Математическое моделирование и автоматизация процедур обеспечения технологичности конструкций деталей в условиях применения интегрированных САПР

Размещено на http://www.allbest.ru/

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕДУР ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ДЕТАЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ПРИМЕНЕНИЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ САПР

интеллектуальный автоматизированный система

ШКАБЕРИН В.А.

The article describes mathematical models and solution principles of constructive elements computer-aided manufacturability procedures in the integrated CAD-CAM systems environment. The structural scheme is given and the operating order of an intellectual automated subsystem providing structural details forms manufacturability is described

Разработка нового изделия - сложная конструкторская задача, связанная не только с достижением требуемого технического уровня этого изделия, но и с приданием его конструкции таких свойств, которые позволяют максимально снизить затраты труда, материалов, энергии на его разработку, изготовление, техническое обслуживание и ремонт, т.е. с обеспечением его технологичности. Обеспечение технологичности конструкций изделий (ТКИ) - важная функция подготовки производства, предусматривающая взаимосвязанное решение конструкторских и технологических задач, направленных на повышение производительности труда, достижение оптимальных трудовых и материальных затрат, сокращение времени на производство, техническое обслуживание и ремонт изделия.

Основная доля работ по обеспечению ТКИ должна проводиться на стадиях конструкторской подготовки производства. В процессе всего цикла проектирования конструктор обязан сверять допустимые конструктивные решения с требованиями обеспечения технологичности с учетом конкретных условий производства. Если требования производства при проектировании учитываются в недостаточной мере, то при изготовлении и восстановлении деталей возникают затруднения, которые удлиняют сроки подготовки производства, могут вызвать дополнительную потребность в технологической оснастке и привести к увеличению трудоемкости проектирования и изготовления изделия, что в конечном итоге приведет к увеличению себестоимости продукции. На практике большое распространение получили рекомендательные материалы, отражающие комплекс технологических требований, предъявляемых к конструкциям деталей по видам их производства, учитывающие некоторые особенности оборудования, организации производства и др. [1]. Получение такой информации на стадиях проектирования деталей позволяет конструктору учесть множество технологических требований, что обеспечит значительное сокращение затрат на подготовку производства.

В настоящее время ядром программно-методического комплекса компьютерной подготовки производства промышленного предприятия или деятельности проектной организации являются интегрированные САПР (CAD/CAM/CAE-системы). Однако широкое внедрение интегрированных САПР в машиностроении и использование их при подготовке производства не затрагивает множество вопросов отработки изделий на технологичность, главным образом, из-за отсутствия формализованных методов их решений. Развитие СAD/CAM/CAE-систем неразрывно связано с CALS-технологиями - современными информационными технологиями для интеграции процессов, выполняющихся в ходе всего жизненного цикла продукции и ее компонентов. Обеспечение ТКИ в настоящее время также необходимо рассматривать в рамках концепции CALS.

Одной из трудно формализуемых задач является отработка деталей на технологичность конструктивных форм. Для решения этой задачи была предложена новая методика обеспечения технологичности конструктивных форм деталей (ТКФД), предусматривающая использование специализированной интеллектуальной автоматизированной подсистемы на ранних этапах конструирования изделия при использовании CAD/CAM/CAE - систем. Концепция автоматизированного обеспечения ТКФД учитывает как особенности современных CAD/CAM/CAE-систем, так и методологию построения экспертных систем.

В основу предлагаемой методики автоматизированной отработки деталей на технологичность конструктивных форм был положен поэлементный способ отработки конструкций на технологичность, регламентированный ГОСТ 14.204-73*. Методика основана на представлении рекомендаций, направленных на обеспечение ТКФД, в формализованном виде как требований к отдельным конструктивно-технологическим элементам (КТЭ) или их сочетаниям, что позволяет при оценке ТКФД обнаруживать нетехнологичные КТЭ и их сочетания в описании конструкции анализируемой детали на основе метода декомпозиции. При этом деталь представляется как совокупность находящихся в определенных отношениях КТЭ.

Для автоматизации отработки деталей на технологичность конструктивных форм был предложен принципиально новый подход, основанный на последовательном выполнении этапов, представленных на рисунке 1.

Рисунок 1 - Основные этапы методики автоматизированной отработки деталей на технологичность конструктивных форм

Использование представленных в формализованном виде технологических рекомендаций при отработке на технологичность имеет ряд преимуществ перед использованием изделий-аналогов. Этот метод позволяет более адекватно и динамично отражать изменения в технологическом оснащении и организационно-технических условиях предприятия, своевременно ограничивая или расширяя область возможных конструкторских решений. Наличие документированных в электронной форме технологических рекомендаций делает возможным использование их конструктором на стадиях разработки изделий, что позволяет ему учесть все действующие на предприятии технологические требования и типовые рекомендации и тем самым существенно упрощает процесс конструирования и дальнейшего согласования конструкций изделий с технологическими службами.

Сформулированы необходимые для простейшей реализации предложенного метода автоматизированной отработки деталей на ТКФ требования, которым должна удовлетворять САПР машиностроительных объектов (рис. 1). Их сущность состоит в следующем:

1. Детали должны формироваться из заранее определенных параметрических КТЭ, т.е. САПР должна основываться на генерирующем принципе. Это предполагает, что вид ИМ каждого КТЭ заранее известен. Использование свойств параметризации позволяет легко вносить изменения в конструкцию детали.

2. Необходимо обеспечить двунаправленную связь между ГО и ИМ детали. Это означает, что по ИМ может быть автоматически сформирован ГО детали, и наоборот - по синтезированному ГО детали может быть сформирована ее ИМ. Данное свойство позволит конструктору не задумываться о кодировании детали, а просто формировать ее ГО. Подсистема обеспечения ТКФД будет анализировать ИМ детали, изменять ее в соответствии с технологическими рекомендациями и передавать в САПР, где по измененной ИМ автоматически будет формироваться новый ГО детали.

В результате теоретического анализа было установлено, что методология автоматизации обеспечения ТКФД хорошо согласуется с типовой схемой построения и функционирования экспертных продукционных систем. При этом база знаний будет содержать представленные в формализованном виде технологические рекомендации, а в рабочей памяти будет содержаться ИМ анализируемой детали. При срабатывании рекомендации требуется изменение геометрии детали и, следовательно, ее ИМ, находящейся в рабочей памяти. Для обеспечения ТКФД целесообразно применение прямого вывода, действие которого основано на применении правила вывода modus ponens.

Рассмотрим основные принципы работы интеллектуальной автоматизированной подсистемы обеспечения ТКФД (рис. 2) и математические методы решения задач, возникающих при обеспечении ТКФД [2, 3].

Деталь формируется в CAD-системе из КТЭ (макроэлементов), таких как цилиндрические, конические, резьбовые поверхности, канавки, пазы, лыски и др. Причем проектирование может быть на основе как 2-D, так и 3-D моделей. В соответствии с принятым предметно-ориентированным языком описания деталей создается информационная модель (ИМ), выступающая входным параметром для подсистемы обеспечения ТКФД и содержащая сведения о геометрических параметрах КТЭ детали, шероховатости, точности взаимного расположения поверхностей, размерах и др.

Автоматизированное распознавание конструкторско-технологического образа детали является сложной самостоятельной задачей, которая весьма актуальна в настоящее время для российских предприятий при обеспечении сквозного цикла автоматизации подготовки технологической документации. Выявлены и проанализированы методы проведения процесса распознавания конструкторско-технологического образа детали (ИМ детали):

1. Распознавание на основе анализа описаний на внутренних языках представления чертежей и 3D моделей или распространенных в СAD/CAM/CAE-системах языках для обмена ИМ изделий (DXF, IGES, STEP и др.). Этот подход весьма трудоемок и требует создания программ-анализаторов-перекодировщиков.

2. Формирование ИМ детали, когда проектирование детали ведется путем синтеза из заранее определенных КТЭ, которые могут состоять из нескольких элементарных поверхностей, образующих определенную структуру, например, шпоночные пазы, канавки, зубья и т.д. ИМ каждого КТЭ однозначно определена.

На основе проведенных исследований сформулирован и обоснован подход к распознаванию конструкторско-технологического образа деталей, целесообразный при построении автоматизированной подсистемы обеспечения ТКФД и соответствующий второму из рассмотренных методов. Его сущность состоит в том, что для каждого класса деталей можно выявить набор типовых КТЭ. Деталь рассматривается как объект, состоящий из КТЭ, между которыми по определенным правилам установлены отношения (размерная связь, виды взаимного расположения поверхностей и др.). Каждый КТЭ описывается как кортеж геометрических и негеометрических параметров, представляющий собой ИМ КТЭ. ИМ каждого КТЭ, содержащегося в конструкции детали, формируется конструктором в процессе проектирования детали и генерируется САПР автоматически после окончания проектирования. Кроме описаний всех КТЭ, в ИМ детали входят конструктивно-технологические признаки, характеризующие деталь в целом. Эти признаки являются производными от совокупности описаний КТЭ. Указанный подход возможен как в системах 2D, так и 3D моделирования. Наиболее простая реализация предлагаемого подхода - применение атрибутов текстовой информации, присоединяемой к геометрическим объектам.

Рисунок 2 - Структура интеллектуальной автоматизированной подсистемы обеспечения технологичности конструктивных форм деталей

Основу интеллектуальной подсистемы составляет база знаний (БЗ) рекомендаций, направленных на обеспечение ТКФД. В БЗ содержатся пять основных групп данных по каждой из рекомендаций (рис. 2). Также могут содержаться данные о принадлежности рекомендации к одной или нескольким классификационным группам. Разработана многоуровневая классификация рекомендаций, направленных на повышение ТКФД, по ряду независимых признаков. Основными из них являются: тип детали; материал детали; технологический метод получения детали; преследуемые технологические цели; вид КТЭ или их сочетаний, к которым предъявляются технологические требования; технологическое оборудование и оснащение, для которого актуальны предлагаемые рекомендации.

Для формализации процедур представления технологических рекомендаций, направленных на обеспечение ТКФД, их структура описывается в виде эмпирических импликаций (правил продукций):

A1...AnB,

где A1,..., An, B - в общем случае булевы комбинации элементарных формул.

Для решения задачи формализации представления рекомендаций, направленных на обеспечение ТКФД, в качестве B описывается измененная конструкция детали, Ai - одна из составных частей сложного условия применения рекомендации, 1 i n.

Применение эмпирических импликаций связано с обеспечением стереотипного реагирования и распознавания. Для обеспечения автоматизации распознавания в конструкции детали нетехнологичных сочетаний конструктивных форм (КФ) в качестве одного из структурных компонентов необходимо в состав рекомендации ввести формализованный запрос для определения соответствия детали требованиям рекомендации, который представляет собой кодированные сведения о нетехнологичном сочетании. Решение задачи автоматизации обнаружения нетехнологичного конструктивного сочетания в детали основывается на обеспечении совместимости языка представления нетехнологичных сочетаний с языком описания деталей (ИМ деталей). Реализация стереотипного реагирования для каждой рекомендации по обеспечению ТКФД связана с автоматизированным изменением конструкции детали посредством изменения ее ИМ. Для этого в состав рекомендации вводится алгоритм изменения нетехнологичного сочетания, который также должен соответствовать терминам языка описания деталей.

В табл. 1 представлены типовые структурные элементы рекомендаций по улучшению ТКФД, сгруппированные в 4 функциональных блока.

Таблица 1 - Структурные элементы формализованных рекомендаций для обеспечения ТКФД

Каждой рекомендации также приписывается кортеж дополнительной информации: идентификатор (номер) рекомендации в базе знаний; идентификатор лица, заполнившего рекомендацию; дата внесения рекомендации в базу знаний; признак применяемости рекомендации, предназначенный для исключения рекомендации из рассмотрения без ее реального удаления из БЗ.

Для классификации деталей по группам со сходными конструктивно-технологическими характеристиками могут быть эффективно использованы классификатор ЕСКД и технологический классификатор деталей машиностроения и приборостроения (ТКД). Применение этих классификаторов позволило создать удобный интерфейс для стыковки различных систем конструкторско-технологического назначения на единой информационной базе, а также эффективно использовать подсистему для разработанных вручную чертежей деталей, описанных на основе конструкторско-технологического кода (по классификатору ЕСКД и ТКД). Этот подход реализован в модулях 1 и 2 (рис 2.).

Модуль 3 позволяет на основе использования конструкторско-технологического кода детали произвести из БЗ рекомендаций выборку, т.е. отбросить часть рекомендаций, определенно не соответствующих КФ детали, и тем самым сузить область возможных решений. Модуль 4 служит для автоматического обнаружения нетехнологичного сочетания КФ в анализируемой детали. Если в конструкции детали обнаружено нетехнологичное сочетание, соответствующее формализованному запросу, то в модуле 5 оно выделяется на ГО детали заранее определенным цветом. С помощью модуля 6 выводится текстовое описание рекомендации с графическими примерами нетехнологичного и технологичного сочетаний КФ. Конструктор просматривает рекомендацию и принимает решение об ее актуальности для разрабатываемой детали. Модуль 7 позволяет рассчитать количественные показатели технологичности в диалоговом режиме. Если технологическая рекомендация принимается конструктором, то в модуле 8 на основании формализованного алгоритма для этой рекомендации формируется процедура изменения конструкции реальной детали, позволяющая автоматически внести эти изменения в графический образ (ГО). Если обеспечить автоматическое изменение ГО детали невозможно, то конструктор редактирует КФ детали вручную c использованием средств графического редактора САПР. После любого изменения ГО детали, дальнейший анализ ее технологичности ведется по обновленной ИМ. Модуль 9 позволяет представлять рекомендации в формализованном виде, ранжировать и оперативно редактировать их с учетом изменения условий производства. Доступ к модулю 9 должны иметь специалисты из отдела главного технолога или бюро технологичности.

Интеллектуальная автоматизированная подсистема обеспечения ТКФД может эффективно использоваться: 1) в качестве информационно-справочной системы для конструкторов непосредственно в процессе проектирования деталей и сборочных единиц; 2) для формализованного представления технологами новых рекомендаций; 3) обучения и повышения квалификации инженерных кадров (конструкторов и технологов).

ЛИТЕРАТУРА

1. Амиров, Ю.Д. Технологичность конструкции изделия [Текст]: справ. / Ю.Д. Амиров, Т.К. Алферова, П.Н. Волков [и др.]; под общ. ред. Ю.Д. Амирова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 768 с.

2. Аверченков, В.И. Автоматизация обеспечения технологичности КФ деталей [Текст] /В.И. Аверченков, В.А. Шкаберин // Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Межвуз. сб. науч. тр. - Волгоград: ВолГТУ.- 2000. - С.9 -14.

3. Шкаберин, В.А. Математическое моделирование процедур автоматизированного обеспечения технологичности конструкций деталей в условиях применения интегрированных САПР (CAD/CAM-систем) [Текст] / В.И. Аверченков, В.А. Шкаберин// Вестник Брянского государственного технического университета: научно-технический журнал, 2004. - С.82-90.

Размещено на Allbest.ru