Системы автоматизированного проектирования технологических процессов

Рисунок 4 - Представление структуры технологического процесса в виде дерева

2. Процесс проектирования технологического процесса - это, с одной стороны, просто перечень отдельных его этапов (выбор заготовки, определение маршрута обработки детали и т.д.), а с другой стороны, совокупность взаимосвязанных и взаимообусловленных этапов;

3. Необходимо осуществлять рациональное разбиение процесса проектирования на части. Проектирование технологического процесса - сложная задача. Общепринятый подход к решению сложных задач - разбиение их на простые задачи и их решение во взаимосвязи друг с другом. «Простые» задачи при проектировании технологического процесса: выбор типа заготовки, расчет режимов резания и т.д.;

4. Принятие оптимальных решений.

Принцип 2. Использование при проектировании технологических процессов рационального сочетания традиционных (иногда «ручных») методов проектирования и достижений теории множеств, теории графов, теории оптимизации и других современных системных наук, ориентированных на использование ЭВМ.

Применение принципов системного проектирования позволяет систематизировать знания в любой области, «навести в ней порядок». Рисунок 5 (а, б) показывает, чем отличается представление знаний без использования принципов системного проектирования и с использованием этих принципов.



а) без использования принципов системного проектирования

б) с использованием принципов системного проектирования

Рисунок 5 - Представление знаний в определенной области

3.2 Стратегии проектирования технологических процессов

При «ручном» проектировании технологических процессов, а особенно при создании (использовании) САПР технологических процессов важно иметь четкое представление, с использованием какой (каких) стратегий они проектируются. Стратегия проектирования технологического процесса определяет методику его проектирования. Правильный выбор стратегии проектирования чрезвычайно важен (особенно в САПР). Это определяет эффективность САПР. Ниже приведены некоторые стратегии проектирования технологических процессов (рисунки 6 - 9).



а б

Рисунок 6 - Линейная (а) и циклическая (б) стратегии проектирования

Рисунок 7 - Разветвленная стратегия проектирования



В идеале необходимо стремиться к выбору или разработке линейной стратегии проектирования. Она является преимущественной особенно при проектировании с использованием ЭВМ. Эта стратегия имеет минимальную трудоемкость, максимальную надежность.

Циклическая стратегия (схема с петлями) характерна для многих программ ЭВМ и носит название итерационного процесса. Другими словами это процесс последовательного приближения к цели путем улучшения разрабатываемых вариантов.

Наличие параллельных этапов в разветвленной стратегии очень выгодно. Это позволяет сократить сроки проектирования.

В адаптивных стратегиях проектирования с самого начала определяется только первое действие. В дальнейшем выбор каждого последующего действия зависит от результатов предыдущего. В принципе это самая разумная стратегия, т.к. схема поиска определяется на основе наиболее полной информации. Эта стратегия используется при создании систем искусственного интеллекта.

Стратегия случайного поиска отличается абсолютным отсутствием плана. Она используется в новаторском проектировании, например, при разработке новых технологических процессов.

Необходимо добиваться максимальной линеаризации процесса проектирования с включением параллельных этапов, а цикличность стараться исключать, особенно на верхних уровнях проектирования. К сожалению, из-за недостаточной информации часто не удается задать линейную стратегию, которая особенно целесообразна в САПР.

Стратегия проектирования может детализироваться от одного уровня проектирования к другому. На определенных этапах проектирования приходится вводить методы управления стратегией (рисунок 10).



Рисунок 10 - Управление стратегией проектирования

Целесообразно процесс проектирования разбивать на частные задачи. Результат выполнения каждой задачи оформляется в виде технического задания, которое дает информацию о последующем плане (стратегии) ее детализации (дальнейшего решения).



4. Математическое моделирование при автоматизированном проектировании технологических процессов

Выполнение проектных процедур при автоматизированном проектировании основано на оперировании математическими моделями.

Математическая модель технологического процесса - это система математических объектов (чисел, переменных, множеств, графов, матриц и т.д.) и отношений между ними, отражающая некоторые свойства технологического процесса. На рисунке 11 представлена классификация математических моделей, используемых в САПР технологических процессов.

Рисунок 11 - Классификация математических моделей, используемых в САПР ТП

4.1 Табличные модели

Табличная модель описывает одну конкретную структуру технологического процесса. В табличной модели каждому набору условий соответствует единственный вариант проектируемого технологического процесса. Поэтому табличные модели используют для поиска стандартных, типовых или готовых проектных решений. Модели других классов применяют для получения типовых, унифицированных и индивидуальных проектных решений при наличии их вариантов и необходимости оптимизации решения.

Пример. При обработке группы деталей d1, d2, d3 на прутковом токарном автомате последовательность обработки их поверхностей устанавливается с помощью табличных моделей. Каждая деталь (рисунок 12) имеет поверхности с определенными свойствами F1, F2, …, F8:

;

;

Рисунок 12 - Эскизы деталей для обработки на прутковом токарном автомате

На рисунке 13. представлены табличные модели в виде графов взаимосвязей переходов при обработке деталей d1, d2, d3 на данном оборудовании.



Рисунок 13 - Графы взаимосвязей переходов при обработке деталей d1, d2, d3

На рисунке 13 ф1, ф2, …, ф8 - операторы (технологические переходы):

ф1 - подрезка торца;

ф2, ф3, ф4 - точение наружной цилиндрической поверхности;

ф5 - сверление;

ф6 - зенкерование;

ф7 - зенкование;

ф8 - отрезка.

Для представления данных об обработке деталей в виде, удобном для программирования, представленная выше информация может быть описана в виде двух таблиц (таблицы 2 и 3), которые легко превращаются в массивы. В этих, а также последующих таблицах данного раздела логическая единица обозначает наличие связи, а нуль - отсутствие таковой.

Таблица 2 - Связи между свойствами поверхностей деталей и операторами (технологическими переходами)

i	Fj
	F1	F2	F3	F4	F5	F6	F7	F8
1	1	0	0	0	0	0	0	0
2	0	1	0	0	0	0	0	0
3	0	0	1	0	0	0	0	0
4	0	0	0	1	0	0	0	0
5	0	0	0	0	1	0	0	0
6	0	0	0	0	0	1	0	0
7	0	0	0	0	0	0	1	0
8	0	0	0	0	0	0	0	1

Таблица 3 - Связи между совокупностями свойств деталей и операторами (технологическими переходами)

i
1	1	1	1
2	1	1	1
3	1	1	0
4	1	1	0
5	1	1	1
6	1	0	0
7	1	0	0
8	1	1	1

4.2 Сетевые модели

Сетевая модель описывает множество структур технологического процесса, отличающихся количеством и (или) составом элементов структуры при неизменном отношении порядка.

Структура элементов сетевой модели описывается ориентированным графом, не имеющим ориентированных циклов. В модели может содержаться несколько вариантов проектируемого технологического процесса, однако во всех вариантах порядок элементов одинаков.

Пример. Сетевая модель технологического проектирования маршрута обработки детали «Зубчатое колесо», эскиз которой представлен на рисунке 14. На рисунке 15 показан граф взаимосвязи операторов (технологических операций) по возможной последовательности их выполнения.



Рисунок 14 - Эскиз детали «Колесо зубчатое»

Приведенный на рисунке 15 граф легко представляется в виде матрицы этого графа (здесь не приводится), которая в свою очередь может быть без труда описана в виде массива информации, а массивы являются неизменными атрибутами любого языка программирования.

Кроме данного графа сетевая модель включает в себя таблицу связей свойств поверхностей детали и операторов технологического процесса (в этом примере - технологических операций) - таблица 4.



Рисунок 15 - Граф взаимосвязи операторов (технологических операций) по возможной последовательности их выполнения



Таблица 4 - Связи между свойствами поверхностей детали и операторами технологического процесса

i	Fj
	F1	F2	F3
1	1	1	0
2	1	0	0
3	0	1	0
4	0	1	0
5	0	0	1
6	0	0	1
7	1	1	1
8	1	0	0
9	0	0	1
10	0	0	1
11	1	1	1
12	1	1	1

4.3 Перестановочные модели

Перестановочная модель описывает множество структур технологического процесса, отличающихся количеством и (или) составом элементов структуры при изменении отношения порядка. Отношения порядка в этих моделях задаются с помощью графа, содержащего ориентированные циклы.

Пример. Расцеховка при изготовлении изделия (рисунок 16).

Рисунок 16 - Граф, отображающий расцеховку при изготовлении изделия



На рисунке 16 через P1, P2,…, P8 обозначены цеха:

P1 - литейный;

P2 - кузнечный;

P3 - механический;

P4 - термический;

P5 - механосборочный;

P6 - общей сборки;

P7 - испытательный;

P8 - упаковочный.

Сетевые и перестановочные модели используют для получения типовых, групповых и индивидуальных технологических процессов. Наличие в них вариантов позволяет производить оптимизацию технологических процессов.

Функциональные модели предназначены для отображения физических или информационных процессов, протекающих в технологических системах при их функционировании. Обычно функциональные математические модели представляются системой уровней, описывающих фазовые переменные, внутренние, внешние и выходные параметры (см. гл. 11). Характерным примерами функциональных моделей являются математические модели, используемые при расчете и оптимизации режимов резания.



5. Типовые решения в САПР ТП

5.1 Анализ задач проектирования технологических процессов

Трудности автоматизации проектирования технологических процессов связаны главным образом с тем, что задачи ТПП не имеют в настоящее время формальных методов решения. Так, задача выбора маршрутного технологического процесса при ее описательном изложении не содержит данных о методах проектирования процессов изготовления сложных деталей, которые могли бы быть представлены математическими операциями, реализуемыми в виде программ для ЭВМ. Кроме того, выбор последовательности действий и средств для изготовления детали не может быть выведен математическим образом на основе исходных данных.

Для современных разработок в области технологии машиностроения характерно:

отсутствие строгих аналитических зависимостей; сложная логика суждений, сложная взаимосвязь и взаимное влияние отдельных задач;

наличие огромных информационных потоков и большого числа составных элементов технологии (станки, приспособления, инструмент, режимы обработки и др.).

Решение любой задачи на ЭВМ требует наличия аналитических или других видов зависимостей, отражающих количественную, а не качественную сторону процесса проектирования. Поэтому для осуществления автоматизации технологического проектирования с помощью ЭВМ необходимо провести формализацию технологии (или ее части), т. е. провести замену (преобразование) содержательных предложений формулами.

Этот процесс, называемый формализацией, обеспечивает возможность создания универсальных алгоритмов и программ относительно начальных и конечных условий, т. е. относительно формы и размеров детали, характера производства, характеристик оборудования и оснастки, и тем самым позволяет более эффективно, применять ЭВМ в проектировании различных технологических процессов для деталей различных классов и любой сложности: корпусов, валов, рычагов и т. п.

Решение задачи технологического проектирования с помощью ЭВМ представляет собой моделирование деятельности технолога, проектирующего технологический процесс. Поэтому важно знать, каким образом технолог находит то или иное решение, и какие методологические принципы заложены в его деятельности.

Множество частных технологических задач, которые решает технолог в процессе проектирования, можно свести в две группы. Первую группу, составляют расчетные задачи. К таким задачам следует отнести расчет режимов резания, расчет припусков на механическую обработку, расчет норм времени и т. д. Решение этих задач сводится к выполнению расчетов по формулам, т.е. их решение достаточно формализовано. Для них легко составить формальный алгоритм, позволяющий для решения использовать ЭВМ. Однако таких задач при технологическом проектировании немного.

Большую часть -- вторую группу -- составляют задачи, которые условно называют логическими (неформализованными). К таким задачам относятся: выбор метода обработки, выбор оборудования, инструмента, назначение схемы базирования, выбор вида заготовки, определение последовательности операций и т. д. Эти задачи объединяет то, что для них в технологии машиностроения нет формальных методов решения, т. е. не установлены функциональные соотношения, позволяющие формально получать решения с учетом исходных данных.

Например, рассмотрим задачу о выборе метода обработки отверстия заданных размеров и точности. Для ее решения технологу не нужно изобретать новые методы обработки отверстий, а следует использовать уже известное, апробированное решение. В технологии машиностроения применяется ряд проверенных на практике методов обработки отверстий: для черновых - сверление, рассверливание, зенкерование, растачивание; для чистовых - растачивание чистовое, развертывание, протягивание, хонингование.

Следовательно, имеется конечный набор известных методов обработки (типовых решений), и задача технолога состоит в обоснованном выборе одного из них. Каждый из методов обработки (типовое решение) имеет область рационального применения.

Например, при отсутствии отверстия в заготовке первым черновым проходом назначают сверление. Если окончательные размеры отверстия велики, сначала сверлится отверстие меньшего диаметра, а затем оно рассверливается. В крупносерийном и массовом производстве применяют более точные методы получения заготовок, поэтому в заготовке отверстие, как правило, имеется. Тогда в качестве типового прохода используют зенкерование. Однако зенкеры изготавливают диаметром до 150 мм. Поэтому при больших размерах отверстия необходимо производить растачивание.

Чистовая обработка отверстий по седьмому квалитету ведется развертыванием. Но стандартные развертки имеют диаметр до 80 мм, поэтому для получения больших отверстий применяют чистовое растачивание. В массовом производстве часто используют протягивание.

Таким образом, основной принцип деятельности технолога при решении рассматриваемой задачи состоит в обоснованном выборе (принятии) типового решения с учетом комплекса условий. Аналогичен методологический подход и к решению других технологических задач нерасчетного характера.

Следует отметить, что одной из трудностей процесса формализации является то, что существующие в технологии машиностроения эмпирические зависимости количественных отношений выражаются громоздкими таблицами, имеющими большое число значений, либо эмпирическими формулами, не охватывающими различных условий производства. В связи с этим очень важными являются работы, выполняемые в области теоретических и экспериментальных исследований по установлению более точных количественных зависимостей, связывающих производительность, точность обработки и качество поверхности с методами и режимами резания для различных условий обработки.

Основываясь на математическом анализе и статистическом исследовании, таблицы и эмпирические формулы можно заменить математическими выражениями. В этом случае повышается эффективность и точность расчета многих параметров и уменьшается загрузка памяти ЭВМ.

Формализация процессов технологического проектирования неразрывно связана с описанием количественных связей информационной структуры детали с технологическими особенностями ее обработки. Между конструкцией, геометрической структурой и другими характеристиками деталей и структурой технологического процесса существуют объективные связи. Так, геометрическая структура деталей предопределяет методы достижения требуемой точности, выбор технологических и измерительных баз, последовательность обработки элементарных поверхностей деталей и их измерения, межоперационные размеры, припуски и допуски и т. д. Чтобы получить полное описание геометрии любой машиностроительной конструкции, необходимо описать ее структуру, форму, размеры и взаимное расположение отдельных ее элементов.

5.2 Понятие о типовых решениях

По причине слабой формализации процесса технологического проектирования при решении задач нерасчетного характера (выбор заготовки, разработка маршрута обработки детали, выбор станков, инструментов и т.д.) решения принимают в результате выбора из известных типовых решений. Таким образом, типовые решения - это основа формализации для решения задач неформального характера при проектировании технологических процессов с помощью ЭВМ.

Процесс выбора решений при этом заключается в следующем:

описывается весь набор типовых решений;

описывается набор условий, при которых может быть применено каждое из типовых решений;

эти данные описываются в виде базы данных и вводятся в ЭВМ до начала проектирования ТП;

при разработке технологического процесса в ЭВМ вводятся некоторые исходные данные по детали;

проверяется соответствие исходных данных условиям применимости типовых решений. При выполнении всех условий комплекса условий применимости принимается соответствующее типовое решение.

В качестве примера рассмотрим задачу выбора шлифовального круга на операцию круглого наружного шлифования методом врезания.

Допустим, на некотором предприятии имеются шлифовальные станки трех моделей: 3У12В, 3У131М, 3М163В -- они и составляют множество типовых решений (МТР):

Сформируем комплекс условий применяемости выявленных типовых решений. Комплекс условий применяемости -- это множество параметров, проверка которых с достаточной достоверностью позволит выбрать то или иное решение. Условиями применяемости в данном случае являются размещение детали в рабочей зоне станка и возможности обработки ее на данном типе оборудования. Первая группа условий регламентирует габаритные размеры детали: диаметр вала D и длина L (рисунок 17) должны находиться в пределах, допустимых рабочей зоной станка. Вторую группу условий составляют следующие требования: длина шлифуемой шейки l не должна превышать высоту шлифовального круга H; высота бурта h у шлифуемой шейки детали 3 не должна быть больше, чем перепад шлифовального круга 1 и закрепляющей его планшайбы 2.

1 - шлифовальный круг,

2 - планшайба,

3 - обрабатываемая деталь

Рисунок 17 - Схема установки детали на шлифовальном станке

Условия применяемости типового решения являются ограничениями на параметры, характеризующие исходные данные рассматриваемой задачи. Это позволяет описать комплекс условий применяемости (КУП) математическими средствами:

Совокупность параметров, регламентированных комплексом условий применяемости, называют комплексом параметров применяемости (КПП). В данном случае:

КПП ={D, L, l, h}.

В соответствии с комплексом параметров применяемости формируются исходные данные задачи и характеристики типовых решений.

Для решения задачи нужно выявить допустимые для каждого типового решения диапазоны параметров применяемости. Соответствующие характеристики шлифовальных станков и обрабатываемых деталей приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Условия применяемости шлифовальных станков

Модель станка	Параметры станков
	D	L	l	h
3У12В	200	500	40	50
3У131М	280	700	50	75
3М163В	280	1400	200	75

Далее формируется массив условий применяемости (МУП):

В соответствии с комплексом условий применяемости для заданного набора исходных данных (параметров деталей)



из трех имеющихся принимается то решение, которое удовлетворяет неравенствам КУП.

Процедуру проверки этих условий можно описать при помощи формального алгоритма (рисунок 18).

Рисунок 18 - Алгоритм выбора шлифовального станка

На основе этого алгоритма может быть составлена программа для ЭВМ, позволяющая для любого набора исходных данных Uд выбрать модель шлифовального станка.

Важнейшим этапом в разработке алгоритма решения задачи логического типа является формирование комплекса условий применяемости. В рассмотренном примере выделены лишь условия, определяющие принципиальную возможность обработки. В производственных условиях этот комплекс может быть расширен.

Итак, при решении любых технологических задач с применением ЭВМ необходимо в каждом случае сформировать множество типовых решений, комплекс условий применяемости каждого типового решения, массив условий применяемости, а также разработать правила проверки этих условий -- алгоритм решения. Для всех частных технологических задач, которые являются составными элементами технологического процесса, также решается весь комплекс вопросов технологического проектирования. На основании полученных решений формируется полный технологический процесс.

5.3 Виды типовых решений

Типовые решения являются основой технологического проектирования при использовании ЭВМ. По уровню решаемых задач типовые решения подразделяют на две группы: локальные типовые решения (ЛТР) и полные типовые решения (ПТР).

Локальные типовые решения относятся к частным технологическим задачам, определяющим лишь некоторую часть (элемент) проектируемого технологического процесса. Например, назначение станка на выполнение операции шлифования (см. выше). Типовые решения (модели станков) в данном случае являются локальными типовыми решениями. Приведем еще примеры множеств локальных типовых решений (МЛТР):

Здесь МЛТР1 - множество технологических переходов; МЛТР2 - множество режущих инструментов.

Полные типовые решения охватывают весь (полный, логически завершенный) круг решаемых задач. Примером полного типового решения является типовой технологический процесс. Множеством типовых решений этой группы может являться множество типовых технологических процессов, где каждое типовое решение есть технологический процесс изготовления деталей определенного типа. Пример множества полных типовых решений (МПТР):

.

Здесь ПТР11- типовой технологический процесс изготовления шестерни, ПТР12- типовой технологический процесс изготовления втулки.

Типовые решения различают по своей структуре. МЛТР1, МЛТР2 - это множества типовых решений с простейшей структурой (одноэлементных). Каждое типовое решение здесь является единицей проектирования, единым неизменным элементом, который может быть принят или не принят целиком. Никакие преобразования таких типовых решений не предусматриваются.

Более сложную структуру имеют полные типовые решения. Это решения многоэлементные, т.е. каждое состоит из совокупности элементов, которые в процессе проектирования могут быть рассмотрены отдельно. Элементы этих типовых решений (маршрутных технологических процессов) - технологические операции. Для каждой операции необходимо назначит станок, произвести нормирование, т.е. рассмотреть в дальнейшем элементы этого типового решения - локальные типовые решения.



6. Методы автоматизированного проектирования технологических процессов

В автоматизированном проектировании технологических процессов можно выделить три основных метода: метод случайных аналогий, метод анализа и метод синтеза.

6.1 Метод случайных аналогий

Метод случайных аналогий основан на использовании готовых решений на всех уровнях проектирования за счет заимствования существующих единичных технологических процессов. Схема нахождения маршрута в этом случае представлена на рисунке 19.

Рисунок 19 - Схема нахождения маршрута обработки

Для реализации этого метода необходимо иметь развитую информационно-поисковую систему (ИПС). В базе данных этой системы должны находиться поисковые образцы деталей и их технологические процессы. С помощью ИПС технологического назначения находятся детали-аналоги. Далее на основе номеров чертежей отыскиваются в базе данных технологические процессы на выбранные детали-аналоги. Технологический процесс на деталь-аналог используется как исходный вариант, позволяющий перейти на следующий уровень проектирования -- уровень операций. Откорректировав процесс применительно к параметрам детали, можно получить необходимый рабочий процесс. Корректировки касаются структуры процесса, параметров режущего и измерительного инструмента. Качество процесса зависит от результатов поиска детали-аналога, т. е. от эффективности работы ИПС технологического назначения.

Данной метод используется при проектировании технологических процессов на базе типовых технологий. Метод случайных аналогий (метод адресации), который включает в себя три основные модификации:

заимствование ТП без изменения структуры аналога и параметрической настройки (метод полного заимствования);

заимствование ТП без изменения структуры аналога, но с параметрической настройкой;

заимствование ТП с изменением структуры аналога и с параметрической настройкой.

6.1.1 Метод полного заимствования ТП-аналога

Данный метод предполагает поиск среди множества изделий D, хранящихся в базе данных, таких, которые имеют одинаковые ТП изготовления изделий или вспомогательных операций. Проблема состоит в том, чтобы так сформировать поисковые предписания, чтобы по ним были отобраны все изделия, имеющие одинаковые с заданным изделием ТП. Предписаний может быть несколько, так как для различных операций и различных изделий идентичность ТП определяется совокупностью характеристик и ограничений на значения этих характеристик. Например, для выбора УП транспортной операции достаточно совпадения маршрутов обработки изделий, для выбора УП робота-манипулятора при обслуживании рабочего места -- веса детали и в какой-то мере геометрии изделия и т. д. Выбор алгоритма формирования поискового предписания может быть осуществлен процедурой выбора решений. После выбора множества ТП, которые могут быть использованы для осуществления рассматриваемой части ТП изготовления изделия, следует оценить их эффективность и выбрать оптимальное. Реализовать данный метод можно при помощи ИПС по схеме, приведенной на рисунке 20. Метод применяется преимущественно при проектировании вспомогательных операций.

6.1.2 Метод заимствования ТП-аналога с параметрической настройкой

Предполагает использовать для проектирования ТП изготовления изделия d ТП-аналог, который имеет аналогичную структуру, но требует изменения параметров. Принятие решения осуществляется так же, как и в предыдущем методе, но добавляется блок параметрической настройки (рисунок 21).

Поисковые предписания, по которым ведется поиск аналогов, имеют большую свободу выбора. Реализовать данный метод можно при помощи ИПС и системами параметрической настройки (например, расчетом режимов резания, нормирования, определения координат положения робота-манипулятора и т. п.). Наиболее широкое применение метод может найти при проектировании вспомогательных и основных операций, которые имеют в качестве аналога типовые ТП.

Рисунок 20 - Схема проектирования технологического процесса методом заимствования ТП-аналога



Рисунок 21 - Схема проектирования ТП методом заимствования ТП-аналога с параметрической настройкой

6.1.3 Метод заимствования ТП-аналога с изменением структуры

Метод заимствования с изменением структуры ТП-аналога (рисунок 22) направлен на использование возможности изготовления группы изделий Di в специализированных производственных подразделениях (рабочих местах, участках и т. д.) с частичной переналадкой ТП на конкретное изделие d, которое адресуется к множеству Di.



Рисунок 22 - Схема проектирования ТП методом заимствования с изменением структуры ТП-аналога

Переналадка заключается в отсутствии в конкретном ТП t отдельных элементов унифицированного ТП (операций, переходов, ходов и т. д.) или замене одного элемента ТП на другой (при условии, что эти элементы взаимозаменяемы). Считается, что ТП на конкретное изделие имеет оригинальную параметрическую настройку. Этот метод предполагает отнесение конкретного изделия d к классу (группе) изделий, объединяемых общностью изготовления. Затем соответствующий этой группе изделий унифицированный ТП tai по данным об изделии d корректируется по составу и связям методом их исключения и последующей параметрической настройкой.

Она отличается от предыдущей добавлением ряда блоков и реализацией первого блока не поисковой процедурой, а процедурой выбора (классификации) решений. Метод может применяться для проектирования схем обработки, маршрутных и операционных ТП обработки и сборки изделий, управляющих программ основных и вспомогательных операций.

Все рассмотренные схемы проектирования реализуются процедурами поиска, выбора и оценки (расчетной процедуры). Развитие схем определяется введением дополнительных блоков, а не полным их изменением.

6.2 Метод анализа

Метод анализа основан на применении унифицированных технологических процессов (УТП). Применение УТП позволяет:

а) сразу войти в область решений, близкую к оптимальной;

б) сократить количество перебираемых вариантов за счет использования типовых технологических решений.

Схема проектирования технологического процесса с использованием метода анализа представлена на рисунке 23.

Рисунок 23 - Схема проектирования технологического процесса с использованием метода анализа

На первом этапе производится адресация (привязка) детали к унифицированному технологическому процессу. Алгоритм адресации основан на сравнении двух объектов (адресуемого объекта и эталона) по общим свойствам, составу и структуре. На основании такого сравнения делается вывод о сходстве объектов и возможности использования эталона, которым является УТП. После того как выбран УТП, производится его анализ и доработка применительно к детали, для обработки которой он был выбран. Для этого исключаются отдельные (ненужные для детали) операции и производится анализ на возможность использования оставшихся унифицированных операций (УО). Алгоритм адресации детали к УО остается тем же, меняются лишь признаки адресации. Доработка унифицированных операций заключается в следующем: а) проверяется возможность использования приспособления при заданной схеме базирования; б) производится удаление отдельных переходов в заданной структуре УО; в) выполняется расчет режимов резания; г) уточняются типоразмеры режущего и измерительного инструментов.

6.3 Метод синтеза

Данный метод основан на синтезе технологических маршрутов и операций. Типизация решений в данном случае выполняется, как правило, на уровне перехода. При этом для каждой поверхности детали производят разделение на промежуточные состояния и выбирают методы их обработки. Разработка технологического маршрута обработки производится не основе анализа размерных связей элементов детали и синтеза схем базирования. Разработка операционной технологии основана на анализе структурных связей в заготовке и детали и синтезе структуры операции.

Технологические процессы, спроектированные методом синтеза, приближаются по степени учета особенностей и по охвату разнообразных типоразмеров деталей к единичным технологическим процессам.

Общая постановка проблемы автоматизированного проектирования заключается в создании единой интегрированной системы, позволяющей использовать все три рассмотренных метода проектирования. Проектирование в этом случае выполняется в три этапа. На первом этапе оно ведется на основе использования унифицированных технологических процессов. Если для некоторых деталей не удалось спроектировать процесс на базе УТП, производится синтез технологического процесса с использованием отдельных типовых решений. В случае неудачи синтеза проектирование осуществляется на основе «случайной аналогии» с использованием механизма диалога и ИПС.

7. Информационное обеспечение САПР ТП

В процессе проектирования возникает необходимость в привлечении различной справочной информации: ГОСТов, нормалей, руководящих материалов, паспортных данных станков и т. д. Вся эта информация, описанная формализовано, составляет информационное обеспечение. Формы представления его могут быть различными: от элементарных справочных таблиц до описаний с использованием проблемно ориентированных языков.

7.1 Справочные таблицы

Справочные таблицы используют для описания характеристик, закладываемых в систему типовых решений (станков, инструментов, оснастки и др.), а также всей нормативно-справочной информации. Структура справочной таблицы и принцип работы с ней показан на рисунке 24.

Рисунок 24 - Структурная схема справочной таблицы

В качестве примера формализованной справочной таблицы можно привести характеристики шлифовальных станков, пример выбора которых рассмотрен выше.

Алгоритм чтения такой таблицы состоит в поиске по столбцу типовых решений соответствующей строки и в последующем считывании характеристик типового решения, находящихся в данной строке.

Часть информационного обеспечения САПР ТП, содержащая сведения о типовых решениях системы и правилах их принятия, называют технологическим обеспечением. Оно определяет «технологическую квалификацию» ЭВМ. Блочный алгоритм проверки соответствий исходных данных и условий применяемости типовых решений является одной из наиболее наглядных форм представления технологического обеспечения. Однако эта форма представления имеет ряд существенных недостатков:

большой объем программы, т.к. блочные алгоритмы плохо приспособлены к организации унифицированных процедур (например, для каждого типа станка необходимо разрабатывать свою программу);

невозможность оперативного внесения изменений в систему в случае изменения производственной обстановки (это приводит к необходимости вмешательства в проектирующие программы). Это вызвано тем, что характеристики типовых решений размещены непосредственно в программе.

Для устранения этого, технологическое обеспечение должно удовлетворять следующим требованиям:

независимость от алгоритмического обеспечения (алгоритмы не должны содержать характеристик типовых решений);

универсальность формы представления (выбор типовых решений различных задач нужно производить с помощью единой процедуры).

Перечисленным требованиям удовлетворяет табличная форма представления технологического обеспечения (табличные алгоритмы).



7.2 Таблицы решений

Таблицы решений подразделяют на два типа: односторонние и двусторонние. Структура односторонней таблицы решений представлена на рисунке 25.

Рисунок 25 - Структура односторонней таблицы решения

Для представления алгоритма в виде таблицы решений нужно выявить характеристические значения параметров применимости. Для этого удобно использовать графические схемы, позволяющие наглядно представить возможные варианты принятия типовых решений. Отложим на оси L значения длин деталей, оказывающие влияние на выбор типового решения (см. предыдущую лекцию). Это числа 500, 700 и 1400. Они выделяют на оси три (I--III) разрешенных интервалов варьирования параметра, каждый из которых допускает свой набор решений (рисунок 26).

Рисунок 26 - Схема определения характеристических значений параметров применяемости шлифовальных станков



Границы интервалов принято называть характеристическими значениями параметров применяемости. Аналогичные построения можно провести для всех остальных параметров применимости.

Двусторонние таблицы решений имеют структуру, показанную на рисунке 27.

Рисунок 27 - Двусторонняя таблица решения

На рисунке 27 приняты следующие обозначения: и - первая и вторая части комплекса параметров применяемости, и - характеристические значения параметров применяемости, pij - решение

В этом случае комплекс условий применяемости разбивается на два подкомплекса с соответствующими подмножествами параметров применимости. Двусторонние таблицы обычно более компактны, чем односторонние.

Процедура чтения такой таблицы может быть сформирована повторным применением алгоритма чтения односторонней таблицы: сначала поиск в матрице решений Pij нужной строки, затем поиск в данной строке нужного столбца.

7.3 Таблицы соответствий

Таблицы решений предназначены для определения одного единственного решения, что и требуется при технологическом проектировании. Если задача допускает существование сразу нескольких решений и необходимо организовать поиск всех допустимых решений, применяют таблицы соответствий (рисунок 28).

Рисунок 28 - Структура таблицы соответствий

В левой части таблицы соответствий расположена область прибытия рассматриваемого соответствия, т. е. множество решений {Pi}. В верхней части таблицы расположена область отправления, содержащая комплекс параметров применяемости {Пj} и их характеристические значения {Хjk}. Центральную часть таблицы соответствий составляет массив логических переменных likm (матрица соответствии), в которой фиксируются связи между решениями и значениями параметров, определяющими их применяемость. Наличие связи обозначают единицей, отсутствие -- нулем.

При разработке и анализе таблиц соответствий часто применяют штриховку клеток таблицы при наличии связи и оставляют незаштрихованные клетки при ее отсутствии. По таблице соответствий принимают те решения, для которых логические переменные имеют связи для соответствующих значений всех параметров применимости.

7.4 Логические таблицы соответствий

Таблицы соответствий применяют в тех случаях, когда параметры применимости взаимно независимы. Однако условия выбора решения могут быть более сложными. Например, при выборе абразивного материала шлифовального круга для одного и того же сочетания условий по параметру Ra шероховатости детали и скорости vк шлифовального круга (Ra > 1,25 мкм; vk< 35 м/мин) выбирают совершенно разные решения в зависимости от твердости детали: 14А для твердости не превышающей 50 HRC и 33А, 43А, 91А для твердости свыше 50 HRC.

Если для этого алгоритма составить аналогичную таблицу соответствий, она будет давать решения, не предусмотренные алгоритмом. В этом случае условия Ra, vк и HRC являются зависимыми, и принимаемые решения зависят не только от значений этих условий, но и от их сочетаний.

Логические таблицы соответствий позволяют учитывать взаимосвязанность условий применимости. В этих таблицах имеется матрица условий, в которой указано, какие именно сочетания условий применимости определяют выбор того или иного решения. Структура логической таблицы соответствий приведена на рисунке 29.

В логическую таблицу соответствий закладывают две логические матрицы: условий и решений. Элементами этих матриц являются булевы переменные, принимающие значения 1 (да) или 0 (нет). По матрице условий определяют столбец, для которого в матрице решений выбирают все допустимые решения. Алгоритм определения столбца аналогичен алгоритму поиска решения в таблице соответствий.



Пi -параметры применяемости

- характеристические значения параметров применяемости

- логическая матрица условий

- матрица решений

Рисунок 29 - Структура логической таблицы соответствий

7.5 Базы и банки данных

Всю информацию, используемую в САПР ТП можно условно разделить на исходную и производную. К исходной относится информация, существующая до начала машинного проектирования. Производная информация формируется на различных этапах процесса проектирования. Она содержит информацию о маршруте обработки заготовки, режимах резания и т.д.

В свою очередь исходная информация делится на переменную и условно-постоянную. К переменной, главным образом, относится информация о детали, для которой разрабатывается технологический процесс. Условно-постоянная информация состоит из справочной и методической информации, включающей в себя сведения об имеющихся на заводе нормализованных узлах и деталях, оборудовании, инструменте, оснастке и т.п. Эта информация является достаточно стабильной и хранится во внешней памяти ЭВМ.

Вся условно-постоянная информация, необходимая для функционирования САПР, представляется в виде базы данных (БД) .

База данных -- это совокупность всех тех данных, которые обрабатываются в более чем одной программе (модуле). База данных для САПР ТП включает массивы информации об оборудовании, инструментах, приспособлениях, нормах времени, формулировках операций и переходов, технологических и организационных условиях обработки изделий, процедурах принятия решений, сбора и организации данных, а также перечень статистических методов и моделей в пределах проблематики системы и др.

По характеру представления данных, а следовательно, и организации поиска различают информационные подмассивы списковой и табличной структуры. Примером списковой структуры служат паспортные данные, оборудования, а табличной -- таблицы зависимости подач станка от требуемой шероховатости обрабатываемой поверхности или зависимости величины угла при вершине сверла от вида обрабатываемого материала и др.

Для использования БД необходимо специальное программное обеспечение, которое производит выборку данных прикладными программами, запись новых данных, удаление старых ненужных записей, перезапись файлов с одних машинных носителей на другие.

Совокупность программ, обслуживающих БД, называется системой управления базой данных (СУБД). К основным функциям СУБД относят следующие: определение и инициализацию БД; организацию хранения данных; предоставление пользователям доступа к БД; защиту целостности БД; управление доступом к БД; поддержание функций системного персонала; поддержание технологического процесса функционирования системы БД -- СУБД.

БД и СУБД вместе образуют банк данных, который чаще называют автоматизированным банком данных (АБД). АБД создают как обслуживающую подсистему и используют для автоматизированного обеспечения необходимыми данными подсистем САПР.



8. Лингвистическое обеспечение САПР ТП

Лингвистическое обеспечение - совокупность языков, используемых в процессе разработки и эксплуатации САПР.

Под «языком» понимается любое средство общения, любая система символов и знаков для представления и обмена информацией.

Лингвистическое обеспечение образуется следующими языками:

программирования;

управления;

проектирования.

Языки программирования необходимы для создания программного обеспечения при разработке САПР. В принципе языки программирования относят и к программному обеспечению САПР. Здесь мы их подробно рассматривать не будем, информация о них приведена в специальной литературе. Напомним лишь, что к наиболее распространенным языкам программирования относятся Pascal, Fortran, Basic, Си (различных версий). В настоящее время на их базе разработаны и повсеместно используются среды программирования такие, как, соответственно, Delphi, Visual Fortran, Visual Basic, Visual Си (также различных версий).

Языки управления служат для управления ЭВМ, периферийными устройствами. Это операционная система Windows, драйверы принтеров и т.д. Эти языки также относят и к программному обеспечению САПР. Они в требуемом в данном курсе объеме были описаны ранее.

Языки проектирования ориентированы на пользователей - проектировщиков и предназначены для эксплуатации САПР, в том числе и САПР технологических процессов (САПР ТП). На них мы и остановимся более подробно. Эта группа языков делится на:

входные;

внутренние;

выходные.

Входные языки являются средством взаимодействия конечного пользователя с САПР, например, в ходе подготовки и ввода исходных данных или формирования проблемы.

Внутренние языки обычно скрыты от рядового пользователя и служат для представления информации, передаваемой между различными подсистемами САПР и ЭВМ.

Выходные языки обеспечивают оформление результатов проектирования в текстовом или графическом виде.

Такое деление языков проектирования можно назвать классическим. В различных САПР ТП они могут применяться с различной степенью развернутости и в различном исполнении. В одних САПР ТП, реализующих, например, принцип синтеза технологических процессов, информация о детали для автоматического проектирования варианта ТП вводится единовременно. В других подобных системах применяется диалоговое проектирование (диалоговый синтез) ТП, и в них информация о детали вводится постепенно по ходу проектирования технологического процесса.

Так или иначе место языков проектирования на различных этапах переработки информации в САПР ТП (один из вариантов) показано на рисунке 30.

Рисунок 30 - Преобразование информации в САПР

В вопросе формализации описания технологической информации можно выделить два принципиальных методических подхода: разработка комплекса кодировочных ведомостей и использование специального формализованного языка.

При проектировании на базе типовых технологических процессов сначала необходимо найти соответствующий типовой технологический процесс. Для этого вместо чертежа детали достаточно указания, к какому типу она относится. Это можно сделать с помощью классификации деталей и задания классификационных признаков типа. Таким образом, можно описать самую трудную часть сведений о детали (ее геометрию). Сведения о размерах и других требованиях можно описать с помощью специальных кодировочных таблиц, разрабатываемых для каждого типа деталей или группы типов.

При синтезе технологического процесса, когда задачи технологического проектирования решают, исходя из конкретной геометрии детали, ее индивидуальных особенностей, необходимо описание каждой поверхности детали, всех подробностей ее формы. Поэтому в системах проектирования единичных технологических процессов для описания исходных данных используют формализованные проблемно ориентированные языки, обладающие большей инвариантностью относительно вида детали и поэтому более универсальные.

8.1 Формализация описания технологической информации на базе классификации

Проектирование на базе типовых технологических процессов с применением средств вычислительной техники осуществляют с использованием конструкторско-технологической классификации. С целью создания единой системы конструкторско-технологической классификации деталей разработаны «Общесоюзный классификатор промышленной и сельскохозяйственной продукции» (ОКП) и «Технологический классификатор деталей машиностроения и приборостроения». Процесс кодирования деталей заключается в присвоении детали цифрового кода классификационной характеристики ее конструктивных признаков по высшим классификационным группировкам ОКП, затем дополнение его буквенно-цифровыми кодами основных технологических признаков. Структура конструкторско-технологического кода деталей класса «тела вращения» приведена на рисунке 31.

Конструкторский код состоит из 14 знаков: ХХХХ -- индекс предприятия-разработчика; XX ХХХХ-- высшая классификационная группировка ОКП; ХХХХ -- регистрационный номер. Высшая классификационная группировка ОКП построена по иерархическому принципу: XX -- класс; X -- подкласс; X -- группа; X -- подгруппа; X -- вид. Для деталей общего машиностроения выделено два класса: класс 40 «Детали -- тела вращения» и класс 50 «Детали -- кроме тел вращения».

Для однозначного выбора соответствующего типового технологического процесса одних конструктивных признаков недостаточно. Необходимы, например, еще сведения о габаритных размерах детали, ее материале. Для этого нужно воспользоваться соответствующими кодами, предусмотренными в «Технологическом классификаторе деталей машиностроения и приборостроения». Указанные на рисунке 31 шесть разрядов составляют признаки основного технологического кода детали. Группа материала является обобщенным признаком и ее определяют по кодировочной таблице. Размерная характеристика также представляет собой обобщенный признак, кодирование которого зависит от конструкторского кода детали.



Рисунок 31 - Схема конструкторско-технологического кода деталей.

В системах, имеющих большой банк типовых технологических процессов и проектирующих технологические процессы с подробной проработкой операций, для выбора типового технологического процесса может оказаться недостаточно основного кода и потребуется описание технологических особенностей детали. Для этого используют дополнительный технологический код, описывающий шесть признаков: XX -- вид исходной заготовки; XX -- степень точности; X -- параметр шероховатости; X -- характеристика элементов зубчатого зацепления; X -- характеристика термической обработки; X -- характеристика массы. Для формирования дополнительного технологического кода в технологическом классификаторе содержатся специальные кодировочные таблицы.

Таким образом, на базе единой общесоюзной классификации формируют конструкторско-технологический код детали. Этот код объединяют в одну группу родственные детали, которые могут быть обработаны по близким технологическим процессам. Поэтому сформированный код детали может служить ключом для поиска типового технологического процесса.



8.2 Таблица кодированных сведений

Для анализа типового технологического процесса и разработки на его основе технологии изготовления конкретной детали недостаточно ее конструкторско-технологического кода. Нужны подробные сведения о детали, размерах всех ее элементов, требованиях по точности исполнения размеров, погрешности формы и взаимного расположения элементов, параметрах шероховатости поверхностей и т. д. Эти сведения описываются в таблице кодированных сведений (Т КС). Вид и структура ТКС могут быть различными. Если таблица кодированных сведений (ТКС) предназначена для описания одного типа детали и имеет структуру, соответствующую только этому типу, ее называют элементарной. Если таблица ориентирована на описание различных типов деталей, ее называют обобщенной.

Информацию, заносимую в обобщенную ТКС, подразделяют на четыре группы: общие сведения о детали, сведения о заготовке, основных поверхностях детали, особенностях на основных поверхностях (вспомогательные поверхности (резьбах, канавках и т, д.), погрешности формы) . Общие сведения о детали проставляют непосредственно с чертежа детали.

При кодировании сведений об основных поверхностях деталь условно делят на отдельные участки секущими плоскостями, проходящими по основным торцовым поверхностям перпендикулярно оси детали. Следы этих плоскостей называют линейными границами. Участок наружной или внутренней цилиндрической поверхности, заключенный между линейными границами, должен иметь единый диаметральный размер и одинаковую степень точности и параметр шероховатости по всей своей длине. Наружные линейные границы обозначают на чертеже цифрами 1, 2, 3 и т. д., внутренние 1', 2', 3' и т. д. (номера внутренних линейных границ в кодировочной ведомости обозначают цифрами без штрихов). Линейные границы начинают нумеровать с правого крайнего торца детали. Информацию о поверхностях детали заносят в соответствующие разделы ТКС последовательно: сначала о наружных диаметрах, затем о наружных длинах и далее о внутренних диаметрах и длинах.

При кодировании сведений об особенностях на поверхностях детали используют специальные таблицы, в которых приведены особенности поверхностей, их коды и набор характеризующих их параметров. Сведения об особенностях детали кодируют в определенной последовательности: на наружных поверхностях, на наружных торцах, затем на внутренних поверхностях и торцах.

8.3 Проблемно-ориентированные языки

Второй методический подход к формализации представления технологической информации состоит в описании ее с помощью специального формального проблемно ориентированного языка. Существует несколько таких языков, позволяющих с той или иной степенью подробности описывать технологическую информацию разного характера и назначения.

...