Объект автоматизации в САПР ТП
Объектом автоматизации в САПР ТП является проектирование.
Проектирование ‒ это интеллектуальная деятельность человека (группы людей), результатом которой является описание создаваемого объекта. В САПР ТП объектом проектирования является технологический процесс.
Проектирование состоит из последовательности рутинных (нетворческих) и творческих операций. К числу рутинных относятся расчеты по известным методикам, поиск информации, оформление документации. Рутинные операции занимают больше половины времени от общей трудоемкости проектирования. САПР способна снизить трудоемкость этих операций, используя возможности программных и аппаратных средств: хранение, передача и обработка данных, ввод-вывод текстовой и графической информации [1, 2].
Большинство операций рутинного характера являются типовыми, т.е. имеют общую последовательность действий. Для их выполнения требуется постановка задачи, исходные данные и последовательность выполнения. Например, для решения размерной цепи, потребуется ввести информацию о замыкающем звене и увеличивающих или уменьшающих составляющих звеньях и выбрать метод решения, который описан алгоритмом, хранящимся в памяти ЭВМ.
Алгоритм – это предписание, определяющее последовательность и содержание математических и логических действий. На его основе создается программа. Алгоритм и работа составленной по нему программы поясняются блок-схемой.
Операции творческого характера не являются типовыми, поэтому их невозможно описать одним алгоритмом, для их выполнения требуются опыт, знания и навыки инженера, которыми САПР не обладает. Возможность хранения в САПР больших объемов справочных данных и алгоритмов типовых операций позволяет ей выполнять рутинные работы, по результатам которых инженер принимает решение.
Способы автоматизированного проектирования следует искать из анализа структуры ТП и логики принятия технологом решений без применения ПЭВМ.
ТП состоит из последовательности операций, связанных между собой и состоящих из установов и переходов, как это показано на рис. 3. Операция выполняется на одном рабочем месте (на единице технологического оснащения) за один или несколько установов обрабатываемой заготовки в приспособлении, определенным набором инструментов. На одном установе возможно несколько рабочих позиций заготовки (например, при установке корпусной детали на поворотном столе). В каждой позиции выполняется несколько переходов разнообразным инструментом. Для выполнения одного перехода потребуется несколько рабочих и вспомогательных ходов инструмента. Поэтому структуру ТП следует рассматривать как совокупность элементов разного уровня. Операция является элементом высокого уровня, а переход – элемент низкого уровня. Под элементом низкого уровня можно рассматривать проход инструмента в переходе.
 |
| Рис. 3. Пример структуры ТП обработки резанием: О – операция, У – установ, П – переход |
Операция, содержащая больше одного установа, характерна для обработки сложной детали на станке с широкими технологическими возможностями. В операциях изготовления простых изделий могут отсутствовать установы, а в ТП массового производства установы и часть переходов будут выделены в отдельные операции. Отличие ТП определяется последовательностью и содержанием структурных элементов.
Логика формирования операций, переходов и ТП реализуется двумя основными способами: от частного к общему либо от общего к частному. В логической цепочке мыслительной деятельности технолога общим может являться ТП и операция, и соответственно к частному следует отнести операцию и переход, в зависимости от имеющейся исходной информации для разработки ТП. Если ТП разрабатывается на основании унифицированного ТП, то сначала решается общий вопрос по структуре ТП, а затем переходят к решению частных вопросов относительно содержания (структуры) операций и переходов. Обратная последовательность характерна при работе без унифицированного ТП, когда по конструкции заготовки, детали и годовой программе принимаются методы обработки поверхностей, схемы базирования, составляются переходы, установы, формируются операции и приходят к общему решению – маршрутному ТП.
Большинство структурных элементов ТП различных изделий, несмотря на различия в технологии и конструкции, имеют подобную структуру или (и) содержание. Поэтому независимо от логики суждений технолога содержание разработки ТП можно рассматривать как последовательность выбора типовых решений (типовые средства технологического оснащения, типовые операции, установы, переходы или проходы) под заданную конструкцию изделия и заготовки при годовой программе выпуска. Выбор обоснован условиями принятия решения, которые вводит пользователь в режиме диалога, либо автоматически выбирается программой из базы условий. Условия выбора типовых решений формулируются пользователем и вводятся в базу условий для прикладной программы, которая применяет их при составлении ТП на технологически подобные изделия.
На рис. 4 показана блок-схема алгоритма принятия типовых решений:
блок 1 – имеющиеся множества типовых решений;
блок 2 – вызов типового решения;
блок 3 – условие выбора вызванного решения;
блок 4 – ввод условия выбора решения;
блок 5 – логическое суммирование типовых решений для формирования частного (или общего) решения;
блок 6 – условие получения частного (или общего) решения;
блок 7 – ввод условия формирования частного (или общего) решения;
блок 8 – если решение сформировано, тогда оно выводится на монитор;
 |
| Рис. 4. Блок-схема алгоритма выбора типового решения |
блок 9 – если решение не сформировано по условию блока 6 или предложенное типовое решение не выбрано по условию блока 3, тогда проверяется условие окончания перебора всего множества, если нет, тогда вызывается (блок 2) следующее типовое решение из множества в блоке 1;
блок 10 – если все типовые решения проверены (условие блока 9 выполняется), тогда требуется ввести требуемое типовое решение, которое будет добавлено в блоке 1 к имеющемуся множеству и вызвано (блок 2) для проверки по условию блока 3 и формирования частного (или общего решения) по условию блока 6.
Результатом работы по предложенному алгоритму может стать несколько вариантов ТП, поэтому следующей задачей технолога станет выбор наиболее эффективного варианта. Для решения этой задачи без применения САПР технолог использует опыт и качественные оценки, которые не всегда обеспечивают требуемого качества результата.
Качество процесса проектирования резко повышается, если на каждом уровне проектирования выполнять автоматизированный отбор рациональных вариантов проектных решений по результатам расчета количественных характеристик. Однако при этом возникает проблема формирования критериев промежуточного отбора наиболее рациональных вариантов на различных уровнях. Например, на уровне (этапе) выбора заготовки анализ вариантов проводится по критерию «себестоимость заготовки». Этот критерий не является до конца объективным, потому что не характеризует затраты на последующую обработку для достижения требуемого качества. Простая заготовка (например, круглый прокат для изготовления ступенчатого вала) не обеспечит снижение затрат на обработку резанием. Сложные заготовки (поковки, полученные на молоте, на горизонтально-ковочной или на ротационно-ковочной машинах), окажут разное влияние на затраты последующей обработки. Поэтому в качестве критерия следует использовать суммарную стоимость заготовки и механической обработки при заданной годовой программе выпуска. Себестоимость детали можно рассчитать только после разработки всех вариантов ТП и выбрать наиболее экономичный. Проработка технологий получения заготовок и их последующей обработки с последующим расчетом затрат при заданной программе выпуска без применения САПР потребует значительных затрат времени. При помощи современных быстродействующих компьютеров перебор всех вариантов не потребует значительных затрат времени, позволит сформировать альтернативные ТП для подобных изделий с другой программой выпуска, что особенно важно в условиях гибкого автоматизированного производства.
Цели и задачи САПР ТП
Задача технолога состоит в снижении затрат на достижение требуемого качества изделия. САПР ТП является инструментом в работе технолога и должна способствовать повышению производительности его труда и улучшению качества результатов его работы [1]. Цели внедрения САПР ТП и задачи, решаемые для их достижения, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Цели и задачи САПР ТП
| Цели САПР ТП | Задачи САПР ТП | |
| Сокращение длительности цикла подготовки производства | Автоматизация принятия решений | |
| Параллельное выполнение работ | ||
| Систематизация изделий и технологий | ||
| Информационная поддержка | ||
| Автоматизация оформления документации | ||
| Анализ принимаемых решений и моделирование разрабатываемых технологий | ||
| Повышение качества разработки ТП |
Длительность цикла подготовки производства сокращается при автоматизированном решении задач и параллельном выполнении конструкторских, технологических и плановых разработок. Каждый специалист приступает к выполнению своих задач, как только в системе появляются необходимые ему исходные данные, являющиеся результатом работы другого инженера. Параллельная работа реализуется в интегрированной САПР, предоставляющей средства и ресурсы для специалистов различных отделов, объединенных задачами подготовки производства изделия.
Автоматизация принятия решений достигается с применением программ переработки информации о конструкции изделия для составления ТП его изготовления. Основой программы является алгоритм, реализующий последовательность логических операций и математических действий, которые выполняются инженером при сборе и анализе информации без применения средств автоматизации проектирования. В зависимости от сложности изделия и его сходства с уже освоенными применяются различные методы технологического проектирования.
Проектирование изделия (детали, заготовки, механизма) или технологии его изготовления заключается в создании элементов (фрагментов) конструкции или структуры ТП с последующим образованием связей между ними. Форма, требования качества и взаимное расположение фрагментов конструкции изделия (поверхностей детали, заготовки, деталей механизма) определяют содержание элементов (операций, переходов) и структуру ТП. Каждому изделию и фрагментам его конструкции соответствует возможный набор ТП и содержание их элементов. Применение того или иного варианта из набора определяется возможностями имеющихся средств технологического оснащения и программой выпуска изделия. Для заданных условий производства фрагменты конструкции и соответствующие им элементы ТП имеют типовое содержание.
Поэтому для автоматизированной разработки ТП потребуется информация о наиболее распространенных (типовых) фрагментах конструкций изделий и соответствующих им способах достижения требуемого качества (элементы ТП) либо информация об уже освоенных изделиях и их технологиях. Кроме того, для решения технологических задач необходима информация о средствах технологического оснащения и справочно-нормативные данные.
Автоматизация разработки ТП невозможна без средств информационной поддержки в принятии решений пользователем или системой. Средства информационной поддержки позволяют систематизировать изделия, технологии и их элементы (классификация изделий и технологий).
Заложенные в системе алгоритмы, содержание и объем имеющейся информации определяют возможности САПР и предполагают различную долю участия пользователя в принятии решений. По этому признаку выделяют автоматический и диалоговый режимы разработки ТП.
При разработке ТП принимаются решения, которые отображаются на мониторе и заносятся в шаблоны документов. Таким образом, параллельно разработке ТП составляется документация и сокращается время на ее подготовку.
Качество ТП оценивается экономическим эффектом от внедрения разработанной технологии. Эффект определяется уровнем затрат на обеспечение требуемого качества изделия, изготавливаемого согласно разработанного ТП. Задача проектирования ТП является многовариантной, поэтому для получения качественного ТП необходимо сравнить возможные варианты ТП по достигаемым показателям качества и уровню связанных с этим затрат.
Без средств автоматизации технологического проектирования проработка возможных вариантов ТП займет много времени, поэтому инженер принимает решения, опираясь на собственный опыт, данные нормативной и справочной литературы, применяет опубликованные результаты исследований и опыт работы специалистов других предприятий. В этом случае качество принимаемых решений зависит от опыта инженера и достоверности применяемых источников информации.
Опыт позволяет специалисту получить требуемое решение, исключив ряд промежуточных суждений и некоторые расчеты между исходными данными и конечным результатом. При работе с применением САПР опытный специалист по исходным данным предполагает о содержании решения и ожидает его от системы. Если система предлагает решение отличное от ожидаемого, технологу потребуется средство анализа, чтобы разобраться в образовавшемся противоречии и получить очередной опыт. Для исключения ошибочных решений САПР должна иметь средства анализа и моделирования, которые позволят инженеру решить задачу и уточнить полученные результаты в кратчайшие сроки.
Опыт инженера пополняется со временем, в результате освоения новых изделий. Решения, положительно опробированные в условиях данного предприятия, составляют опыт технолога и должны быть отражены в информационной базе САПР ТП.
В единичном производстве, по причине динамично меняющейся номеклатуры, технолог составляет маршрутный ТП, а содержание операций и качество изделий в первую очередь зависят от квалификации исполнителя. В организационно-технических условиях серийного производства технолог разрабатывает операционный ТП, содержание которого определяет качество изделия. Поэтому в комплексе работ проектирования ТП значительное место занимают расчеты операционных размеров, припусков, размеров заготовки и оценка точности получаемых размеров детали.
Очевидно, что размерный анализ ТП является наиболее трудоемкой задачей проектирования, которая должна быть автоматизирована с применением средств анализа САПР.
Молодому специалисту, не обладающему богатым опытом, потребуется значительное время на выработку рационального решения. Для этого ему необходима информация, хранящаяся в информационной базе САПР ТП, и средства анализа.
Отраженный в САПР опыт специалистов поможет молодому инженеру быстрее получить нужное решение. Поэтому типовые решения, хранящиеся в информационной базе САПР, должны обладать качеством, которое подтверждается положительной опробацией в условиях данного предприятия. Хотя не все решения имеют универсальное применение и должны подвергаться проверке с применением средств анализа.
Существуют задачи, для решения которых, кроме анализа, требуется визуальное моделирование. Примерами таких задач являются разработка технологии сборки и обработки на станках с ЧПУ. Визуализация обработки на станке с ЧПУ позволяет выявить ошибки программирования, опасные ситуации столкновения элементов технологической системы станка, качественнно оценить траекторию и определить необходимые размеры инструмента. Моделирование сборочных единиц позволяет уже при проектировании изделия оценить возможность сборки и наметить ее последовательность.
Геометрические модели объектов производства являются основой для проектирования заготовок и оснастки для их получения (штампы, пресс-формы, модельная оснастка). Проектирование заготовок и оснастки выполняется согласно алгоритмов, основанных на методиках, которые используются при работе без средств автоматизации.
Для разработки технологий получения заготовок используются математические модели, описывающие физические явления, протекающие при литье или обработке давлением. Математические модели позволяют прогнозировать брак, оценить параметры конструкции заготовки и условия проведения операций (температура нагрева и форма исходной заготовки, усилия и скорость деформирования, температура и скорость заливки формы, влажность, состав, поддатливость и температура литейных форм), влияющие на качество. Средства анализа позволяют оценить затраты на получение качественной заготовки.
Средства анализа и моделирования технологий получения заготовок позволяют сократить материальные расходы, время на доводку конструкции изделия и освоение технологии.
Созданная геометрическая модель оснастки (штампа, пресс-формы, кокиля) является основой для разработки технологических процессов изготовления ее деталей, для составления управляющих программ (УП) обработки поверхностей формообразующих деталей, для назначения норм материальных расходов и затрат времени.