Системы автоматизированного проектирования технологических процессов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования

Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Рыбинская государственная авиационная

технологическая академия им. П.А. Соловьева

Учебное пособие

Системы автоматизированного проектирования технологических процессов

С.А. Волков

Рыбинск

2005



Аннотация

В данном учебном пособии рассмотрены вопросы создания систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП). Автором рассмотрены основные задачи технологической подготовки производства и особенности их автоматизации в различных производственных условиях.

В пособии проанализированы основные принципы и стратегии автоматизированного проектирования технологии, структура, состав и виды обеспечения САПР ТП.

Автором обоснована необходимость автоматизации процессов жизненного цикла изделий, раскрыта сущность CALS-технологий, показано место различных видов САПР на этапах жизненного цикла создания изделий.

автоматизация стратегия технология проектирование



Оглавление

Предисловие

Введение

1. Задачи автоматизации технологической подготовки производства и их особенности

1.1 Задачи автоматизации технологической подготовки производства

1.2 Особенности автоматизации ТПП в условиях единичного и мелкосерийного производств

1.3 Особенности автоматизации ТПП в условиях среднесерийного производства

1.4 Особенности автоматизации ТПП в условиях крупносерийного и массового производств

1.5 Особенности автоматизации ТПП в условиях гибких производственных систем (ГПС)

1.6 Методы совершенствования ТПП

1.7 Единая система технологической подготовки производства (ЕСТПП)18

2. Общие сведения о САПР

2.1 История создания САПР

2.2 САПР как объект проектирования

2.3 Принципы создания САПР

2.4 Виды обеспечения САПР

2.5 Состав и назначение САПР технологической подготовки производства

2.6 Структура САПР технологических процессов механической обработки

3. Системное проектирование и стратегии проектирования технологических процессов

3.1 Понятие о системном проектировании ТП

3.2 Стратегии проектирования технологических процессов

4. Математическое моделирование при автоматизированном проектировании технологических процессов

4.1 Табличные модели

4.2 Сетевые модели

4.3 Перестановочные модели

5. Типовые решения в САПР ТП

5.1 Анализ задач проектирования технологических процессов

5.2 Понятие о типовых решениях

5.3 Виды типовых решений

6. Методы автоматизированного проектирования технологических процессов

6.1 Метод случайных аналогий

6.1.1 Метод полного заимствования ТП-аналога

6.1.2 Метод заимствования ТП-аналога с параметрической настройкой

6.1.3 Метод заимствования ТП-аналога с изменением структуры

6.2 Метод анализа

6.3 Метод синтеза

7. Информационное обеспечение САПР ТП

7.1 Справочные таблицы

7.2 Таблицы решений

7.3 Таблицы соответствий

7.4 Логические таблицы соответствия

7.5 Базы и банки данных

8. Лингвистическое обеспечение САПР ТП

8.1 Формализация описания технологической информации на базе классификации

8.2 Таблица кодированных сведений

9.3 Проблемно-ориентированные языки

9. Математическое обеспечение САПР ТП

9.1 Алгоритм расчета припусков и межоперационных размеров

9.2 Алгоритм выбора схемы установки детали

9.3 Автоматизация проектирования переходов

10. Системы автоматизированного программирования (САП)

10.1 Структура и состав САП

10.2 Показатели уровня САП

11. Оптимизация технологических процессов

11.1 Выбор критериев оптимальности

11.2 Выбор технических ограничений

11.3 Виды оптимизации технологических процессов

11.4 Структурная оптимизация технологических процессов

11.5 Параметрическая оптимизация ТП

12. Новые информационные технологии и средства проектирования

12.1 Понятие о жизненном цикле изделия

12.2 Автоматизация процессов жизненного цикла изделия

12.3 Понятие о СALS-технологиях

12.4 Сущность концепции CALS, ее цели и области применения

12.5 САПР в компьютерно - интегрированном производстве

Заключение

Список литературы



Предисловие

Автоматизация проектно-конструкторских работ и создание систем автоматизированного проектирования (САПР) являются одним из основных направлений развития отечественной промышленности на современном этапе. С развитием САПР в машиностроении, авиадвигателестроении и других отраслях промышленности связано решение основной задачи: существенного сокращения сроков создания новых изделий и повышения качества их проектирования и изготовления. При этом наибольший эффект может быть достигнут, когда автоматизация не ограничивается рамками отдельных процедур или этапов процессов разработки, а охватывает всю деятельность по созданию нового изделия.

Можно выделить два пути создания САПР. Первый из них состоит в том, что создается множество частных автоматизированных систем, охватывающих отдельные виды деятельности предприятия, которые далее объединяются в единую систему. Такой подход, ориентированный на создание множества специализированных систем, каждая из которых наилучшим образом решает стоящие перед ней частные задачи, имеет ряд недостатков. Основные из них определяются сложностями, с которыми приходится сталкиваться при модификациях и развитии существенно ориентированных на конкретные задачи и методики их решения автоматизированных систем. Кроме того, интеграция систем такого рода, как правило, весьма затруднительна, а система, «сложенная» из совокупности отдельно разрабатываемых подсистем, как правило, оказывается недостаточно эффективной.

Другой путь создания автоматизированных систем связан с построением единой системы, на базе которой могут гибко и оперативно формироваться ее подмножества, способные решать соответствующие конкретные прикладные задачи в широком классе их постановок без ограничений на используемые при этом методы и методики решения. В этом контексте следует говорить о создании комплексных систем автоматизированного проектирования, изготовления и управления процессами создания изделий.

САПР должны рассматриваться в двух взаимосвязанных аспектах. Первый из них связан с построением САПР, а второй - с их функционированием, обеспечивающим реализацию процессов проектирования. Построение САПР базируется в основном на прогнозных результатах анализа задач, которые решаются в процессе проектирования, а также ограничений на те материальные, трудовые и информационные ресурсы, которые могут быть использованы при данном построении.

Второй аспект рассмотрения САПР связан с функционированием уже имеющейся САПР, т. е. реализацией процесса автоматизированного проектирования на ее базе. При этом одним из основополагающих моментов данного рассмотрения является то, что в процессе развития и модификации САПР могут меняться ее отдельные составляющие, возлагаемые на нее задачи и методики их решения, однако принципы и следуемые из них алгоритмы функционирования должны оставаться неизменными. В противном случае каждая модификация САПР будет выливаться в построение практически новой системы.



Введение

В современных рыночных условиях спросом пользуется только конкурентоспособная продукция. Поэтому производители должны постоянно обновлять ее, что приводит к увеличению количества модификаций изделий. В этом отношении интересны данные, приведенные в таблице 1.

Таблица 1 - Увеличение числа деталей в изделиях с течением времени

Число деталей в изделиях
Время	Примерное количество классов изделий	Среднее число различных деталей в наиболее сложных изделиях
100000 лет назад	5	1
10000 лет назад	50	10
1000 лет назад	1000	100
Настоящее	50000	10000

Основными процессами в машиностроении являются механическая обработка и сборка. На их долю приходится более половины общей трудоемкости изготовления машины. В ходе технологической подготовки производства на каждую деталь разрабатывается технологический процесс ее обработки, на каждую сборочную единицу разрабатывается технологический процесс ее сборки. Кроме этого в ходе технологической подготовки производства разрабатываются технологические процессы изготовления заготовок, термической обработки деталей, покраски изделий и т.д.

Прежде чем начать производство изделий, на каждую тысячу деталей приходится разрабатывать свыше 15 000 единиц технической документации и изготавливать до 5000 различных видов оснастки и инструмента. При этом значительная трудоемкость решения технологических задач требует привлечения в сферу технологической подготовки производства (ТПП) большого числа инженеров-технологов. Отмеченное выше указывает на то, что на современных предприятиях значительное количество времени и средств тратится на проектирование в целом и, в частности, на разработку технологических процессов.

С усложнением конструкций машин и ужесточением требований, предъявляемых к ним, сложность технологических задач, а, следовательно, и требований к квалификации инженеров-технологов повышается. В то же время сроки, отводимые для технологической подготовки производства, резко сокращаются. Вследствие этого возрастает влияние технологической подготовки на эффективность машиностроительного производства. Сокращение сроков, отводимых на технологическую подготовку производства, трудоемкость и многовариантность технологического проектирования, необходимость оптимизации проектных решений, требуют коренных изменений методов проектирования.



1. Задачи автоматизации технологической подготовки производства и их особенности

1.1 Задачи автоматизации технологической подготовки производства

Технологическая подготовка производства (ТПП) -- это совокупность взаимосвязанных процессов, обеспечивающих технологическую готовность предприятий к выпуску изделий заданного качества при установленных сроках, объеме и затратах.

ТПП является основой технической подготовки производства, которая включает в себя конструкторскую, технологическую и организационную подготовку производства. В общем цикле технической подготовки ТПП составляет (по трудоемкости) для серийного производства 40--50%, крупносерийного и массового: 60--70%.

На основных стадиях ТПП выполняются следующие виды работ:

а) проектирование технологических процессов изготовления деталей;

б) проектирование технологических процессов сборки узлов и изделия в целом;

в) оформление ведомостей заказов заготовок, нормализованного режущего и мерительного инструмента, оснастки и оборудования, получаемых по кооперации;

г) разработка технических заданий на проектирование специальных инструментов, приспособлений и оборудования;

д) изготовление запроектированной технологической оснастки;

е) проектирование планировки размещения оборудования, расчет рабочих мест и формирование производственных участков;

ж) отладка и корректировка технологических процессов и оснастки, изготовление пробной партии.

Наиболее ответственной частью технологической подготовки производства являются проектирование технологических процессов и конструирование технологической оснастки с оформлением комплекта необходимой документации. Эти элементы охватывают основной круг вопросов технологической подготовки производства и решающим образом влияют на сроки подготовки и освоения новых изделий, обеспечение их качества.

Основными задачами автоматизации ТПП являются следующие.

1. Сокращение трудоемкости технологической подготовки производства и, как следствие, сокращение числа технологов.

2. Сокращение сроков технологической подготовки производства.

3. Повышение качества разрабатываемых технологических процессов.

Сокращение числа технологов приводит к уменьшению себестоимости изделия. А необходимость сокращения сроков технологической подготовки производства обусловливается тем, что в конкурентной борьбе выстоит та фирма, которая не только выпускает конкурентоспособную продукцию, но и укладывается в минимальные сроки по подготовке этой продукции к выпуску.

Техническое перевооружение современного машиностроительного производства осуществляется в основном по двум направлениям:

замена универсального оборудования с ручным управлением, обслуживаемого рабочим высокой квалификации, оборудованием с автоматическим циклом обработки;

внедрение станков с ЧПУ, обладающих гораздо большей степенью универсальности.

Необходимость тщательной проработки технологических решений в приведенных выше случаях объясняется тем, что указанное оборудование является дорогостоящим и использовать его нужно рационально.



1.2 Особенности автоматизации ТПП в условиях единичного и мелкосерийного производств

Единичное и мелкосерийное производства имеют в качестве материальной базы в основном универсальное обрабатывающее оборудование, на котором работают рабочие достаточно высокой квалификации. Уровень квалификации позволяет рабочему, как правило, самостоятельно, без дополнительных указаний технолога решить все вопросы, связанные с выполнением технологической операции изготовления детали.

В условиях единичного и мелкосерийного производства номенклатура выпускаемых изделий чрезвычайно велика, поэтому предприятие непрерывно находится в стадии технологической подготовки производства к выпуску очередного изделия. Объем работ по технологическому проектированию на предприятиях с численностью работающих 1--2 тыс. составляет от нескольких десятков до сотен тысяч технологических процессов в год. Технологические службы заводов не в состоянии полностью проработать такое количество технологических процессов. Проектирование зачастую ограничивается маршрутным технологическим процессом, иногда и без технического нормирования. Такие вопросы технологии, как схема базирования заготовки на операции, число переходов, режимы резания и другие решает рабочий, высокая квалификация которого позволяет получить удовлетворительные результаты, в приемлемые сроки. Эффективность этих решений во многом зависит от квалификации рабочего, причем квалификации не только чисто рабочей, но и технологической.

Помимо проектирования технологических процессов изготовления деталей, сборки узлов и изделий при технологической подготовке производства решают много других проектных задач. Их значимость в условиях единичного и мелкосерийного производства возрастает, так как вследствие краткости производственного цикла нет возможности своевременно внести коррективы, и предприятие работает по решениям, принятым на стадии проектирования. Главным требованием к решениям этих задач является не только их обоснованность и правильность, но и быстрота. Чем быстрее приняты все проектные решения, тем больше времени остается на собственно подготовку производства.

Рассмотренные выше особенности технологической подготовки влияют на задачи САПР ТП. Высокая квалификация рабочих и достаточность технологических решений на уровне маршрутного технологического процесса приводят к тому, что на современном уровне развития методов автоматизированного технологического проектирования целесообразно для условий единичного и мелкосерийного производства разрабатывать САПР ТП на уровне маршрутной технологии. Быстродействие ЭВМ позволяет в несколько раз сократить время проектирования и подготовки технологической документации, высвобождая технологов для отладки и совершенствования технологических процессов.

При выборе метода проектирования и тем самым идеологии САПР ТП для единичного и мелкосерийного производства важен уровень унификации выпускаемой продукции. Высокий уровень унификации деталей позволяет принять в качестве базовых типовых элементов технологические процессы и строить САПР на базе более простых алгоритмов анализа. Преобладание в номенклатуре выпускаемой продукции оригинальных деталей, плохо поддающихся унификации, приводит к необходимости разработки более сложных алгоритмов индивидуальных процессов.

1.3 Особенности автоматизации ТПП в условиях среднесерийного производства

Среднесерийное производство, в отличие от мелкосерийного, характеризуется более крупными партиями выпускаемых изделий и большей стабильностью. В этих условиях экономически выгодно применять специальный режущий и измерительный инструмент, переналаживаемые средства автоматизации, т. е. уровень технологии выше, нежели в единичном и мелкосерийном производстве. Соответственно требуется и более глубокая проработка проектных технологических решений. В проектирующие подсистемы автоматизированных систем технологической подготовки серийного производства входят не только подсистемы проектирования технологических процессов механической обработки, но и подсистемы проектирования специального режущего и измерительного инструмента, технологической оснастки, термических операций и т. д. Результатом работы САПР ТП в этих условиях должно явиться операционное описание технологического процесса с полным нормированием. Кроме того, предусматривают обычно выдачу различных ведомостей (необходимого инструмента, оснастки, расхода материала и т. д.).

Как и в единичном производстве, в среднесерийном производстве в зависимости от уровня унификации деталей методы проектирования базируются либо на типовых технологических процессах и алгоритмах их доработки, либо на алгоритмах синтеза единичных технологических процессов. Требование более глубокой проработки технологии приводит к необходимости дополнительных мер по повышению качества автоматического проектирования уменьшению возможных ошибок в принятии решении. Наиболее распространенным методом в достижении этой цели для САПР единичных технологических процессов является еще большее по сравнению с единичным производством сужение области применения системы. Часто ограничиваются хотя и представительной, но малой группой деталей, например валами. Иногда САПР ТП на базе типовых технологических процессов оснащают алгоритмами доработки полных типовых решений для более полного учета индивидуальных особенностей конкретной детали. Эти алгоритмы решают задачи определения операционных размеров, режимов резания и т. д., вплоть до последовательности переходов в отдельных системах.

Для более надежного проектирования единичных технологических процессов изготовления сложных деталей вводят в САПР элементы диалога.

1.4 Особенности автоматизации ТПП в условиях крупносерийного и массового производств

Для крупносерийного и массового производств характерен очень большой объем выпускаемых партий изделий, составляющий зачастую десятки и сотни тысяч штук. Программа выпуска изделий в массовом производстве в ряде отраслей достигает нескольких миллионов штук в год. Следствием этого является значительное увеличение периодов времени работы предприятия до очередной переналадки и перехода к выпуску нового изделия. Эти периоды работы предприятия по спроектированному и отлаженному технологическому процессу могут достигать нескольких лет, хотя в последнее время не только серийное, но и массовое производство оснащают гибким переналаживаемым оборудованием, позволяющим непрерывно совершенствовать конструкции изделий и соответственно менять технологические процессы обработки их.

В условиях крупносерийного и массового производства экономически оправданы большие капитальные вложения на стадии технологической подготовки производства. В крупносерийном и особенно в массовом производстве технологические процессы максимально учитывают индивидуальные особенности каждой из выпускаемых деталей, эффективно применение дорогих методов получения высокоточных заготовок, позволяющих уменьшить припуски на операциях механической обработки и максимально повысить коэффициент использования металла. Оказывается целесообразным применение автоматизированного оборудования как универсального (токарно-револьверных и многошпиндельных токарных автоматов и полуавтоматов, шлифовальных автоматов), так и специального, вплоть до автоматических линий, ориентированных на выпуск одной или нескольких деталей. Широко используется комбинированный и фасонный специальный режущий инструмент; протяжки, специальные комбинированные зенкеры, фасонные фрезы, резцы и т. д.

Технологи-проектировщики при проектировании технологических процессов для условий крупносерийного и особенно массового производства, как правило, не стеснены рамками имеющегося на предприятии оборудования. Они имеют возможность дать заказ на проектирование специального станка, если ни одна из существующих моделей их не устраивает. Более широко здесь используют также специальную технологическую оснастку (станочные и особенно контрольно-измерительные приспособления). В наибольшей мере применяют всевозможные средства автоматизации производственных процессов, вплоть до системы конвейеров с согласованными ритмами движения.

Все эти особенности технологических процессов в условиях крупносерийного и массового производства приводят к постановке дополнительных задач, решаемых при его технологической подготовке, и выдвигают новые (по сравнению с единичным и мелкосерийным производством) требования к САПР, предназначенным для эксплуатации в этих условиях. Эти системы должны иметь более богатый набор специальных подсистем, решающих вопросы проектирования операций, выполняемых на станках-автоматах, проектирующих специальные станочные и контрольно-измерительные приспособления, фасонный и комбинированный режущий инструмент, специальное оборудование и т. д.

В условиях крупносерийного и массового производства даже незначительное усовершенствование технологического процесса или операции, приводящее к повышению производительности, снижению расхода металла, уменьшению себестоимости изделия или улучшению других производственных показателей, дает ощутимый экономический эффект по причине большой программы выпуска. Поэтому к системам автоматизированного проектирования технологических процессов в этих условиях предъявляют повышенные требования к качеству получаемых решений.

1.5 Особенности автоматизации ТПП в условиях гибких производственных систем (ГПС)

Оператор, управляющий станком с ЧПУ, не принимает непосредственного участия в формообразовании детали, а, следовательно, и не влияет на точность получаемых размеров. Фактически обработку деталей на этих станках обеспечивает технолог-программист, проектирующий технологическую операцию. В связи с этим повышаются требования к точности проектирования операций.

Для обработки на станках с ЧПУ при любом характере производства необходим детально разработанный технологический процесс с тщательно выверенными режимами резания. Никакие сокращения объемов проектно-технологических работ недопустимы. Детальная проработка технологического процесса для оборудования с ЧПУ требует не только проектирования отдельных рабочих ходов, но и расчленение каждого из них на шаги, представляющие собой перемещения инструмента вдоль определенного геометрического элемента детали. Шагами являются отдельные перемещения инструмента вдоль прямой или окружности с постоянной скоростью движения подачи, или отдельные участки, обрабатываемые с разными режимами резания. Другой особенностью является необходимость точного расчета траектории инструмента на всем его пути.

При использовании ЧПУ появляется принципиально новый элемент технологического процесса -- управляющая программа, закодированная и нанесенная на программоноситель. Поэтому технологическая подготовка производства для станков с ЧПУ включает в себя кроме традиционных расчетов такие дополнительные работы, как: расчет траектории инструмента; кодирование управляющей программы; нанесение управляющей программы на программоноситель; контроль программы с помощью специальных средств.

В связи с тем, что перечисленные этапы проектирования используют формализованные математические и логические методы решения, они и были автоматизированы в первую очередь и их используют в промышленности в качестве различных систем автопрограммирования траекторий движения инструментов (без расчетов режимов резания и, следовательно, без технологического управления производительностью процессом резания и качеством обработки).

1.6 Методы совершенствования ТПП

Одним из основных направлений совершенствования ТПП, позволяющих сократить сроки технологической подготовки производства, является технологическая унификация.

В технологической унификации различают два метода:

а) типизации технологических операций и процессов;

б) групповой обработки изделий.

Под типизацией понимают создание процессов обработки групп конструктивно и технологически подобных деталей. Для их изготовления выбирают оптимальные маршруты, орудия труда и формы организации производства. Методика типизации технологических процессов предложена А. П. Соколовским. Она базируется на классификации процессов, в основе которой лежит классификация деталей. В качестве классификационных признаков здесь принимаются конфигурация детали, ее размеры, материал, точность и качество обрабатываемых поверхностей. Основой классификационного деления является класс, который представляет собой совокупность деталей определенной конфигурации, связанных общностью технологических задач.

Для обработки однотипных деталей разрабатывают типовые технологические процессы. Типовым технологическим процессом называется процесс, характеризуемый общностью содержания и последовательности выполнения большинства технологических операций и переходов для групп изделий с общими конструктивными признаками.

При методе групповой обработки для групп однородных по тем или иным конструктивно-технологическим признакам деталей устанавливаются однотипные способы обработки с использованием однородных и быстропереналаживаемых орудий производства.

Характерной особенностью данного метода является наличие групповых операций, которые проектируются таким образом, что на одном станке с одной наладкой можно производить обработку группы различных деталей. Метод групповой обработки был предложен С. П. Митрофановым.

Принципиальное различие описанных выше методов заключается в том, что типовые процессы характеризуются общностью последовательности и содержания операций при обработке типовой группы деталей, а групповая обработка -- общностью оборудования и технологической оснастки при выполнении отдельных операций или при полном изготовлении группы разнородных деталей.

Технологическая унификация технологических процессов выполняется на разных уровнях: на уровне перехода, на уровне операции, на уровне процесса.

На уровне перехода разрабатываются унифицированные технологические переходы. Объектом унификации в этом случае являются: конфигурация конкретной геометрической поверхности, формулировка перехода, вид применяемого инструмента. Для типового сочетания элементарных поверхностей унифицируется схема обработки, которая образуется как совокупность унифицированных переходов. Параллельно с унификацией переходов разрабатывают классификаторы переходов, режущих инструментов, элементарных поверхностей и составляют словарь текстов с формулировками переходов. Унифицированный переход содержит, помимо указанной выше информации, правила выбора переходов, соответствующие коды инструмента, коды поверхностей и текстов.

Унификация на уровне операции приводит к созданию типовых и групповых технологических операций. Объектом унификации являются вид и характер обработки некоторой, заранее установленной совокупности поверхностей, технологическое оборудование, схемы базирования, вид приспособлений.

Унификация на уровне процесса приводит к созданию типовых и групповых технологических процессов.

1.7 Единая система технологической подготовки производства (ЕСТПП)

Основные формы организации технологических процессов регламентируются стандартами Единой системы технологической подготовки производства (ЕСТПП).

ЕСТПП -- это комплекс установленных государственными стандартами правил и положений по организации и ведению технологической подготовки производства на основе широкого применения современных методов организации производства, унифицированных технологических процессов, средств вычислительной техники и стандартных средств технологического оснащения.

Система позволяет решать следующие задачи:

обеспечения технологичности конструкции изделия;

разработки технологических процессов (с учетом организационно-технологического анализа производства, расчета производственных мощностей, составления необходимых планировок оборудования, определения материальных и трудовых нормативов и т. п.);

проектирования средств технологического оснащения;

отладки и внедрения технологических процессов и средств технологического оснащения;

организации технологической подготовки производства на базе типовой структурной схемы и типовых положений;

управления процессами технологической подготовки производства (ТПП) с учетом того, что она является функциональной подсистемой всей технической подготовки производства и управление ею должно обеспечивать взаимосвязь с другими функциональными подсистемами автоматизированной системы управления производством (АСУП).

Стандарты ЕСТПП подразделяются на пять классификационных групп:

основные положения ЕСТПП (группа 0);

правила организации и управления процессом технологической подготовки производства (группа 1);

правила обеспечения технологичности конструкций объектов производства (группа 2);

правила разработки применения технологических процессов и средств технологического оснащения (группа 3);

правила применения технических средств механизации и автоматизации инженерно-технических работ (группа 4).

В эти группы входит более сорока различных ГОСТов, которые определяют единые принципы и направления совершенствования технологической подготовки производства на предприятиях страны. Одновременно с созданием ЕСТПП разработан ряд систем стандартов, непосредственно взаимодействующих с ней. К важнейшим системам стандартов, используемым в ЕСТПП, относятся:

а) единая система конструкторской документации (ЕСКД);

б) единая система технологической документации (ЕСТД);

в) система управления качеством изделий.

Стандарты ЕСТПП предусматривают приведение всей информации, используемой при технологическом проектировании, к единому виду формального представления. Это создает объективные предпосылки использования ЭВМ для ее переработки. Поэтому существует группа стандартов, которая предусматривает правила применения технических средств механизации и автоматизации инженерно-технических работ, а также регламентирует основные вопросы автоматизации технологической подготовки производства.



2. Общие сведения о САПР

2.1 История создания САПР

Период развития проблемы автоматизации решения задач технологической подготовки производства можно разбить на четыре этапа:

выявление первых разработок и определение возможности решения технологических задач на ЭВМ;

проектирование локальных подсистем и автоматизация отдельных задач ТПП;

формализация процедур обработки информации и формирование стандартного математического обеспечения автоматизированных систем технологической подготовки производства (АСТПП);

создание комплексных автоматизированных систем технологической подготовки производства.

Первый этап (1955--1960 гг.) - это этап выявление первых разработок и определение возможности решения технологических задач на ЭВМ. Он характеризуется выполнением экспериментальных работ, показывающих возможности решения задач технологии с помощью ЭВМ. Эти работы показали принципиальную возможность автоматизации процесса технологического проектирования.

Второй этап (1960--1965 гг.) отличается большим количеством работ по проектированию локальных подсистем и автоматизации отдельных задач ТПП. На ЭВМ решаются такие задачи, как расчет многорезцовых наладок, расчет заготовок, расчет режимов, раскрой листового материала. Этот этап характеризуется развитием отдельных вопросов теории автоматизированных систем технологической подготовки производства: представление информации о детали для ввода ее в ЭВМ и хранения в памяти, а также разработка принципов проектирования технологии обработки на отдельных видах оборудования. Для разработанных систем этого этапа характерны большая сложность алгоритмов и программ, большой объем нормативно-справочной информации, который необходимо хранить в памяти ЭВМ. Из-за этой специфики существовавшие в то время ЭВМ оказались малопригодными для решения технологических задач.

Третий этап (1965--1970 гг.) характеризуется расширением фронта работ по автоматизации решения технологических задач. Этому способствовали два обстоятельства. Во-первых, проведение массовых работ по проектированию и внедрению автоматизированных систем управления производством (АСУП) на предприятиях с различным характером производства требовало автоматизации решения отдельных задач технологического проектирования. Во-вторых, проведение больших работ по стандартизации процедур, программ обработки информации и начало работ по формализации алгоритмов принятия решений в технологических задачах. Работы по автоматизации технологического проектирования характеризуются направленностью на условия предприятия, где предполагалось ее внедрение.

Применение стандартных процедур и программ позволило уменьшить объем программ и увеличить количество программ, которыми обменивались разработчики АСТПП. Однако локальные системы АСТПП имели ряд недостатков:

многие системы могли быть использованы только на том предприятии, для которого они были спроектированы;

высокая трудоемкость разработки таких систем;

сложность осуществления принципа непрерывного развития системы, поскольку уровень технологии на предприятии фиксировался только на момент проектирования системы;

трудоемкость обновления технологических алгоритмов была соизмерима с трудоемкостью их проектирования;

различия систем, разработанных для конкретных предприятий, были настолько существенны, что не допускали их объединения в комплексную систему.

Четвертый этап (с 1970 г.) характеризуется работами по созданию комплексных систем АСТПП, основанных на использовании единой системы кодирования и единого математического обеспечения. Оценивая этот этап, можно отметить следующее. В трудах Г.К. Горанского, Н.М. Капустина, С.П. Митрофанова, В.Д. Цветаева изложены основы теории автоматизации технологической подготовки производства. Положительный опыт автоматизации ТПП начал находить отражение в отраслевых и государственных стандартах. В ЕСТПП автоматизация ТПП рассматривается как один из основных принципов создания системы. В стандартах ЕСТПП отражен системный подход к проблеме совершенствования технологической подготовки производства и методологический подход к автоматизации инженерного труда в ТПП. Так как АСТПП являются составной частью систем автоматизации проектных работ наравне с системами автоматизированного проектирования новых изделий, то стандарты по САПР могут быть использованы при создании АСТПП.

2.2 САПР как объект проектирования

Проектирование -- процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта, на основе первичного описания этого объекта и (или) алгоритма его функционирования.

Различают автоматизированное и автоматическое проектирование. При автоматизированном проектировании все преобразования описаний объекта и алгоритма его функционирования, а также представление описаний на различных языках осуществляются взаимодействием человека и ЭВМ. Автоматическим называется проектирование, при котором все преобразования описаний объекта и алгоритма его функционирования, а также представление описаний на различных языках осуществляются без участия человека.

Автоматизация проектирования предполагает систематическое использование средств вычислительной техники при рациональном распределении функций между проектировщиком и ЭВМ и обоснованном выборе методов машинного решения задач. Рациональное распределение функций между человеком и ЭВМ подразумевает, что человек должен в основном решать задачи творческого характера, а ЭВМ -- задачи, допускающие формализованное описание в виде алгоритма, что позволяет достичь большей эффективности по сравнению с традиционным ручным способом.

Существенное преимущество машинных методов проектирования состоит в возможности проводить на ЭВМ эксперименты на математических моделях объектов проектирования, отказавшись или значительно сократив дорогостоящее физическое моделирование.

Система автоматизированного проектирования (САПР) -- комплекс средств автоматизации проектирования, взаимосвязанных с необходимыми подразделениями проектной организации или коллективом специалистов (пользователем системы), выполняющей автоматизированное проектирование.

Основная функция САПР -- выполнение автоматизированного проектирования на всех или отдельных стадиях проектирования объектов и их составных частей.

Объектами проектирования в САПР могут быть здания, сооружения, металлорежущие станки, режущий инструмент и т.д., в САПР технологических процессов (САПР ТП) - технологические процессы.

Проектирование по своему содержанию - это процесс переработки определенного объема различной информации.

Входами такого процесса (рисунок 1) являются:

Замысел (цель) проектирования, выраженный в виде определенной совокупности условий и требований, которым должен удовлетворять искомый объект.

Средства проектирования, т.е. факторы, которыми можно варьировать при проектировании.

Выход процесса (рисунок 1)- такое описание искомого объекта, которое необходимо и достаточно для материально - вещественного воплощения идеи проектирования в конкретный физический объект (т.е. его информационная модель в виде схем, чертежей, спецификаций, технологических карт и другой документации).

Рисунок 1 - Процесс проектирования с информационной точки зрения

Таким образом, смысл процесса проектирования в любой САПР независимо от объекта проектирования один и тот же: получить в соответствии с замыслом такую информационную модель, которая позволяет создать систему - оригинал, полностью соответствующую замыслу.

В процессе проектирования с помощью САПР в качестве промежуточных и окончательных решений используют различные математические модели.

Модели формы и геометрических параметров. Это плоские и объемные изображения объектов проектирования, выполненные в соответствии с правилами ЕСКД, ЕСТД, ЕСТПП (чертежи, схемы, карты эскизов и т.д.).

Модели структуры. Это кинематические, гидравлические, электронные и др. схемы. Для технологического процесса - это его структура, представленная, например, в виде маршрутной, операционной карты, а в процессе проектирования - в виде графа.

Модели временных и пространственно - временных отношений. Это циклограммы, сетевые графики и т.д.

Модели функционирования. Это, например, динамические и кинематические схемы, выполненные в режиме анимации.

Модели состояний и значений свойств объекта. Это формальное (упрощенное) описание объекта (процесса) в виде отдельных формул, систем уравнений и т.д. Они предназначены для расчетов параметров объекта, проведения численных экспериментов. Для технологического проектирования - это математические модели для расчета припусков и межпереходных размеров, режимов резания и т.д.

Имитационные (статистические) модели. Они позволяют, учитывая большую совокупность случайных факторов имитировать на ЭВМ многочисленные и разнообразные реальные ситуации, в которых может оказаться будущий объект проектирования.

2.3 Принципы создания САПР

При создании САПР необходимо руководствоваться следующими принципами:

системного единства;

совместимости;

типизации;

развития.

Принцип системного единства обеспечивает целостность системы и иерархичность проектирования отдельных частей и объекта в целом.

Принцип совместимости обеспечивает совместное функционирование составных частей САПР и сохраняет открытой систему в целом.

Принцип типизации предусматривает разработку и использование типовых и унифицированных элементов САПР. Типизируют элементы, имеющие перспективу многократного использования.

Принцип развития дает возможность пополнения, совершенствования и обновления составных частей САПР.

Современные САПР, в том числе и САПР ТП базируются на новых информационных технологиях. Вследствие этого для них характерен ряд признаков.

1. Объектно - ориентированное взаимодействие человека и ЭВМ. Пользователь работает в режиме манипулирования изображениями заготовок, деталей, сборочных единиц, со схемами, текстом и т.д. в реальном масштабе времени. В основу манипулирования заложено программирование соответствующих процедур, выполняемых ЭВМ. Человек видит информационные объекты, получаемые благодаря средствам вывода информации, и воздействует на них за счет средств ввода информации.

2. Сквозная информационная поддержка на всех этапах обработки информации на основе интегрированной базы данных. База данных предусматривает единую унифицированную форму представления, хранения, поиска, отображения, восстановления и защиты информации.

3. Безбумажный процесс обработки информации. Все промежуточные варианты и необходимые численные данные записываются на машинных носителях и доводятся до пользователя через экран монитора. На бумаге фиксируется только окончательный вариант документа: технологическая карта, карта эскизов и т.д.

4. Интерактивный режим решения задач, выполняемый в режиме диалога пользователя и ЭВМ. Новые информационные технологии требуют высокого интеллектуального уровня, профессиональной и психологической подготовки пользователя. Пользователь должен досконально знать принципы и все нюансы работы САПР, ее возможности, уметь свободно пользоваться средствами общения с компьютером, квалифицированно ставить задачи и осмысливать результаты их решения.



2.4 Виды обеспечения САПР

Основой САПР является совокупность различных видов обеспечения автоматизированного проектирования, необходимых для решения проектных задач.

Комплекс средств автоматизации проектирования современных САПР включает семь видов обеспечения: техническое, математическое, программное, информационное, лингвистическое, методическое, организационное.

Техническое обеспечение -- совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств, предназначенных для выполнения автоматизированного проектирования. К этому виду обеспечения относятся различные технические средства: ЭВМ, периферийное оборудование и устройства их связи.

Математическое обеспечение -- совокупность математических методов, математических моделей и алгоритмов проектирования, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования. Сюда входят математические модели конкретных объектов (технологических процессов, инструментов, приспособлений и др.), методы их проектирования, а также методы и алгоритмы выполнения различных инвариантных проектных операций и процедур, связанных с оптимизацией, поиском информации, автоматизированной графикой и др.

Программное обеспечение -- совокупность машинных программ, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования и представленных в заданной форме. Это обеспечение включает комплексы программ специального и общего назначения.

Специальное программное обеспечение представляется в виде текстов прикладных программ, ориентированных на решение специальных задач (решение задач динамики, прочности; проектирование маршрутных и операционных технологических процессов, техническое нормирование; проектирование стандартных деталей и оснастки и т. п.).

Общее программное обеспечение предназначено для управления вычислительным процессом в САПР и подготовки программ из пакета прикладных программ к исполнению на ЭВМ. Эти функции обычно выполняют программы, входящие в состав операционных систем ЭВМ.

Информационное обеспечение -- совокупность сведений, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования и представленных в заданной форме. Основную часть информационного обеспечения составляет база данных -- информационные массивы, используемые более чем в одной программе проектирования. В процессе функционирования САПР база данных пополняется, корректируется и, кроме того, производится ее защита от неправильных изменений. Все эти функции выполняет система управления базой данных (СУБД). База данных совместно с СУБД образует банк данных.

Лингвистическое обеспечение -- совокупность языков проектирования, включающая, кроме того, термины и определения, правила формализации естественного языка, методы сжатия и развертывания текстов, необходимых для автоматизированного проектирования и представленных в заданной форме. В этот вид обеспечения входят общеизвестные алгоритмические языки, используемые для записи программ при создании САПР, и входные языки, которые служат для описания объектов проектирования и заданий на выполнение проектных процедур.

Методическое обеспечение -- совокупность документов, устанавливающих состав, а также правила отбора и эксплуатации средств обеспечения автоматизированного проектирования, необходимых для решения проектных задач.

Организационное обеспечение -- совокупность документов, устанавливающих состав проектной организации и ее подразделений, связи между ними, их функции, а также форму представления результата проектирования и порядок рассмотрения проектных документов.

2.5 Состав и назначение САПР технологической подготовки производства

Современная САПР при ее полном развитии должна включать автоматизированное решение всех задач, встречающихся при технологическом проектировании. Причем для решения каждой задачи предполагается создание отдельной подсистемы автоматизированного проектирования. Примерный состав подсистем показан на рисунке 2.

Подсистемы автоматизации технологического проектирования предусматривают решение следующих задач.

Разработка технологии литейного производства.

Разработка технологии сварки и резки металлов, подготовки программ для сварочных автоматов и для резки металлов с ЧПУ.

Разработка технологии кузнечно-штамповочного производства, подготовки программ для прессов с ЧПУ.

Разработка технологии механической обработки: типовых групповых и единичных технологических процессов, автоматных операций, технического нормирования, подготовки программ для станков с ЧПУ.

Разработка технологии сборки: операционных технологических процессов сборки, подготовки управляющих программ для промышленных роботов.

Разработка технологии химических, термохимических, химико-механических, электрических, термических методов обработки, металлопокрытий, окраски.

Подсистемы конструирования средств технологического оснащения должны включать инвариантные части (модули), позволяющие решать для различных подсистем технологического проектирования следующие задачи: проектирование специального оборудования, проектирование специальной оснастки, проектирование специальных режущих инструментов, проектирование специальных мерительных инструментов. Для осуществления функций связи между отдельными подсистемами САПР ТП должна быть разработана специальная подсистема стыковки. Эту функцию, как показано на рисунке 2, выполняет подсистема формирования и кодирования исходных данных, которая осуществляет выборку, переработку и систематизацию данных, выдаваемых предыдущими подсистемами, а также подготовку данных для работы последующих подсистем технологического проектирования.

Для хранения, поиска и первичной переработки данных, необходимых при проектировании, в САПР ТП служит банк данных технологического назначения.

Рисунок 2 - Функциональный состав комплексной САПР ТПП машиностроительного предприятия



2.6 Структура САПР технологических процессов механической обработки

Наибольший технико-экономический эффект может быть получен при создании комплексных автоматизированных систем, объединяющих в единый процесс основные этапы проектирования. Примерная структура такой комплексная автоматизированная система технологической подготовки производства представлена на рисунке 3.

Данная система объединяет в непрерывный процесс взаимосвязанные этапы технологического проектирования, которые выполняются следующими подсистемами.

1. Подсистема автоматизированной разработки конструкторской документации предназначена для разработки конструкторской документации (сборочных чертежей, рабочих чертежей), которая хранится в электронном архиве предприятия.

2. Подсистема автоматизированной разработки технологических процессов предназначена для проектирования технологических процессов обработки деталей. С использованием данной подсистемы могут разрабатываться техпроцессы как механической обработки, так и сборки, термической обработки и др. Эта подсистема является центральным и ведущим звеном САПР ТП. Она наряду с разработкой технологических процессов на детали основного производства готовит исходную информацию для проектирования приспособлений, инструмента, для разработки управляющих программ для станков с ЧПУ.

3. Подсистема автоматизированного проектирования приспособлений служит для конструкторской проработки специальных станочных приспособлений. Эта подсистема в зависимости от конструктивных особенностей деталей и условий обработки предусматривает разработку конструкций приспособлений либо методом синтеза, либо методом доработки типовых схем приспособлений.

4. Подсистема автоматизированного проектирования приспособлений выполняет проектирование специальных режущих, вспомогательных и измерительных инструментов.

5. Подсистема автоматизированного программирования применяется для разработки управляющих программ для станков с ЧПУ и промышленных роботов, используемых при изготовлении деталей основного производства и специальной оснастки.

Рисунок 3 - Структурная схема комплексной САПР ТП

6. Электронный архив предприятия обеспечивает хранение конструкторской и технологической документации, а также организует документооборот в рамках предприятия.

7. Банк данных в условиях рассматриваемой комплексной САПР ТП предназначен для обеспечения необходимой информацией процессов автоматизированного проектирования вышерассмотренных подсистем. Основными функциями банка данных являются сбор, накопление, хранение, замена, поиск и преобразование всех видов информации, перерабатываемой в системе, что позволяет существенно упростить алгоритмы и программы функциональных подсистем и резко сократить время работы ЭВМ.

Рассмотренная комплексная САПР ТП может функционировать в виде единого комплекса с непрерывным обеспечением всех видов работ технологического проектирования, а также использоваться при функционировании отдельных подсистем, позволяющих решать более частные технологические задачи (проектирование технологических процессов изготовления деталей основного производства, проектирование приспособлений или инструмента и др.).



3. Системное проектирование и стратегии проектирования технологических процессов

3.1 Понятие о системном проектировании ТП

Системное проектирование технологических процессов базируется на двух основных принципах.

Принцип 1. Применение при проектировании технологических процессов системного подхода.

Системный подход основывается на следующих положениях.

1. Технологический процесс нужно рассматривать, с одной стороны, как просто перечень отдельных его элементов (операций, переходов и т.д.), а с другой стороны, как совокупность взаимосвязанных и взаимообусловленных элементов. Таким образом, необходимо рассматривать структуру технологического процесса, под которой понимается множество его элементов и множество связей между ними. Если V = {v1, v2, …, vm} - множество элементов технологического процесса, S = {s1, s2, …, sn} - множество связей между элементами, то Str = {V, S} - структура технологического процесса (рисунок 4).

...