии с использованием инструмента базовых геометрических построений. При этом вся история создания электронного чертежа детали сохраняется в файле чертежа. Последнее обстоятельство позволяет использовать сохраненные в файле геометрические построения для быстрого внесения изменений в конструкцию в пределах заданной формы детали. Большинство модификаций чертежа в процессе проектирования могут быть выполнены простым перемещением так называемых линий построения в требуемом направлении. Такие изменения выполняются очень быстро, а главное — точно. Любые отклонения формы детали от требуемой будут визуально отражены в чертеже-модели, благодаря чему конструктор легко их обнаружит.

Помимо возможности интер­активного изменения геометрические соотношения могут быть также связаны с наборами так называемых переменных, что позволяет создавать любые по сложности логические цепочки взаимных зависимостей между элементами геометрии изделия. Например, чертеж ограждения на рис. 7 содержит небольшой набор входных параметров, полностью определяющих конструкцию. Для подготовки конструкторской документации на новое ограждение конструктору достаточно задать значения базовых параметров, после чего чертеж и спецификация сгенерируются автоматически, при этом в спецификации автоматически будут посчитаны массы используемых деталей.

Переменные и геометрическая параметризация используются также для создания библиотек типовых, часто используемых элементов конструкции (например, кронштейнов, уголков, швеллеров и т.п.).

Освоение конструкторами предприятия вышеописанных методик автоматизированного проектирования в среде T-FLEX CAD позволило вывести процесс подготовки конструкторской документации на качественно новый уровень и справиться с поставленными перед отделом главного конструктора объемными задачами. За три с небольшим года спроектировано и изготовлено транспортное оборудование для многих горно-обогатительных фабрик и шахт Кузбасса (60 конвейерных линий). При этом каждая транспортная система спроектирована под конкретного заказчика и сопровождается полным комплектом конструкторской и эксплуатационной документации. Последнее обстоятельство значительно облегчает техническое обслуживание и ремонт транспортных систем для заказчика. В случае поломки достаточно найти в спецификации обозначение вышедшего из строя узла и заказать его на «Сибсельмаше».

Кроме того, перевод всех конструкторских документов в электронный вид позволил создать «Каталог горно-шахтного оборудования ОАО НПО “Сибсельмаш”». Каталог содержит описание конструкций и производственные характеристики выпускаемого заводом оборудования и аккумулирует весь накопленный в этой области опыт конструкторов предприятия.

Таким образом, грамотное использование функциональных возможностей T-FLEX CAD позволило отделу главного конструктора ОАО НПО «Сибсельмаш» (рис. 8) решить следующие задачи проектирования:

• значительно повысить скорость проектирования. Благодаря использованию параметризации скорость выпуска конструкторской документации по отдельным узлам возросла многократно;

• кардинально улучшить качество выпускаемой конструкторской документации с точки зрения обнаружения и исправления конструкторских ошибок на стадии проектирования (за счет использования аппликативных сборок и построения геометрически точных чертежей);

• заложить основы построения единого электронного информационного пространства предприятия с перспективами его дальнейшего развития в русле требований CALS-технологий.

Примечательно, что все результаты были достигнуты в отечественной системе проектирования T-FLEX CAD 2D и не могли бы быть получены в системах, не обладающих столь развитыми возможностями геометрического моделирования и параметризации. Автоматизация проектных работ привела к увеличению объемов выполняемых конструкторским отделом проектных работ и к росту числа заказчиков «Сибсельмаша».

«САПР и графика» 6'2004